太赫茲波技術(shù)論文(2)
太赫茲波技術(shù)論文篇二
電子學(xué)太赫茲技術(shù)研究概述
【摘要】 太赫茲技術(shù)是交叉前沿技術(shù)，本文首先介紹了太赫茲及電子學(xué)太赫茲技術(shù)基本概念，然后介紹了國內(nèi)外電子學(xué)太赫茲器件的現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，重點(diǎn)介紹了電子學(xué)太赫茲技術(shù)在通信及雷達(dá)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后給出了電子學(xué)太赫茲應(yīng)用研究的具體內(nèi)容及發(fā)展方向。
【關(guān)鍵詞】 電子學(xué) 太赫茲 器件 應(yīng)用
太赫茲(Terahertz，THz)波是電磁波譜中頻率位于微波和紅外輻射之間，頻率在0.1-10THz(1THz=1012Hz)的電磁輻射，通常也被稱作亞毫米波、遠(yuǎn)紅外等。從頻率的角度看，屬于遠(yuǎn)紅外波段;從能量的角度來看，是電子學(xué)和光學(xué)的交叉領(lǐng)域[1-4]。
THz光源與傳統(tǒng)相比具有很多獨(dú)特的性質(zhì)：寬帶性;方向性;穿透性;光譜分辨性;低能性等。正是由于THz波的眾多優(yōu)良特性，使THz技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，給多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了深遠(yuǎn)的影響，世界發(fā)達(dá)國家爭(zhēng)相將THz技術(shù)列為戰(zhàn)略性科技方向。
一、電子學(xué)THz技術(shù)
電子學(xué)THz技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有五個(gè)：THz產(chǎn)生和放大技術(shù)、THz接收檢測(cè)技術(shù)、THz傳輸技術(shù)、寬帶高速信號(hào)處理技術(shù)、THz集成微系統(tǒng)技術(shù)[5]。目前，基于電子學(xué)方法的THz源的產(chǎn)生大部分都是采用對(duì)微波段的源進(jìn)行倍頻放大的方式獲得;對(duì)THz波的探測(cè)通常采用成本較低的零偏檢波器直接檢波，或者采用具有很高動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度的外差式(次)諧波混頻器接收;THz的傳輸技術(shù)主要包括各種頻段的波導(dǎo)管和增益喇叭的研究;寬帶高速信號(hào)處理技術(shù)包括信號(hào)處理算法的研究和基于DSP、FPGA等芯片的處理方案實(shí)現(xiàn);THz集成微系統(tǒng)技術(shù)指的是面向各種應(yīng)用的THz系統(tǒng)。其中，THz器件的發(fā)展是THz技術(shù)的關(guān)鍵，是制約THz技術(shù)發(fā)展的主要因素。
二、電子學(xué)THz器件研究現(xiàn)狀
THz器件中研發(fā)難度最大的是THz頻段用二極管，其是制作THz倍頻器和混頻器的核心器件。肖特基二極管多采用平面結(jié)構(gòu)，也有使用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，目前制作肖特基二極管的半導(dǎo)體材料主要有Si、GaAS、GaN和InP。
在CMOS工藝中，以GaAs材料的應(yīng)用最為廣泛和成熟，目前應(yīng)用于THz頻段的GaAs二極管主要有觸須接觸式肖特基二極管和平面肖特基二極管，其已經(jīng)被證明是常溫下THz頻段最好的混頻器件;InP和GaN是兩種新開發(fā)的應(yīng)用材料，InP材料是目前所用的具有最高電子遷移率的III-V化合物材料，理論上可以實(shí)現(xiàn)更好的頻率和噪聲特性;GaN材料具有很高的擊穿電壓，更適合作為大功率器件的襯底，但是電子遷移率較低[6-7]。
國外的Millitech、RPG、OML、VDI等公司均可提供相關(guān)THz頻段的二極管、倍頻器、混頻器、放大器、隔離器、天線等THz器件。Millitech、RPG、OML、VDI都可以提供500GHz以下頻段的THz源和探測(cè)器，對(duì)于500GHz以上的頻段，VDI公司表現(xiàn)突出，可提供高達(dá)2T頻率倍頻器和高達(dá)1.7T頻段的混頻器，在眾多商家中，其THz源的輸出功率更大，可以為用戶提供成套解決方案，但價(jià)格較其它幾個(gè)商家要高。
國內(nèi)有多家科研單位從事相關(guān)研究。其中，中國科學(xué)院微電子學(xué)研究所，實(shí)現(xiàn)了懸臂梁結(jié)構(gòu)的肖特基二極管，截止頻率達(dá)到了3.4THz，在0.3THz具有很好的倍頻性能并形成了產(chǎn)品[8]。中國工程物理研究院設(shè)計(jì)的電子學(xué)THz器件已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)頻段的THz通信和成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中;電子科技大學(xué)主要專注于THz倍頻器和混頻器的研究[9-10]，同時(shí)其在波導(dǎo)、波導(dǎo)濾波器、微帶天線等方面也進(jìn)行了相關(guān)研究;中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所瞄準(zhǔn)THz測(cè)試儀器[11]，相關(guān)產(chǎn)品的性能指標(biāo)超過了OML公司，接近VDI公司，并且形成了產(chǎn)品。
三、電子學(xué)THz應(yīng)用研究現(xiàn)狀
THz頻段包含了0.1-10THz的頻段，而電子學(xué)方式目前只能產(chǎn)生低頻段的源，不同頻率段的THz波其特點(diǎn)有所差異，適用的領(lǐng)域也有所區(qū)別。
