今日推薦文章作者為東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、IEEE Fellow 著名毫米波專(zhuān)家洪偉教授，本文選自《毫米波與太赫茲技術(shù)》，發(fā)表于《中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué)》2016 年第46卷第8 期——《信息科學(xué)與技術(shù)若干前沿問(wèn)題評(píng)述專(zhuān)刊》。

本文概要介紹了毫米波與太赫茲技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)梳理歸納了今后的一些重要發(fā)展方向。在毫米波技術(shù)方面，重點(diǎn)介紹了近年來(lái)毫米波芯片的研究現(xiàn)狀與新進(jìn)展,， 同時(shí)也介紹了一些熱點(diǎn)毫米波系統(tǒng)應(yīng)用，如毫米波通信、毫米波成像、毫米波雷達(dá)等。相對(duì)于毫米波頻段,太赫茲頻譜的利用還處在探索階段，本文重點(diǎn)對(duì)太赫茲的一些關(guān)鍵技術(shù)作了概要介紹，包括太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲檢測(cè)、太赫茲元器件等。簡(jiǎn)要介紹了太赫茲在天文學(xué)、無(wú)損檢測(cè)、生命科學(xué)、安全、高速通信等領(lǐng)域的一些應(yīng)用。

引言

隨著對(duì)電磁波譜的不斷探索, 人類(lèi)對(duì)電子學(xué)和光學(xué)獲得了充分的認(rèn)識(shí), 并且通過(guò)對(duì)電子學(xué)和光學(xué)的研究, 研發(fā)了各種器件, 形成了兩大較為成熟的研究和應(yīng)用技術(shù). 一是微波毫米波技術(shù), 在雷達(dá)、射電天文、通信、成像、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用, 另一個(gè)是光學(xué)技術(shù), 其應(yīng)用已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷? 然而毫米波和光頻段之間, 還存在著豐富的未被充分開(kāi)發(fā)的頻譜資源, 也就是太赫茲頻段. 傳統(tǒng)上, 微波頻段定義為300 MHz-26.5 GHz, 毫米波頻段為26.5-300 GHz, 而太赫茲頻段為300-10000 GHz (10 THz). 現(xiàn)在比較流行的一種說(shuō)法是, 0.3-30 GHz 為微波頻段, 30-300 GHz 為毫米波頻段, 也有人將0.1-10 THz 稱(chēng)作太赫茲頻段， 如圖所示.

由于毫米波器件的成本較高, 之前主要應(yīng)用于軍事. 然而隨著高速寬帶無(wú)線(xiàn)通信、汽車(chē)輔助駕駛、安檢、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展, 近年來(lái)毫米波在民用領(lǐng)域也得到了廣泛的研究和應(yīng)用. 目前,6 GHz 以下的黃金通信頻段, 已經(jīng)很難得到較寬的連續(xù)頻譜, 嚴(yán)重制約了通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展. 相比之下,毫米波頻段卻仍有大量潛在的未被充分利用的頻譜資源. 因此, 毫米波成為第5 代移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn). 2015 年在WRC2015 大會(huì)上確定了第5 代移動(dòng)通信研究備選頻段: 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 在滿(mǎn)足特定使用條件下允許作為增選頻段. 各種毫米波的器件、芯片以及應(yīng)用都在如火如荼的開(kāi)發(fā)著. 相對(duì)于微波頻段, 毫米波有其自身的特點(diǎn). 首先, 毫米波具有更短的工作波長(zhǎng), 可以有效減小器件及系統(tǒng)的尺寸; 其次, 毫米波有著豐富的頻譜資源,可以勝任未來(lái)超高速通信的需求. 此外, 由于波長(zhǎng)短, 毫米波用在雷達(dá)、成像等方面有著更高的分辨率. 到目前為止, 人們對(duì)毫米波已開(kāi)展了大量的研究, 各種毫米波系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用. 隨著第5 代移動(dòng)通信、汽車(chē)自動(dòng)駕駛、安檢等民用技術(shù)的快速發(fā)展, 毫米波將被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?

太赫茲研究主要集中在0.1-10 THz 頻段. 這是一個(gè)覆蓋很廣泛并且很特殊的一個(gè)頻譜區(qū)域.起初, 這一頻段被稱(chēng)為“THz Gap (太赫茲鴻溝)”，原因是這一頻段夾在兩個(gè)發(fā)展相對(duì)成熟的頻,即電子學(xué)頻譜和光學(xué)頻譜之間. 其低頻段與電子學(xué)領(lǐng)域的毫米波頻段有重疊, 高頻段與光學(xué)領(lǐng)域的遠(yuǎn)紅外頻段(波長(zhǎng)0.03-1.0 mm) 有重疊. 由于這一領(lǐng)域的特殊性, 形成了早期研究的空白區(qū). 但隨著研究的開(kāi)展, 太赫茲頻譜與技術(shù)對(duì)物理、化學(xué)、生物、電子、射電天文等領(lǐng)域的重要性逐漸顯現(xiàn), 其應(yīng)用也開(kāi)始滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及國(guó)家安全的很多方面, 如生物成像、THz 波譜快速檢測(cè)、高速通信、穿墻雷達(dá)等. 太赫茲之所以具有良好的應(yīng)用前景, 主要得益于其光譜分辨力、安全性、透視性、瞬態(tài)性和寬帶等特性. 例如: 自然界中許多生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率都處在太赫茲頻段, 這對(duì)檢測(cè)生物信息提供了一種有效的手段; 太赫茲頻段光子能量較低, 不會(huì)對(duì)探測(cè)體造成損壞, 可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè); 太赫茲波對(duì)介質(zhì)材料有著良好的穿透能力, 從而可作為探測(cè)隱蔽物體的手段; 太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí), 可以得到高信噪比的太赫茲時(shí)域譜, 易于對(duì)各種材料進(jìn)行光譜分析; 此外, 太赫茲頻段的帶寬很寬, 從0.1-10 THz可為超高速通信提供豐富的頻譜資源.

針對(duì)近些年毫米波及太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展, 分別對(duì)毫米波及太赫茲技術(shù)與應(yīng)用做了歸納總結(jié). 在毫米波技術(shù)方面, 結(jié)合目前一些熱門(mén)的毫米波頻段的系統(tǒng)應(yīng)用, 如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷達(dá)等, 對(duì)毫米波芯片發(fā)展做了重點(diǎn)介紹. 在太赫茲技術(shù)方面, 介紹了太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)、太赫茲波傳輸技術(shù)和太赫茲波檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展, 并在對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行介紹的同時(shí), 對(duì)太赫茲領(lǐng)域的典型應(yīng)用做了相應(yīng)的介紹, 主要包括太赫茲生物應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、成像應(yīng)用、大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、通信技術(shù)和國(guó)家安全等. 最后對(duì)未來(lái)毫米波以及太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展做了展望, 并指出了一些今后值得重點(diǎn)研究的方向.

