電子學太赫茲技術研究概述

【摘要】 太赫茲技術是交叉前沿技術，本文首先介紹了太赫茲及電子學太赫茲技術基本概念，然后介紹了國內外電子學太赫茲器件的現狀和應用情況，重點介紹了電子學太赫茲技術在通信及雷達方面的應用現狀。最后給出了電子學太赫茲應用研究的具體內容及發展方向。

【關鍵詞】 電子學 太赫茲 器件 應用

太赫茲（Terahertz，THz）波是電磁波譜中頻率位于微波和紅外輻射之間，頻率在0.1-10THz（1THz=1012Hz）的電磁輻射，通常也被稱作亞毫米波、遠紅外等。從頻率的角度看，屬于遠紅外波段；從能量的角度來看，是電子學和光學的交叉領域[1-4]。

THz光源與傳統相比具有很多獨特的性質：寬帶性；方向性；穿透性；光譜分辨性；低能性等。正是由于THz波的眾多優良特性，使THz技術具有重要的學術價值和廣闊的應用前景，給多個應用領域帶來了深遠的影響，世界發達國家爭相將THz技術列為戰略性科技方向。

一、電子學THz技術

電子學THz技術的關鍵技術有五個：THz產生和放大技術、THz接收檢測技術、THz傳輸技術、寬帶高速信號處理技術、THz集成微系統技術[5]。目前，基于電子學方法的THz源的產生大部分都是采用對微波段的源進行倍頻放大的方式獲得；對THz波的探測通常采用成本較低的零偏檢波器直接檢波，或者采用具有很高動態范圍和靈敏度的外差式（次）諧波混頻器接收；THz的傳輸技術主要包括各種頻段的波導管和增益喇叭的研究；寬帶高速信號處理技術包括信號處理算法的研究和基于DSP、FPGA等芯片的處理方案實現；THz集成微系統技術指的是面向各種應用的THz系統。其中，THz器件的發展是THz技術的關鍵，是制約THz技術發展的主要因素。

二、電子學THz器件研究現狀

THz器件中研發難度最大的是THz頻段用二極管，其是制作THz倍頻器和混頻器的核心器件。肖特基二極管多采用平面結構，也有使用臺面結構，目前制作肖特基二極管的半導體材料主要有Si、GaAS、GaN和InP。

在CMOS工藝中，以GaAs材料的應用最為廣泛和成熟，目前應用于THz頻段的GaAs二極管主要有觸須接觸式肖特基二極管和平面肖特基二極管，其已經被證明是常溫下THz頻段最好的混頻器件；InP和GaN是兩種新開發的應用材料，InP材料是目前所用的具有最高電子遷移率的III-V化合物材料，理論上可以實現更好的頻率和噪聲特性；GaN材料具有很高的擊穿電壓，更適合作為大功率器件的襯底，但是電子遷移率較低[6-7]。

國外的Millitech、RPG、OML、VDI等公司均可提供相關THz頻段的二極管、倍頻器、混頻器、放大器、隔離器、天線等THz器件。Millitech、RPG、OML、VDI都可以提供500GHz以下頻段的THz源和探測器，對于500GHz以上的頻段，VDI公司表現突出，可提供高達2T頻率倍頻器和高達1.7T頻段的混頻器，在眾多商家中，其THz源的輸出功率更大，可以為用戶提供成套解決方案，但價格較其它幾個商家要高。

國內有多家科研單位從事相關研究。其中，中國科學院微電子學研究所，實現了懸臂梁結構的肖特基二極管，截止頻率達到了3.4THz，在0.3THz具有很好的倍頻性能并形成了產品[8]。中國工程物理研究院設計的電子學THz器件已經應用到多個頻段的THz通信和成像實驗系統中；電子科技大學主要專注于THz倍頻器和混頻器的研究[9-10]，同時其在波導、波導濾波器、微帶天線等方面也進行了相關研究；中國電子科技集團公司第41研究所瞄準THz測試儀器[11]，相關產品的性能指標超過了OML公司，接近VDI公司，并且形成了產品。

三、電子學THz應用研究現狀

THz頻段包含了0.1-10THz的頻段，而電子學方式目前只能產生低頻段的源，不同頻率段的THz波其特點有所差異，適用的領域也有所區別。

3.1 THz通信研究現狀

THz無線通信是在傳統的無線電通信的基礎上，從微波、毫米波頻段向THz頻段的發展，同時結合了激光大氣通信部分思想，可以解決目前微波和毫米波低端頻譜緊張和速率難以大幅提高，以及激光通信難以應用于沙塵、煙霧等惡劣環境等問題。

在國外THz無線通信技術方面，日本走在前列。在2004-2006年，日本NTT實現了基于光學UTC-PD源+固態肖特基二極管檢波接收的0.12THz的無線通信，采用ASK體制，傳輸距離300m，傳輸速率達到10Gbps，成為國際THz通信的標志性成果。在2012年將0.3THz無線通信系統的傳輸速率提高到了24Gbps。德國Fraunhofer（IAF）于2011年完成了基于全電子InP mHEMT的0.22THz通信，并實現了了兩種體制：在OOK體制上實現了0.5m距離的25Gbps無線通信；在QAM體制上實現了2m距離的14Mbps無線通信。