3.1 THz通信研究現(xiàn)狀
THz無線通信是在傳統(tǒng)的無線電通信的基礎(chǔ)上，從微波、毫米波頻段向THz頻段的發(fā)展，同時(shí)結(jié)合了激光大氣通信部分思想，可以解決目前微波和毫米波低端頻譜緊張和速率難以大幅提高，以及激光通信難以應(yīng)用于沙塵、煙霧等惡劣環(huán)境等問題。
在國外THz無線通信技術(shù)方面，日本走在前列。在2004-2006年，日本NTT實(shí)現(xiàn)了基于光學(xué)UTC-PD源+固態(tài)肖特基二極管檢波接收的0.12THz的無線通信，采用ASK體制，傳輸距離300m，傳輸速率達(dá)到10Gbps，成為國際THz通信的標(biāo)志性成果。在2012年將0.3THz無線通信系統(tǒng)的傳輸速率提高到了24Gbps。德國Fraunhofer(IAF)于2011年完成了基于全電子InP mHEMT的0.22THz通信，并實(shí)現(xiàn)了了兩種體制：在OOK體制上實(shí)現(xiàn)了0.5m距離的25Gbps無線通信;在QAM體制上實(shí)現(xiàn)了2m距離的14Mbps無線通信。
在國內(nèi)，中國工程物理研究所、中科院微系統(tǒng)所、電子科技大學(xué)、湖南大學(xué)等科研單位先后展開了THz通信的相關(guān)研究。中科院微系統(tǒng)所于2008年進(jìn)行了4.1THz通信實(shí)驗(yàn)，傳輸距離為幾米。中國工程物理研究院在2010年完成國內(nèi)第一個(gè)0.14THz/16QAM 10Gbps高速無線通信傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)和國內(nèi)首次的0.5km無線傳輸實(shí)驗(yàn);電子科技大學(xué)與湖南大學(xué)聯(lián)合研制了國內(nèi)首部基于光電結(jié)合的0.1THz全固態(tài)高速無線通信系統(tǒng)，速率可達(dá)11Gbps。
3.2 THz雷達(dá)和THz雷達(dá)成像研究現(xiàn)狀
在目前已經(jīng)研制出的THz雷達(dá)和THz雷達(dá)成像系統(tǒng)[13-14]中，大都采用的是FMCW體制，利用主反射面實(shí)現(xiàn)波束聚焦，平面鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位向二維波束掃描;也有采用水平方向多發(fā)多收線陣列+孔徑合成，豎直方向通過平面鏡旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)波束掃描。 目前研制出的THz雷達(dá)成像樣機(jī)幾乎均為近距離測(cè)量，并且大部分是在室內(nèi)使用，特別是在安檢、微小物體成像等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
在國外，多家科研單位已經(jīng)取得了突破性的成果。美國JPL實(shí)驗(yàn)室于 2008～2011年期間在662GHZ-691GHZ頻段上采用FMCW體制實(shí)現(xiàn)了25m處的三維成像，距離向分辨率7mm，方向向分辨率1cm，40cm*40cm視場(chǎng)范圍成像時(shí)間1s(66*48像素);英國ThruVision于2009年實(shí)現(xiàn)了多通道外差接收列陣的無源焦面陣成像產(chǎn)品T5000，成像距離>20m，幀速>10Hz，可實(shí)現(xiàn)車載成像;德國法蘭克福大學(xué)于2011年在220GHZ～320GHZ頻段上采用FMCW體制，用8個(gè)發(fā)射模塊和16個(gè)接收模塊組成了一個(gè)線陣列，實(shí)現(xiàn)了8m處的快速成像(成像時(shí)間0.5s)。
在國內(nèi)，中國工程物理研究院進(jìn)行了0.14T/0.67T/2.5THz的ISAR雷達(dá)成像研究，并在2011年研制出了0.14THz的ISAR雷達(dá)成像試驗(yàn)樣機(jī)，二維成像分辨率達(dá)到3cm;中科院電子所在300GHz頻段上，采用扇形波束掃描+合成孔徑成像實(shí)現(xiàn)了1.5m處的二維和三維成像，成像分辨率達(dá)到8mm，60cm*180cm視場(chǎng)成像時(shí)間小于5s;電子科技大學(xué)、首都師范大學(xué)、北京理工大學(xué)均研制了雷達(dá)成像樣機(jī)。
四、總結(jié)
電子學(xué)THz器件和THz應(yīng)用已經(jīng)得到了各國的重視并得到了一定程度的發(fā)展。THz通信、THz雷達(dá)、THz成像作為電子學(xué)THz技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展。但是目前整體上是處于實(shí)驗(yàn)研究階段，只有很少產(chǎn)品得到了初步應(yīng)用。
THz技術(shù)的發(fā)展最終需要實(shí)際應(yīng)用來檢驗(yàn)。隨著需求的發(fā)展，THz通信將會(huì)朝著遠(yuǎn)距離、高速率、高穩(wěn)定性、小體積方向發(fā)展;THZ雷達(dá)系統(tǒng)將向著高分辨率、遠(yuǎn)距離、小體積、低功耗的方向發(fā)展;THz雷達(dá)成像系統(tǒng)除了滿足一般雷達(dá)的性能外，還需要實(shí)時(shí)性強(qiáng)，線陣或者面陣的成像系統(tǒng)是必然的發(fā)展途徑。而制約THz技術(shù)的關(guān)鍵因素還是THz器件的發(fā)展，特別是THz源和THz探測(cè)器的發(fā)展。隨著THz頻段相關(guān)器件材料的進(jìn)一步深入研究，器件加工工藝的提升，THz相關(guān)功能器件成本的下降，才會(huì)帶來THz技術(shù)的大范圍的應(yīng)用。
參 考 文 獻(xiàn)
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