馮林平，易 翔，朱浩慎，廖紹偉，車文荃，薛 泉?

（1 華南理工大學(xué) 廣州 510641 2 廣東省毫米波與太赫茲技術(shù)重點實驗室 廣州 510641）

引言

太赫茲波是頻率范圍為0.1 THz～10 THz、波長范圍（0.03 mm～3 mm）介于無線電波和光波之間的電磁輻射。這個頻段是人類迄今為止了解最少、開發(fā)最不充分的電磁波資源。它是覆蓋很廣泛并且很特殊的一個頻譜區(qū)域，其低頻段與電子學(xué)領(lǐng)域的毫米波頻段相互重疊，而高頻段與光學(xué)領(lǐng)域的紅外頻段重疊。太赫茲頻率范圍處于電子學(xué)和光子學(xué)的交叉區(qū)域，具有攜帶信息豐富、亞皮秒量級脈寬、高時空相干性、低光子能量、穿透性強、使用安全性高、定向性好、帶寬高等特性，因此太赫茲技術(shù)在國土安全、天文、醫(yī)療、生物、計算機、通信、科學(xué)研究等領(lǐng)域有獨特的學(xué)術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用前景，被譽為未來改變世界的十大技術(shù)之一。太赫茲科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為國際上優(yōu)先發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域和各國爭相搶占的科技制高點，是當(dāng)前最受關(guān)注的國際學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域之一，它的發(fā)展對提高國家科技實力、促進國民經(jīng)濟發(fā)展、維護國土安全和社會安定都具有前瞻性、戰(zhàn)略性和全局性的重大意義。

太赫茲頻率源是研究太赫茲頻譜特性及其應(yīng)用的基礎(chǔ)，是太赫茲系統(tǒng)最基本的核心元件，對太赫茲的應(yīng)用發(fā)展起著決定性作用。盡管太赫茲技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但太赫茲頻段仍是電磁頻譜中開發(fā)和應(yīng)用較少的頻段。其中，缺乏穩(wěn)定可靠的太赫茲頻率源是太赫茲技術(shù)發(fā)展面臨的最大瓶頸之一。因此，太赫茲頻率源的研究和應(yīng)用成為十分緊迫的需求。圖1 所示為瓦片式太赫茲相控陣，信號經(jīng)過移相器、倍頻器以及天線進行收發(fā)。

目前，商用的太赫茲頻率源前端電路主要采用較昂貴的III-V 族半導(dǎo)體技術(shù)，如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）技術(shù)，這些技術(shù)的高成本嚴重制約了太赫茲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近年來，隨著硅基半導(dǎo)體工藝的不斷進步，場效應(yīng)管的溝道長度不斷減小，CMOS 和SiGe BiCMOS 器件的截止頻率/最大振蕩頻率（ft/fmax）分別達到了300 GHz/450 GHz[1]和505 GHz/720 GHz[2]，因此硅基工藝上實現(xiàn)太赫茲頻率源已經(jīng)成為可能。相比傳統(tǒng)的III-V 族半導(dǎo)體工藝，硅基工藝具有價格低廉、易于與數(shù)字電路集成、可靠性高等優(yōu)勢，具備把太赫茲集成產(chǎn)品推廣到廣大的消費類電子市場的潛力。正是因為其存在著的巨大應(yīng)用需求和商業(yè)前景，當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都掀起了硅基太赫茲集成電路研究的熱潮[3,4]。

近年來，國內(nèi)外均開展了太赫茲頻率源的關(guān)鍵電路的研究，雖然已取得了一些成果，但仍有大量的工作需要開展。特別是國內(nèi)在這一領(lǐng)域起步較晚，開展的研究工作尚不夠深入，并且研究進展受限于半導(dǎo)體等工藝技術(shù)。近幾年來，人們對太赫茲頻率源中的關(guān)鍵電路，如倍頻器、振蕩器、天線、太赫茲輻射源和輻射源陣列等開展了較為深入的研究，下面將對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行回顧與總結(jié)。

