毫米波與太赫茲技術（二）

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工藝傳統上以數字電路應用為主。隨著深亞微米和納米工藝的不斷發展，硅基工藝特征尺寸不斷減小，柵長的縮短彌補了電子遷移率的不足，從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高，這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應用成為可能。國際半導體藍圖協會(International Technology Roadmap for Semiconductors) 預測到2030 年CMOS 工藝的特征尺寸將減小到5 nm，而截止頻率ft 將超過700 GHz。德國IHP 研究所的SiGe 工藝晶體管的截止頻率ft 和最大振蕩頻率fmax都已經分別達到了300 GHz 和500 GHz，相應的硅基工藝電路工作頻率可擴展到200 GHz 以上。

由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優勢，硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當前的研究熱點之一。美國佛羅里達大學設計了410 GHz CMOS 振蕩器，加拿大多倫多大學研制了基于SiGe HBT 工藝的170 GHz 放大器、160 GHz 混頻器和基于CMOS 工藝的140 GHz 變頻器，美國加州大學圣芭芭拉分校等基于CMOS 工藝研制了150 GHz 放大器等，美國康奈爾大學基于CMOS 工藝研制了480 GHz 倍頻器。在系統集成方面，加拿大多倫多大學設計了140 GHz CMOS接收機芯片和165 GHz SiGe 的片上收發系統，美國加州大學柏克萊分校首次將60 GHz 頻段硅基模擬收發電路與數字基帶處理電路集成在一塊CMOS 芯片上，新加坡微電子研究院也實現了包括在片天線的60 GHz CMOS 收發信機芯片，美國加州大學洛杉磯分校報道了0.54 THz 的頻率綜合器，德國烏帕塔爾綜合大學研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系統，加州大學伯克利分校采用SiGe 工藝成功研制了380 GHz 的雷達系統。日本NICT 等基于CMOS 工藝實現了300 GHz的收發芯片并實現了超過10 Gbps 的傳輸速率，但由于沒有功率放大和低噪聲電路，其傳輸距離非常短。通過采用硅基技術，包含數字電路在內的所有電路均可集成在單一芯片上，因此有望大幅度降低毫米波通信系統的成本。

在毫米波亞毫米波硅基集成電路方面我國大陸起步稍晚，但在國家973 計劃、863 計劃和自然科學基金等的支持下，已快速開展研究并取得進展。東南大學毫米波國家重點實驗室基于90 nm CMOS 工藝成功設計了Q、V 和W 頻段放大器、混頻器、VCO 等器件和W 波段接收機、Q波段多通道收發信機等，以及到200 GHz 的CMOS 倍頻器和到520 GHz 的SiGe 振蕩器等。

2、毫米波電真空器件

毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優點，但功率受限。為了獲得更高的輸出功率，可以采用電真空器件，如加拿大CPI 公司研制的速調管(Klystron) 在W 波段上獲得了超過2000 W 的脈沖輸出功率，北京真空電子研究所研制的行波管(TWT) 放大器在W 波段的脈沖輸出功率超過了100 W，電子科技大學在W 波段上也成功設計了TWT 功率放大器，中國科學院合肥物質科學研究院研制的迴旋管(Gyrotron) 在140 GHz 上獲得了0.9 MW 的脈沖輸出功率，與國外水平相當。

3、毫米波應用

近年來，毫米波器件性能的不斷提高，成本的不斷降低，有力促進了毫米波在各個領域的應用。目前基于毫米波頻段的應用主要體現在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷達等方面。

3.1 毫米波通信

隨著無線通信技術的飛速發展，6 GHz 以下黃金通信頻段的頻譜已經非常擁擠，很難滿足未來無線高速通信的需求。然而，與此相反的是，在毫米波頻段，頻譜資源豐富但仍然沒有得到充分的開發利用。

在移動通信方面，探索了毫米波移動通信系統場景、網絡結構及空中接口。在目前開展的第5 代移動通信(5G) 研究中，幾個毫米波頻段已經成為5G 候選頻段。毫米波技術將會在5G的發展中起著舉足輕重的作用。

