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毫米波与太赫兹技术（二）

2020.10.13

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工艺传统上以数字电路应用为主。随着深亚微米和纳米工艺的不断发展，硅基工艺特征尺寸不断减小，栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足，从而使得晶体管的截止频率和最大振荡频率不断提高，这使得硅工艺在毫米波甚至太赫兹频段的应用成为可能。国际半导体蓝图协会(International Technology Roadmap for Semiconductors) 预测到2030 年CMOS 工艺的特征尺寸将减小到5 nm，而截止频率ft 将超过700 GHz。德国IHP 研究所的SiGe 工艺晶体管的截止频率ft 和最大振荡频率fmax都已经分别达到了300 GHz 和500 GHz，相应的硅基工艺电路工作频率可扩展到200 GHz 以上。

由于硅工艺在成本和集成度方面的巨大优势，硅基毫米波亚毫米波集成电路的研究已成为当前的研究热点之一。美国佛罗里达大学设计了410 GHz CMOS 振荡器，加拿大多伦多大学研制了基于SiGe HBT 工艺的170 GHz 放大器、160 GHz 混频器和基于CMOS 工艺的140 GHz 变频器，美国加州大学圣芭芭拉分校等基于CMOS 工艺研制了150 GHz 放大器等，美国康奈尔大学基于CMOS 工艺研制了480 GHz 倍频器。在系统集成方面，加拿大多伦多大学设计了140 GHz CMOS接收机芯片和165 GHz SiGe 的片上收发系统，美国加州大学柏克莱分校首次将60 GHz 频段硅基模拟收发电路与数字基带处理电路集成在一块CMOS 芯片上，新加坡微电子研究院也实现了包括在片天线的60 GHz CMOS 收发信机芯片，美国加州大学洛杉矶分校报道了0.54 THz 的频率综合器，德国乌帕塔尔综合大学研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系统，加州大学伯克利分校采用SiGe 工艺成功研制了380 GHz 的雷达系统。日本NICT 等基于CMOS 工艺实现了300 GHz的收发芯片并实现了超过10 Gbps 的传输速率，但由于没有功率放大和低噪声电路，其传输距离非常短。通过采用硅基技术，包含数字电路在内的所有电路均可集成在单一芯片上，因此有望大幅度降低毫米波通信系统的成本。

在毫米波亚毫米波硅基集成电路方面我国大陆起步稍晚，但在国家973 计划、863 计划和自然科学基金等的支持下，已快速开展研究并取得进展。东南大学毫米波国家重点实验室基于90 nm CMOS 工艺成功设计了Q、V 和W 频段放大器、混频器、VCO 等器件和W 波段接收机、Q波段多通道收发信机等，以及到200 GHz 的CMOS 倍频器和到520 GHz 的SiGe 振荡器等。

2、毫米波电真空器件

毫米波集成电路具有体积小、成本低等很多优点，但功率受限。为了获得更高的输出功率，可以采用电真空器件，如加拿大CPI 公司研制的速调管(Klystron) 在W 波段上获得了超过2000 W 的脉冲输出功率，北京真空电子研究所研制的行波管(TWT) 放大器在W 波段的脉冲输出功率超过了100 W，电子科技大学在W 波段上也成功设计了TWT 功率放大器，中国科学院合肥物质科学研究院研制的迴旋管(Gyrotron) 在140 GHz 上获得了0.9 MW 的脉冲输出功率，与国外水平相当。

3、毫米波应用

近年来，毫米波器件性能的不断提高，成本的不断降低，有力促进了毫米波在各个领域的应用。目前基于毫米波频段的应用主要体现在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷达等方面。

3.1 毫米波通信

随着无线通信技术的飞速发展，6 GHz 以下黄金通信频段的频谱已经非常拥挤，很难满足未来无线高速通信的需求。然而，与此相反的是，在毫米波频段，频谱资源丰富但仍然没有得到充分的开发利用。

在移动通信方面，探索了毫米波移动通信系统场景、网络结构及空中接口。在目前开展的第5 代移动通信(5G) 研究中，几个毫米波频段已经成为5G 候选频段。毫米波技术将会在5G的发展中起着举足轻重的作用。

在短距高速通信系统中，60 GHz 频段得到了广泛地研究和应用。欧洲、美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚以及我国陆续开放了这一频段的免费频谱资源。60 GHz 频段处于大气衰减峰，虽然不适合远距通信，但可用于短距离传输，且不会对周围造成太多干扰。近年来，在60 GHz 频段已发展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近场通讯、IEEE 802.11ad、IEEE802.15.3c等各种系统与标准。

国内东南大学提出了工作在45 GHz 频段的超高速近远程无线传输标准(Q-LINKPAN)，其短距部分已成为IEEE 802.11aj 国际标准。45 GHz 频段的大气衰减小于1 dB/km，因此不仅可以像60 GHz 频段一样实现高速短距传输，同时也适用于远距传输。目前实验系统在82 m 的传输距离上已实现2 Gbps 的传输速率，并研制了相应的支持Gbps 传输的毫米波芯片。

卫星通信覆盖范围广，是保障偏远地区和海上通信以及应急通信的重要手段，目前其工作频段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段。随着卫星通信研究的不断深入，已在尝试更高频段。因为毫米波频段可以提供更宽的带宽，因而可实现更高的通信速率。此外，低功耗、小体积、抗干扰以及较高的空间分辨率都是其值得利用的特点。目前卫星与地面通信的主要研究方向集中在两个大气衰减较小的窗口，Q 频段和W 频段，而60 GHz 频段被认为是实现星间通信的重要频段。

