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》。

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。

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。

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工藝傳統上以數字電路應用為主. 隨著深亞微米和納米工藝的不斷發展, 硅基工藝特征尺寸不斷減小, 柵長的縮短彌補了電子遷移率的不足, 從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高, 這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應用成為可能. 國際半導體藍圖協會(International Technology Roadmap for Semiconductors) 預測到2030 年CMOS 工藝的特征尺寸將減小到5 nm, 而截止頻率ft 將超過700 GHz. 德國IHP 研究所的SiGe 工藝晶體管的截止頻率ft 和最大振蕩頻率fmax都已經分別達到了300 GHz 和500 GHz，相應的硅基工藝電路工作頻率可擴展到200 GHz 以上。

由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優勢, 硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當前的研究熱點之一. 美國佛羅里達大學設計了410 GHz CMOS 振蕩器，加拿大多倫多大學研制了基于SiGe HBT 工藝的170 GHz 放大器、160 GHz 混頻器和基于CMOS 工藝的140 GHz 變頻器，美國加州大學圣芭芭拉分校等基于CMOS 工藝研制了150 GHz 放大器等，美國康奈爾大學基于CMOS 工藝研制了480 GHz 倍頻器. 在系統集成方面, 加拿大多倫多大學設計了140 GHz CMOS接收機芯片和165 GHz SiGe 的片上收發系統, 美國加州大學柏克萊分校首次將60 GHz 頻段硅基模擬收發電路與數字基帶處理電路集成在一塊CMOS 芯片上，新加坡微電子研究院也實現了包括在片天線的60 GHz CMOS 收發信機芯片，美國加州大學洛杉磯分校報道了0.54 THz 的頻率綜合器, 德國烏帕塔爾綜合大學研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系統, 加州大學伯克利分校采用SiGe 工藝成功研制了380 GHz 的雷達系統。日本NICT 等基于CMOS 工藝實現了300 GHz的收發芯片并實現了超過10 Gbps 的傳輸速率, 但由于沒有功率放大和低噪聲電路, 其傳輸距離非常短. 通過采用硅基技術, 包含數字電路在內的所有電路均可集成在單一芯片上, 因此有望大幅度降低毫米波通信系統的成本.

在毫米波亞毫米波硅基集成電路方面我國大陸起步稍晚, 但在國家973 計劃、863 計劃和自然科學基金等的支持下, 已快速開展研究并取得進展. 東南大學毫米波國家重點實驗室基于90 nm CMOS 工藝成功設計了Q、V 和W 頻段放大器、混頻器、VCO 等器件和W 波段接收機、Q波段多通道收發信機等, 以及到200 GHz 的CMOS 倍頻器和到520 GHz 的SiGe 振蕩器等。

2、毫米波電真空器件

毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優點，但功率受限. 為了獲得更高的輸出功率， 可以采用電真空器件, 如加拿大CPI 公司研制的速調管(Klystron) 在W 波段上獲得了超過2000 W 的脈沖輸出功率, 北京真空電子研究所研制的行波管(TWT) 放大器在W 波段的脈沖輸出功率超過了100 W，電子科技大學在W 波段上也成功設計了TWT 功率放大器, 中國科學院合肥物質科學研究院研制的迴旋管(Gyrotron) 在140 GHz 上獲得了0.9 MW 的脈沖輸出功率， 與國外水平相當。

3、毫米波應用

近年來, 毫米波器件性能的不斷提高, 成本的不斷降低, 有力促進了毫米波在各個領域的應用. 目前基于毫米波頻段的應用主要體現在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷達等方面.

3.1 毫米波通信

隨著無線通信技術的飛速發展, 6 GHz 以下黃金通信頻段的頻譜已經非常擁擠, 很難滿足未來無線高速通信的需求. 然而, 與此相反的是, 在毫米波頻段, 頻譜資源豐富但仍然沒有得到充分的開發利用.

