毫米波与太赫兹技术（一）
今日推荐文章作者为东南大学毫米波国家重点实验室主任、IEEE Fellow 著名毫米波专家洪伟教授，本文选自《毫米波与太赫兹技术》，发表于《中国科学：信息科学》2016 年第46卷第8 期——《信息科学与技术若干前沿问题评述专刊》。
摘要：本文概要介绍了毫米波与太赫兹技术的研究现状，并根据国内外发展趋势梳理归纳了今后的一些重要发展方向。在毫米波技术方面，重点介绍了近年来毫米波芯片的研究现状与新进展，同时也介绍了一些热点毫米波系统应用，如毫米波通信、毫米波成像、毫米波雷达等。相对于毫米波频段,太赫兹频谱的利用还处在探索阶段。本文重点对太赫兹的一些关键技术作了概要介绍，包括太赫兹源、太赫兹传输、太赫兹检测、太赫兹元器件等。简要介绍了太赫兹在天文学、无损检测、生命科学、安全、高速通信等领域的一些应用。
关键词：毫米波 太赫兹 通信 成像 雷达 集成电路
引言
随着对电磁波谱的不断探索，人类对电子学和光学获得了充分的认识，并且通过对电子学和光学的研究，研发了各种器件，形成了两大较为成熟的研究和应用技术。一是微波毫米波技术，在雷达、射电天文、通信、成像、导航等领域得到了广泛的应用，另一个是光学技术，其应用已渗透到人们日常生活的方方面面。然而毫米波和光频段之间，还存在着丰富的未被充分开发的频谱资源，也就是太赫兹频段。传统上，微波频段定义为300 MHz-26.5 GHz，毫米波频段为26.5-300 GHz，而太赫兹频段为300-10000 GHz (10 THz)。现在比较流行的一种说法是，0.3-30 GHz 为微波频段，30-300 GHz 为毫米波频段，也有人将0.1-10 THz 称作太赫兹频段，如图所示。
由于毫米波器件的成本较高，之前主要应用于军事。然而随着高速宽带无线通信、汽车辅助驾驶、安检、医学检测等应用领域的快速发展，近年来毫米波在民用领域也得到了广泛的研究和应用。目前,6 GHz 以下的黄金通信频段，已经很难得到较宽的连续频谱，严重制约了通信产业的发展。相比之下,毫米波频段却仍有大量潜在的未被充分利用的频谱资源。因此，毫米波成为第5 代移动通信的研究热点。2015 年在WRC2015 大会上确定了第5 代移动通信研究备选频段：24.25-27.5 GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-50.2 GHz、50.4-52.6 GHz、66-76 GHz 和81-86 GHz，其中31.8-33.4 GHz、40.5-42.5 GHz 和47-47.2 GHz 在满足特定使用条件下允许作为增选频段。各种毫米波的器件、芯片以及应用都在如火如荼的开发着。相对于微波频段，毫米波有其自身的特点。首先，毫米波具有更短的工作波长，可以有效减小器件及系统的尺寸；其次，毫米波有着丰富的频谱资源,可以胜任未来超高速通信的需求。此外，由于波长短，毫米波用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。到目前为止，人们对毫米波已开展了大量的研究，各种毫米波系统已得到广泛的应用。随着第5 代移动通信、汽车自动驾驶、安检等民用技术的快速发展，毫米波将被广泛应用于人们日常生活的方方面面。
太赫兹研究主要集中在0.1-10 THz 频段。这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域.起初，这一频段被称为“THz Gap (太赫兹鸿沟)”，原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频,即电子学频谱和光学频谱之间。其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，高频段与光学领域的远红外频段(波长0.03-1.0 mm) 有重叠。由于这一领域的特殊性，形成了早期研究的空白区。但随着研究的开展，太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现，其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面，如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。太赫兹之所以具有良好的应用前景，主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。例如：自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段，这对检测生物信息提供了一种有效的手段；太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体造成损坏，可以实现无损检测；太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，从而可作为探测隐蔽物体的手段；太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱，易于对各种材料进行光谱分析；此外，太赫兹频段的带宽很宽，从0.1-10 THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源。
针对近些年毫米波及太赫兹领域的发展，分别对毫米波及太赫兹技术与应用做了归纳总结。在毫米波技术方面，结合目前一些热门的毫米波频段的系统应用，如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷达等，对毫米波芯片发展做了重点介绍。在太赫兹技术方面，介绍了太赫兹波产生技术、太赫兹波传输技术和太赫兹波检测技术的研究进展，并在对其关键部件进行介绍的同时，对太赫兹领域的典型应用做了相应的介绍，主要包括太赫兹生物应用、医学应用、成像应用、大气科学、环境科学、通信技术和国家安全等。最后对未来毫米波以及太赫兹领域的发展做了展望，并指出了一些今后值得重点研究的方向。
毫米波技术
1、毫米波芯片
传统的毫米波单片集成电路主要采用化合物半导体工艺，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP) 等，其在毫米波频段具有良好的性能，是该频段的主流集成电路工艺。另一方面，近十几年来硅基(CMOS、SiGe等) 毫米波亚毫米波集成电路也取得了巨大进展。此外，基于氮化镓(GaN) 工艺的大功率高频器件也迅速拓展至毫米波频段。下面将分别进行介绍。
1.1 GaAs 和InP 毫米波芯片
近十几年来，GaAs 和InP 工艺和器件得到了长足的进步。基于该类工艺的毫米波器件类型主要有高电子迁移率晶体管(HEMT)、改性高电子迁移率晶体管(mHEMT) 和异质结双极性晶体管(HBT)等。目前GaAs、mHEMT、InP、HEMT 和InP HBT 的截止频率(ft) 均超过500 GHz，最大振荡频率(fmax) 均超过1THz。2015 年美国Northrop Grumman 公司报道了工作于0.85 THz 的InP HEMT放大器，2013 年美国Teledyne 公司与加州理工大学喷气推进实验室报道了工作至0.67 THz 的InP HBT 放大器，2012 年和2014 年德国弗朗霍夫应用固体物理研究所报道了工作频率超过0.6 THz 的mHEMT 放大器。
1.2 GaN 毫米波芯片
GaN 作为第3 代宽禁带化合物半导体，具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点,器件功率密度是GaAs 功率密度的5 倍以上，可显著地提升输出功率，减小体积和成本。随着20 世纪90 年代GaN 材料制备技术的逐渐成熟，GaN 器件和电路已成为化合物半导体电路研制领域的热点方向，美国、日本、欧洲等国家将GaN 作为微波毫米波器件和电路的发展重点。近十年来，GaN 的低成本衬底材料碳化硅(SiC) 也逐渐成熟，其晶格结构与GaN 相匹配，导热性好，大大加快了GaN 器件和电路的发展。近年来GaN 功率器件在毫米波领域飞速发展，日本Eudyna 公司报道了0.15 m 栅长的器件，在30 GHz 功率输出密度达13.7 W/mm。美国HRL 报道了多款E波段、W 波段与G 波段的GaN 基器件，W 波段功率密度超过2 W/mm，在180 GHz 上功率密度达到296 mW/mm.国内在微波频段的GaN 功率器件已基本成熟，到W 波段的GaN 功率器件也取得进展。南京电子器件研究所研制的Ka 波段GaN 功率MMIC 在3436 GHz 频带内脉冲输出功率达到15W，附加效率30%，功率增益大于20 dB。
