太赫茲高速通信系統前端關鍵技術

太赫茲波是指頻率在100 GHz 以10 THz 之間的電磁波。這一段電磁頻譜處於傳統電子學和光子學研究頻段之間的特殊位置，過去對其研究以及開發利用都相對較少。隨著無線通信的高速發展，現有的頻譜資源已變得日益匱乏，開發無線通信的新頻段已逐漸成為解決此矛盾的一種共識，而在太赫茲頻段存在大量未被開發的頻譜資源，使得太赫茲頻率適於作為未來無線通信的新頻段。在眾多技術途徑中，採用固態電子學的技術途徑實現無線通信系統，未來存在將系統進行片上集成的可能，這對太赫茲無線通信系統走向實用化具有重要意義。y3dednc

根據Edholm 的帶寬定律[1]，無線短距通信的帶寬需求每18 個月翻一番。未來無線通信的發展對帶寬、容量、傳輸速率的需求可以說幾乎是沒有止境的，頻譜資源是每個國家無形的戰略資源，目前這個資源供求矛盾已十分突出，而且需求越來越急迫，這也就使人們將對新頻率資源開發的目光轉移到從前較少關注的太赫茲頻段。y3dednc

使用太赫茲頻率進行無線通信最為顯著的優勢就是太赫茲頻段大量存在的絕對帶寬資源。在地面上，太赫茲無線通信就非常適合用於短距高速無線數據傳輸的應用場合，例如：移動通信基站數據回傳、人員高度密集場所的高速無線接入、偏遠地區用戶的「 最後一千米」連接等[2-4]。在太空中，由於太赫茲波在近似真空環境中的衰減較小，因此使用太赫茲波進行大容量數據傳輸是衛星間組網進行星間通信的一種理想選擇[5-6]。y3dednc

太赫茲通信除了具有上述大帶寬的固有優勢之外，還具有以下一些優勢[7-12]：y3dednc

首先，太赫茲波比毫米波波長更短，衍射更小，因而方向性更強，同時太赫茲頻段容易實現超高帶寬擴頻通信，這對保密通信具有重要意義。y3dednc

其次，在雨霧、霧霾、戰場等惡劣環境條件下，相比光波，太赫茲波的衰減更小，因而在特定的通信距離、自然條件要求下，太赫茲波相較光波更易實現可靠的通信傳輸。y3dednc

綜上所述，太赫茲無線通信作為一個新興的研究領域，不僅具有極高的學術價值，而且具有未來實際應用的廣闊前景，這就是本文的選題意義和立題基礎所在。之前較少利用太赫茲波來進行無線通信的最主要原因是：缺乏實現無線通信系統所需的關鍵電路[13-14]。因此，我們將對作為太赫茲無線通信技術重要組成的幾項固態太赫茲關鍵技術開展深入研究，從核心電子器件建模、關鍵電路實現到系統集成應用研究全覆蓋，為太赫茲科學技術的發展做出了積極貢獻。y3dednc

1、太赫茲分諧波混頻技術

在固態放大器還比較缺乏的太赫茲頻段，混頻器的性能很大程度上決定了系統的整體性能。採用分諧波混頻的方式，本振頻率只需對應基波混頻的一半，這就很大程度地減小了本振源的實現難度。本章圍繞分諧波混頻技術展開，從器件物理機理入手，對混頻二極體建模開展了深入的理論研究。在此基礎上，完成了一個220 GHz 二次分諧波混頻器的電路優化，並同時開展了該分諧波混頻器的電路性能（變頻損耗）實驗研究，實驗結果與仿真預測吻合較好，驗證了二極體建模以及電路優化方法的有效性[15]。y3dednc

1.1 肖特基二極體三維建模分析y3dednc

二極體是混頻器的核心器件，它的性能好壞直接關係到變頻損耗的高低和混頻器的工作帶寬。在太赫茲頻段波長很小，二極體的封裝尺寸會對其性能造成很大的影響，應儘量選取級聯電阻、結電容都比較小的二極體，但隨著頻率的升高，要同時降低級聯電阻、結電容，在半導體工藝上的實現有較大難度。目前在太赫茲頻段的分諧波混頻器的這種反向並聯二極體對的封裝形式已成為主流。先進的半導體製造工藝將兩個肖特基結集成在一個封裝內，並構成反向並聯的形式，最大程度地保證了兩管的對稱性，減小了封裝寄生參數，其結構如圖1 所示。y3dednc

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圖1、肖特基二極體三維模型y3dednc

1.2 分諧波混頻器建模分析y3dednc

本節中，我們在對混頻器二極體模型進行深入研究的基礎上，首先分析了二極體的工作狀態，明確了取得最優工作狀態時二極體所需的阻抗條件和其自身的阻抗，然後根據這些阻抗優化匹配網絡，在匹配網絡確定之後，便可進行非線性電路仿真，最終完成電路的優化。通過該方法，基於Ansoft 公司的仿真軟體高頻結構仿真器（HFSS）與安捷倫（Agilent）公司的仿真軟體先進設計系統（ADS），我們對220 GHz 分諧波混頻器展開了仿真研究，獲得了低變頻損耗的分諧波混頻器，為後續通信系統的構建奠定了良好基礎。y3dednc