毫米波技術(shù)

1、毫米波芯片

傳統(tǒng)的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導(dǎo)體工藝, 如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP) 等, 其在毫米波頻段具有良好的性能, 是該頻段的主流集成電路工藝. 另一方面, 近十幾年來(lái)硅基(CMOS、SiGe等) 毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進(jìn)展. 此外, 基于氮化鎵(GaN) 工藝的大功率高頻器件也迅速拓展至毫米波頻段. 下面將分別進(jìn)行介紹.

1.1 GaAs 和InP 毫米波芯片

近十幾年來(lái), GaAs 和InP 工藝和器件得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步. 基于該類(lèi)工藝的毫米波器件類(lèi)型主要有高電子遷移率晶體管(HEMT)、改性高電子遷移率晶體管(mHEMT) 和異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(HBT)等. 目前GaAs 、mHEMT、InP、 HEMT 和InP HBT 的截止頻率(ft) 均超過(guò)500 GHz, 最大振蕩頻率(fmax) 均超過(guò)1THz. 2015 年美國(guó)Northrop Grumman 公司報(bào)道了工作于0.85 THz 的InP HEMT放大器， 2013 年美國(guó)Teledyne 公司與加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了工作至0.67 THz 的InP?HBT 放大器, 2012 年和2014 年德國(guó)弗朗霍夫應(yīng)用固體物理研究所報(bào)道了工作頻率超過(guò)0.6 THz 的mHEMT 放大器。

1.2 GaN 毫米波芯片

GaN 作為第3 代寬禁帶化合物半導(dǎo)體, 具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),器件功率密度是GaAs 功率密度的5 倍以上, 可顯著地提升輸出功率, 減小體積和成本. 隨著20 世紀(jì)90 年代GaN 材料制備技術(shù)的逐漸成熟, GaN 器件和電路已成為化合物半導(dǎo)體電路研制領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向, 美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家將GaN 作為微波毫米波器件和電路的發(fā)展重點(diǎn). 近十年來(lái), GaN 的低成本襯底材料碳化硅(SiC) 也逐漸成熟, 其晶格結(jié)構(gòu)與GaN 相匹配，導(dǎo)熱性好， 大大加快了GaN 器件和電路的發(fā)展. 近年來(lái)GaN 功率器件在毫米波領(lǐng)域飛速發(fā)展, 日本Eudyna 公司報(bào)道了0.15 m 柵長(zhǎng)的器件, 在30 GHz 功率輸出密度達(dá)13.7 W/mm. 美國(guó)HRL 報(bào)道了多款E波段、W 波段與G 波段的GaN 基器件, W 波段功率密度超過(guò)2 W/mm, 在180 GHz 上功率密度達(dá)到296 mW/mm.國(guó)內(nèi)在微波頻段的GaN 功率器件已基本成熟，到W 波段的GaN 功率器件也取得進(jìn)展. 南京電子器件研究所研制的Ka 波段GaN 功率MMIC 在3436 GHz 頻帶內(nèi)脈沖輸出功率達(dá)到15W, 附加效率30%, 功率增益大于20 dB。

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工藝傳統(tǒng)上以數(shù)字電路應(yīng)用為主. 隨著深亞微米和納米工藝的不斷發(fā)展, 硅基工藝特征尺寸不斷減小, 柵長(zhǎng)的縮短彌補(bǔ)了電子遷移率的不足, 從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高, 這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應(yīng)用成為可能. 國(guó)際半導(dǎo)體藍(lán)圖協(xié)會(huì)(International Technology Roadmap for Semiconductors) 預(yù)測(cè)到2030 年CMOS 工藝的特征尺寸將減小到5 nm, 而截止頻率ft 將超過(guò)700 GHz. 德國(guó)IHP 研究所的SiGe 工藝晶體管的截止頻率ft 和最大振蕩頻率fmax都已經(jīng)分別達(dá)到了300 GHz 和500 GHz，相應(yīng)的硅基工藝電路工作頻率可擴(kuò)展到200 GHz 以上。

由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢(shì), 硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一. 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)了410 GHz CMOS 振蕩器，加拿大多倫多大學(xué)研制了基于SiGe HBT 工藝的170 GHz 放大器、160 GHz 混頻器和基于CMOS 工藝的140 GHz 變頻器，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校等基于CMOS 工藝研制了150 GHz 放大器等，美國(guó)康奈爾大學(xué)基于CMOS 工藝研制了480 GHz 倍頻器. 在系統(tǒng)集成方面, 加拿大多倫多大學(xué)設(shè)計(jì)了140 GHz CMOS接收機(jī)芯片和165 GHz SiGe 的片上收發(fā)系統(tǒng), 美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校首次將60 GHz 頻段硅基模擬收發(fā)電路與數(shù)字基帶處理電路集成在一塊CMOS 芯片上，新加坡微電子研究院也實(shí)現(xiàn)了包括在片天線(xiàn)的60 GHz CMOS 收發(fā)信機(jī)芯片，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校報(bào)道了0.54 THz 的頻率綜合器, 德國(guó)烏帕塔爾綜合大學(xué)研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系統(tǒng), 加州大學(xué)伯克利分校采用SiGe 工藝成功研制了380 GHz 的雷達(dá)系統(tǒng)。

日本NICT 等基于CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了300 GHz的收發(fā)芯片并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)10 Gbps 的傳輸速率, 但由于沒(méi)有功率放大和低噪聲電路, 其傳輸距離非常短. 通過(guò)采用硅基技術(shù), 包含數(shù)字電路在內(nèi)的所有電路均可集成在單一芯片上, 因此有望大幅度降低毫米波通信系統(tǒng)的成本. 在毫米波亞毫米波硅基集成電路方面我國(guó)大陸起步稍晚, 但在國(guó)家973 計(jì)劃、863 計(jì)劃和自然科學(xué)基金等的支持下, 已快速開(kāi)展研究并取得進(jìn)展. 東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于90 nm CMOS 工藝成功設(shè)計(jì)了Q、V 和W 頻段放大器、混頻器、VCO 等器件和W 波段接收機(jī)、Q波段多通道收發(fā)信機(jī)等, 以及到200 GHz 的CMOS 倍頻器和到520 GHz 的SiGe 振蕩器等。

2、毫米波電真空器件

毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，但功率受限. 為了獲得更高的輸出功率， 可以采用電真空器件, 如加拿大CPI 公司研制的速調(diào)管(Klystron) 在W 波段上獲得了超過(guò)2000 W 的脈沖輸出功率, 北京真空電子研究所研制的行波管(TWT) 放大器在W 波段的脈沖輸出功率超過(guò)了100 W，電子科技大學(xué)在W 波段上也成功設(shè)計(jì)了TWT 功率放大器, 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研制的迴旋管(Gyrotron) 在140 GHz 上獲得了0.9 MW 的脈沖輸出功率， 與國(guó)外水平相當(dāng)。

3、毫米波應(yīng)用

近年來(lái), 毫米波器件性能的不斷提高, 成本的不斷降低, 有力促進(jìn)了毫米波在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用. 目前基于毫米波頻段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷達(dá)等方面.

