6G技术愿景与太赫兹通信电路研究进展*

华玉，冯伟，曹俊诚

（1.江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术实验室，上海 200050）

0 引言

随着人们对通讯速率要求的不断提高，通信技术经历了一代又一代的发展。如今，5G 移动通信技术已经在全球范围内进行了标准化商业部署[1]，并以大带宽、高速率、低延迟的特点，成功在大规模连接通信（mMTC,Massive Machine Type Communication）、增强型移动宽带（eMBB,Enhanced Mobile Broadband）以及低延时高可靠通信（URLLC,Ultra-Reliable &Low-Latency Communication）中得到广泛应用[2]。随着移动通信系统的数据容量呈指数级增长，以及经济社会可持续发展对技术创新的需求，许多国家已经开始了未来6G 技术的研究。6G 技术将拥有更快的数据速率、更广的覆盖范围、更低的延迟、更高的频谱效率、更精准的定位、更高的可靠性和安全性、更多的应用场景以及更好的用户体验[3-4]。

为了发展6G 无线通信系统，研究人员正尝试采用不同的技术方案，主要包括太赫兹（THz,Terahertz）技术、大规模多输入多输出（MIMO,Multiple-input Multiple-output）技术、新波形技术、新型多址技术、轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）技术以及人工智能技术等。THz通信技术是一种利用THz 波进行信息传输的技术。THz 波是指频率在0.1～10 THz 范围内，波长为3 mm～30 μm 的电磁波。在电磁波谱上，THz 波处于微波和红外波之间，具有频带宽、方向性好和保密性强等特点，可以为无线通信系统提供更大的带宽以及高达Tbit/s 的超高传输速率，因此被认为是实现6G 通信的候选技术之一[5]。与红外波通信相比，THz 波具有良好的穿透性，更不容易受到云、雾、沙尘等环境的影响。THz 波的超大带宽特性使其很适合于超大容量和超高速率的局域通信[6]。THz 波波长短、方向性好、天线孔径小，具有更高的通信安全性[7-8]。

THz 电路器件是实现THz 通信系统的关键部件，他们的性能直接影响了通信系统性能的优劣，其中的核心电路主要包括有倍频器、混频器以及放大器等。目前，基于二极管技术的THz 倍频器、混频器等器件，以及基于芯片集成技术的放大器，都正在朝着更高的频段、更低的损耗和更高的效率的方向发展。

1 6G技术发展现状与应用场景

1.1 6G发展现状

在需求牵引以及全球各国发展战略的推动下，全球范围内已经开展部署了多个6G 研究计划。2018 年，芬兰政府设立了一个大型的6G 研究项目，次年启动了6G 旗舰研究计划，致力于提供即时、高速无线连接标准化通信技术，并发布了白皮书，初步回答了什么是6G、6G 有哪些特点和技术难点以及6G 将如何改变我们的生活等。2019 年11 月，中国科技部正式启动了6G 研究计划，成立了国际移动通信2030（IMT-2030）推进组，发布了关于6G 愿景以及关键技术等的白皮书，并成功主办了全球6G 发展大会。2020 年10 月，美国电信行业解决联盟（ATIS,Alliance for Telecommunications Industry Solutions）启动了Next G 研究计划，旨在为北美的6G 技术发展奠定基础。该研究计划包括了谷歌、苹果、微软以及Facebook 等科技巨头以及美国和加拿大的大多数通信运营商。2021 年1 月，欧洲启动了关于6G 发展的Hexa-X 计划，由爱立信和英特尔等多家成员组成。他们认为6G 是一个能够连接物理、数字和人类世界的网络[9]，如图1 所示。同时，美国、日本和韩国也发布了自己的6G 战略计划。

图1 欧洲关于6G技术发展愿景的Hexa-X计划[9]

1.2 6G应用场景

5G 技术满足了人们对大宽带、高数据速率、大连接密度、低延时的通信要求[10]。在未来6G 系统中，将会继续增强上述技术，并扩展更多的应用场景，例如全息通信、沉浸式扩展现实（XR,Extended Reality）和数字孪生等。

全息通信技术可以广泛地应用多个场景。该技术不受时间和空间的限制，实现人、物及其周边环境的三维动态交互通信[11]。随着无线网络以及高分辨率终端显示设备的发展，全息通信技术将给用户提供身临其境般的沉浸式观看体验。除了现实中的实时通信以外，我们还经常在各种科幻影视中看见主角可以和过去以及未来的人进行交流，这也是通过全息图形通信来进行的[8]。全息图像通信所需要的数据速率是特别高的，大概从几十Mb/s 到几个Tb/s 不等[12]，带宽需求也特别高。同时，真实的沉浸式全息通信场景还需要超低的延迟，如果再添加一些其它类型的体验，比如触觉功能体验等，那全息通信则需要亚毫秒级的延迟[13]。

