毫米波與太赫茲技術(shù)（四）
4.2、太赫茲天線
隨著對(duì)太赫茲技術(shù)研究的深入，太赫茲天線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。由于天線尺寸與波長(zhǎng)的相關(guān)性，太赫茲天線具有尺寸小的天然優(yōu)勢(shì)，但也對(duì)加工制作帶來了挑戰(zhàn)。類似于低頻段通信的天線需求，太赫茲天線也分全向天線、定向天線以及多波束天線陣等。
常見太赫茲天線包括：
a) 太赫茲喇叭天線具有定向波束特性，天線增益高，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已可工作到2.5 THz。
b) 太赫茲反射面天線具有高增益、低旁瓣、窄波束等優(yōu)點(diǎn)，也是一種太赫茲技術(shù)中經(jīng)常采用的天線形式，包括單反射面天線和雙反射面天線，一般廣泛應(yīng)用于射電天文望遠(yuǎn)鏡.
c) 太赫茲透鏡天線采用介質(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的設(shè)計(jì)中也受到了關(guān)注，如碳納米管雙極子天線和片上太赫茲3D
天線等。
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有這個(gè)限制。超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器由具有近似理想開關(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，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)太赫茲混頻器開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)化過程。例如，通過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，一般稱為無損檢測(cè)，比如檢測(cè)油畫、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線通信，比如100 Gbps 甚至更高。
毫米波與太赫茲領(lǐng)域未來研究方向展望
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
集成電路在未來毫米波應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。針對(duì)5G
無線通信、陣列成像和汽車防撞雷達(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源元件。超高速太赫茲通信。對(duì)于未來數(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)一步地深入開發(fā)，并且有效的將這些頻段的應(yīng)用豐富起來，進(jìn)而最終推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
來源：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,
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焦點(diǎn)事件