3.1 毫米波通信

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展, 6 GHz 以下黃金通信頻段的頻譜已經(jīng)非常擁擠, 很難滿(mǎn)足未來(lái)無(wú)線(xiàn)高速通信的需求. 然而, 與此相反的是, 在毫米波頻段, 頻譜資源豐富但仍然沒(méi)有得到充分的開(kāi)發(fā)利用. 在移動(dòng)通信方面，探索了毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及空中接口. 在目前開(kāi)展的第5 代移動(dòng)通信(5G) 研究中, 幾個(gè)毫米波頻段已經(jīng)成為5G 候選頻段。毫米波技術(shù)將會(huì)在5G的發(fā)展中起著舉足輕重的作用. 在短距高速通信系統(tǒng)中, 60 GHz 頻段得到了廣泛地研究和應(yīng)用. 歐洲、美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、日本、澳大利亞以及我國(guó)陸續(xù)開(kāi)放了這一頻段的免費(fèi)頻譜資源. 60 GHz 頻段處于大氣衰減峰, 雖然不適合遠(yuǎn)距通信, 但可用于短距離傳輸, 且不會(huì)對(duì)周?chē)斐商喔蓴_. 近年來(lái), 在60 GHz 頻段已發(fā)展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近場(chǎng)通訊、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各種系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)東南大學(xué)提出了工作在45 GHz 頻段的超高速近遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)(Q-LINKPAN) ，其短距部分已成為IEEE 802.11aj 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。45 GHz 頻段的大氣衰減小于1 dB/km, 因此不僅可以像60 GHz 頻段一樣實(shí)現(xiàn)高速短距傳輸, 同時(shí)也適用于遠(yuǎn)距傳輸. 目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在82 m 的傳輸距離上已實(shí)現(xiàn)2 Gbps 的傳輸速率, 并研制了相應(yīng)的支持Gbps 傳輸?shù)暮撩撞ㄐ酒?/span>

衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，是保障偏遠(yuǎn)地區(qū)和海上通信以及應(yīng)急通信的重要手段，目前其工作頻段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段. 隨著衛(wèi)星通信研究的不斷深入，已在嘗試更高頻段. 因?yàn)楹撩撞l段可以提供更寬的帶寬, 因而可實(shí)現(xiàn)更高的通信速率. 此外, 低功耗、小體積、抗干擾以及較高的空間分辨率都是其值得利用的特點(diǎn). 目前衛(wèi)星與地面通信的主要研究方向集中在兩個(gè)大氣衰減較小的窗口，Q 頻段和W 頻段， 而60 GHz 頻段被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)星間通信的重要頻段. 此外, 毫米波光載無(wú)線(xiàn)通信(RoF) 系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展. 光纖具有成本低、信道帶寬大、損耗小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可或缺的部分. 正如上文提到的, 毫米波具有傳輸容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn), 但也有空間傳輸損耗大等缺點(diǎn). 毫米波RoF 系統(tǒng)結(jié)合了毫米波和光纖通信的優(yōu)點(diǎn), 是實(shí)現(xiàn)寬帶毫米波通信遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行侄? 自從1990 年光載無(wú)線(xiàn)通信的概念被提出之后，這個(gè)領(lǐng)域目前在毫米波頻段成為了研究熱點(diǎn)，很多研究小組在不同的毫米波頻段進(jìn)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、安全性等優(yōu)點(diǎn), 毫米波成像可有效地對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行成像, 在國(guó)家安全、機(jī)場(chǎng)安檢、大氣遙感等方面得到了廣泛的研究, 根據(jù)成像機(jī)理分為被動(dòng)式成像和主動(dòng)式成像.毫米波被動(dòng)式成像是通過(guò)探測(cè)被測(cè)物自身的輻射能量, 并分辨不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)成像. 被動(dòng)式成像從機(jī)理上看是一種安全的成像方式, 不會(huì)對(duì)環(huán)境造成電磁干擾, 但對(duì)信號(hào)本身的強(qiáng)度以及接收機(jī)的靈敏度要求較高。 國(guó)內(nèi)外對(duì)毫米波被動(dòng)式成像技術(shù)已開(kāi)展了大量的研究。

毫米波主動(dòng)式成像主要是通過(guò)毫米波源發(fā)射一定強(qiáng)度的毫米波信號(hào), 通過(guò)接收被測(cè)物的反射波，檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)與環(huán)境的差異，然后進(jìn)行反演成像. 主動(dòng)式成像系統(tǒng)可以對(duì)包括塑料等非金屬物體進(jìn)行檢測(cè), 其受環(huán)境影響較小, 獲得的信息量大, 可以有效地進(jìn)行三維成像. 常用的主動(dòng)式成像系統(tǒng)主要包括焦平面成像以及合成孔徑成像。毫米波成像系統(tǒng)已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外許多機(jī)場(chǎng)的安檢. 國(guó)內(nèi)上海微系統(tǒng)所孫曉瑋團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功了毫米波成像安檢系統(tǒng), 電子科技大學(xué)樊勇團(tuán)隊(duì)研制成功了毫米波動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)。

3.3 毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)具有頻帶寬、波長(zhǎng)短、波束窄、體積小、功耗低和穿透性強(qiáng)等特點(diǎn). 相比于激光紅外探測(cè), 其穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)可以保證雷達(dá)能夠工作在霧雨雪以及沙塵環(huán)境中， 受天氣的影響較小。相比于微波波段的雷達(dá)， 利用毫米波波長(zhǎng)短的特點(diǎn)可以有效減小系統(tǒng)體積和重量，并提高分辨率. 這些特點(diǎn)使得毫米波雷達(dá)在汽車(chē)防撞、直升機(jī)避障、云探測(cè)、導(dǎo)彈導(dǎo)引等方面具有重要的應(yīng)用. 微波毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)主要集中在24 GHz和77 GHz 頻段上, 是未來(lái)智能駕駛或自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)之一. 在直升機(jī)毫米波防撞雷達(dá)的研究上, 人們特別關(guān)注毫米波雷達(dá)對(duì)電力線(xiàn)等的探測(cè)效果。