在國內，中國工程物理研究所、中科院微系統所、電子科技大學、湖南大學等科研單位先后展開了THz通信的相關研究。中科院微系統所于2008年進行了4.1THz通信實驗，傳輸距離為幾米。中國工程物理研究院在2010年完成國內第一個0.14THz/16QAM 10Gbps高速無線通信傳輸系統試驗樣機和國內首次的0.5km無線傳輸實驗；電子科技大學與湖南大學聯合研制了國內首部基于光電結合的0.1THz全固態高速無線通信系統，速率可達11Gbps。

3.2 THz雷達和THz雷達成像研究現狀

在目前已經研制出的THz雷達和THz雷達成像系統[13-14]中，大都采用的是FMCW體制，利用主反射面實現波束聚焦，平面鏡的轉動和擺動實現方位向二維波束掃描；也有采用水平方向多發多收線陣列+孔徑合成，豎直方向通過平面鏡旋轉實現波束掃描。

目前研制出的THz雷達成像樣機幾乎均為近距離測量，并且大部分是在室內使用，特別是在安檢、微小物體成像等領域具有廣闊應用前景。

在國外，多家科研單位已經取得了突破性的成果。美國JPL實驗室于 2008～2011年期間在662GHZ-691GHZ頻段上采用FMCW體制實現了25m處的三維成像，距離向分辨率7mm，方向向分辨率1cm，40cm*40cm視場范圍成像時間1s（66*48像素）；英國ThruVision于2009年實現了多通道外差接收列陣的無源焦面陣成像產品T5000，成像距離>20m，幀速>10Hz，可實現車載成像；德國法蘭克福大學于2011年在220GHZ～320GHZ頻段上采用FMCW體制，用8個發射模塊和16個接收模塊組成了一個線陣列，實現了8m處的快速成像（成像時間0.5s）。

在國內，中國工程物理研究院進行了0.14T/0.67T/2.5THz的ISAR雷達成像研究，并在2011年研制出了0.14THz的ISAR雷達成像試驗樣機，二維成像分辨率達到3cm；中科院電子所在300GHz頻段上，采用扇形波束掃描+合成孔徑成像實現了1.5m處的二維和三維成像，成像分辨率達到8mm，60cm*180cm視場成像時間小于5s；電子科技大學、首都師范大學、北京理工大學均研制了雷達成像樣機。

四、總結

電子學THz器件和THz應用已經得到了各國的重視并得到了一定程度的發展。THz通信、THz雷達、THz成像作為電子學THz技術的主要應用領域，已經得到了迅速的發展。但是目前整體上是處于實驗研究階段，只有很少產品得到了初步應用。

THz技術的發展最終需要實際應用來檢驗。隨著需求的發展，THz通信將會朝著遠距離、高速率、高穩定性、小體積方向發展；THZ雷達系統將向著高分辨率、遠距離、小體積、低功耗的方向發展；THz雷達成像系統除了滿足一般雷達的性能外，還需要實時性強，線陣或者面陣的成像系統是必然的發展途徑。而制約THz技術的關鍵因素還是THz器件的發展，特別是THz源和THz探測器的發展。隨著THz頻段相關器件材料的進一步深入研究，器件加工工藝的提升，THz相關功能器件成本的下降，才會帶來THz技術的大范圍的應用。

參 考 文 獻

[1] 許景周，張希成. 太赫茲科學技術和應用[M]. 北京：北京大學出版社，2007：1-246.

[2] 張存林. 太赫茲感測與成像[M]. 北京：國防工業出版社，2008：1-231.

[3] 蔡禾，郭雪嬌，和挺，潘銳，熊偉，沈京玲. 太赫茲技術及其應用研究進展[J]. 中國光學與應用光學. 2010，3（3）：209-222.

[4] 張健. 太赫茲通信和雷達成像技術[C]. 第一屆全國太赫茲科學技術與應用學術交流會，北京，2012.9

[5] Chong Jin，Pavlidis，D.，Considine，L. A novel GaN-based high frequency varactor diode. IEEE，EuMIC，2010，118-121.

[6] 陳寧波，張波，樊勇，宋開軍. 440GHz高效三倍頻器研究[C]. 第一屆全國太赫茲技術學術會議，成都，2012.8.

[7] 盧秋全，張勇，劉偉. 220GHz三倍頻器的設計[C]. 第一屆全國太赫茲技術學術會議，成都，2012.8.

[8] 姜萬順. THz測試儀器技術最新進展[C]. 第一屆全國太赫茲技術學術會議，成都，2012.8.

[9] 胡偉東. 220GHz頻率步進脈沖成像技術研究[C]. 太赫茲科學儀器及前沿技術專題研討會，北京，2012.8.