致力于太赫茲集成電路的發展
——記國家“青年千人計劃”入選者，電子科技大學教授王政

文/肖延勝

致力于太赫茲集成電路的發展
——記國家“青年千人計劃”入選者，電子科技大學教授王政

文/肖延勝

太赫茲頻段處在毫米波與遠紅外線之間，是人類目前尚未完全開發的電磁波譜空隙區，在超高速通信、雷達、成像、安全檢測等領域具有十分廣闊的應用前景。用集成電路實現太赫茲技術，可以有效地降低系統成本、提高集成度、縮小設備體積、實現便攜化，具有很大的研究價值和社會經濟效應。作為國際上最早從事太赫茲集成電路研究的學者之一，王政教授長期致力于硅基太赫茲集成電路的研究工作，取得了一系列處于國際領先水平的原創性研究成果。在國家大力發展毫米波、太赫茲集成電路的大環境下，王政深感有責任也有義務，將這些年在清華大學、加州大學、美國高通公司的所學所積累帶回國，投入到我國太赫茲集成電路事業的建設中。

王政教授

發現興趣 深入鉆研

2003年王政以九江市理科第一名的成績考入清華大學，出于對于電子的好奇，他最終選擇了清華大學電子工程系。在清華大學學習期間，自身的努力與良好的學術氛圍幫助他打下了扎實的專業知識基礎。在學習和課程設計的過程中，王政發現自己的集成電路設計的理解能力和靈感都特別好，對射頻集成電路設計產生了濃厚的興趣。2010年碩士畢業后，王政選擇前往美國繼續深造，進入了加州大學歐文分校（UCI）的NCIC實驗室，進行博士階段的學習和研究工作。在NCIC實驗室，王政開始接觸到毫米波/太赫茲集成電路設計。

太赫茲作為毫米波的延伸，它所提供的通信帶寬遠大于毫米波，理論上可實現極高速的無線通信。實現太赫茲通信的關鍵在于是否能設計并獲得具有良好性能的太赫茲收發機系統。當其工作頻率接近單個晶體管的最大振蕩頻率時，晶體管的可利用功率增益會顯著下降，使得基于CMOS工藝進行太赫茲放大器的設計十分困難，因此常規的太赫茲收發機系統都是基于高次諧波的系統。而基于高次諧波的系統缺少關鍵的太赫茲放大器，使其發射端的增益、效率，接收端的噪聲抑制能力等方面性能不得不進行折中和妥協。在2011年，國際上基于基頻的硅基太赫茲收發機最高工作頻率在90GHz。這時候王政所在的科研小組提出了一個設想：“有沒有可能做一個200GHz以上工作頻率的基于基頻的硅基太赫茲收發機系統？”實驗室當時能拿到的最先進的工藝是IBM 32nm SOI CMOS工藝，該工藝的單個器件最大振蕩頻率是320GHz。以往的電路設計，工作頻率通常都在單個器件最大振蕩頻率的1/3以下進行。越接近最大振蕩頻率，電路設計越困難。要判斷這個研究工作是否可行，首先需要回答的問題是：工作頻率突破1/2甚至2/3最大振蕩頻率的電路設計，在理論上是否可行？針對這一難題，王政利用他所掌握的知識理論，深入分析和鉆研，通過理論計算，王政證明在理論上，工作頻率極限是可以滿足要求的。解決了理論上是否可行的問題，接下來的問題是如何通過電路實現？在理論分析基礎上，通過不斷探索，王政在體系架構以及電路層面都提出了原創性的新型想法，提出了Over-Neutralization（過中和）等新型技術，以實現工作頻率接近最大振蕩頻率的電路設計。

找準優勢 引領前沿

有了創新理論支撐，王政帶領研究小組完成了電路系統設計。王政采用IBM 32nm SOI CMOS工藝流片，最后成功地展示了國際上首個210GHz基于基頻的全集成CMOS收發機系統，并且演示了無線鏈路的建立，可用于10Gbps+的無線收發系統中。該系統發射端集成了210GHz的源、可用于差分系統的功分網絡、2x2的功率放大器陣列以及2x2的片上天線陣列，接收端集成了210GHz的片上天線、低噪聲放大器以及功率檢測器。該芯片可直接通過片上天線發射和接收信號，所有I/O管腳均為直流或基帶信號，避免了太赫茲信號封裝互聯的難題，具有很強的實用價值。這項創紀錄的研究成果發表于學術界和企業界公認的集成電路設計領域最高級別會議ISSCC 2013上，獲得了國際同行的高度評價。此外，王政及課題組基于90nm SiGe工藝，實現了國際上首個工作于300GHz的全集成硅基頻率綜合器芯片，獲得了寬帶的頻率調制和出色的相位噪聲特性；提出了重疊像素和相控陣相結合的技術，設計并基于0.18μm SiGeBiCMOS工藝實現了新型基于相控陣的W波段的硅基全集成成像系統。

在美國高通公司期間，王政和團隊一起，完成了工業界首個支持LTE40的基于SOI CMOS的移動通信射頻前端芯片，其中的功率放大器芯片采用Envelope Tracking（包絡追蹤）技術，有效地提高了寬帶功率放大器的線性度和效率，并滿足工業界級別的嚴格的可靠性和使用壽命要求。在美國高通公司從事研發工作期間，王政積累了豐富的產業界經驗，對一個探索性的科研成果到實現真正尖端產品的過程中需要考慮的問題和可能的解決方案有著比較全面的認識和經驗的積累。通過自身的不斷努力，王政將先進的理論應用于實踐，創新研究出先進的技術。

回國建設 實現價值

在美國學習、科研、工作的日子平靜而純粹，不知不覺過了7年。王政認為，從事喜歡并且擅長的研究工作本身是非常愉快且充實的。而所做之事如果能夠在實現自我價值的同時，為社會、為祖國產生一定的貢獻，才能帶來真正的滿足感和成就感。中國近年來十分重視毫米波、太赫茲集成電路的發展，亟需相關領域的優秀設計人員和學術帶頭人。王政教授下決心要回到祖國，投身到我國太赫茲集成電路的建設中。王政入選國家第13批“青年千人計劃”，加入電子科技大學，建設實驗室和創新團隊，在原有優勢基礎上，圍繞毫米波、太赫茲集成電路的理論與設計開展研究工作。從建設達到國際一流水平的科研團隊，取得國際領先水平的突破性科研成果；完成科研成果轉化，產生可觀的社會經濟效益；培養毫米波、太赫茲集成電路領域的拔尖創新人才；建設硅基太赫茲集成電路設計課程等方面開展工作，促進我國太赫茲集成電路的發展。

“做自己感興趣、有優勢、有價值的事”。王政教授踐行著自己的理念，繼續在太赫茲集成電路技術研究的道路上努力前行。