毫米波在大氣遙感方面也有很重要的應(yīng)用，其中代表性的有毫米波云雷達(dá). 毫米波云雷達(dá)主要針對(duì)降水云進(jìn)行探測(cè),，用于探測(cè)云內(nèi)部宏觀和微觀參數(shù),，反映大氣熱力及動(dòng)力過(guò)程. 由于毫米波波長(zhǎng)短，在云探測(cè)中表現(xiàn)出很高的測(cè)量精度和分辨率, 具有穿透含水較多的厚云層等優(yōu)勢(shì)。南京信息工程大學(xué)葛俊祥團(tuán)隊(duì)研制了W 波段云雷達(dá), 北京理工大學(xué)呂昕團(tuán)隊(duì)正在研制94/340 GHz 雙頻段云雷達(dá). 除了民用, 毫米波雷達(dá)在軍事方面也有著非常重要的應(yīng)用, 比如在精確制導(dǎo)武器中, 毫米波雷達(dá)導(dǎo)引是一項(xiàng)核心技術(shù), 是全天候?qū)嵤┠繕?biāo)精確打擊的一種有效手段。

太赫茲技術(shù)

相對(duì)于毫米波技術(shù), 太赫茲技術(shù)的研究還處在探索階段。太赫茲技術(shù)主要包括太赫茲波源、太赫茲傳輸和太赫茲?rùn)z測(cè)等，其關(guān)鍵部件可以分為無(wú)源元件和有源器件. 無(wú)源元件包括太赫茲傳輸線(xiàn)、濾波器、耦合器、天線(xiàn)等, 而有源器件包括太赫茲混頻器、倍頻器、檢波器、放大器、振蕩器等。

1、太赫茲源

伴隨著太赫茲波生成技術(shù)的發(fā)展, 太赫茲源的研究已有很多有價(jià)值的新進(jìn)展. 研發(fā)低成本、高功率、室溫穩(wěn)定的太赫茲源是發(fā)展太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ). 太赫茲源的分類(lèi)多種多樣, 按照產(chǎn)生機(jī)理, 可以分為基于光學(xué)效應(yīng)和基于電子學(xué)的太赫茲源。按照源類(lèi)型可以分成3 類(lèi): 非相干熱輻射源、寬帶太赫茲輻射源以及窄帶太赫茲連續(xù)波源。

1.1 ?非相干熱輻射源

非相干熱輻射源在熱平衡的情況下將熱能轉(zhuǎn)換為光能, 產(chǎn)生連續(xù)的光譜。?主要例子如日常生活中的太陽(yáng), 以及白熾燈. 由于其產(chǎn)生的太赫茲波功率很低, 應(yīng)用前景較為局限.

1.2 寬帶太赫茲輻射源

寬帶太赫茲輻射源目前主要應(yīng)用于光譜系統(tǒng), 主要由周期為幾十到幾百個(gè)飛秒的脈沖產(chǎn)生，在頻譜上包含高達(dá)幾十太赫茲的超寬頻譜分量. 產(chǎn)生方法包括：

a) 光導(dǎo)天線(xiàn)：光導(dǎo)天線(xiàn)進(jìn)行太赫茲輻射的主要機(jī)理是光導(dǎo)天線(xiàn)在光脈沖的照射下產(chǎn)生載流子, 并在電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng), 在表面產(chǎn)生瞬態(tài)電流,進(jìn)而輻射太赫茲電磁波，其特點(diǎn)是具有較高的輸出能量. 近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了很多關(guān)于光導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生寬帶太赫茲波的研究。

b) 光整流法: 光整流法是利用非線(xiàn)性的光整流效應(yīng), 使兩個(gè)光束或者一個(gè)高強(qiáng)度的單色光束在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生差頻或和頻振蕩，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)太赫茲超寬帶輸出, 但是輸出能量相對(duì)不高. 基于此原理, 太赫茲輻射源得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

c) 空氣等離子法: 空氣等離子法的原理是利用激光聚焦擊穿空氣產(chǎn)生太赫茲輻射。

d) 半導(dǎo)體表面: 基于半導(dǎo)體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結(jié)成表面電場(chǎng)效應(yīng)和光生丹培效應(yīng). 對(duì)于某些寬帶隙的半導(dǎo)體材料, 其表面存在表面態(tài), 由于表面和內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)不一致, 會(huì)形成表面電場(chǎng). 在這個(gè)電場(chǎng)作用下, 被激光激發(fā)的載流子會(huì)形成瞬態(tài)電流, 從而形成太赫茲輻射. 對(duì)于某些窄帶隙半導(dǎo)體材料, 由于其吸收系數(shù)很大, 大量的載流子會(huì)在半導(dǎo)體表面形成, 其中的電子和空穴在向半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的時(shí)候使正負(fù)電荷在空間中分離, 形成光生丹培電場(chǎng), 輻射太赫茲波. 這種方式的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作, 但輻射功率較低。

1.3 窄帶太赫茲連續(xù)波源

窄帶太赫茲輻射源的目標(biāo)是產(chǎn)生連續(xù)的線(xiàn)寬很窄的太赫茲波. 常用的方法包括:?

a) 利用電子學(xué)器件設(shè)計(jì)振蕩器, 尤其是以亞毫米波振蕩器為基礎(chǔ), 提高振蕩器的工作頻率, 以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適合太赫茲頻段的振蕩器. 由于這一特點(diǎn), 目前報(bào)道的太赫茲源的工作頻率主要集中在較低的太赫茲頻段。但是, 在此基礎(chǔ)上利用倍頻鏈已獲得了1THz 左右甚至更高頻率的太赫茲波。?

