面向通信系统的太赫兹调制技术进展现状

刘松卓，于伟华，邓长江，李 尧，吕 昕

(北京理工大学 信息与电子学院，北京100081)

0 引言

近年来，在地面移动通信、互联网与航天技术的推动下，全球卫星通信系统步入井喷式发展阶段[1]。目前，高速率、大容量信息交换已成为推动卫星通信向网络化、宽带化发展的主要动力，卫星高速通信已成为卫星技术发展的趋势[2]。美国埃隆·马斯克提出的spaceX项目预期通过卫星实现互联网的全球无线连接，运用低地球轨道卫星进行通信，可以实现较低的传输时延与较广的覆盖范围[3]，使人们更加注意到了星间及星地通信的广阔前景。但是，由于传统的微波通信相对带宽较窄，无法保证数十Gbit/s量级的信号传输，难以达到要求[4-5]。随着人们对电磁频谱资源的深入探索，可利用的工作带宽逐渐提升。太赫兹频段的工作频率为0.1 ～10 THz，覆盖超大带宽的可用频谱资源，使其不仅在物体成像、环境监测、安全检查、反恐探测以及生物医学等方向[6]拥有广泛的研究前景，其在卫星通信中的应用也备受关注。

目前，太赫兹通信技术研究方兴未艾，还没有成熟的应用系统解决方案[7-8]。太赫兹通信中所需的主要技术包括：太赫兹产生和功率放大技术、太赫兹调制技术、太赫兹传输技术、太赫兹高速通信数据流和网络协议技术、太赫兹集成微系统技术等[9]，其中太赫兹调制技术负责将低频通信信号调制到太赫兹频段。基于电子学的太赫兹调制器根据调制思路不同，可以分为混频调制与载波直接调制两种[9]。其中混频调制的原理是频率变换，使用非线性或时变元件得到两个输入信号本身或者其谐波的和/差频。基于混频方法太赫兹调制器可以分为基于二极管的无源混频调制器[10]以及基于晶体管的有源混频调制器。太赫兹二极管工艺技术发展已经相当成熟，二极管基电路最高工作频率可以达到3 THz，覆盖整个太赫兹频段[11]。晶体管太赫兹有源电路，SiC衬底GaN HEMT器件功率输出优势明显，目前工作频率可到220 GHz；SOI CMOS的最大频率已经达到450 GHz；InP HEMT和InP HBT是实现太赫兹低噪声和功率放大最具性能优势的器件，2016年就存在使用InP HEMT工艺实现的1 THz频段电路的相关报导[12]。瑞典、德国、日本等国家均实现了基于晶体管芯片(TMIC)混频调制的太赫兹通信验证系统[13-15]。基于载波直接调制的太赫兹调制器直接对太赫兹波进行操控，将调制信号直接加载到太赫兹波上来实现太赫兹通信。其输出功率与太赫兹源的输入功率直接相关，受非线性器件的影响较小，因此可以通过单元阵列的方式实现较大功率输出[4]。

本文基于不同实现方案对太赫兹调制器的发展历程进行了研究，将太赫兹调制器区分为基于混频调制方法实现的调制器以及基于载波直接调制方法实现的调制器，其中基于混频调制方法实现的调制器又可以分为基于二极管实现的混频器和基于晶体管实现的混频器。然后，对不同方案下太赫兹调制器方案的优缺点进行了总结。最后，探讨了面向通信系统的太赫兹调制器进一步发展所需应对的挑战。

1 基于混频方法的太赫兹调制技术

混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程,其实质是频谱线性搬移的过程[16]。具有混频功能的电路被称为混频器。由于太赫兹上变频混频器线性度高，因此是太赫兹调制器的优秀选择。本节对电子学中常见的太赫兹固态混频器调制方案，即无源调制及有源调制方案分别进行概述。

1.1 基于二极管的太赫兹无源混频调制技术

早期太赫兹调制信号的产生一般采用太赫兹混频器作为调制器件。使用无源混频调制技术的太赫兹混频器一般使用石英基底，本振信号与射频信号通过波导-悬置微带探针过渡结构输送到肖特基二极管上实现频谱的搬移[17]。太赫兹二极管混频器的产生可以追溯到20世纪末，E. R. Carlson等人在1978年发明了最早的基于肖特基二极管的混频器，该混频器使用悬置微带线结构，可以工作在117 GHz的毫米波频段上[18]。随着制造工艺的发展，研究者们开始使用如减薄衬底、二极管与外围电路单片集成实现等多种方法提升系统集成度[19-22]。近年来，我国制造的二极管混频器也有较多报导[23-25]。随着技术的发展，目前二极管混频器已经能够工作在较高频段。如图1所示，2017 年文献[26]发布的太赫兹次谐波混频器已经可以工作在3～5 THz频段上。

