面向通信系統的太赫茲調制技術進展現狀

劉松卓，于偉華，鄧長江，李 堯，呂 昕

(北京理工大學 信息與電子學院，北京100081)

0 引言

近年來，在地面移動通信、互聯網與航天技術的推動下，全球衛星通信系統步入井噴式發展階段[1]。目前，高速率、大容量信息交換已成為推動衛星通信向網絡化、寬帶化發展的主要動力，衛星高速通信已成為衛星技術發展的趨勢[2]。美國埃隆·馬斯克提出的spaceX項目預期通過衛星實現互聯網的全球無線連接，運用低地球軌道衛星進行通信，可以實現較低的傳輸時延與較廣的覆蓋范圍[3]，使人們更加注意到了星間及星地通信的廣闊前景。但是，由于傳統的微波通信相對帶寬較窄，無法保證數十Gbit/s量級的信號傳輸，難以達到要求[4-5]。隨著人們對電磁頻譜資源的深入探索，可利用的工作帶寬逐漸提升。太赫茲頻段的工作頻率為0.1 ～10 THz，覆蓋超大帶寬的可用頻譜資源，使其不僅在物體成像、環境監測、安全檢查、反恐探測以及生物醫學等方向[6]擁有廣泛的研究前景，其在衛星通信中的應用也備受關注。

目前，太赫茲通信技術研究方興未艾，還沒有成熟的應用系統解決方案[7-8]。太赫茲通信中所需的主要技術包括：太赫茲產生和功率放大技術、太赫茲調制技術、太赫茲傳輸技術、太赫茲高速通信數據流和網絡協議技術、太赫茲集成微系統技術等[9]，其中太赫茲調制技術負責將低頻通信信號調制到太赫茲頻段。基于電子學的太赫茲調制器根據調制思路不同，可以分為混頻調制與載波直接調制兩種[9]。其中混頻調制的原理是頻率變換，使用非線性或時變元件得到兩個輸入信號本身或者其諧波的和/差頻。基于混頻方法太赫茲調制器可以分為基于二極管的無源混頻調制器[10]以及基于晶體管的有源混頻調制器。太赫茲二極管工藝技術發展已經相當成熟，二極管基電路最高工作頻率可以達到3 THz，覆蓋整個太赫茲頻段[11]。晶體管太赫茲有源電路，SiC襯底GaN HEMT器件功率輸出優勢明顯，目前工作頻率可到220 GHz；SOI CMOS的最大頻率已經達到450 GHz；InP HEMT和InP HBT是實現太赫茲低噪聲和功率放大最具性能優勢的器件，2016年就存在使用InP HEMT工藝實現的1 THz頻段電路的相關報導[12]。瑞典、德國、日本等國家均實現了基于晶體管芯片(TMIC)混頻調制的太赫茲通信驗證系統[13-15]。基于載波直接調制的太赫茲調制器直接對太赫茲波進行操控，將調制信號直接加載到太赫茲波上來實現太赫茲通信。其輸出功率與太赫茲源的輸入功率直接相關，受非線性器件的影響較小，因此可以通過單元陣列的方式實現較大功率輸出[4]。

本文基于不同實現方案對太赫茲調制器的發展歷程進行了研究，將太赫茲調制器區分為基于混頻調制方法實現的調制器以及基于載波直接調制方法實現的調制器，其中基于混頻調制方法實現的調制器又可以分為基于二極管實現的混頻器和基于晶體管實現的混頻器。然后，對不同方案下太赫茲調制器方案的優缺點進行了總結。最后，探討了面向通信系統的太赫茲調制器進一步發展所需應對的挑戰。

1 基于混頻方法的太赫茲調制技術

混頻是指將信號從一個頻率變換到另外一個頻率的過程,其實質是頻譜線性搬移的過程[16]。具有混頻功能的電路被稱為混頻器。由于太赫茲上變頻混頻器線性度高，因此是太赫茲調制器的優秀選擇。本節對電子學中常見的太赫茲固態混頻器調制方案，即無源調制及有源調制方案分別進行概述。

1.1 基于二極管的太赫茲無源混頻調制技術

早期太赫茲調制信號的產生一般采用太赫茲混頻器作為調制器件。使用無源混頻調制技術的太赫茲混頻器一般使用石英基底，本振信號與射頻信號通過波導-懸置微帶探針過渡結構輸送到肖特基二極管上實現頻譜的搬移[17]。太赫茲二極管混頻器的產生可以追溯到20世紀末，E. R. Carlson等人在1978年發明了最早的基于肖特基二極管的混頻器，該混頻器使用懸置微帶線結構，可以工作在117 GHz的毫米波頻段上[18]。隨著制造工藝的發展，研究者們開始使用如減薄襯底、二極管與外圍電路單片集成實現等多種方法提升系統集成度[19-22]。近年來，我國制造的二極管混頻器也有較多報導[23-25]。隨著技術的發展，目前二極管混頻器已經能夠工作在較高頻段。如圖1所示，2017 年文獻[26]發布的太赫茲次諧波混頻器已經可以工作在3～5 THz頻段上。