b) 太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器(THz-QCL) 作為相干光源的一種，是基于導(dǎo)帶子帶電子能態(tài)間躍遷和聲子共振輔助隧穿實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn). 隨著量子級(jí)聯(lián)激光器的迅速發(fā)展, 可以用來(lái)研究微小尺度的物質(zhì)運(yùn)動(dòng), 比如電子微觀輸運(yùn), 納米光子學(xué)等。?同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)緊湊, 使之在很多領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值, 如天體物理和大氣科學(xué)、空間通訊、精密光譜測(cè)量、安檢領(lǐng)域和太赫茲成像等。

c) 自由電子激光器是將在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光子能量, 從而產(chǎn)生激光, 其特點(diǎn)是具有高能量和高相干性. 由于其連續(xù)性,輻射波長(zhǎng)可以調(diào)諧到任何波長(zhǎng), 非常適合用作太赫茲輻射源, 但自由電子激光器的缺點(diǎn)是功耗高、體積大和費(fèi)用昂貴, 因此自由電子激光器基本上用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。?

d) 光泵太赫茲激光器: 太赫茲頻段符合許多極性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí), 光泵太赫茲激光器使這些極性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生太赫茲輻射. 國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作中, 常用的氣體有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。?

e) 差頻太赫茲輻射源: 差頻太赫茲輻射源主要利用非線(xiàn)性晶體的差頻效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生相干窄帶的太赫茲輻射. 這種方法中, 需要兩束不同波長(zhǎng)的激光, 即頻率不同, 以一定角度泵浦非線(xiàn)性晶體, 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有機(jī)晶體DAST 等. 太赫茲波的頻率取決于泵浦光波長(zhǎng), 可以方便進(jìn)行調(diào)諧。

f) 光參量法: 光參量法是利用一束泵浦光入射晶體, 激發(fā)出斯托克斯光和電磁耦子. 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下, 電磁耦子發(fā)生受激拉曼散射, 實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射。

2、 太赫茲傳輸

由于太赫茲波在空氣中的損耗較大, 所以其傳輸結(jié)構(gòu)是一個(gè)不可或缺的部分。對(duì)不同傳輸結(jié)構(gòu)的損耗和色散特性的研究，逐漸成為了太赫茲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).。各國(guó)科研人員都在努力尋找低損耗、低色散、高功率容量的太赫茲傳輸結(jié)構(gòu)，也就是尋找適合傳輸太赫茲波的材料和結(jié)構(gòu)。就研究方法而言, 主要是根據(jù)太赫茲頻段在波譜中夾在毫米波頻段和光學(xué)頻段之間這一特性，人們?cè)噲D將在這些頻段成熟的傳輸材料進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用到太赫茲頻段, 這些嘗試包括金屬圓波導(dǎo)、平行平面金屬波導(dǎo)、金屬線(xiàn)波導(dǎo)、帶有金屬涂層的介質(zhì)波導(dǎo)、全介質(zhì)波導(dǎo)、亞波長(zhǎng)周期孔陣列、橢圓形空心光纖包層的微結(jié)構(gòu)光纖、雙線(xiàn)傳輸結(jié)構(gòu)、光子晶體等. 如上所述，太赫茲頻段的傳輸結(jié)構(gòu)有很多選擇, 需要針對(duì)不同的需求選擇合適的導(dǎo)波結(jié)構(gòu). 同時(shí)仍需要尋找更低損耗和色散的太赫茲傳輸線(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)。

3、太赫茲?rùn)z測(cè)

類(lèi)似于太赫茲源, 其檢測(cè)方式可以分為非相干檢測(cè)和相干檢測(cè).

3.1 非相干檢測(cè)

非相干檢測(cè), 即直接檢測(cè), 是指利用檢波器將檢波信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào), 得到被測(cè)信號(hào)的幅度信息. 這種檢測(cè)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬, 適合于對(duì)毫米波、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光等頻段的檢測(cè). 它的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可采用大規(guī)模檢波陣列進(jìn)行檢測(cè). 然而, 由于其相位信息的缺失, 它難以實(shí)現(xiàn)超高分辨率. 用于直接檢測(cè)的檢波器一般分為非制冷型檢波器和制冷型檢波器. 非制冷型檢波一般工作于室溫環(huán)境, 具有中等的靈敏度和較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。制冷型檢波器由于其工作溫度很低, 可以獲得很高的靈敏度和較快的反應(yīng)時(shí)間。

3.2 相干檢測(cè)

不同于非相干檢測(cè), 相干檢測(cè)通常采用類(lèi)似于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的超外差結(jié)構(gòu)，先將太赫茲信號(hào)變換到較低的微波毫米波頻段，再采用傳統(tǒng)的方式提取信號(hào)的幅度和相位. 由于采用了變頻方式，相干檢測(cè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要混頻器等關(guān)鍵元器件，同時(shí)對(duì)混頻器以及太赫茲本振源提出了較高的要求， 比如較高的輸出功率和較低的噪聲等. 值得一提的是, 由于可檢測(cè)到相位信息，可以獲得較高的分辨率.此外, 還可進(jìn)行信號(hào)放大，從而可獲得較高的靈敏度. 這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種高分辨率、高靈敏度的探測(cè)場(chǎng)景, 比如深空探測(cè)等。?國(guó)內(nèi)紫金山天文臺(tái)史生才團(tuán)隊(duì)在500 GHz 和800 GHz 頻段已成功研制了超導(dǎo)混頻器, 并應(yīng)用于射電天文探測(cè)。

3.3 ?檢波器

常用的一些檢波器包括

a) 肖特基管檢波器：肖特基管不僅可應(yīng)用于直接檢波, 還可作為非線(xiàn)性器件用于超外差接收機(jī)。應(yīng)用在直接檢波時(shí), 具有高效率、低成本以及高集成度等優(yōu)點(diǎn); 應(yīng)用于混頻接收機(jī)系統(tǒng)中, 可以獲得高分辨率和高靈敏度.

b) 熱電探測(cè)器：熱電探測(cè)器是利用光輻射與物質(zhì)之間的熱敏效應(yīng)這一特性而設(shè)計(jì)的器件, 曾被廣泛用于遠(yuǎn)紅外線(xiàn)探測(cè), 現(xiàn)已逐步用于太赫茲領(lǐng)域。

c) 半導(dǎo)體測(cè)輻射熱計(jì): 測(cè)輻射熱計(jì)一般采用高靈敏度的熱敏電阻對(duì)照射在探測(cè)器的熱輻射所產(chǎn)生的相應(yīng)電阻值變化進(jìn)行檢測(cè), 以獲得太赫茲波的功率, 一般可探測(cè)的頻率范圍為幾十個(gè)GHz到幾十個(gè)THz. 經(jīng)典的測(cè)輻射熱計(jì)含有重?fù)诫s半導(dǎo)體。

