A general model of harmonic oscillator is presented. Based on this model, several sources of power loss in harmonic oscillator can be identified. To optimize the output power, fundamental design principle of harmonic oscillator is also presented. Applying this design principle can help to eliminate power losses and effectively increase the output power and DC-to-RF efficiency of harmonic oscillator. A push-push transformer-based oscillator (TBO) topology is adopted as high-power sub-terahertz source in this work. Theoretically, this topology can generate the highest possible harmonic power from a certain transistor. Using 65-nm CMOS technology, a 261 GHz push-push transformer-based oscillator is fabricated. Measurement result shows an output power of -4.7 dBm can be achieved by this oscillator while drawing 15 mA from 1.2 V supply. As the result, this work demonstrates the highest DC-to-RF efficiency among state-of-the-art oscillator around 250 GHz.
본 논문은 일반적인 고조파 발진기에 관한 모델을 제시하였다. 제시된 모델을 통하여 고조파 발진기에서의 여러 파워 손실의 원인들을 규명하였다. 또한 출력 파워 최적화를 고려한 고조파 발진기의 기본 설계 원리를 제시하였다. 이 설계 원리를 이용하여 고조파 발진기의 파워 손실을 줄였으며, 출력 파워와 DC to RF 효율을 효과적으로 증가시켰다. 본 논문에서는 이론적으로 최대의 파워를 생성할 수 있는 푸쉬-푸쉬 트랜스포머 기반의 발진기 구조를 이용하여 고전력 sub-terahertz 신호 발생기를 제작하였다. 65-nm CMOS 공정을 사용하여 261 GHz 푸쉬-푸쉬 트랜스포머 기반 발진기를 구현하였으며, 측정결과 -4.7 dBm의 출력 전력, 18mW의 DC전력소모를 보여주었다. 결과적으로, 본 논문에서 제안된 고조파 발진기는 250 GHz 근처의 state-of-the-art 발진기 중 가장 높은 DC-to-RF 효율을 보여주고있다.