圖1 3～5 THz太赫茲混頻器顯微照片Fig.1 Micrograph of 3～5 THz mixer

此外，二極管混頻器需要通過模塊封裝才能與系統其他組件進行互聯，而模塊封裝產生的損耗較大，因此有研究人員采用將混頻器與系統中的天線、濾波器等其他組件相結合的方法以提升系統性能。文獻[27]將偶極子天線集成到薄膜電路中，從系統角度降低了傳輸損耗；文獻[28]使用波導濾波結構替代傳統的微帶濾波結構，實現了對鏡頻信號的抑制。表1總結了部分基于二極管的太赫茲混頻調制器研究成果。

表1 基于二極管的太赫茲混頻調制器相關工作總結Tab.1 Overview of terahertz modulator based on Diode

綜上所述，二極管無源混頻器工藝成熟、結構簡單、工作頻率高。很多研究機構都采用太赫茲二極管混頻器對太赫茲通信系統進行了實驗驗證。如圖2所示，2008年德國聯邦物理技術研究所的300 GHz頻段太赫茲通信實驗在10 m作用距離內可以實現電視信號的穩定傳輸[29-30]。2012年中國工程物理研究院實現的0.34 THz傳輸系統于最遠50 m作用距離下實現了3 Gbit/s的無線傳輸速率[31]。2016年電子科技大學實現了國內首次全固態太赫茲通信實驗，在200 m實驗距離處實現了3.52 Gbit/s的傳輸速率[32]。

圖2 太赫茲通信系統實驗照片Fig.2 Photo of THz communication system

基于二極管的太赫茲混頻器基帶帶寬高，但太赫茲頻段的變頻損耗大，器件輸出功率低，信號輸出功率一般在微瓦級。

1.2 基于晶體管的太赫茲有源混頻調制技術

基于晶體管的太赫茲單片集成電路(Terahertz Monolithic Integrated Circuits，TMIC)技術能夠將混頻器與發射鏈路靈活地集成到單個芯片上，降低由封裝產生的損耗，具有體積小、易集成、功耗低的特點[4],因此是太赫茲調制器的一個重要發展方向。

如圖3所示，基于晶體管的混頻調制器結構與無源混頻調制器結構類似，基于晶體管的太赫茲有源混頻調制器可以實現信號的頻譜搬移功能[33-36]。基于晶體管的調制器變頻損耗相對于基于二極管的混頻調制器差別并不明顯。表2總結了部分基于晶體管的太赫茲混頻調制器研究成果。

圖3 太赫茲晶體管混頻器顯微照片Fig.3 Micrograph of THz transistor mixer

表2 基于晶體管的太赫茲混頻調制器相關工作總結Tab.2 Overview of THz modulator based on transistor

太赫茲頻率高、傳輸衰減大，如采用分立器件實現方式，互聯及封裝對帶寬和損耗影響顯著[32]。因此，對工作于太赫茲通信系統中的發射機組件，芯片化、高集成化是一個關注要點[11]。早期基于晶體管的太赫茲調制發射芯片將有源混頻器與本振倍頻鏈路、發射天線等進行簡單集成，直接搭建簡單的太赫茲通信系統，從而避免對各個模塊獨立封裝產生的額外損耗[12,14,37]。表3總結了部分與發射機集成的有源混頻調制結構結構研究成果。

表3 發射機集成的有源太赫茲調制器相關工作總結Tab.3 Overview of highly integrated aactive THz modulator

研究人員通過對片上系統的進一步設計對太赫茲通信系統實現方案進行了優化。考慮到高階調制系統產生的基帶信號多為差分信號，文獻[38]將本振放大器、本振功率分配巴倫、差分太赫茲諧波混頻器以及射頻功率合成巴倫集成在單個芯片上，保證基帶差分信號利用率。在此基礎上，文獻[39]設計的太赫茲調制器使用差分饋入的環形天線，避免了引入射頻功率合成巴倫帶來的損耗。為實現更高的傳輸速率,文獻[40]使用雙極化的差分環形天線實現了相同空間鏈路下的極化復用，芯片照片如圖4所示。其中每個極化通道可以獨立傳輸一路信號，極大地提升了系統傳輸速率。

圖4 太赫茲混頻調制發射集成芯片照片Fig.4 Photo of THz Transistor integrated chip

此外，基于混頻調制系統的原理，日本研究人員采用末級倍頻結構(frequency-multiplier-last architecture)實現了較低成本的太赫茲調制器。該系統由正交基帶載波混頻器、中頻混頻器、基于倍頻器的自混頻器以及帶通濾波器組成[15]。末級倍頻結構實現太赫茲信號調制的流程如圖5所示[41]。該芯片通過對中頻信號以及中頻鏡頻相互混頻的方法，降低了中頻濾波對系統輸出功率的損耗，通過十分新穎的方式實現了由基帶信號到射頻信號的頻譜搬移，同時只需要較低的本振信號就能產生太赫茲已調信號。但是，由于倍頻器功率的限制，最終輸出功率相對較低，設計思路過于復雜，多次混頻方案對系統設計難度提出了較高要求。

圖5 末級倍頻結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of frequency-multiplier-last architecture

