毫米波与太赫兹技术

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 Ga