此外，毫米波光载无线通信(RoF) 系统也得到了迅速的发展。光纤具有成本低、信道带宽大、损耗小、抗干扰能力强等优点，成为现代通信系统中不可或缺的部分。正如上文提到的，毫米波具有传输容量大、体积小等优点，但也有空间传输损耗大等缺点。毫米波RoF 系统结合了毫米波和光纤通信的优点，是实现宽带毫米波通信远距离传输的有效手段。自从1990 年光载无线通信的概念被提出之后，这个领域目前在毫米波频段成为了研究热点，很多研究小组在不同的毫米波频段进行了研究，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、安全性等优点，毫米波成像可有效地对被检测物体进行成像，在国家安全、机场安检、大气遥感等方面得到了广泛的研究，根据成像机理分为被动式成像和主动式成像.毫米波被动式成像是通过探测被测物自身的辐射能量，并分辨不同物质辐射强度的差异来实现成像。被动式成像从机理上看是一种安全的成像方式，不会对环境造成电磁干扰，但对信号本身的强度以及接收机的灵敏度要求较高。国内外对毫米波被动式成像技术已开展了大量的研究。

毫米波主动式成像主要是通过毫米波源发射一定强度的毫米波信号，通过接收被测物的反射波，检测被测目标与环境的差异，然后进行反演成像。主动式成像系统可以对包括塑料等非金属物体进行检测，其受环境影响较小，获得的信息量大，可以有效地进行三维成像。常用的主动式成像系统主要包括焦平面成像以及合成孔径成像。毫米波成像系统已应用于国内外许多机场的安检。国内上海微系统所孙晓玮团队研发成功了毫米波成像安检系统，电子科技大学樊勇团队研制成功了毫米波动态成像系统。

3.3 毫米波雷达

毫米波雷达具有频带宽、波长短、波束窄、体积小、功耗低和穿透性强等特点。相比于激光红外探测，其穿透性强的特点可以保证雷达能够工作在雾雨雪以及沙尘环境中，受天气的影响较小。相比于微波波段的雷达，利用毫米波波长短的特点可以有效减小系统体积和重量，并提高分辨率。这些特点使得毫米波雷达在汽车防撞、直升机避障、云探测、导弹导引等方面具有重要的应用。

微波毫米波汽车防撞雷达主要集中在24 GHz和77 GHz 频段上，是未来智能驾驶或自动驾驶的核心技术之一。在直升机毫米波防撞雷达的研究上，人们特别关注毫米波雷达对电力线等的探测效果。

毫米波在大气遥感方面也有很重要的应用，其中代表性的有毫米波云雷达。毫米波云雷达主要针对降水云进行探测,，用于探测云内部宏观和微观参数,，反映大气热力及动力过程。由于毫米波波长短，在云探测中表现出很高的测量精度和分辨率，具有穿透含水较多的厚云层等优势。南京信息工程大学葛俊祥团队研制了W 波段云雷达，北京理工大学吕昕团队正在研制94/340 GHz 双频段云雷达。

除了民用，毫米波雷达在军事方面也有着非常重要的应用，比如在精确制导武器中，毫米波雷达导引是一项核心技术，是全天候实施目标精确打击的一种有效手段。

太赫兹技术

相对于毫米波技术，太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等，而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。

1、太赫兹源

伴随着太赫兹波生成技术的发展，太赫兹源的研究已有很多有价值的新进展。研发低成本、高功率、室温稳定的太赫兹源是发展太赫兹技术的基础。太赫兹源的分类多种多样，按照产生机理，可以分为基于光学效应和基于电子学的太赫兹源。按照源类型可以分成3 类：非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹连续波源。

1.1 非相干热辐射源

非相干热辐射源在热平衡的情况下将热能转换为光能，产生连续的光谱。主要例子如日常生活中的太阳，以及白炽灯。由于其产生的太赫兹波功率很低，应用前景较为局限。

1.2 宽带太赫兹辐射源

宽带太赫兹辐射源目前主要应用于光谱系统，主要由周期为几十到几百个飞秒的脉冲产生，在频谱上包含高达几十太赫兹的超宽频谱分量。产生方法包括：

a) 光导天线：光导天线进行太赫兹辐射的主要机理是光导天线在光脉冲的照射下产生载流子，并在电场作用下加速运动，在表面产生瞬态电流,进而辐射太赫兹电磁波，其特点是具有较高的输出能量。近年来，国内外开展了很多关于光导天线产生宽带太赫兹波的研究。

b) 光整流法：光整流法是利用非线性的光整流效应，使两个光束或者一个高强度的单色光束在介质中传播时产生差频或和频振荡，其特点是可以实现太赫兹超宽带输出，但是输出能量相对不高。基于此原理，太赫兹辐射源得到了长足的发展。

c) 空气等离子法：空气等离子法的原理是利用激光聚焦击穿空气产生太赫兹辐射。

d) 半导体表面：基于半导体表面的太赫兹辐射源的基本工作原理可以总结成表面电场效应和光生丹培效应。对于某些宽带隙的半导体材料，其表面存在表面态，由于表面和内部的费米能级不一致，会形成表面电场。在这个电场作用下，被激光激发的载流子会形成瞬态电流，从而形成太赫兹辐射。对于某些窄带隙半导体材料，由于其吸收系数很大，大量的载流子会在半导体表面形成，其中的电子和空穴在向半导体内扩散的时候使正负电荷在空间中分离，形成光生丹培电场，辐射太赫兹波。这种方式的特点是简单易操作，但辐射功率较低。

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周锦帆