在移動通信方面，探索了毫米波移動通信系統場景、網絡結構及空中接口. 在目前開展的第5 代移動通信(5G) 研究中, 幾個毫米波頻段已經成為5G 候選頻段。毫米波技術將會在5G的發展中起著舉足輕重的作用.

在短距高速通信系統中, 60 GHz 頻段得到了廣泛地研究和應用. 歐洲、美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞以及我國陸續開放了這一頻段的免費頻譜資源. 60 GHz 頻段處于大氣衰減峰, 雖然不適合遠距通信, 但可用于短距離傳輸, 且不會對周圍造成太多干擾. 近年來, 在60 GHz 頻段已發展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近場通訊、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各種系統與標準。

國內東南大學提出了工作在45 GHz 頻段的超高速近遠程無線傳輸標準(Q-LINKPAN) ，其短距部分已成為IEEE 802.11aj 國際標準。 45 GHz 頻段的大氣衰減小于1 dB/km, 因此不僅可以像60 GHz 頻段一樣實現高速短距傳輸, 同時也適用于遠距傳輸. 目前實驗系統在82 m 的傳輸距離上已實現2 Gbps 的傳輸速率, 并研制了相應的支持Gbps 傳輸的毫米波芯片。

衛星通信覆蓋范圍廣，是保障偏遠地區和海上通信以及應急通信的重要手段，目前其工作頻段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段. 隨著衛星通信研究的不斷深入，已在嘗試更高頻段. 因為毫米波頻段可以提供更寬的帶寬, 因而可實現更高的通信速率. 此外, 低功耗、小體積、抗干擾以及較高的空間分辨率都是其值得利用的特點. 目前衛星與地面通信的主要研究方向集中在兩個大氣衰減較小的窗口，Q 頻段和W 頻段， 而60 GHz 頻段被認為是實現星間通信的重要頻段.

此外, 毫米波光載無線通信(RoF) 系統也得到了迅速的發展. 光纖具有成本低、信道帶寬大、損耗小、抗干擾能力強等優點, 成為現代通信系統中不可或缺的部分. 正如上文提到的, 毫米波具有傳輸容量大、體積小等優點, 但也有空間傳輸損耗大等缺點. 毫米波RoF 系統結合了毫米波和光纖通信的優點, 是實現寬帶毫米波通信遠距離傳輸的有效手段. 自從1990 年光載無線通信的概念被提出之后，這個領域目前在毫米波頻段成為了研究熱點，很多研究小組在不同的毫米波頻段進行了研究, 比如60 GHz 、75-110 GHz、120 GHz 、220 GHz、250 GHz 等.

3.2 毫米波成像

利用毫米波穿透性、安全性等優點, 毫米波成像可有效地對被檢測物體進行成像, 在國家安全、機場安檢、大氣遙感等方面得到了廣泛的研究, 根據成像機理分為被動式成像和主動式成像.毫米波被動式成像是通過探測被測物自身的輻射能量, 并分辨不同物質輻射強度的差異來實現成像. 被動式成像從機理上看是一種安全的成像方式, 不會對環境造成電磁干擾, 但對信號本身的強度以及接收機的靈敏度要求較高。 國內外對毫米波被動式成像技術已開展了大量的研究。

毫米波主動式成像主要是通過毫米波源發射一定強度的毫米波信號, 通過接收被測物的反射波，檢測被測目標與環境的差異，然后進行反演成像. 主動式成像系統可以對包括塑料等非金屬物體進行檢測, 其受環境影響較小, 獲得的信息量大, 可以有效地進行三維成像. 常用的主動式成像系統主要包括焦平面成像以及合成孔徑成像。毫米波成像系統已應用于國內外許多機場的安檢. 國內上海微系統所孫曉瑋團隊研發成功了毫米波成像安檢系統, 電子科技大學樊勇團隊研制成功了毫米波動態成像系統。

3.3 毫米波雷達

毫米波雷達具有頻帶寬、波長短、波束窄、體積小、功耗低和穿透性強等特點. 相比于激光紅外探測, 其穿透性強的特點可以保證雷達能夠工作在霧雨雪以及沙塵環境中， 受天氣的影響較小。相比于微波波段的雷達， 利用毫米波波長短的特點可以有效減小系統體積和重量，并提高分辨率. 這些特點使得毫米波雷達在汽車防撞、直升機避障、云探測、導彈導引等方面具有重要的應用.