d) 半導(dǎo)體熱電子測(cè)輻射熱計(jì): 通過(guò)半導(dǎo)體或超導(dǎo)體中的電子與晶格相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)輻射熱計(jì)的高熱傳導(dǎo)性和小熱容量, 從而使之適合于太赫茲領(lǐng)域. 在半導(dǎo)體熱電子測(cè)輻射熱計(jì)中, 其半導(dǎo)體中的非平衡態(tài)電子被稱(chēng)為熱電子。不同于一般的測(cè)輻射熱計(jì)先讓晶格吸收功率再將能量傳輸給自由載流子, 在這種測(cè)輻射熱計(jì)中, 入射的輻射能量被自由載流子直接吸收, 所以晶格溫度保持不變。

e) 超導(dǎo)熱電子測(cè)輻射熱計(jì)：為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體熱電子測(cè)輻射熱計(jì)的靈敏度, 該檢波器是通過(guò)引入介質(zhì)基片上的NbN 、NbTiN 或Nb 等構(gòu)成的超導(dǎo)微橋而實(shí)現(xiàn). 按照熱電子測(cè)輻射熱計(jì)可以分為兩類(lèi): 一種是聲子冷卻熱電子測(cè)輻射熱計(jì)；另一種是擴(kuò)散冷卻熱電子測(cè)輻射熱計(jì)。

f) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管檢波器: CMOS 工藝由于其較低的成本和高集成度, 受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注. 近些年, 基于CMOS 工藝的太赫茲?rùn)z波技術(shù)取得了顯著進(jìn)展. 早期的一些研究中已將場(chǎng)效應(yīng)晶體管應(yīng)用于太赫茲?rùn)z波中，而近期的一些研究中已逐步發(fā)展到檢波陣列并且集成在THz CMOS 單芯片中。

g) 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器(TES)：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器利用電流加熱超導(dǎo)薄膜到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，是一種超導(dǎo)非相干檢波技術(shù). 當(dāng)檢測(cè)太赫茲輻射時(shí), 超導(dǎo)薄膜可以吸收太赫茲光子, 使溫度上升, 進(jìn)而使電阻明顯升高. 這將減少流過(guò)超導(dǎo)薄膜的電流, 進(jìn)而降低溫度, 逐步回到原來(lái)穩(wěn)定的狀態(tài). 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為電- 熱反饋, 在這個(gè)過(guò)程中可利用高靈敏的電流計(jì)讀出電流變化. 目前最大規(guī)模的TES 檢測(cè)器陣列應(yīng)用是安裝在美國(guó)的JCMT 望遠(yuǎn)鏡上的SCUBA2 探測(cè)器陣列。

4 、太赫茲元器件

隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展, 各國(guó)研究人員對(duì)太赫茲元器件開(kāi)展了大量研究, 包括太赫茲無(wú)源元件, 如太赫茲濾波器、太赫茲天線(xiàn)、太赫茲耦合器, 以及太赫茲有源器件, 如太赫茲變頻器、太赫茲倍頻器等.

4.1 太赫茲濾波器

太赫茲頻段具有極寬的可用物理帶寬. 在不同應(yīng)用場(chǎng)合, 需要使用濾波器等無(wú)源結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲的頻率進(jìn)行選擇. 目前報(bào)道的太赫茲濾波器有頻率選擇表面(FSS)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 濾波器、波導(dǎo)腔體濾波器、MMIC 濾波器、CMOS 和SiGe 濾波器等. 另外, 還有一些太赫茲濾波器是基于二維光子晶體、超材料、表面等離子體等結(jié)構(gòu).

a) FSS 空間濾波器在低頻段的研究己經(jīng)相當(dāng)成熟, 而關(guān)于太赫茲頻段FSS 的研究并不多，只有很少的報(bào)道. 設(shè)計(jì)FSS 的主要方法有多諧振單元、多層結(jié)構(gòu)方法、微擾法和基因算法等. 頻率選擇表面采用周期性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率選擇，已廣泛應(yīng)用于微波毫米波和準(zhǔn)光系統(tǒng). b) 基于MEMS 的太赫茲腔體濾波器 與波導(dǎo)腔體濾波器相似，均采用腔體結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn), 前者使用體硅蝕刻工藝在硅上刻蝕濾波器圖形, 然后在硅表面濺射金等實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)腔體特性, 而后者直接在金屬上使用高精密數(shù)控機(jī)械加工技術(shù)銑出濾波器圖形。為了避免昂貴且困難的深硅刻蝕, 利用MEMS 的高加工精度可以在硅襯底表面刻蝕出周期性溝槽結(jié)構(gòu), 從而可以實(shí)現(xiàn)高選擇特性的太赫茲低通濾波器。

c) 光子晶體太赫茲濾波器是在光子晶體結(jié)構(gòu)中通過(guò)引入缺陷實(shí)現(xiàn)太赫茲濾波器。

d) 激光照射量子阱結(jié)構(gòu)可以使電子與空穴相結(jié)合產(chǎn)生光子, 而改變載流子濃度可以改變等離子的頻率, 所以量子阱結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可以被入射激光控制, 進(jìn)而設(shè)計(jì)出基于量子阱結(jié)構(gòu)的太赫茲濾波器。

e) 太赫茲波長(zhǎng)較短， 因此有可能基于傳統(tǒng)的平面微波毫米波電路結(jié)構(gòu), 使用MMIC、CMOS、SiGe 等微納加工工藝實(shí)現(xiàn)太赫茲濾波器等無(wú)源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 目前這方面的研究已有少量報(bào)道。

4.2 、太赫茲天線(xiàn)

隨著對(duì)太赫茲技術(shù)研究的深入, 太赫茲天線(xiàn)也逐漸成為研究熱點(diǎn). 太赫茲頻段相比微波毫米波頻段有著更高的工作頻率, 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也短很多. 由于天線(xiàn)尺寸與波長(zhǎng)的相關(guān)性, 太赫茲天線(xiàn)具有尺寸小的天然優(yōu)勢(shì), 但也對(duì)加工制作帶來(lái)了挑戰(zhàn). 類(lèi)似于低頻段通信的天線(xiàn)需求, 太赫茲天線(xiàn)也分全向天線(xiàn)、定向天線(xiàn)以及多波束天線(xiàn)陣等.?

