毫米波與太赫茲技術（一）
今日推薦文章作者為東南大學毫米波國家重點實驗室主任、IEEE Fellow 著名毫米波專家洪偉教授，本文選自《毫米波與太赫茲技術》，發表于《中國科學：信息科學》2016 年第46卷第8 期——《信息科學與技術若干前沿問題評述專刊》。
摘要：本文概要介紹了毫米波與太赫茲技術的研究現狀，并根據國內外發展趨勢梳理歸納了今后的一些重要發展方向。在毫米波技術方面，重點介紹了近年來毫米波芯片的研究現狀與新進展，同時也介紹了一些熱點毫米波系統應用，如毫米波通信、毫米波成像、毫米波雷達等。相對于毫米波頻段,太赫茲頻譜的利用還處在探索階段。本文重點對太赫茲的一些關鍵技術作了概要介紹，包括太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲檢測、太赫茲元器件等。簡要介紹了太赫茲在天文學、無損檢測、生命科學、安全、高速通信等領域的一些應用。
關鍵詞：毫米波? 太赫茲? 通信?? 成像??? 雷達?? 集成電路
引言
隨著對電磁波譜的不斷探索，人類對電子學和光學獲得了充分的認識，并且通過對電子學和光學的研究，研發了各種器件，形成了兩大較為成熟的研究和應用技術。一是微波毫米波技術，在雷達、射電天文、通信、成像、導航等領域得到了廣泛的應用，另一個是光學技術，其應用已滲透到人們日常生活的方方面面。然而毫米波和光頻段之間，還存在著豐富的未被充分開發的頻譜資源，也就是太赫茲頻段。傳統上，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)。現在比較流行的一種說法是，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，之前主要應用于軍事。然而隨著高速寬帶無線通信、汽車輔助駕駛、安檢、醫學檢測等應用領域的快速發展，近年來毫米波在民用領域也得到了廣泛的研究和應用。目前,6 GHz 以下的黃金通信頻段，已經很難得到較寬的連續頻譜，嚴重制約了通信產業的發展。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 代移動通信的研究熱點。2015 年在WRC2015 大會上確定了第5 代移動通信研究備選頻段：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、芯片以及應用都在如火如荼的開發著。相對于微波頻段，毫米波有其自身的特點。首先，毫米波具有更短的工作波長，可以有效減小器件及系統的尺寸；其次，毫米波有著豐富的頻譜資源,可以勝任未來超高速通信的需求。此外，由于波長短，毫米波用在雷達、成像等方面有著更高的分辨率。到目前為止，人們對毫米波已開展了大量的研究，各種毫米波系統已得到廣泛的應用。隨著第5 代移動通信、汽車自動駕駛、安檢等民用技術的快速發展，毫米波將被廣泛應用于人們日常生活的方方面面。
太赫茲研究主要集中在0.1-10 THz 頻段。這是一個覆蓋很廣泛并且很特殊的一個頻譜區域.起初，這一頻段被稱為“THz Gap (太赫茲鴻溝)”，原因是這一頻段夾在兩個發展相對成熟的頻,即電子學頻譜和光學頻譜之間。其低頻段與電子學領域的毫米波頻段有重疊，高頻段與光學領域的遠紅外頻段(波長0.03-1.0 mm) 有重疊。由于這一領域的特殊性，形成了早期研究的空白區。但隨著研究的開展，太赫茲頻譜與技術對物理、化學、生物、電子、射電天文等領域的重要性逐漸顯現，其應用也開始滲透到社會經濟以及國家安全的很多方面，如生物成像、THz 波譜快速檢測、高速通信、穿墻雷達等。太赫茲之所以具有良好的應用前景，主要得益于其光譜分辨力、安全性、透視性、瞬態性和寬帶等特性。例如：自然界中許多生物大分子的振動和旋轉頻率都處在太赫茲頻段，這對檢測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，不會對探測體造成損壞，可以實現無損檢測；太赫茲波對介質材料有著良好的穿透能力，從而可作為探測隱蔽物體的手段；太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒量級，可以得到高信噪比的太赫茲時域譜，易于對各種材料進行光譜分析；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。
針對近些年毫米波及太赫茲領域的發展，分別對毫米波及太赫茲技術與應用做了歸納總結。在毫米波技術方面，結合目前一些熱門的毫米波頻段的系統應用，如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷達等，對毫米波芯片發展做了重點介紹。在太赫茲技術方面，介紹了太赫茲波產生技術、太赫茲波傳輸技術和太赫茲波檢測技術的研究進展，并在對其關鍵部件進行介紹的同時，對太赫茲領域的典型應用做了相應的介紹，主要包括太赫茲生物應用、醫學應用、成像應用、大氣科學、環境科學、通信技術和國家安全等。最后對未來毫米波以及太赫茲領域的發展做了展望，并指出了一些今后值得重點研究的方向。
毫米波技術
1、毫米波芯片
傳統的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導體工藝，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，近十幾年來硅基(CMOS、SiGe等) 毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進展。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。下面將分別進行介紹。
1.1 GaAs 和InP 毫米波芯片
近十幾年來，GaAs 和InP 工藝和器件得到了長足的進步。基于該類工藝的毫米波器件類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) 和異質結雙極性晶體管(HBT)等。目前GaAs、mHEMT、InP、HEMT 和InP HBT 的截止頻率(ft) 均超過500 GHz，最大振蕩頻率(fmax) 均超過1THz。2015 年美國Northrop Grumman 公司報道了工作于0.85 THz 的InP HEMT放大器，2013 年美國Teledyne 公司與加州理工大學噴氣推進實驗室報道了工作至0.67 THz 的InP HBT 放大器，2012 年和2014 年德國弗朗霍夫應用固體物理研究所報道了工作頻率超過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體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點,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90 年代GaN 材料制備技術的逐漸成熟，GaN 器件和電路已成為化合物半導體電路研制領域的熱點方向，美國、日本、歐洲等國家將GaN 作為微波毫米波器件和電路的發展重點。近十年來，GaN 的低成本襯底材料碳化硅(SiC) 也逐漸成熟，其晶格結構與GaN 相匹配，導熱性好，大大加快了GaN 器件和電路的發展。近年來GaN 功率器件在毫米波領域飛速發展，日本Eudyna 公司報道了0.15 m 柵長的器件，在30 GHz 功率輸出密度達13.7 W/mm。美國HRL 報道了多款E波段、W 波段與G 波段的GaN 基器件，W 波段功率密度超過2 W/mm，在180 GHz 上功率密度達到296 mW/mm.國內在微波頻段的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 頻帶內脈沖輸出功率達到15W，附加效率30%，功率增益大于20 dB。
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