微波毫米波汽車防撞雷達主要集中在24 GHz和77 GHz 頻段上, 是未來智能駕駛或自動駕駛的核心技術之一. 在直升機毫米波防撞雷達的研究上, 人們特別關注毫米波雷達對電力線等的探測效果。

毫米波在大氣遙感方面也有很重要的應用，其中代表性的有毫米波云雷達. 毫米波云雷達主要針對降水云進行探測,，用于探測云內部宏觀和微觀參數,，反映大氣熱力及動力過程. 由于毫米波波長短，在云探測中表現出很高的測量精度和分辨率, 具有穿透含水較多的厚云層等優勢。南京信息工程大學葛俊祥團隊研制了W 波段云雷達, 北京理工大學呂昕團隊正在研制94/340 GHz 雙頻段云雷達.

除了民用, 毫米波雷達在軍事方面也有著非常重要的應用, 比如在精確制導武器中, 毫米波雷達導引是一項核心技術, 是全天候實施目標精確打擊的一種有效手段。

太赫茲技術

相對于毫米波技術, 太赫茲技術的研究還處在探索階段。太赫茲技術主要包括太赫茲波源、太赫茲傳輸和太赫茲檢測等，其關鍵部件可以分為無源元件和有源器件. 無源元件包括太赫茲傳輸線、濾波器、耦合器、天線等, 而有源器件包括太赫茲混頻器、倍頻器、檢波器、放大器、振蕩器等。

1、太赫茲源

伴隨著太赫茲波生成技術的發展, 太赫茲源的研究已有很多有價值的新進展. 研發低成本、高功率、室溫穩定的太赫茲源是發展太赫茲技術的基礎. 太赫茲源的分類多種多樣, 按照產生機理, 可以分為基于光學效應和基于電子學的太赫茲源。按照源類型可以分成3 類: 非相干熱輻射源、寬帶太赫茲輻射源以及窄帶太赫茲連續波源。

1.1 非相干熱輻射源

非相干熱輻射源在熱平衡的情況下將熱能轉換為光能, 產生連續的光譜。 主要例子如日常生活中的太陽, 以及白熾燈. 由于其產生的太赫茲波功率很低, 應用前景較為局限.

1.2 寬帶太赫茲輻射源

寬帶太赫茲輻射源目前主要應用于光譜系統, 主要由周期為幾十到幾百個飛秒的脈沖產生，在頻譜上包含高達幾十太赫茲的超寬頻譜分量. 產生方法包括：

a) 光導天線：光導天線進行太赫茲輻射的主要機理是光導天線在光脈沖的照射下產生載流子, 并在電場作用下加速運動, 在表面產生瞬態電流,進而輻射太赫茲電磁波，其特點是具有較高的輸出能量. 近年來, 國內外開展了很多關于光導天線產生寬帶太赫茲波的研究。

b) 光整流法: 光整流法是利用非線性的光整流效應, 使兩個光束或者一個高強度的單色光束在介質中傳播時產生差頻或和頻振蕩，其特點是可以實現太赫茲超寬帶輸出, 但是輸出能量相對不高. 基于此原理, 太赫茲輻射源得到了長足的發展。

c) 空氣等離子法: 空氣等離子法的原理是利用激光聚焦擊穿空氣產生太赫茲輻射。

d) 半導體表面: 基于半導體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結成表面電場效應和光生丹培效應. 對于某些寬帶隙的半導體材料, 其表面存在表面態, 由于表面和內部的費米能級不一致, 會形成表面電場. 在這個電場作用下, 被激光激發的載流子會形成瞬態電流, 從而形成太赫茲輻射. 對于某些窄帶隙半導體材料, 由于其吸收系數很大, 大量的載流子會在半導體表面形成, 其中的電子和空穴在向半導體內擴散的時候使正負電荷在空間中分離, 形成光生丹培電場, 輻射太赫茲波. 這種方式的特點是簡單易操作, 但輻射功率較低。