1 太赫茲倍頻器

較早應(yīng)用于太赫茲頻段的倍頻器研究主要以III-V 族半導(dǎo)體為主。由于III-V 族基板具有高的絕緣性，因此以III-V 族材料為基板的高電子遷移率晶體管HEMT（High-Electron-Mobility Transistor）及異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）可實現(xiàn)較低的插入損耗，且III-V 族工藝下制作的無源器件具有較好的品質(zhì)因數(shù)。近年來，隨著硅基工藝的截止頻率越來越高，采用硅基實現(xiàn)太赫茲倍頻器的研究越來越多。由于倍頻方法產(chǎn)生的太赫茲信號具有穩(wěn)定性好、主振蕩頻率較低、工作頻段較寬、調(diào)制度較深等優(yōu)點，因此常常被優(yōu)先釆用。國外對太赫茲倍頻器電路的研究較早，在工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界，眾多學(xué)者以及工程師們對各種新原理、新方法、新結(jié)構(gòu)、新工藝進行了深入研究，并將其應(yīng)用到各種類型的太赫茲頻率源系統(tǒng)中，取得了不少令人矚目的成果。2011 年，德國的OJEFORS E 采用0.13 μm SiGe HBT工藝基于多倍頻器鏈路級聯(lián)方式實現(xiàn)325 GHz太赫茲源，輸出功率-3 dBm，直流功耗420 mW，3 dB帶寬范圍為308 GHz～ 328 GHz[5]。為了提升功率效率和帶寬，2013 年，美國的HAN R N 等人，采用CMOS工藝的變?nèi)荻O管實現(xiàn)了480 GHz的太赫茲頻段的二倍頻器，該電路拓撲結(jié)果簡單，使基波信號在輸出端口等幅反向抵消，輸出二次諧波信號，其顯著的特點是直流功耗很低[6]，如圖2 所示。2018 年，德國NIKPAIK A 等人采用65 nm CMOS 工藝設(shè)計了D 波段（129 GHz～171 GHz）的四倍頻器，實現(xiàn)了42 GHz的3-dB 帶寬，是目前已經(jīng)報道的最寬帶寬，且具有1.7%的轉(zhuǎn)換效率、2.1 dBm的飽和輸出功率、5 dB的最大轉(zhuǎn)換增益[7]。

2011 年，中國工程物理研究院的王磊和熊永忠等人利用0.13 μm SiGe HBT 技術(shù)研制成功一個單片D 波段（120 GHz～140 GHz）二倍頻器。測試結(jié)果表明，輸入功率約-1 dBm 時，輸出頻率為134 GHz處獲得的最小變頻損耗約為3.2 dB，效率約為5.8%，輸入功率約為3.1 dBm；在輸出頻率為132 GHz處獲得最大輸出功率-1.4 dBm，效率約為7%[8]。2014 年，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所孫曉瑋研究員課題組采用0.1 μm GaAs pHEMT 工藝設(shè)計了W 波段（85 GHz～110 GHz）的二倍頻器。在100 GHz的工作頻率處其輸出功率和效率性能優(yōu)良，最大效率為11.2%，飽和輸出功率9 dBm；在85 GHz～110 GHz 頻率范圍基頻信號抑制在-30 dB 以下[9]。2016 年，清華大學(xué)王志華教授課題組采用65 nm CMOS 工藝設(shè)計了注入鎖定的二倍頻器。在3.4 dBm～4.1 dBm 注入功率下，其鎖定的頻率范圍為69.2 GHz～94.6 GHz[10]。由于國內(nèi)的工藝、加工精度、器件等與國外相比具有一定的差距，導(dǎo)致國內(nèi)的太赫茲倍頻器在帶寬、倍頻損耗、集成度方面等各項指標(biāo)都沒有達到國際先進水平。雖然研究人員提出了一些太赫茲倍頻器設(shè)計方法，但依然存在許多問題函待解決。鑒于這種局面，我國需要加大對太赫茲倍頻器的研究力度。部分太赫茲倍頻器參數(shù)對比見表1。