常見(jiàn)太赫茲天線(xiàn)包括：

a) 太赫茲喇叭天線(xiàn)具有定向波束特性, 天線(xiàn)增益高, 得到了廣泛的研究和應(yīng)用。?由于在太赫茲頻段, 天線(xiàn)尺寸非常小, 對(duì)加工精度要求極高，目前英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室制作的圓錐喇叭天線(xiàn)已可工作到2.5 THz。?

b) 太赫茲反射面天線(xiàn)具有高增益、低旁瓣、窄波束等優(yōu)點(diǎn), 也是一種太赫茲技術(shù)中經(jīng)常采用的天線(xiàn)形式, 包括單反射面天線(xiàn)和雙反射面天線(xiàn)，一般廣泛應(yīng)用于射電天文望遠(yuǎn)鏡.

c) 太赫茲透鏡天線(xiàn)采用介質(zhì)透鏡, 具有高增益、低副瓣等特性. 由于集成度較高且可形成透鏡陣列, 它對(duì)太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用.

d) 太赫茲平面天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 容易與其他電路集成, 且加工較容易、成本較低, 是一種受到歡迎的結(jié)構(gòu)形式.

e) 光電導(dǎo)天線(xiàn)作為產(chǎn)生寬帶太赫茲波的一個(gè)主要方法, 在太赫茲領(lǐng)域得到了廣泛的研究. 它的作用是有效地產(chǎn)生大功率、高能量、高效率的太赫茲波, 其發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高產(chǎn)生太赫茲波的功率和效率. 另外, 一些新型材料在太赫茲天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中也受到了關(guān)注, 如碳納米管雙極子天線(xiàn)和片上太赫茲3D 天線(xiàn)等.

4.3 太赫茲混頻器

在超外差太赫茲系統(tǒng)中, 混頻器是一個(gè)核心器件, 其功能是將太赫茲信號(hào)向下搬移到微波毫米波頻段, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、分析及處理, 對(duì)太赫茲通信、太赫茲成像、大氣監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要影響。?目前可以在太赫茲頻段容易實(shí)現(xiàn)的混頻管有超導(dǎo)體{ 絕緣體{ 超導(dǎo)體(SIS) 混頻管、熱電子測(cè)輻射熱計(jì)混頻管以及肖特基二極管. 前兩者對(duì)工作環(huán)境的溫度要求較高, 需要低溫環(huán)境, 而肖特基二極管卻沒(méi)有這個(gè)限制. 超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器由具有近似理想開(kāi)關(guān)特性的超導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)成. 因此它可以提供較高的變頻效率和一定的變頻增益, 同時(shí)它僅需要較小的本振功率, 因此噪聲較低。常用的Nb 隧道結(jié)在700 GHz 以下具有較好的性能, 如果配合高能隙超導(dǎo)材料NbN 以及NbTiN 等，可以將工作頻率拓展到12 THz。目前超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器的研究逐步由單元設(shè)計(jì)向多像元發(fā)展, 特別是大規(guī)模多像元集成化接收機(jī)設(shè)計(jì). 近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)太赫茲混頻器開(kāi)展了大量的研究工作。

4.4 太赫茲倍頻器

與太赫茲混頻器類(lèi)似, 太赫茲倍頻器也是太赫茲系統(tǒng)的一個(gè)核心器件. 通過(guò)倍頻器, 不僅可以由低頻率的微波毫米波信號(hào)產(chǎn)生高頻率的太赫茲信號(hào), 也能在一定程度上提高太赫茲信號(hào)的頻率穩(wěn)定度和信號(hào)質(zhì)量. 主要原理是利用非線(xiàn)性器件, 產(chǎn)生兩倍或者多倍的輸出信號(hào), 從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率倍增的功能, 是目前獲取高頻率太赫茲信號(hào)源的一個(gè)重要手段。由于在太赫茲頻段，半導(dǎo)體器件的寄生參數(shù)對(duì)電路性能的影響較大, 所以需要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)的分析與建模, 進(jìn)而完成倍頻器的設(shè)計(jì)。

5 、太赫茲應(yīng)用 太赫茲技術(shù)的發(fā)展激發(fā)了很多有意義的應(yīng)用, 帶來(lái)了多個(gè)領(lǐng)域新的發(fā)展，列舉幾個(gè)典型領(lǐng)域的應(yīng)用. 在太赫茲射電天文應(yīng)用方面, 由于宇宙背景輻射在太赫茲頻譜中存在豐富的信息, 這使得太赫茲射電天文成為天文觀測(cè)的重要手段. 通過(guò)使用太赫茲波對(duì)宇宙背景輻射進(jìn)行研究, 可以理解更多關(guān)于我們生活的太陽(yáng)系以及宇宙的進(jìn)化過(guò)程。例如, 通過(guò)研究星際分子云的太赫茲頻段頻譜特性, 可探究宇宙的起源；分析原子和分子散射出來(lái)的頻譜信息, 可研究宇宙中的新生星系的形成等。

在太赫茲無(wú)損檢測(cè)方面, 太赫茲輻射的光子能量低, 對(duì)穿透物不會(huì)造成損傷, 并且可以穿過(guò)大多數(shù)介電物質(zhì). 太赫茲波這一特點(diǎn)對(duì)于檢測(cè)非導(dǎo)電材料中的隱藏缺陷或者特殊標(biāo)記具有很大的發(fā)展空間，一般稱(chēng)為無(wú)損檢測(cè)，比如檢測(cè)油畫(huà)、航天器和半導(dǎo)體器件等。

在太赫茲生命科學(xué)應(yīng)用方面，由于太赫茲輻射波對(duì)人體基本無(wú)害, 同時(shí)水和其他組織對(duì)太赫茲波具有不同的吸收率， 因此它可廣泛應(yīng)用于對(duì)人體局部成像和疾病的醫(yī)療診斷上， 比如對(duì)于皮膚癌和乳腺癌等的檢測(cè). 太赫茲波段包含了大量的光譜信息, 對(duì)不同的分子, 尤其是有機(jī)大分子會(huì)呈現(xiàn)出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于測(cè)定分子特性, 在生命科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，比如測(cè)定DNA 的束縛狀態(tài)、生物組織的特征和蛋白質(zhì)復(fù)合物等。

在太赫茲安全應(yīng)用方面, 太赫茲波具有穿透性, 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隱蔽物體的有效檢測(cè), 可應(yīng)用于國(guó)家安全相關(guān)的領(lǐng)域， 比如對(duì)于隱蔽的爆炸物、隱藏的槍支、郵寄的非法藥品的檢測(cè)和用于機(jī)場(chǎng)的快速安檢等. 上海微系統(tǒng)所孫曉瑋團(tuán)隊(duì)研制了0.36 THz 的成像系統(tǒng), 電子科技大學(xué)樊勇團(tuán)隊(duì)研制了0.34 THz 的SAR 成像系統(tǒng)。

在太赫茲高速通信方面, 相對(duì)于現(xiàn)有微波毫米波通信頻段的頻譜, 太赫茲頻段具有海量的頻譜資源，可用于超寬帶超高速無(wú)線(xiàn)通信， 比如100 Gbps 甚至更高。

毫米波與太赫茲領(lǐng)域未來(lái)研究方向展望 ?