1.3 窄帶太赫茲連續波源

窄帶太赫茲輻射源的目標是產生連續的線寬很窄的太赫茲波. 常用的方法包括:

a) 利用電子學器件設計振蕩器, 尤其是以亞毫米波振蕩器為基礎, 提高振蕩器的工作頻率, 以設計實現適合太赫茲頻段的振蕩器. 由于這一特點, 目前報道的太赫茲源的工作頻率主要集中在較低的太赫茲頻段。但是, 在此基礎上利用倍頻鏈已獲得了1THz 左右甚至更高頻率的太赫茲波。

b) 太赫茲量子級聯激光器(THz-QCL) 作為相干光源的一種，是基于導帶子帶電子能態間躍遷和聲子共振輔助隧穿實現粒子數反轉. 隨著量子級聯激光器的迅速發展, 可以用來研究微小尺度的物質運動, 比如電子微觀輸運, 納米光子學等。 同時由于其結構緊湊, 使之在很多領域具有很高的應用價值, 如天體物理和大氣科學、空間通訊、精密光譜測量、安檢領域和太赫茲成像等。

c) 自由電子激光器是將在磁場中運動的相對論電子束的動能轉換為光子能量, 從而產生激光, 其特點是具有高能量和高相干性. 由于其連續性,輻射波長可以調諧到任何波長, 非常適合用作太赫茲輻射源, 但自由電子激光器的缺點是功耗高、體積大和費用昂貴, 因此自由電子激光器基本上用在實驗室環境中。

d) 光泵太赫茲激光器: 太赫茲頻段符合許多極性分子的轉動能級, 光泵太赫茲激光器使這些極性分子的轉動能級間的粒子數反轉,從而產生太赫茲輻射. 國內外相關工作中, 常用的氣體有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。

e) 差頻太赫茲輻射源: 差頻太赫茲輻射源主要利用非線性晶體的差頻效應來產生相干窄帶的太赫茲輻射. 這種方法中, 需要兩束不同波長的激光, 即頻率不同, 以一定角度泵浦非線性晶體, 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有機晶體DAST 等. 太赫茲波的頻率取決于泵浦光波長, 可以方便進行調諧。

f) 光參量法: 光參量法是利用一束泵浦光入射晶體, 激發出斯托克斯光和電磁耦子. 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下, 電磁耦子發生受激拉曼散射, 實現太赫茲輻射。

2、 太赫茲傳輸

由于太赫茲波在空氣中的損耗較大, 所以其傳輸結構是一個不可或缺的部分。對不同傳輸結構的損耗和色散特性的研究，逐漸成為了太赫茲領域的研究熱點.。各國科研人員都在努力尋找低損耗、低色散、高功率容量的太赫茲傳輸結構，也就是尋找適合傳輸太赫茲波的材料和結構。就研究方法而言, 主要是根據太赫茲頻段在波譜中夾在毫米波頻段和光學頻段之間這一特性，人們試圖將在這些頻段成熟的傳輸材料進行改進應用到太赫茲頻段, 這些嘗試包括金屬圓波導、平行平面金屬波導、金屬線波導、帶有金屬涂層的介質波導、全介質波導、亞波長周期孔陣列、橢圓形空心光纖包層的微結構光纖、雙線傳輸結構、光子晶體等. 如上所述，太赫茲頻段的傳輸結構有很多選擇, 需要針對不同的需求選擇合適的導波結構. 同時仍需要尋找更低損耗和色散的太赫茲傳輸線材料和結構。

3、太赫茲檢測

類似于太赫茲源, 其檢測方式可以分為非相干檢測和相干檢測.