在短距高速通信系統中，60 GHz 頻段得到了廣泛地研究和應用。歐洲、美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞以及我國陸續開放了這一頻段的免費頻譜資源。60 GHz 頻段處于大氣衰減峰，雖然不適合遠距通信，但可用于短距離傳輸，且不會對周圍造成太多干擾。近年來，在60 GHz 頻段已發展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近場通訊、IEEE 802.11ad、IEEE802.15.3c等各種系統與標準。

國內東南大學提出了工作在45 GHz 頻段的超高速近遠程無線傳輸標準(Q-LINKPAN)，其短距部分已成為IEEE 802.11aj 國際標準。45 GHz 頻段的大氣衰減小于1 dB/km，因此不僅可以像60 GHz 頻段一樣實現高速短距傳輸，同時也適用于遠距傳輸。目前實驗系統在82 m 的傳輸距離上已實現2 Gbps 的傳輸速率，并研制了相應的支持Gbps 傳輸的毫米波芯片。

衛星通信覆蓋范圍廣，是保障偏遠地區和海上通信以及應急通信的重要手段，目前其工作頻段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段。隨著衛星通信研究的不斷深入，已在嘗試更高頻段。因為毫米波頻段可以提供更寬的帶寬，因而可實現更高的通信速率。此外，低功耗、小體積、抗干擾以及較高的空間分辨率都是其值得利用的特點。目前衛星與地面通信的主要研究方向集中在兩個大氣衰減較小的窗口，Q 頻段和W 頻段，而60 GHz 頻段被認為是實現星間通信的重要頻段。

此外，毫米波光載無線通信(RoF) 系統也得到了迅速的發展。光纖具有成本低、信道帶寬大、損耗小、抗干擾能力強等優點，成為現代通信系統中不可或缺的部分。正如上文提到的，毫米波具有傳輸容量大、體積小等優點，但也有空間傳輸損耗大等缺點。毫米波RoF 系統結合了毫米波和光纖通信的優點，是實現寬帶毫米波通信遠距離傳輸的有效手段。自從1990 年光載無線通信的概念被提出之后，這個領域目前在毫米波頻段成為了研究熱點，很多研究小組在不同的毫米波頻段進行了研究，比如60 GHz、75-110 GHz、120 GHz、220 GHz、250 GHz 等。

3.2 毫米波成像

利用毫米波穿透性、安全性等優點，毫米波成像可有效地對被檢測物體進行成像，在國家安全、機場安檢、大氣遙感等方面得到了廣泛的研究，根據成像機理分為被動式成像和主動式成像.毫米波被動式成像是通過探測被測物自身的輻射能量，并分辨不同物質輻射強度的差異來實現成像。被動式成像從機理上看是一種安全的成像方式，不會對環境造成電磁干擾，但對信號本身的強度以及接收機的靈敏度要求較高。國內外對毫米波被動式成像技術已開展了大量的研究。

毫米波主動式成像主要是通過毫米波源發射一定強度的毫米波信號，通過接收被測物的反射波，檢測被測目標與環境的差異，然后進行反演成像。主動式成像系統可以對包括塑料等非金屬物體進行檢測，其受環境影響較小，獲得的信息量大，可以有效地進行三維成像。常用的主動式成像系統主要包括焦平面成像以及合成孔徑成像。毫米波成像系統已應用于國內外許多機場的安檢。國內上海微系統所孫曉瑋團隊研發成功了毫米波成像安檢系統，電子科技大學樊勇團隊研制成功了毫米波動態成像系統。

3.3 毫米波雷達

毫米波雷達具有頻帶寬、波長短、波束窄、體積小、功耗低和穿透性強等特點。相比于激光紅外探測，其穿透性強的特點可以保證雷達能夠工作在霧雨雪以及沙塵環境中，受天氣的影響較小。相比于微波波段的雷達，利用毫米波波長短的特點可以有效減小系統體積和重量，并提高分辨率。這些特點使得毫米波雷達在汽車防撞、直升機避障、云探測、導彈導引等方面具有重要的應用。