图1 3～5 THz太赫兹混频器显微照片Fig.1 Micrograph of 3～5 THz mixer

此外，二极管混频器需要通过模块封装才能与系统其他组件进行互联，而模块封装产生的损耗较大，因此有研究人员采用将混频器与系统中的天线、滤波器等其他组件相结合的方法以提升系统性能。文献[27]将偶极子天线集成到薄膜电路中，从系统角度降低了传输损耗；文献[28]使用波导滤波结构替代传统的微带滤波结构，实现了对镜频信号的抑制。表1总结了部分基于二极管的太赫兹混频调制器研究成果。

表1 基于二极管的太赫兹混频调制器相关工作总结Tab.1 Overview of terahertz modulator based on Diode

综上所述，二极管无源混频器工艺成熟、结构简单、工作频率高。很多研究机构都采用太赫兹二极管混频器对太赫兹通信系统进行了实验验证。如图2所示，2008年德国联邦物理技术研究所的300 GHz频段太赫兹通信实验在10 m作用距离内可以实现电视信号的稳定传输[29-30]。2012年中国工程物理研究院实现的0.34 THz传输系统于最远50 m作用距离下实现了3 Gbit/s的无线传输速率[31]。2016年电子科技大学实现了国内首次全固态太赫兹通信实验，在200 m实验距离处实现了3.52 Gbit/s的传输速率[32]。

图2 太赫兹通信系统实验照片Fig.2 Photo of THz communication system

基于二极管的太赫兹混频器基带带宽高，但太赫兹频段的变频损耗大，器件输出功率低，信号输出功率一般在微瓦级。

1.2 基于晶体管的太赫兹有源混频调制技术

基于晶体管的太赫兹单片集成电路(Terahertz Monolithic Integrated Circuits，TMIC)技术能够将混频器与发射链路灵活地集成到单个芯片上，降低由封装产生的损耗，具有体积小、易集成、功耗低的特点[4],因此是太赫兹调制器的一个重要发展方向。

如图3所示，基于晶体管的混频调制器结构与无源混频调制器结构类似，基于晶体管的太赫兹有源混频调制器可以实现信号的频谱搬移功能[33-36]。基于晶体管的调制器变频损耗相对于基于二极管的混频调制器差别并不明显。表2总结了部分基于晶体管的太赫兹混频调制器研究成果。

图3 太赫兹晶体管混频器显微照片Fig.3 Micrograph of THz transistor mixer

表2 基于晶体管的太赫兹混频调制器相关工作总结Tab.2 Overview of THz modulator based on transistor

太赫兹频率高、传输衰减大，如采用分立器件实现方式，互联及封装对带宽和损耗影响显著[32]。因此，对工作于太赫兹通信系统中的发射机组件，芯片化、高集成化是一个关注要点[11]。早期基于晶体管的太赫兹调制发射芯片将有源混频器与本振倍频链路、发射天线等进行简单集成，直接搭建简单的太赫兹通信系统，从而避免对各个模块独立封装产生的额外损耗[12,14,37]。表3总结了部分与发射机集成的有源混频调制结构结构研究成果。

表3 发射机集成的有源太赫兹调制器相关工作总结Tab.3 Overview of highly integrated aactive THz modulator

研究人员通过对片上系统的进一步设计对太赫兹通信系统实现方案进行了优化。考虑到高阶调制系统产生的基带信号多为差分信号，文献[38]将本振放大器、本振功率分配巴伦、差分太赫兹谐波混频器以及射频功率合成巴伦集成在单个芯片上，保证基带差分信号利用率。在此基础上，文献[39]设计的太赫兹调制器使用差分馈入的环形天线，避免了引入射频功率合成巴伦带来的损耗。为实现更高的传输速率,文献[40]使用双极化的差分环形天线实现了相同空间链路下的极化复用，芯片照片如图4所示。其中每个极化通道可以独立传输一路信号，极大地提升了系统传输速率。

图4 太赫兹混频调制发射集成芯片照片Fig.4 Photo of THz Transistor integrated chip

此外，基于混频调制系统的原理，日本研究人员采用末级倍频结构(frequency-multiplier-last architecture)实现了较低成本的太赫兹调制器。该系统由正交基带载波混频器、中频混频器、基于倍频器的自混频器以及带通滤波器组成[15]。末级倍频结构实现太赫兹信号调制的流程如图5所示[41]。该芯片通过对中频信号以及中频镜频相互混频的方法，降低了中频滤波对系统输出功率的损耗，通过十分新颖的方式实现了由基带信号到射频信号的频谱搬移，同时只需要较低的本振信号就能产生太赫兹已调信号。但是，由于倍频器功率的限制，最终输出功率相对较低，设计思路过于复杂，多次混频方案对系统设计难度提出了较高要求。

