Cont e nts
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi
SECTION I: FUNDAMENTALS 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Overview of Terahertz Technology . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Terahertz Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Optics-Based Terahertz System . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 CMOS THz Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 CMOS THz Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 THz CMOS Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 THz CMOS Communication . . . . . . . . . . . . . . 10
2 CMOS Metamaterial Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Non-Resonant-Type Metamaterial . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Composite Right-/Left-Handed T-Line . . . . . . . . . 17
2.2.2 Magnetic Plas mon Waveguide . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Resonant-Type Meta material . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 T-Line Loaded with Split Ring Resonator . . . . . . . 32
2.3.2 T-Line Loaded with Complementary Split Ring
Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 CMOS Coherent THz Electronics by Metamaterial . . . . . . 34
2.4.1 Coherent Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
v
vi Contents
2.4.2 Coherent Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.3 Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.4 Transceiver Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 CMOS THz Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Fractional-Order T-Line Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Fractional Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 Fractional-Order Capacitance and Inductance . . . . . 42
3.2.3 Fractional-Order T-Line Model . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.4 Fractional-Order CRLH T-Line Model . . . . . . . . . 44
3.3 Model Extraction and C ausality Analysis . . . . . . . . . . . 46
3.3.1 Fractional-Order Model Extraction . . . . . . . . . . . 46
3.3.2 Causal LTI System and Causality Enforcement . . . . 47
3.3.3 Causality of T-Line Model . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Prototyping and Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.1 T-Line Fractional-Order Mo de l Verification . . . . . . 50
3.4.2 CRLH T-Line Fractional-Order Model Verification . . 53
3.4.3 Causality Verification and Compa rison . . . . . . . . . 55
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
SECTION II: CMOS TH Z SIGNAL GENERATION 63
4 Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Frequency Tuning by Loaded Transformer . . . . . . . . . . 67
4.2.1 Inductive Tuning Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.2 Inductor-Loade d Transformer by Switching
Return-Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Frequency Tuning by CRLH T-Line . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.1 CRLH T-Line-Based RTW-VCO . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Wide-Band Tuning for CRLH T-Line-Based
RTW-VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Circuit Prototyping and Measure ment . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.1 60-GHz VCO P rototype with Asy mmetr ic
Implementation of Inductive Tuning . . . . . . . . . . 84
4.4.2 60-GHz VCO P rototype with Symmetr ic
Implementation of Inductive Tuning . . . . . . . . . . 91
4.4.3 90-GHz VCO Prototype with CRLH T-Line-Based
RTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Contents vii
5 Coupled Oscillator Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2 In-Phase Signal Generation by MPW . . . . . . . . . . . . . 1 07
5.3 Circuit Prototyping and Measure ment . . . . . . . . . . . . . 109
5.3.1 60 GHz CON Signal Source . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3.2 140 GHz CON Signal Source . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.3 280 GHz CON Signal Source . . . . . . . . . . . . . . 125
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6 Phase-Locked Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2 60-GHz PLL Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3 Circuit Prototyping and Simulation . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.1 Divider Measurement Res ults . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.2 PLL Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
SECTION III: CMOS THZ SIGNAL AMPLIFI-
CATION AND TRANSMISSION 145
7 Power Combiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.2 In-Phase Signal Transmission by CRLH Zero-Phase-Shifter 148
7.3 PA Design with Power Combining Networ k . . . . . . . . . . 1 50
7.3.1 SEDFDA-Bas ed PA Design . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3.2 ZPS-Based 2D Distributed Power Combining fo r PA . 157
7.3.3 Stabilization Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.3.4 Digital Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.4 Circuit Prototyping and Measure ment . . . . . . . . . . . . . 173
7.4.1 60 GHz PA Design with Single-Ended 2×2 Power
Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.4.2 60 GHw PA Design with Differential 2×4 Power
Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.4.3 60 GHz PA Prototype with Differential 4×4 Power
Combining and Digital Control . . . . . . . . . . . . . 181
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8 Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.2 CRLH T-Line-Based Leaky Wave Antenna . . . . . . . . . . 198
8.3 Circularly Polarize d SIW Antenna . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.4 Circuit Prototyping and Measure ment . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.1 280-GHz LWA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.2 280-GHz SIW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
viii Contents
SECTION IV: CMOS THZ SIGNAL DETECTION 211
9 Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.2 Differential TL-SRR Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.2.1 Stacked SRR Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 14
9.2.2 Comparison with Single-Ended TL-SRR Res onator . . 215
9.2.3 Comparison with Standing-Wave Resonator . . . . . . 217
9.3 Differential TL-CSRR Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.4 Circuit Prototyping and Measure ment . . . . . . . . . . . . . 220
9.4.1 76-GHz Differential TL-SRR Resonator . . . . . . . . 220
9.4.2 96-GHz Differential TL-CSRR Resonator . . . . . . . 223
9.4.3 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
10 Super-Regenerative Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.2 Fundamentals of Super-Regenerative Amplification . . . . . 233
10.2.1 Equivalent Circuit of SRA . . . . . . . . . . . . . . . . 234
10.2.2 Frequency Resp onse o f SRA . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.2.3 Sensitivity of SRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.3 Super-Regenerative Receiver by SRR/CSRR Resonator . . . 236
10.3.1 Quench-Controlled Oscillation . . . . . . . . . . . . . 237
10.3.2 SRX Design by TL-CSRR . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.3.3 SRX Design by TL-SRR . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 40
10.4 Circuit Prototyping and Measurement . . . . . . . . . . . . . 244
10.4.1 DTL-CSRR-Based SRX at 96 GHz . . . . . . . . . . . 244
10.4.2 DTL-SRR-Based SRX at 135 GHz . . . . . . . . . . . 24 6
10.4.3 Compariso n and Discussio n . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11 In-Phase Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.2 SRX Sensitivity Enhancement by ZPS-Coupled CON . . . . 251
11.3 Circuit Prototyping and Measurement . . . . . . . . . . . . . 254
11.3.1 SRX Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.3.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
SECTION V: APPLICATIONS 259
12 CMOS THz Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
12.2 135-GHz Narrow-Band Imager by DTL-SRR-B ased SRX . . 263
12.2.1 THz Imaging by SRA Detection . . . . . . . . . . . . 263
Contents ix
12.2.2 Narrow-Band Imaging Results . . . . . . . . . . . . . 263
12.3 240 ∼ 280-GHz Wide-Band Imag er with Heterodyne Receiver 267
12.3.1 Architecture and System Spe cification . . . . . . . . . 2 68
12.3.2 Down-Conversion Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.3.3 Power Gain Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 69
12.3.4 Wide-Band Imaging Results . . . . . . . . . . . . . . . 271
12.3.5 Wide-Band THz Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . 277
12.4 280-GHz Reflective Imaging Sys tem . . . . . . . . . . . . . . 277
12.4.1 Differential Down-Conversion Receiver . . . . . . . . . 279
12.4.2 2D On-Chip Leaky Wave Antenna Array . . . . . . . 283
12.4.3 Transceiver Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
13 CMOS THz Wireless Communication . . . . . . . . . . . . 289
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.2 Massive MIMO Transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
14 CMOS THz Wireline Communication . . . . . . . . . . . . 297
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
14.2 Surface Plasmon Polariton T-Line . . . . . . . . . . . . . . . 299
14.3 SRR Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
14.4 Multi-Channel I/O Transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
14.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
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