表1 部分太赫茲倍頻器對比Table 1 Parameters of Terahertz frequency doubler

2 太赫茲振蕩器

與太赫茲倍頻器相比，太赫茲振蕩器具有面積小、能量轉(zhuǎn)換效率高和不需要輸入驅(qū)動的優(yōu)點，但其不足之處是調(diào)諧范圍較窄、頻率穩(wěn)定性差。隨著硅工藝的迅速發(fā)展，在硅工藝如CMOS 和SiGe BiCMOS工藝上實現(xiàn)太赫茲振蕩器已經(jīng)成為可能。由于硅基工藝的性能劣勢，硅基太赫茲振蕩器電路的研究開展得相對較晚，研究難度較大，目前的研究進展離III-V 族半導(dǎo)體還有一定的差距。但是，硅基半導(dǎo)體的研究已經(jīng)逐漸成為熱點，每年召開的集成電路設(shè)計領(lǐng)域最著名的學(xué)術(shù)會議（ISSCC、VLSI、CICC、ESSCIRC、RFIC 以及A-SSCC 等）中，關(guān)于硅基太赫茲電路的論文在逐漸增多，電路的性能也在逐漸提高。雖然隨著半導(dǎo)體器件的體積在不斷縮小，但是CMOS 器件最大振蕩頻率的提升仍然有限。因此為了實現(xiàn)更高的振蕩頻率，大部分CMOS 太赫茲信號源采用諧波振蕩器。2008 年，美國佛羅里達大學(xué)SEOK E 等人采用45 nm CMOS 工藝、交叉耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一款工作頻率為410 GHz的推推式（push-push）壓控振蕩器。在1.5 V 電源電壓下，其功耗為16.5 mW，通過天線對信號進行輸出，輻射功率為-47 dBm，調(diào)諧范圍為0～2 GHz。雖然這款振蕩器與之后實現(xiàn)的CMOS 太赫茲信號源相比性能一般，但它在當(dāng)時已為CMOS 太赫茲信號源的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)[11]。2014 年，臺灣國立中央大學(xué)Li C H 等人采用40 nm CMOS 工藝實現(xiàn)了一款工作頻率在340.6 GHz的三推式（triple-push）振蕩器，在0.9 V電源電壓下，其功耗為34.1 mW，輸出功率為-11.1 dBm，不具備調(diào)諧功能；該振蕩器電源電壓升至1.3 V時，其振蕩頻率為340.1 GHz，功耗為78.3 mW，輸出功率為-9.1 dBm。該電路采用三推式（triple-push）振蕩器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了差分輸出[12]。2018 年，奧地利AHMED F 等人采用SiGe HBT BiCMOS 設(shè)計了300 GHz太赫茲推推式（push-push）振蕩器，其最大的輸出功率為0.2 dBm，噪聲系數(shù)為-105 dBc/Hz，頻率調(diào)節(jié)范圍為0.9%。該振蕩器有比較好的輸出功率、頻率調(diào)節(jié)范圍以及能換效率。其中一塊振蕩器在1V的供電下，實現(xiàn)了67.8 GHz～81.4 GHz的頻率調(diào)節(jié)范圍，對應(yīng)-108-113 dBc/Hz @10-MHz 噪聲范圍，以及13-dBm的直流功耗[13]。

2017 年，清華大學(xué)王志華教授課題組設(shè)計了接近半導(dǎo)器件最大振蕩頻率的振蕩器，工作在192.3 GHz，在1.2 V 供電下最大輸出功率-10.4 dBm，噪聲-100 dBc/Hz @ 10 MHz[14]。2018 年，東南大學(xué)洪偉教授課題組采用0.13μm SiGe BiCMOS 工藝研制出243 GHz 振蕩器，在0.94 V 供電下，其最大輸出功率為-1.4 dBm，頻率調(diào)諧范圍為5.18%，能換效率1.95%[15]。同年，華南理工大學(xué)薛泉教授課題組提出了無變?nèi)莨艿恼袷幤骷夹g(shù)，如圖3 所示，實現(xiàn)了振蕩器的頻率調(diào)節(jié)和相位噪聲的最優(yōu)化設(shè)計[16]。部分太赫茲振蕩器對比見表2。

表2 部分太赫茲振蕩器對比Table 2 Parameters of Terahertz frequency multiplier

3 太赫茲天線

太赫茲天線是太赫茲輻射源的重要組成部分。近幾年以來，隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于太赫茲天線的報道也非常多。之前已有的硅基太赫茲陣列的文獻報道中均采用了傳統(tǒng)的電波天線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)太赫茲波的接收。德國烏珀塔爾大學(xué)Pfeiffer 教授團隊于2008 年利用0.25 μm 工藝在600 GHz 實現(xiàn)90 μm的偶極子天線，天線單元增益為5 dBi[17]，隨后使用半波長差分貼片天線構(gòu)成650 GHz 焦平面陣列，天線單元增益為2.1 dBi，帶寬為7%[18]。美國REBEIZ G 教授團隊于2013 年利用BiCMOS 工藝實現(xiàn)360 GHz 橢圓槽環(huán)天線，單元天線增益為4.5 dBi，輻射效率為62%[19]。2016 年，以色列SOCHER E教授利用65 nm CMOS 工藝在296 GHz 使用環(huán)形天線實現(xiàn)2×3 陣列[20]。2018 年，美國JALILI H 等人采用0.13 μm SiGe BiCMOS 設(shè)計了基于偶次諧波直接耦合饋電的2×2的340 GHz 片上貼片天線，有效地避免了饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗和寄生效應(yīng)[21]。