圖2 所示為220 GHz 分諧波混頻器的電路結構示意圖，整個電路集成在石英基片上，這樣降低了工藝難度。電路的主傳輸線採用懸置微帶線。無源電路由射頻探針過渡、本振中頻雙工（包括本振探針過渡、本振（LO）濾波和中頻（IF）濾波器）2 部分組成。射頻（RF）和LO 信號分別從標準波導接口WR4 和WR8 波導埠饋入，經探針過渡到懸置微帶後加載到反向並聯二極體對，由於LO 頻率低於RF 埠WR4 波導的截止頻率，所以LO 信號不會從RF 埠處洩漏，而RF 信號由於LO 濾波器（通LO 頻率、阻RF 頻率）的存在而不會從LO埠洩漏，從而實現這2 個埠之間的隔離；混頻產生的IF 信號通過IF濾波器（通IF 頻率、阻LO 頻率）輸出。在RF 探針過渡、LO 濾波器及LO探針過渡間的傳輸線採用懸置微帶線，接地端和IF 濾波器輸出端採用微帶線。y3dednc

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圖2、220 GHz 分諧波混頻器電路結構示意圖y3dednc

1.3 分諧波混頻器的測試y3dednc

採用增益法求解混頻器的等效噪聲溫度和變頻損耗，可降低測試系統搭建的複雜度，簡化測試過程，並且易於實現測試自動化。本節採用了基於Y 因子法測試並通過增益法求解220 GHz 分諧波混頻器的等效噪聲溫度和變頻損耗。y3dednc

圖3 中2 條實線給出了220 GHz分諧波混頻器的雙邊帶等效噪聲溫度和變頻損耗實驗結果。中頻頻率固定為2 GHz，在188～244 GHz 頻帶內，雙邊帶等效噪聲溫度則需要小於1 500 K，雙邊帶變頻損耗則會小於10 dB，最小雙邊帶等效噪聲溫度為680 K。圖中每個點的性能都是在最佳本振功率激勵下獲得的，所有點的最佳本振功率在2~3.5 mW 範圍內。表1 為本文所研究的分諧波混頻器的結果與其他同類產品的指標對比。y3dednc

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圖3、220 GHz 分諧波混頻器雙邊帶等效噪聲溫度和變頻損耗實驗結果y3dednc

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表1、本文實驗結果與其他同類產品的指標對比y3dednc

2、太赫茲二倍頻技術

二倍頻是產生太赫茲頻率信號的一種重要技術途徑，二倍頻器作為組成固態太赫茲系統中本振源的關鍵電路之一有著廣泛的應用需求。本章中我們從作為二倍頻器非線性器件的變容二極體工作機理入手，通過深入的理論研究，基於理論推導討論了變容二極體參數對二倍頻器電路性能的影響，並且給出了設計變容二極體時需考慮的主要參數。針對190 GHz 二倍頻器的電路性能需求，我們定量分析了變容二極體參數對各電路性能的影響，設計出二倍頻器的變容二極體。實驗結果與仿真預測較為一致，驗證了變容二極體建模、器件設計等的有效性[16]。y3dednc

2.1 變容二極體三維建模分析y3dednc

二極體的功率容量是目前制約二倍頻器發展的主要限制因素，要增加二極體的功率容量，一種常用的方法是在二極體晶片上集成更多的管芯來分攤輸入功率，這在平面二極體工藝出現以後得到了廣泛的應用。但是管芯數量的增加必然導致二極體晶片尺寸的增大，隨著二倍頻器工作頻率進入太赫茲頻段，電路幾何尺寸也在相應地不斷減小，晶片尺寸的增大往往會給電路的電磁特性帶來負面影響，所以管芯的數量受到了基片電路和腔體幾何尺寸的限制。本文中我們所建立變容二極體模型如圖4 所示。y3dednc

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圖4、190 GHz 二倍頻器的變容二極體晶片三維電磁模型y3dednc

2.2 二倍頻器建模分析y3dednc

190 GHz 二倍頻器基於平衡二倍頻原理，採用矩形波導的主模作為基波輸入信號的傳播模式，二次諧波以懸置微帶的準橫電磁波模式傳播。這樣，在不需要額外濾波器的情況下實現輸入和輸出信號的隔離。具體的電路結構如圖5 所示，電路基片為50 μm 厚的氮化鋁（AlN），輸入信號從WR10 標準波導饋入，經一段減高波導和介質加載波導後，產生的二次諧波信號以準橫電磁波模式沿懸置微帶傳播，並經探針過渡從WR5 標準波導口輸出。輸入波導的減高是為了提高輸入匹配的性能。主模的輸入信號仍可以在經過二極體之後朝輸出探針方向傳播，所以引入了一段屏蔽腔減寬的懸置微帶，這段懸置微帶的屏蔽腔可看作為WR10 波導的減寬，這樣就能使輸入的主模截止，形成一個對輸入信號的短路終端。二極體上產生的準橫電磁模（TEM）二次諧波不會從輸入波導洩漏，因為矩形波導並不支持這樣的場型模式傳播。二極體的直流偏置通過一個低通濾波器饋入，該濾波器防止輸出信號從偏置埠洩漏。輸出端的兩段減高是為了提高輸出匹配性能。由於目前工藝的限制，在AlN 基片上還無法像在石英和砷化鎵（GaAs）上那樣實現梁式引線，所以在二極體兩端的電路基片焊盤上是通過金帶鍵合至腔體上，以此形成接地，使得6個二極體芯構成平衡二倍頻所需的連接。y3dednc