扩展现实是一种涵盖虚拟现实（VR,Virtual Reality）、增强现实（AR,Augmented Reality）和混合现实（MR,Mixed Reality）等多种技术的统称。VR可以使人们同另外一个虚拟的数字世界进行交流互动并且有和真实世界一样的体验。AR 与VR 相反，在虚拟现实中，用户进入物体的世界，而增强现实是将虚拟物体带到用户的世界中。MR 则是集成了VR 和AR，描述了虚拟世界和真实世界的连续统一体，一端是VR 体验，另一方面是AR 体验。XR 通过三者的视觉交互技术相融合，为用户提供了虚拟世界和现实世界之间无法转换的沉浸感[14]。在如今的5G 时代，也可以通过一些移动设备、VR 眼镜和耳机以及其它技术访问XR，但这些都还仅仅处于初级阶段，比如互联网上的一些视频服务。未来6G 技术的超高数据速率、超低延迟以及超高传感能力等特点将会使沉浸式XR 应用成为可能，为用户提供更加逼真的体验[15]。

数字孪生是真实世界物体或系统的虚拟表示，它使用来自传感器、历史记录或其它来源的数据来模拟、监控或预测现实世界对应项的行为和性能。随着通信和人工智能技术的不断发展，物理世界中的实体或过程将在数字世界中得到数字化，人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世界中的映射实现智能交互[16-17]。依赖于更智能、更先进的6G 技术，数字孪生有望应用于更多的领域[18]。

2 面向6G的太赫兹通信技术

伴随着大数据分析和沉浸式体验等服务要求，通信数据传输速率需要达到Tbit/s 水平。THz 波具有丰富的频谱资源，可以支持超高速率的通信要求，被认为是实现6G通信的技术之一，具有广阔的应用前景。世界上许多国家已开始了对THz 通信技术的研究。2018 年，美国通信联盟联邦委员会（FCC,Federal Communication Commission）对未来移动通信应用开放了95 GHz 到3 THz 频段，进行为期十年的研究测试。欧洲各国依托欧盟的计划框架启动了多个的THz 研发项目。我国IMT-2030（6G）推进组也成立了THz 通信任务组，开展了相关研究工作。

THz 技术有望在未来通信领域获得大量的应用，例如高清全息视频会议、车载THz 网络通信以及卫星通信等[19-21]。为了使这些THz 应用场景变成现实，需要克服许多技术瓶颈。首先，需要研制THz 收发器与电路。例如基于光子学THz 技术的单行载流子光电二极管（UTC-PD,Uni-traveling-carrier Photo-diode）、THz 量子级联激光器（QCL,Quantum Cascade Laser）、THz 量子阱探测器（QWP,Quantum-well Photodetector）和基于电子学THz 技术的肖特基势垒二极管（SBD,Schottky Barrier Diode）、双极晶体管（HBT,Heterojunction Bipolar Transistor），以及THz放大器和天线等[22]。其次，需要充分研究THz 信道与传输特性，建立准确通用的THz 信道模型，用于通信系统的设计和分析[23]，解决THz 波段传播损耗等问题[24]。

3 太赫兹通信系统电路研究

THz 通信系统主要包含THz 发射和接收组件等[25]。下面主要对上述元器件中的倍频器、混频器以及放大器等关键电路的研究进展以及未来展望做简要介绍。

3.1 倍频器

THz 倍频器是利用肖特基二极管、变容二极管等非线性器件产生的谐波实现更高频率的信号输出。目前，大多数的THz 肖特基势垒二极管主要是基于砷化镓（GaAs,Gallium Arsenide）材料[26]。与砷化镓材料相比，氮化镓（GaN,Gallium Nitride）具有更高的击穿电压、更宽带隙（3.4eV）、更高的热导率和更低的介电常数，是大功率THz 倍频源的一种很有前途的材料[27]。同时，太赫兹单片集成电路（TMIC,Terahertz Monolithic Integrated Circuit）技术也正在长足地向前发展。

如图2 所示，2019 年，中国科学院国家空间科学中心微波遥感重点实验室金萌等人使用四倍器产生335 GHz信号。该四倍器构建在50 μm 厚的石英电路上，采用不平衡结构，当用5.8 dBm 驱动时，在337 GHz 时测得的输出功率约为22.9 dBm[28]。2020 年，河北半导体实验所梁士雄等人，在碳化硅（SiC,Silicon Carbide）上制备了用于倍频器应用的GaN 肖特基势垒二极管，其N−/N+GaN 堆叠厚度分别为200 nm/1 500 nm，掺杂密度分别为5×1017cm-3/8×108cm-3。在零偏压下获得了459 GHz的截止频率和15.4 V 的反向击穿电压。在脉冲模式下用2 W 输入功率驱动时，从177～183 GHz 测量的输出功率为200～244 mW，效率为9.5%～11.8%[29]。2023 年，梁士雄等人又采用单片集成方式，在碳化硅上使用平面GaN肖特基势垒二极管，制造了连续波模式下的高功率、高效率175 GHz 倍频器，经测试，在室温下，倍频器的输出功率在110 GHz 至164 GHz 时超过181 mW，在连续波模式下的效率为11%至20.6%[30]。