2015 年，南京理工大學(xué)吳文教授團隊采用0.13 μm SiGe BiCMOS 設(shè)計了340 GHz 高增益高效率太赫茲三維天線結(jié)構(gòu)[22]，該天線加載了基片集成波導(dǎo)作為背腔，因此天線的副瓣比較低。2017 年，華南理工大學(xué)薛泉教授課題組提出分布式封裝天線的全新設(shè)計概念，如圖4 所示，該設(shè)計充分利用芯片和封裝的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，采用空間電磁波耦合互連，克服傳統(tǒng)片上天線在太赫茲頻段介質(zhì)、金屬損耗大，以及天線與激勵源互連損耗大的缺點[23]。2018 年，東南大學(xué)洪偉教授課題組提出了片上的介質(zhì)諧振器天線[24]。部分太赫茲天線參數(shù)對比見表3。

表3 部分太赫茲天線對比Table 3 Parameters of Terahertz antenna

4 太赫茲輻射源

通常太赫茲輻射源是太赫茲系統(tǒng)的核心模塊。產(chǎn)生太赫茲輻射源的方式主要是太赫茲多倍頻器鏈或諧波振蕩器的信號通過天線輻射出去。早期大多數(shù)太赫茲輻射源的研究大多數(shù)基于III-V 族半導(dǎo)體工藝，具有性能高、價格昂貴、集成度和良率低的特點。相較而言，硅基工藝具有低成本、高集成度和小型化等優(yōu)勢，目前國際上采用硅基工藝實現(xiàn)太赫茲輻射源已取得諸多進展。2008 年，美國的SEOKL E 等報道了采用45 nm CMOS 工藝的410 GHz 太赫輻射源，該輻射源中使用了推推振蕩器（push-push oscillator），饋入一對差分信號抵消振蕩器基波成分使其工作在二倍頻，從而在一定程度上克服半導(dǎo)體器件最大振蕩頻率的限制[25]。2012 年，美國加州理工學(xué)院HAJIMIRI A 教授課題組提出一種波束可控太赫茲輻射源，該輻射源工作在280 GHz，采用45 nm SOI CMOS 工藝，集成分布式有源天線、壓控振蕩器、注入鎖定三倍頻器等關(guān)鍵器件，通過精確控制相位實現(xiàn)了80°方位角和俯仰角的二維波束掃描[26]。其集成有源分布式天線是該項目的一大特色，能夠有比較高的輻射效率。2015 年，美國康奈爾大學(xué)AFSHARI E 報道了一種340 GHz 基于65 nm CMOS 工藝的太赫茲輻射源，通過控制相鄰單元的耦合實現(xiàn)了頻率鎖定調(diào)諧和波束的獨立控制[27]。2019 年，比利時魯汶大學(xué)REYNAERT P 設(shè)計了基于40 nm CMOS 工藝530 GHz的太赫茲輻射源，該輻射源通過兩次注入鎖定技術(shù)補償相位誤差以及幅度波動，從而實現(xiàn)相位的精準(zhǔn)控制E 面的波束掃描；該輻射源的輻射功率為-12 dBm，轉(zhuǎn)換效率為0.24%[28]。

由于國內(nèi)太赫茲輻射源方面研究起步相對較晚，并受限于半導(dǎo)體工藝以及加工技術(shù)等，技術(shù)水平與國外相比還有一定差距，但是在該領(lǐng)域也開展了一些研究工作，并取得了較大的成果。2015 年，中國工程物理研究院的熊永忠教授報道了基于0.13 μm SiGe BiCMOS 工藝相控發(fā)射機架構(gòu)的太赫茲輻射源，實現(xiàn)了最大EIRP 10.6 dBm 以及±12°波束掃描范圍[29]。2017 年，華南理工大學(xué)薛泉教授課題組提出基于分布式封裝天線的硅基65 nm CMOS 工藝的312 GHz 太赫茲輻射源，該團隊提出的輻射激勵芯片+封裝分布式天線的全新設(shè)計理論極大地提高了芯片與天線互聯(lián)的自由度，降低了太赫茲頻段嚴重的互連損耗和輻射損耗，有效地提高了輻射增益[30]，如圖5 所示。2018 年，東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室洪偉教授課題組使用0.1 μm GaAs 工藝，使用9 次倍頻和片上介質(zhì)諧振天線的270 GHz 太赫茲輻射源，實現(xiàn)了4 dBm的輸出功率[31]。部分太赫茲輻射源參數(shù)對比見表4。