微波毫米波汽車防撞雷達主要集中在24 GHz和77 GHz 頻段上，是未來智能駕駛或自動駕駛的核心技術之一。在直升機毫米波防撞雷達的研究上，人們特別關注毫米波雷達對電力線等的探測效果。

毫米波在大氣遙感方面也有很重要的應用，其中代表性的有毫米波云雷達。毫米波云雷達主要針對降水云進行探測,，用于探測云內部宏觀和微觀參數,，反映大氣熱力及動力過程。由于毫米波波長短，在云探測中表現出很高的測量精度和分辨率，具有穿透含水較多的厚云層等優勢。南京信息工程大學葛俊祥團隊研制了W 波段云雷達，北京理工大學呂昕團隊正在研制94/340 GHz 雙頻段云雷達。

除了民用，毫米波雷達在軍事方面也有著非常重要的應用，比如在精確制導武器中，毫米波雷達導引是一項核心技術，是全天候實施目標精確打擊的一種有效手段。

太赫茲技術

相對于毫米波技術，太赫茲技術的研究還處在探索階段。太赫茲技術主要包括太赫茲波源、太赫茲傳輸和太赫茲檢測等，其關鍵部件可以分為無源元件和有源器件。無源元件包括太赫茲傳輸線、濾波器、耦合器、天線等，而有源器件包括太赫茲混頻器、倍頻器、檢波器、放大器、振蕩器等。

1、太赫茲源

伴隨著太赫茲波生成技術的發展，太赫茲源的研究已有很多有價值的新進展。研發低成本、高功率、室溫穩定的太赫茲源是發展太赫茲技術的基礎。太赫茲源的分類多種多樣，按照產生機理，可以分為基于光學效應和基于電子學的太赫茲源。按照源類型可以分成3 類：非相干熱輻射源、寬帶太赫茲輻射源以及窄帶太赫茲連續波源。

1.1  非相干熱輻射源

非相干熱輻射源在熱平衡的情況下將熱能轉換為光能，產生連續的光譜。主要例子如日常生活中的太陽，以及白熾燈。由于其產生的太赫茲波功率很低，應用前景較為局限。

1.2 寬帶太赫茲輻射源

寬帶太赫茲輻射源目前主要應用于光譜系統，主要由周期為幾十到幾百個飛秒的脈沖產生，在頻譜上包含高達幾十太赫茲的超寬頻譜分量。產生方法包括：

a) 光導天線：光導天線進行太赫茲輻射的主要機理是光導天線在光脈沖的照射下產生載流子，并在電場作用下加速運動，在表面產生瞬態電流,進而輻射太赫茲電磁波，其特點是具有較高的輸出能量。近年來，國內外開展了很多關于光導天線產生寬帶太赫茲波的研究。

b) 光整流法：光整流法是利用非線性的光整流效應，使兩個光束或者一個高強度的單色光束在介質中傳播時產生差頻或和頻振蕩，其特點是可以實現太赫茲超寬帶輸出，但是輸出能量相對不高。基于此原理，太赫茲輻射源得到了長足的發展。

c) 空氣等離子法：空氣等離子法的原理是利用激光聚焦擊穿空氣產生太赫茲輻射。

d) 半導體表面：基于半導體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結成表面電場效應和光生丹培效應。對于某些寬帶隙的半導體材料，其表面存在表面態，由于表面和內部的費米能級不一致，會形成表面電場。在這個電場作用下，被激光激發的載流子會形成瞬態電流，從而形成太赫茲輻射。對于某些窄帶隙半導體材料，由于其吸收系數很大，大量的載流子會在半導體表面形成，其中的電子和空穴在向半導體內擴散的時候使正負電荷在空間中分離，形成光生丹培電場，輻射太赫茲波。這種方式的特點是簡單易操作，但輻射功率較低。