2 基于載波直接調制方法的太赫茲調制技術進展

基于載波直接調制方法太赫茲調制器易于集成、體積小、靈活性大；但目前其工作帶寬較窄，在實現高調制速率方面還有很大挑戰[4]。太赫茲頻段常用的直接調制方式包括調控法[43]、微機電系統(MEMS)法以及集成電路法[44]等。其中，調控法實現的太赫茲調制器損耗低、自由度高，但較窄的基帶帶寬導致了其傳輸速率有限。MEMS調制法容易受到外部環境影響產生結構變形[45]，同時難以實現對信號的高階調制。集成電路法具有調制階數高、輸出功率大的優點，但由于現有的調幅電路無法實現精確的幅度控制，輸出信號的波形較差，傳輸速率受限[46]。表4總結了部分基于載波直接調制法實現的太赫茲混頻調制器研究成果。

表4 基于載波直接調制方法的太赫茲調制器相關工作總結Tab.4 Overview of THz modulator based on direct carrier modulation

調控法主要依靠溫、光、電等手段，將太赫茲電路與半導體材料、相變材料、摻雜異質結、石墨烯等[47]可變材料結合起來改變反射陣列的反射率或者透射陣列的透射率[49]，實現對信號幅度或者相位的調節。文獻[48]通過電流控制石墨烯改變太赫茲波的布魯斯特角實現信號的幅度與相位調制；文獻[49]使用動態微結構改變鰭線傳輸能力實現太赫茲信號幅度的調控，制成的調制器可以實現空域4 Gbit/s的傳輸速率。

MEMS調制法主要依靠改變電路的機械結構, 通過控制信號改變器件物理結構參數，進而改變其電學參數完成開關或移向。文獻[50]采用分布式MEMS傳輸線開關電容器實現傳輸信號的相位調制。

集成電路法基于TMIC技術通過晶體管電路控制載波電路實現。文獻[51]通過改變片上VCO的工作頻點實現已調信號的頻譜變化；文獻[46]通過對天線陣單元的開關控制影響太赫茲信號的輸出功率實現信號調制。

從應用角度來看，基于載波直接調制技術的通信系統極具特色。2011年美國貝爾實驗室的625 GHz太赫茲通信系統在實驗室條件(lab distance)下實現了1mW的射頻輸出功率及2.5 Gbit/s的傳輸速率[53]；2017年，密歇根大學使用220 GHz發射芯片實現的太赫茲通信系統在217 GHz頻段上單方向上最大輸出功率可達到4.6 dBm，每個通道可以實現12.2 Gbit/s的傳輸速率[46]。

可以看出，直接載頻調制器盡管目前存在帶寬較窄、調制速率低、無法實現高階調制及遠距離傳輸等問題，但與太赫茲芯片設計技術相結合，基于載波直接調制技術的通信系統具有廣闊的發展空間。

3 存在的問題與挑戰

與傳統通信系統調制技術相比，太赫茲調制器技術存在輸出功率低、目標調制速率大、技術難度高等問題，且不同的實現方案應用在通信系統中仍需面對各種問題。

3.1 輸出功率不足

太赫茲調制技術無法廣泛應用的一個主要技術難點是調制信號的功率有限。對通信系統而言，調制器的輸出功率對系統傳輸距離與信噪比等關鍵指標息息相關。目前，采用基于二極管無源混頻調制技術的太赫茲通信系統輸出功率僅有微瓦級，需要較高增益天線才能實現空口信息傳輸；采用結合放大器的有源調制技術的通信系統輸出功率可以達到毫瓦量級，僅通過低增益的片上天線就能進行短距離通信實驗；基于載波直接調制方法實現的通信系統輸出功率也可以達到毫瓦量級。因此，想要實現較高功率輸出的太赫茲通信系統，需要考慮結合放大器工藝以及提高載波直接調制功率。

3.2 調制速率與預期存在差距

由于太赫茲頻段絕對帶寬較大，根據香農公式能夠傳輸的數據率也相對較大。但現有的太赫茲調制技術存在帶寬較受限以及調制深度不足等問題。對基于混頻方法的太赫茲調制技術而言，主要問題在于現有的基帶系統難以支持高帶寬大數據率的信號產生，采用任意信號發生器作為替代后估算得到的太赫茲通信數據傳輸速率已經能夠達到百吉比特數據量；對采用載波直接調制方法的太赫茲調制技術而言，由于主要使用類開關的方法對太赫茲信號進行調節，難以保證復雜基帶信號的線性度，實現高階調制的難度較大，采用極化復用模式后最大傳輸速率也僅為數十吉比特。

4 結論

太赫茲調制技術能夠把基帶信號攜帶的信息傳輸到太赫茲信號上，其實現器件太赫茲調制器是太赫茲通信系統的重要組成部分。本文旨在對基于電子學方法實現的太赫茲調制技術進展進行研究，對基于電子學的多種太赫茲調制器進行了概述，并討論了基于不同方案下的太赫茲調制方案的優劣。最后，本文對現階段太赫茲調制系統存在的問題以及未來存在的挑戰進行了探討。