鉴于太赫兹波独特的优势,太赫兹技术在通信、安防、精确制导、电子对抗以及医学成像等多个领域均具有广阔的应用前景。在太赫兹通信、雷达及成像等系统中,收发前端都是不可或缺的重要组成部分,而由于传统的封装与互联技术在太赫兹频段会产生较大的损耗以及不确定性,同时轻量化、高度集成化是收发前端发展的必然趋势,因此太赫兹单片集成电路乃至集成度更高的片上系统是太赫兹收发子系统的重要发展方向。磷化铟(InP)双异质结晶体管(DHBT)作为最适用于太赫兹频段的器件之一,其优异的高频性能以及大功率、高线性度特性使其成为近年来国内外太赫兹固态器件和电路研究的热点。在太赫兹单片集成电路的实现流程中,先进的器件工艺、准确的测试结果、精准的器件模型以及高效的电路设计四个环节环环相扣,每一个步骤都严重依赖于前序各个环节。因此开展太赫兹InP DHBT收发芯片相关的测试、建模及电路设计等研究对推动太赫兹系统的发展和实际应用具有重要的意义。本文依托国产InP DHBT工艺线,对从太赫兹InP DHBT工作原理、在片测试技术、模型开发到放大器、倍频器、混频器芯片设计的整个流程进行了系统性的研究。本文首先对太赫兹在片测试技术进行了深入研究。针对太赫兹测试系统以及在片测试的寄生效应严重影响测试结果精确度的问题,分别对片外校准+去嵌和片内校准两种技术路线进行了研究,分析了多种常用的校准方法,确定采用传输线-反射-反射-匹配(LRRM)和直通-反射-传输线(TRL)分别作为片外校准和片内校准的方法。一方面对TRL片内校准进行了研究和实现,另一方面在LRRM片外校准的基础上对太赫兹去嵌技术展开了深入研究,通过对两种经典去嵌方法的缺陷分析,提出了一种直通-半直通-短路去嵌技术,基于级联技术精确地表征了焊盘与传输线之间不连续性、互联通孔以及传输线分布效应,大大提升了太赫兹频段的去嵌精度并减小了校准结构所占的芯片面积。最后通过0.2-325 GHz的测试结果对上述的多种校准、去嵌技术进行了对比,验证了直通-半直通-短路去嵌方法的精确性、数据连贯性和操作便捷性,同时获得了相当精确的晶体管测试数据。接着在上述精确测试数据的基础上对InP DHBT器件的太赫兹建模技术进行了研究。针对在太赫兹频段器件外围的寄生效应影响模型精度以及缩放能力的问题,对器件的非本征结构进行了仿真分析,提出了InP DHBT寄生区域的可缩放模型,对器件外围的金属电极、电极柱以及发射极接地条等部分的寄生效应进行了精确表征。然后通过对六个理想结构的三维电磁(EM)仿真完成了模型参数的缩放规则建立和参数提取,并将寄生区域模型和本征部分模型结合在一起建立了完整的InP DHBT大信号缩放模型。该寄生区域模型大大提高了整体模型在太赫兹频段的精度以及缩放的可靠性。最后通过测试数据对模型进行了0.2-325 GHz全频段的验证,其中模型拟合0.5×5μm~2器件的幅度和相位均方根误差分别小于1 dB和5°,同时对其他尺寸InP DHBT器件的太赫兹性能也具有较好的预测能力。然后基于所建立的大信号模型对太赫兹放大器芯片进行了研究和实现。针对太赫兹频段器件增益不足以及电路损耗较大的问题,提出了一种更适用于太赫兹频段的原理图综合设计方法,在原理图设计时就把各种元件的寄生效应包含在匹配网络中,并对电路中的所有功能单元电路进行整体匹配,减少了太赫兹电路中寄生效应带来的误差和损耗,提高了太赫兹电路设计的效率及精度。采用该设计方法设计了多款140 GHz、220 GHz、300 GHz放大器芯片并对其进行了流片、测试。其中140 GHz八路功放芯片在110-145 GHz范围内小信号增益大于14 dB,对应140 GHz处的饱和输出功率以及PAE分别达到16.45 dBm和7.1%;一款220 GHz单路放大器芯片在220 GHz处小信号增益和饱和输出功率分别为15.4 dB和6.2dBm;另一款300 GHz共基极放大器在增益资源极其有限的情况下实现了5.4 dB的300 GHz小信号增益。最后对太赫兹收发前端中的倍频器、混频器电路进行了深入研究。一方面针对太赫兹倍频器的谐波抑制问题,对滤波器和CSRR结构在太赫兹芯片中的适用性进行了研究,并基于高通滤波器和CSRR结构各设计了一款225-255 GHz InP DHBT三倍频芯片,其中采用CSRR结构的三倍频芯片在243 GHz处的实测饱和输出功率为-3.8 dBm,在工作频带内基波和二次谐波抑制度分别优于20 dBc和17dBc,在取得较好谐波抑制性能的同时减小了电路的损耗及占用芯片的面积。另一方面针对有源混频器在太赫兹频段变频增益不足的问题,提出了一种增益增强型混频结构,采用两级混频的形式对第一级混频输出信号中的各次谐波信号进行二次混频,在输入本振信号不变甚至减小的情况下大大提高了混频器的变频增益。接着分别采用传统的单级跨导混频结构和本文所提出的增益增强型混频结构设计了两款210 GHz InP DHBT次谐波上变频混频器,从而通过测试结果对比对该结构进行验证。最终采用增益增强结构的芯片在射频频率为213 GHz时变频增益达到9dB,与单级跨导混频芯片相比对输入本振功率的需求减少2 dB,同时变频增益和饱和输出功率都增加了6-7 dB。