3.1 非相干檢測

非相干檢測, 即直接檢測, 是指利用檢波器將檢波信號直接轉化為電流或電壓信號, 得到被測信號的幅度信息. 這種檢測方式結構簡單、動態范圍寬, 適合于對毫米波、遠紅外線、可見光等頻段的檢測. 它的一個顯著優點是可采用大規模檢波陣列進行檢測. 然而, 由于其相位信息的缺失, 它難以實現超高分辨率. 用于直接檢測的檢波器一般分為非制冷型檢波器和制冷型檢波器. 非制冷型檢波一般工作于室溫環境, 具有中等的靈敏度和較長的響應時間。制冷型檢波器由于其工作溫度很低, 可以獲得很高的靈敏度和較快的反應時間。

3.2 相干檢測

不同于非相干檢測, 相干檢測通常采用類似于傳統通信系統中的超外差結構，先將太赫茲信號變換到較低的微波毫米波頻段，再采用傳統的方式提取信號的幅度和相位. 由于采用了變頻方式，相干檢測系統較為復雜，需要混頻器等關鍵元器件，同時對混頻器以及太赫茲本振源提出了較高的要求， 比如較高的輸出功率和較低的噪聲等. 值得一提的是, 由于可檢測到相位信息，可以獲得較高的分辨率.此外, 還可進行信號放大，從而可獲得較高的靈敏度. 這種技術被廣泛應用于各種高分辨率、高靈敏度的探測場景, 比如深空探測等。 國內紫金山天文臺史生才團隊在500 GHz 和800 GHz 頻段已成功研制了超導混頻器, 并應用于射電天文探測。

3.3 檢波器

常用的一些檢波器包括

a) 肖特基管檢波器：肖特基管不僅可應用于直接檢波, 還可作為非線性器件用于超外差接收機。應用在直接檢波時, 具有高效率、低成本以及高集成度等優點; 應用于混頻接收機系統中, 可以獲得高分辨率和高靈敏度.

b) 熱電探測器：熱電探測器是利用光輻射與物質之間的熱敏效應這一特性而設計的器件, 曾被廣泛用于遠紅外線探測, 現已逐步用于太赫茲領域。

c) 半導體測輻射熱計: 測輻射熱計一般采用高靈敏度的熱敏電阻對照射在探測器的熱輻射所產生的相應電阻值變化進行檢測, 以獲得太赫茲波的功率, 一般可探測的頻率范圍為幾十個GHz到幾十個THz. 經典的測輻射熱計含有重摻雜半導體。

d) 半導體熱電子測輻射熱計: 通過半導體或超導體中的電子與晶格相互作用來實現測輻射熱計的高熱傳導性和小熱容量, 從而使之適合于太赫茲領域. 在半導體熱電子測輻射熱計中, 其半導體中的非平衡態電子被稱為熱電子。不同于一般的測輻射熱計先讓晶格吸收功率再將能量傳輸給自由載流子, 在這種測輻射熱計中, 入射的輻射能量被自由載流子直接吸收, 所以晶格溫度保持不變。

e) 超導熱電子測輻射熱計：為了進一步提高半導體熱電子測輻射熱計的靈敏度, 該檢波器是通過引入介質基片上的NbN 、NbTiN 或Nb 等構成的超導微橋而實現. 按照熱電子測輻射熱計可以分為兩類: 一種是聲子冷卻熱電子測輻射熱計；另一種是擴散冷卻熱電子測輻射熱計。

f) 場效應晶體管檢波器: CMOS 工藝由于其較低的成本和高集成度, 受到國內外研究人員的廣泛關注. 近些年, 基于CMOS 工藝的太赫茲檢波技術取得了顯著進展. 早期的一些研究中已將場效應晶體管應用于太赫茲檢波中，而近期的一些研究中已逐步發展到檢波陣列并且集成在THz CMOS 單芯片中。