图5 末级倍频结构示意图Fig.5 Schematic diagram of frequency-multiplier-last architecture

2 基于载波直接调制方法的太赫兹调制技术进展

基于载波直接调制方法太赫兹调制器易于集成、体积小、灵活性大；但目前其工作带宽较窄，在实现高调制速率方面还有很大挑战[4]。太赫兹频段常用的直接调制方式包括调控法[43]、微机电系统(MEMS)法以及集成电路法[44]等。其中，调控法实现的太赫兹调制器损耗低、自由度高，但较窄的基带带宽导致了其传输速率有限。MEMS调制法容易受到外部环境影响产生结构变形[45]，同时难以实现对信号的高阶调制。集成电路法具有调制阶数高、输出功率大的优点，但由于现有的调幅电路无法实现精确的幅度控制，输出信号的波形较差，传输速率受限[46]。表4总结了部分基于载波直接调制法实现的太赫兹混频调制器研究成果。

表4 基于载波直接调制方法的太赫兹调制器相关工作总结Tab.4 Overview of THz modulator based on direct carrier modulation

调控法主要依靠温、光、电等手段，将太赫兹电路与半导体材料、相变材料、掺杂异质结、石墨烯等[47]可变材料结合起来改变反射阵列的反射率或者透射阵列的透射率[49]，实现对信号幅度或者相位的调节。文献[48]通过电流控制石墨烯改变太赫兹波的布鲁斯特角实现信号的幅度与相位调制；文献[49]使用动态微结构改变鳍线传输能力实现太赫兹信号幅度的调控，制成的调制器可以实现空域4 Gbit/s的传输速率。

MEMS调制法主要依靠改变电路的机械结构, 通过控制信号改变器件物理结构参数，进而改变其电学参数完成开关或移向。文献[50]采用分布式MEMS传输线开关电容器实现传输信号的相位调制。

集成电路法基于TMIC技术通过晶体管电路控制载波电路实现。文献[51]通过改变片上VCO的工作频点实现已调信号的频谱变化；文献[46]通过对天线阵单元的开关控制影响太赫兹信号的输出功率实现信号调制。

从应用角度来看，基于载波直接调制技术的通信系统极具特色。2011年美国贝尔实验室的625 GHz太赫兹通信系统在实验室条件(lab distance)下实现了1mW的射频输出功率及2.5 Gbit/s的传输速率[53]；2017年，密歇根大学使用220 GHz发射芯片实现的太赫兹通信系统在217 GHz频段上单方向上最大输出功率可达到4.6 dBm，每个通道可以实现12.2 Gbit/s的传输速率[46]。

可以看出，直接载频调制器尽管目前存在带宽较窄、调制速率低、无法实现高阶调制及远距离传输等问题，但与太赫兹芯片设计技术相结合，基于载波直接调制技术的通信系统具有广阔的发展空间。

3 存在的问题与挑战

与传统通信系统调制技术相比，太赫兹调制器技术存在输出功率低、目标调制速率大、技术难度高等问题，且不同的实现方案应用在通信系统中仍需面对各种问题。

3.1 输出功率不足

太赫兹调制技术无法广泛应用的一个主要技术难点是调制信号的功率有限。对通信系统而言，调制器的输出功率对系统传输距离与信噪比等关键指标息息相关。目前，采用基于二极管无源混频调制技术的太赫兹通信系统输出功率仅有微瓦级，需要较高增益天线才能实现空口信息传输；采用结合放大器的有源调制技术的通信系统输出功率可以达到毫瓦量级，仅通过低增益的片上天线就能进行短距离通信实验；基于载波直接调制方法实现的通信系统输出功率也可以达到毫瓦量级。因此，想要实现较高功率输出的太赫兹通信系统，需要考虑结合放大器工艺以及提高载波直接调制功率。

3.2 调制速率与预期存在差距

由于太赫兹频段绝对带宽较大，根据香农公式能够传输的数据率也相对较大。但现有的太赫兹调制技术存在带宽较受限以及调制深度不足等问题。对基于混频方法的太赫兹调制技术而言，主要问题在于现有的基带系统难以支持高带宽大数据率的信号产生，采用任意信号发生器作为替代后估算得到的太赫兹通信数据传输速率已经能够达到百吉比特数据量；对采用载波直接调制方法的太赫兹调制技术而言，由于主要使用类开关的方法对太赫兹信号进行调节，难以保证复杂基带信号的线性度，实现高阶调制的难度较大，采用极化复用模式后最大传输速率也仅为数十吉比特。

4 结论

太赫兹调制技术能够把基带信号携带的信息传输到太赫兹信号上，其实现器件太赫兹调制器是太赫兹通信系统的重要组成部分。本文旨在对基于电子学方法实现的太赫兹调制技术进展进行研究，对基于电子学的多种太赫兹调制器进行了概述，并讨论了基于不同方案下的太赫兹调制方案的优劣。最后，本文对现阶段太赫兹调制系统存在的问题以及未来存在的挑战进行了探讨。