表4 部分太赫茲輻射源對比Table 4 Parameters of THz radiation sources

5 太赫茲輻射源陣列

由于目前器件在太赫茲頻率下輸出功率仍較低，為了增大總體輻射功率，太赫茲輻射源陣列應(yīng)運而生。國外對基于陣列天線的太赫茲輻射源關(guān)鍵器件和電路的研究較早，在工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界，眾多學(xué)者以及工程師們對各種新原理、新方法、新結(jié)構(gòu)進行了深入研究，并將其應(yīng)用到各種類型的電路中，取得了不少令人矚目的成果。2011 年，德國?JEFORS E 等人采用0.25 μm SiGe CMOS 工藝提出基于多倍頻鏈路的820 GHz 太赫茲輻射源，在823 GHz 最大的EIRP 功率為-17 dBm，但是該輻射源陣列的帶寬較小，架構(gòu)比較復(fù)雜[32]。2014 年，德國的PFEIFFER U 等人提出了基于0.13 μm SiGe BiCMOS的諧波振蕩器級聯(lián)的4×4的可重構(gòu)輻射源陣列，頻率調(diào)諧范圍為519 GHz～536 GHz，最大輻射功率為-11.3 dBm，能換效率為0.4%[33]。2017 年，美國Aghasi H 等人報道了0.13 μm 工藝的0.92-THz SiGe的四倍頻太赫茲輻射源陣列。同時該團隊基于非線性理論提出一種通用設(shè)計方法，實現(xiàn)振蕩器諧波的最大功率最優(yōu)化，其最大的輻射功率為-10 dBm，直流功耗為5.73 mW[34]。

2014 年，德國的PFEIFFER U 等人發(fā)表了采用0.13 μm SiGe BiCMOS 工藝的三推式（triple-push）振蕩器實現(xiàn)的0.53 THz 太赫茲源陣列，其頻率調(diào)諧范圍為519 GHz～536 GHz，EIRP 功率為25 dBm，能換效率為4%[35]。2017 年，美國的JALILI H 等人發(fā)表了基于0.13 μm BiCMOS 工藝的4 次諧波耦合振蕩器的2×2的輻射源陣列，實現(xiàn)了E 面128°和H 面53°的波束掃描寬度以及-12.8 dBm的輻射功率[36]。2018 年，比利時GUO K 等人報道了基于28 nm Bulk CMOS的530GHz的太赫茲輻射源陣列。該輻射源陣列使用交叉耦合諧波振蕩器和介質(zhì)透鏡天線，實現(xiàn)了-22 dBm的輸出功率以及0.332%的能換效率。2018 年美國HAN R 等人報道了基于0.13 μm SiGe BiCMOS 工藝的1 THz 輻射源陣列，利用多功能可擴展陣元形成陣列，最大輻射功率為-11 dBm，直流功耗為1.1 W[4]，如圖6 所示。目前，國內(nèi)對太赫茲輻射源陣列的研究工作還處于起步階段，仍需要在理論分析和設(shè)計方法上進行深入研究。

6 結(jié)束語

隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，得益于太赫茲頻段豐富的頻譜資源和相對寬的頻帶，太赫茲頻率源表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，如超高速短距無線/有線通信、雷達、醫(yī)療、成像和遙感傳感器等。目前國外在這一方向的研究較為深入，但國內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步，還缺乏對基礎(chǔ)理論及應(yīng)用的系統(tǒng)性研究。因此，深入開展太赫輻射頻率源關(guān)鍵技術(shù)的理論及應(yīng)用研究，探索太赫茲頻率源關(guān)鍵核心電路以及太赫茲輻射源陣列電路的分析方法與設(shè)計，并對理論方法的有效性進行實驗驗證，具有十分重要的理論意義和實用價值。