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圖5 、190 GHz 二倍頻器電路結構y3dednc

2.3 二倍頻器的測試y3dednc

如圖6 中所示，實驗結果表明：190 GHz 二倍頻器的輸出頻帶為190～198 GHz，最大可承受350 mW的輸入功率；當輸入功率為200 mW時，在193 GHz 處獲得最大倍頻效率8%，輸出功率達到16 mW；在該頻點處當輸入功率為350 mW 時，輸出功率為24.12 mW，倍頻效率為6.89% 。表2 展示了本文所研究的二倍頻器的結果與其他同類產品的指標對比。實驗結果與仿真預測較為一致，驗證了變容二極體建模、器件設計和電路優化方法的有效性。同時，我們提出了一套從變容二極體設計到電路優化的系統研究方法，這對實現太赫茲頻段的固態源有著重要的意義。y3dednc

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圖6、190 GHz 二倍頻器倍頻效率測試曲線y3dednc

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表2、190 GHz 二倍頻器性能對比y3dednc

3、220 GHz 高速無線通信系統

太赫茲頻段分諧波混頻技術和二倍頻技術，是構成無線系統的2 項關鍵技術。本節中，我們將2 項關鍵技術用於220 GHz 高速無線通信實驗驗證系統。我們在太赫茲頻段的一個大氣窗口頻率--220 GHz 處，基於低噪聲分諧波混頻器構建了一個無線通信實驗驗證系統，並在室外200 m 的距離上實現了高速數據傳輸，測試了無線傳輸的誤碼性能，並成功地進行了業務數據的實時傳輸。表3展示了本文所研究的220 GHz通信實驗驗證系統傳輸鏈路的相關參數。y3dednc

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表3、220 GHz 實驗驗證系統200 m傳輸鏈路相關參數y3dednc

基於高性能關鍵電路的實現，我們完成了120 GHz 原理驗證系統和220 GHz 實驗驗證系統的高速數據傳輸。120 GHz 的原理驗證系統基於120 GHz 分諧波混頻器構建，在實驗室中實現了碼速率高達12.5 Gbit/s 的數據傳輸。220 GHz 實驗驗證系統是基於上文220 GHz 低噪聲分諧波混頻器構建的，在室外200 m 的通信距離上，我們通過誤差矢量幅度（EVM）指標測試研究了系統的誤碼性能，並實時傳輸了碼速率為3.52 Gbit/s 的裸眼3D 高清視頻信號，取得了良好的實驗結果。該220 GHz 實驗驗證系統已具備了面向實用的點對點高速無線通信系統的基本雛形，為未來開發太赫茲頻率資源作為新的無線通信頻段奠定了重要的技術基礎。實時業務數據傳輸實驗場景如圖7 所示。y3dednc

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圖7、實時業務數據傳輸實驗場景y3dednc

圖8 所示為發射機和接收機在相距200 m 的距離上進行無線傳輸時，在不同碼速率下的星座圖及對應的EVM 測試結果。星座圖平面上4 個點的聚焦程度隨著碼速率的增加而稍有惡化，這也和EVM 隨著碼速率的增加而增加的趨勢一致。y3dednc

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圖8、200 m 無線傳輸星座圖及EVM 測試結果y3dednc

4、結束語

科學技術的發展日新月異，研究永無止境，特別是在太赫茲科學技術這一前沿熱門領域。隨著智能移動終端、雲端大數據、物聯網、人工智慧服務等不斷滲入人類生活的方方面面，對無線通信帶寬的需求會越來越來迫切，而太赫茲波正好能提供一個頻率資源的富礦，未來太赫茲系統實現晶片集成化已成為必然發展趨勢。這也就說明單片集成電路工藝將成為未來系統關鍵電路實現的主流工藝方式，也就要求對半導體材料、器件工藝、器件模型、電路仿真方法等方面的研究不斷深入下去。y3dednc

本文的研究工作圍繞固態太赫茲高速無線通信技術展開，深入研究了實現固態太赫茲無線通信系統的2項關鍵技術，並構建了高速無線通信系統，在太赫茲頻段成功進行了高速無線數據傳輸實驗。通過本文的研究，展現出太赫茲波用於高速無線通信的巨大潛力，也驗證了太赫茲無線通信未來走向實際應用的可行性。y3dednc

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作者：樊勇1  陳哲2  張波1（1.電子科技大學；2. 雲南大學）y3dednc
來源：中興通訊技術y3dednc