g) 超導轉變邊緣傳感器(TES)：超導轉變邊緣傳感器利用電流加熱超導薄膜到超導轉變溫度，是一種超導非相干檢波技術. 當檢測太赫茲輻射時, 超導薄膜可以吸收太赫茲光子, 使溫度上升, 進而使電阻明顯升高. 這將減少流過超導薄膜的電流, 進而降低溫度, 逐步回到原來穩定的狀態. 這個過程稱為電- 熱反饋, 在這個過程中可利用高靈敏的電流計讀出電流變化. 目前最大規模的TES 檢測器陣列應用是安裝在美國的JCMT 望遠鏡上的SCUBA2 探測器陣列。

4 、太赫茲元器件

隨著太赫茲技術的快速發展, 各國研究人員對太赫茲元器件開展了大量研究, 包括太赫茲無源元件, 如太赫茲濾波器、太赫茲天線、太赫茲耦合器, 以及太赫茲有源器件, 如太赫茲變頻器、太赫茲倍頻器等.

4.1 太赫茲濾波器

太赫茲頻段具有極寬的可用物理帶寬. 在不同應用場合, 需要使用濾波器等無源結構對太赫茲的頻率進行選擇. 目前報道的太赫茲濾波器有頻率選擇表面(FSS)、微機電系統(MEMS) 濾波器、波導腔體濾波器、MMIC 濾波器、CMOS 和SiGe 濾波器等. 另外, 還有一些太赫茲濾波器是基于二維光子晶體、超材料、表面等離子體等結構.

a) FSS 空間濾波器在低頻段的研究己經相當成熟, 而關于太赫茲頻段FSS 的研究并不多，只有很少的報道. 設計FSS 的主要方法有多諧振單元、多層結構方法、微擾法和基因算法等. 頻率選擇表面采用周期性結構來實現頻率選擇，已廣泛應用于微波毫米波和準光系統. b) 基于MEMS 的太赫茲腔體濾波器 與波導腔體濾波器相似，均采用腔體結構來實現, 前者使用體硅蝕刻工藝在硅上刻蝕濾波器圖形, 然后在硅表面濺射金等實現波導腔體特性, 而后者直接在金屬上使用高精密數控機械加工技術銑出濾波器圖形。為了避免昂貴且困難的深硅刻蝕, 利用MEMS 的高加工精度可以在硅襯底表面刻蝕出周期性溝槽結構, 從而可以實現高選擇特性的太赫茲低通濾波器。

c) 光子晶體太赫茲濾波器是在光子晶體結構中通過引入缺陷實現太赫茲濾波器。

d) 激光照射量子阱結構可以使電子與空穴相結合產生光子, 而改變載流子濃度可以改變等離子的頻率, 所以量子阱結構的光學特性可以被入射激光控制, 進而設計出基于量子阱結構的太赫茲濾波器。

e) 太赫茲波長較短， 因此有可能基于傳統的平面微波毫米波電路結構, 使用MMIC、CMOS、SiGe 等微納加工工藝實現太赫茲濾波器等無源結構的設計. 目前這方面的研究已有少量報道。

4.2 、太赫茲天線

隨著對太赫茲技術研究的深入, 太赫茲天線也逐漸成為研究熱點. 太赫茲頻段相比微波毫米波頻段有著更高的工作頻率, 對應的波長也短很多. 由于天線尺寸與波長的相關性, 太赫茲天線具有尺寸小的天然優勢, 但也對加工制作帶來了挑戰. 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用。 由于在太赫茲頻段, 天線尺寸非常小, 對加工精度要求極高，目前英國盧瑟福實驗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、窄波束等優點, 也是一種太赫茲技術中經常采用的天線形式, 包括單反射面天線和雙反射面天線，一般廣泛應用于射電天文望遠鏡.

c) 太赫茲透鏡天線采用介質透鏡, 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, 它對太赫茲成像技術的發展起到了重要的推動作用.