毫米波領(lǐng)域

1、大功率毫米波固態(tài)源。針對(duì)5G 通信、空天地一體化通信、高分辨率雷達(dá)等應(yīng)用需求, 發(fā)展GaAs和GaN 工藝, 提升毫米波固態(tài)放大器的輸出功率, 探索高效率功率合成原理和實(shí)現(xiàn)方法.

2、高功率毫米波電真空器件。毫米波行波管(TWT)、回旋管(Gyrotron)、速調(diào)管(Klystron)、返波管(BWO) 等高功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 重點(diǎn)是提高其可靠性和壽命.

3、 毫米波III/V 族單片集成電路。?研究GaAs、InP 等III/V 族毫米波單片集成電路, 改善輸出功率和噪聲性能指標(biāo), 提高電路集成度, 以滿(mǎn)足我國(guó)毫米波技術(shù)的應(yīng)用需求.

4、毫米波硅基集成電路.。硅基(如CMOS、SiGe 等) 毫米波集成電路在功率和噪聲等性能上比III/V族單片集成電路要差一些, 但高集成度、低成本等特性將使得CMOS 或SiGe 集成電路在未來(lái)毫米波應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用. 針對(duì)5G 無(wú)線(xiàn)通信、陣列成像和汽車(chē)防撞雷達(dá)等應(yīng)用, 研究高集成度、多通道毫米波硅基系統(tǒng)芯片的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法.

5、毫米波測(cè)量?jī)x器研制。目前，我國(guó)毫米波測(cè)試儀器領(lǐng)域基本上被Keysight 和R&S 等國(guó)外公司壟斷, 而測(cè)試儀表又是發(fā)展各種電路與系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此, 要加強(qiáng)毫米波測(cè)量?jī)x器特別是高端毫米波測(cè)量?jī)x器的研究與開(kāi)發(fā).

6、 毫米波應(yīng)用系統(tǒng)。探索毫米波應(yīng)用系統(tǒng)的新原理、新架構(gòu)、新的實(shí)現(xiàn)方法, 及其在雷達(dá)、制導(dǎo)、通信、成像和汽車(chē)自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用.

太赫茲領(lǐng)域

1、大功率太赫茲源。?高功率源對(duì)于太赫茲遠(yuǎn)距離成像、探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的高穿透波譜研究、太赫茲通信等至關(guān)重要. 但到目前為止, 低成本、小體積的高功率太赫茲源還沒(méi)有很好的解決方案, 需要持續(xù)研究, 以期獲得突破性進(jìn)展. 此外, 還應(yīng)發(fā)展太赫茲行波管、回旋管、速調(diào)管和返波管等高功率放大器.

2、太赫茲信號(hào)檢測(cè)。在太赫茲信號(hào)檢測(cè)方面, 近些年得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 許多技術(shù)的性能指標(biāo)已經(jīng)接近于其理論的極限, 但仍然很難滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求. 因此, 迫切需要探索新的檢測(cè)原理, 發(fā)現(xiàn)新的器件, 并且在此基礎(chǔ)上推進(jìn)大規(guī)模太赫茲?rùn)z測(cè)陣列的研究.

3、太赫茲固態(tài)器件與集成電路。?發(fā)展III/V 族半導(dǎo)體工藝, 開(kāi)展元器件模型和電路設(shè)計(jì)方法的研究, 實(shí)現(xiàn)太赫茲器件與單片集成電路; 發(fā)展硅基集成電路工藝, 開(kāi)展相應(yīng)元器件模型和電路設(shè)計(jì)方法的研究, 實(shí)現(xiàn)太赫茲器件與片上系統(tǒng).

4、太赫茲新材料與無(wú)源元件。發(fā)展新的高精度加工工藝和新型太赫茲材料, 探索新的太赫茲無(wú)源元件工作機(jī)理, 研究新型低成本、低損耗、高集成度的太赫茲無(wú)源元件。?超高速太赫茲通信. 對(duì)于未來(lái)數(shù)據(jù)傳輸速率需要100 Gbps 甚至更高的場(chǎng)合, 研究超高速太赫茲通信技術(shù), 包括頻譜規(guī)劃、信道模型、系統(tǒng)架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)等。

5、太赫茲測(cè)量技術(shù)與儀器。?伴隨著太赫茲波生成和檢測(cè)技術(shù)的成熟, 我國(guó)太赫茲儀器的研制也將拉開(kāi)序幕. 太赫茲網(wǎng)絡(luò)分析儀, 太赫茲光譜儀等等對(duì)我國(guó)太赫茲領(lǐng)域的研制能力有著重要的支撐作用.

6、太赫茲交叉應(yīng)用領(lǐng)域。?目前太赫茲技術(shù)的主要研究領(lǐng)域在太赫茲成像, 主要集中在生物成像應(yīng)用. 太赫茲波可用于對(duì)一些與其波長(zhǎng)可比的細(xì)胞、DNA 等的檢測(cè). 研究太赫茲波與各種物質(zhì)之間的相互作用, 以期發(fā)現(xiàn)新的物理特性、化學(xué)變化等, 對(duì)生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)領(lǐng)域研究提供思路. 開(kāi)發(fā)新的太赫茲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ掌澕夹g(shù)的整體發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用.?

此外, 將已有的毫米波、太赫茲系統(tǒng)應(yīng)用推向產(chǎn)業(yè)化, 設(shè)計(jì)出易加工、低成本、高性能的商用化太赫茲系統(tǒng)將對(duì)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化。

總結(jié) ? ?
毫米波及太赫茲領(lǐng)域是一個(gè)發(fā)展迅速的交叉學(xué)科，有著極其重要的科研學(xué)術(shù)價(jià)值和工業(yè)應(yīng)用前景. 在毫米波及太赫茲技術(shù)方面的研究，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，取得了很多重要的成果, 但是仍然在很多研究領(lǐng)域還不夠成熟, 亟待需要進(jìn)一步地深入開(kāi)發(fā), 并且有效的將這些頻段的應(yīng)用豐富起來(lái), 進(jìn)而最終推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 ?

來(lái)源：洪偉等. 毫米波與太赫茲技術(shù). 中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué)，2016，46: 1086-1107,

編輯：黃飛

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