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太赫兹通信芯片关键技术与系统发展浅析.docx
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0 前言
太赫兹通信泛指载波频率位于太赫兹波段(0.1-10THz)的通信技术手段,
由于太赫兹波的特殊频谱位置,太赫兹通信既具有红外、可见光的大带宽特点,
又具备微波无线电的无线传输能力,其特点可归结为频谱资源丰富、大容量、
私密性好等。随着云计算、物联网、移动互联网的崛起,使得通信业务量急剧
增加,在现有无线通信频段资源日趋紧张的形势下,通信容量与业务需求矛盾不
断地加剧,因此迫切需要发展以太赫兹频段为代表的基于全新频谱的高速通信
技术。
随 着 WRC-2019 会 议 正 式 确 定 275~296GHz 、 306~313GHz 、
318~333GHz、356~450GHz 为 4 个全球标识的移动业务频段
[1]
,太赫兹通信成
为了未来 6G 关键潜在技术之一。系列性的 6G 白皮书均将太赫兹通信列为了
关键技术。同时,太赫兹通信也得到了科学技术研究领域和产业领域的高度关
注。
在太赫兹通信诸多核心关键技术中,芯片技术是核心,无论是分立器件还是
集成电路都离不开高性能太赫兹芯片技术的发展。从目前太赫兹通信需求的核
心关键器件发展看,无论是由二极管技术衍生的太赫兹倍频、混频等分立器件,
由 InP、GaN-HEMT、HBT 发展的太赫兹低噪放、功放芯片技术,还是由硅基
工艺拓展的集成电路芯片都成为了集成化、小型化太赫兹通信技术发展的前提,
并且伴随器件的小型化,更多的技术如天线的大规模多入多出(MIMO)技术也能
更好地为太赫兹通信系统的发展提供方向。本文根据太赫兹发展需求,浅析了
相关基于二极管芯片的分立器件技术以及相关芯片和通信系统技术的发展,希
望抛砖引玉,通过不断的探讨与研究,促进我国太赫兹通信技术的发展。
如图 1 所示,目前太 赫兹芯片的工艺主要包含 InP、GaAs、GaN 和硅基
CMOS。在这些技术中,InP 器件的工作频率最高,并且有最高的集成度。相比
而言,GaAs 和 GaN 器件更适合于大功率太赫兹器件,而硅基 CMOS 则具有低
成本、高集成度的优势。
图 1
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/86881990/bg2.jpg)
图 1 太赫兹芯片
Fig.1 Terahertz chips
1 太赫兹通信关键芯片及器件技术探讨
由于大气对太赫兹波的吸收特性,大气层内太赫兹无线通信系统难以实现
远距离应用,因此现有的太赫兹通信技术的应用主要集中于 3 公里以内的适用
场景,包括大容量无线数据回传、固定无线接入、短距离无线数据中心数据交
互以及高速数据亭信息下载等。在大气层外,空间通信中,太赫兹通信能面向更
远距离进行大容量数据传输,因此在空间互联网、小卫星群通信等场景下具有
重要应用。无论地面还是空间太赫兹通信,均需要基于半导体芯片的太赫兹器
件的发展,本文总体将相关内容归纳为以下几个方面进行谈论:(1)基于二极
管芯片的太赫兹分立器件;(2)InP、GaN 基芯片技术;(3)硅基集成电路芯
片技术。
1.1 基于二极 管芯片的太赫兹分 立器件的探讨
1.1.1 基于肖特基二极管的太赫兹倍频器
太赫兹倍频器是通信、安检、雷达等系统极其重要的一环,随着二极管加
工工艺的迭代及机加工工艺精度的提高,太赫兹倍频器在不断地朝着更高功率
及更高频率发展。在高功率方面,可以通过不断突破单路二极管的管芯数量、
增加单个二极管管芯的功率容量、利用 GaN 功率材料及导热率高的介质基板
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/86881990/bg3.jpg)
抑或通过多路功率合成等技术实现。在更高频率方面,可以通过例如三次谐波
倍频,采用结电容更小的二极管管芯等方式实现更高的输出频率。
目前国内外设计的倍频器均较为成熟,对于二倍频器主要电路最常见的为
平衡式电路结构为主,通过输入的 TE
10
模式及输出的准 TEM 模式实现输入信号
与输出信号的隔离,便于匹配电路的设计。同时利用二极管反向串联的模式,输
出信号为偶次谐波分量,提高能量的利用效率 。 如 图 1 所示,2018 年 Jose V.
Siles 团队利用新型片上功率拓扑结构,针对大功率优化了器件性能,在 180GHz
设计了一款 165GHz~195GHz 基于 24 管芯的超大功率倍频器。其基于 50um
厚的 GaAs 衬底,由四路功率合成,每一路具有六个阳极结,每个阳极结的零偏压
结电容约为 60fF 左右。实验表明,在 1500mW 以上的输入功率情况下,其最终
输 出 达 到 400~500mW, 效 率 接 近 25%
[2]
。 2018 年 来 自 ACST 公 司 的 Diego
Moro-Melgar 设计了一款专门用于超高功率的基于倒装式,金刚石衬底的单路
的二倍频器。其在 150GHz 下能承受超过 400mW 的输入功率,输出功率超过
140mW
[3]
。2020 年中电十三所梁士雄团队设计一款基于 GaN 二倍频器,实验
结果表明在输入脉冲功率为 2W 的情况下,177~183GHz 频段范围内输出功率
为 200~244mW,效率 9.8%~11.8%
[4]
。
对于三倍频器件其相对更难建立,因为他们需要通过匹配电路实现输入与
输出的有效隔离,滤波器的添加会很大地增加路径损耗,同时非平衡的三倍频器
件由于无法对偶次谐波的抑制,会对三倍频的倍频效率有较大的影响。2007 年
美国 VDI 公司 David W. Porterfield 设计了一款 220GHz 和 440GHz 三倍频器
件,其在输入电路和直流偏置电路设计高低阻抗线构成的低通滤波器,分别防止
高次谐波信号泄露到输入端和防止基波信号泄露到直流偏置端。由实际测试结
果可以看到,220GHz 及 440GHz 分别有 23mW 和 13mW 的输出功率,效率达
到了 16%及 12%,相对带宽约为 7%
[5]
。
1.1.2 基于肖特基二极管的太赫兹混频器
在太赫兹通信系统当中,混频器也是一类非常关键的器件,其作用是通过变
频实现将太赫兹波下变频至中频抑或将中频信号上变频至太赫兹频段,混频器
的变频损耗、带宽、噪声系数等性能直接决定了通信系统的传输距离及传输速
率。混频器的发展目前较为成熟,有着较为固定的结构及设计流程,目前急需设
计出新的电路架构及利用新型材料不断朝高频段、大带宽、低变频损耗、更低
的热噪声以及更高的集成度发展。
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