d) 太赫茲平面天線結構簡單, 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構形式.

e) 光電導天線作為產生寬帶太赫茲波的一個主要方法, 在太赫茲領域得到了廣泛的研究. 它的作用是有效地產生大功率、高能量、高效率的太赫茲波, 其發展趨勢是繼續提高產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計中也受到了關注, 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中, 混頻器是一個核心器件, 其功能是將太赫茲信號向下搬移到微波毫米波頻段, 從而實現對信號的采集、分析及處理, 對太赫茲通信、太赫茲成像、大氣監測等領域具有重要影響。 目前可以在太赫茲頻段容易實現的混頻管有超導體{ 絕緣體{ 超導體(SIS) 混頻管、熱電子測輻射熱計混頻管以及肖特基二極管. 前兩者對工作環境的溫度要求較高, 需要低溫環境, 而肖特基二極管卻沒有這個限制. 超導隧道結混頻器由具有近似理想開關特性的超導隧道結構成. 因此它可以提供較高的變頻效率和一定的變頻增益, 同時它僅需要較小的本振功率, 因此噪聲較低。常用的Nb 隧道結在700 GHz 以下具有較好的性能, 如果配合高能隙超導材料NbN 以及NbTiN 等，可以將工作頻率拓展到12 THz。目前超導隧道結混頻器的研究逐步由單元設計向多像元發展, 特別是大規模多像元集成化接收機設計. 近年來, 國內外研究人員對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的一個核心器件. 通過倍頻器, 不僅可以由低頻率的微波毫米波信號產生高頻率的太赫茲信號, 也能在一定程度上提高太赫茲信號的頻率穩定度和信號質量. 主要原理是利用非線性器件, 產生兩倍或者多倍的輸出信號, 從而實現信號頻率倍增的功能, 是目前獲取高頻率太赫茲信號源的一個重要手段。由于在太赫茲頻段，半導體器件的寄生參數對電路性能的影響較大, 所以需要對其進行仔細的分析與建模, 進而完成倍頻器的設計。

5 、太赫茲應用

太赫茲技術的發展激發了很多有意義的應用, 帶來了多個領域新的發展，列舉幾個典型領域的應用.

在太赫茲射電天文應用方面, 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的重要手段. 通過使用太赫茲波對宇宙背景輻射進行研究, 可以理解更多關于我們生活的太陽系以及宇宙的進化過程。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。

在太赫茲無損檢測方面, 太赫茲輻射的光子能量低, 對穿透物不會造成損傷, 并且可以穿過大多數介電物質. 太赫茲波這一特點對于檢測非導電材料中的隱藏缺陷或者特殊標記具有很大的發展空間，一般稱為無損檢測，比如檢測油畫、航天器和半導體器件等。

在太赫茲生命科學應用方面，由于太赫茲輻射波對人體基本無害, 同時水和其他組織對太赫茲波具有不同的吸收率， 因此它可廣泛應用于對人體局部成像和疾病的醫療診斷上， 比如對于皮膚癌和乳腺癌等的檢測. 太赫茲波段包含了大量的光譜信息, 對不同的分子, 尤其是有機大分子會呈現出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于測定分子特性, 在生命科學領域有著廣泛的應用前景，比如測定DNA 的束縛狀態、生物組織的特征和蛋白質復合物等。

在太赫茲安全應用方面, 太赫茲波具有穿透性, 能夠實現對隱蔽物體的有效檢測, 可應用于國家安全相關的領域， 比如對于隱蔽的爆炸物、隱藏的槍支、郵寄的非法藥品的檢測和用于機場的快速安檢等. 上海微系統所孫曉瑋團隊研制了0.36 THz 的成像系統, 電子科技大學樊勇團隊研制了0.34 THz 的SAR 成像系統。

在太赫茲高速通信方面, 相對于現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。

毫米波與太赫茲領域未來研究方向展望

毫米波領域

1、大功率毫米波固態源。針對5G 通信、空天地一體化通信、高分辨率雷達等應用需求, 發展GaAs和GaN 工藝, 提升毫米波固態放大器的輸出功率, 探索高效率功率合成原理和實現方法.

2、高功率毫米波電真空器件。毫米波行波管(TWT)、回旋管(Gyrotron)、速調管(Klystron)、返波管(BWO) 等高功率放大器的設計與實現, 重點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, 提高電路集成度, 以滿足我國毫米波技術的應用需求.

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用領域發揮越來越重要的作用. 針對5G 無線通信、陣列成像和汽車防撞雷達等應用, 研究高集成度、多通道毫米波硅基系統芯片的架構和實現方法.

5、毫米波測量儀器研制。目前，我國毫米波測試儀器領域基本上被Keysight 和R&S 等國外公司壟斷, 而測試儀表又是發展各種電路與系統的基礎。因此, 要加強毫米波測量儀器特別是高端毫米波測量儀器的研究與開發.

6、 毫米波應用系統。探索毫米波應用系統的新原理、新架構、新的實現方法, 及其在雷達、制導、通信、成像和汽車自動駕駛等領域的創新應用.

太赫茲領域

1、大功率太赫茲源。 高功率源對于太赫茲遠距離成像、探測物質內部的高穿透波譜研究、太赫茲通信等至關重要. 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, 需要持續研究, 以期獲得突破性進展. 此外, 還應發展太赫茲行波管、回旋管、速調管和返波管等高功率放大器.

2、太赫茲信號檢測。在太赫茲信號檢測方面, 近些年得到了長足的進步, 許多技術的性能指標已經接近于其理論的極限, 但仍然很難滿足日益增長的需求. 因此, 迫切需要探索新的檢測原理, 發現新的器件, 并且在此基礎上推進大規模太赫茲檢測陣列的研究.

3、太赫茲固態器件與集成電路。 發展III/V 族半導體工藝, 開展元器件模型和電路設計方法的研究, 實現太赫茲器件與單片集成電路; 發展硅基集成電路工藝, 開展相應元器件模型和電路設計方法的研究, 實現太赫茲器件與片上系統.

4、太赫茲新材料與無源元件。發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. 對于未來數據傳輸速率需要100 Gbps 甚至更高的場合, 研究超高速太赫茲通信技術, 包括頻譜規劃、信道模型、系統架構與標準等。

5、太赫茲測量技術與儀器。 伴隨著太赫茲波生成和檢測技術的成熟, 我國太赫茲儀器的研制也將拉開序幕. 太赫茲網絡分析儀, 太赫茲光譜儀等等對我國太赫茲領域的研制能力有著重要的支撐作用.

6、太赫茲交叉應用領域。 目前太赫茲技術的主要研究領域在太赫茲成像, 主要集中在生物成像應用. 太赫茲波可用于對一些與其波長可比的細胞、DNA 等的檢測. 研究太赫茲波與各種物質之間的相互作用, 以期發現新的物理特性、化學變化等, 對生物醫學的基礎領域研究提供思路. 開發新的太赫茲技術應用領域對太赫茲技術的整體發展有著重要的推動作用.

此外, 將已有的毫米波、太赫茲系統應用推向產業化, 設計出易加工、低成本、高性能的商用化太赫茲系統將對國家基礎工業的發展帶來革命性的變化。

總結 毫米波及太赫茲領域是一個發展迅速的交叉學科，有著極其重要的科研學術價值和工業應用前景. 在毫米波及太赫茲技術方面的研究，經過近幾十年的發展，取得了很多重要的成果, 但是仍然在很多研究領域還不夠成熟, 亟待需要進一步地深入開發, 并且有效的將這些頻段的應用豐富起來, 進而最終推動國民經濟的發展。

來源：洪偉等. 毫米波與太赫茲技術. 中國科學: 信息科學，2016，46: 1086-1107,