图2 两种GaN SBD倍频器的拓扑结构和模拟轮廓

3.2 混频器

THz 混频器是一种能将微波信号搭载到THz 信号的器件，其工作原理是利用非线性元件的电流-电压特性，将两个不同频率的信号叠加在一起，从而产生新的频率分量，其中一个是本地振荡器产生的本振信号，另一个是输入信号。THz 混频器的性能指标主要是噪声温度和变频损耗，前者影响着接收机的系统灵敏度，后者决定了THz频段信号变频至中频（IF,Intermediate Frequency）频段信号的损耗。目前，常用的混频器主要有肖特基二极管混频器，超导体-绝缘体-超导体（SIS,Superconductor-Insulator-Superconductor）混频器，热电子辐射热计（HEB,Hot Electron Radiation）混频器和场效应晶体管（FET,Field Effect Transistor）混频器等。由于肖特基势垒二极管在室温下在THz 范围内具有出色的响应，并且技术成熟，通常成为混频器的首选[31]。

如图3 所示，2016 年，美国弗吉尼亚大学B.T.Bulcha，J.Lhesler 等人设计了一款改进型的工作在1.8～3.2 THz 的谐波混频器，该混频器由一个基于石英的本地振荡器、中频电路和一个带有集成二极管的基于GaAs 的束线THz 电路组成，经测试，在1.905 THz 到2.060 THz 射频频率范围内，最佳转换损耗为27～35 dB[32]。2020 年，电子科技大学的崔建行等人，提出一种基于半细分半全局设计方法的设计模型，设计了一款工作频率为200～240 GHz 的次谐波混频器。基于该模型的谐波混频器具有电路结构简单、转换损耗低、电路尺寸小、稳定性高等特点，经测试，当中频频率保持在1.8 GHz 时，变频损耗约为7.36 dB[33]。2022 年，电子科技大学周泓机等人，基于石英衬底，设计了一款工作在200～240 GHz 频率的次谐波混频器，经测试，固定中频频率为1 GHz，在不同的本地振荡器驱动功率下，混频器的变频损耗小于8 dB[34]。

图3 三种混频器的结构示意图

3.3 功率放大器

THz 功率放大器主要用于将输入信号的功率放大，以便输出更高的功率，其核心指标包括放大增益、效率和饱和输出功率，这直接影响了通信系统的实际作用距离。此前，用于THz 频段放大器的半导体器件主要是Ⅲ-Ⅴ族化合物器件，包括了高电子迁移率晶体管（HEMT,High Electron Mobility Transistor）和异质结HBT，其中，特别是以磷化铟（InP,Indium Phosphide）为衬底的InP HEMT器件和InP HBT 器件，具有高迁移率、低噪声宽频带、截止频率和集成能力高等优点，因此被广泛应用于THz 放大器的研究[35]。但随着硅基器件工艺的不断发展，如互补金属氧化物半导体（CMOS,Complementary Metal Oxide Semiconductor）和双极互补金属氧化物半导体（BiCMOS,Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor），在实现和与其他控制和存储器组件集成方面更具成本效益，也已经成功应用于THz 功率放大器[36]。

如图4 所示，美国的Teledyne 科学公司，在此方面技术处于领先地位，早在2013 年，就报道了基于磷化铟双异质结双极晶体管（DHBT,Double Heterojunction Bipolar Transistor）的THz 单片集成电路放大器，其工作带宽高达694 GHz，在670 GHz 频段实现了超过20 dB 的增益。该放大器使用130 nm InP DHBT 在100 mm InP 衬底上制造，发射极触点使用电子束光刻图案化。共由9 级组成，每级使用单个的0.13×3 μm2偏置在20 mA/μm2和Vce=1.8 V 的DHBT 晶体管器件[37]。2021 年，美国加州戴维斯分校的研究员Hadi Bameri 和Omeed Momeni，推导并提出了嵌入式放大器单元功率轮廓的方程，以帮助设计人员找到最佳嵌入，并介绍了一种平衡宽带的差分功率组合器（SPC,Slot Power Combiner），从而最大限度地提高了特定增益的输出功率。基于65 nm CMOS 工艺，使用嵌入式匹配级联放大器单元和SPC，在200 GHz 下，实现了饱和输出功率最高达9.4 dB[38]。2022 年，清华大学李兴存等人，基于130 nm SiGe BiCMOS 工艺，实现了250～310 GHz 频段功率放大器，饱和输出功率达5 dBm[39]。

图4 三种功率放大器的显微照片和拓扑结构

3.4 低噪声放大器

低噪声放大器一般作用于各类无线接收机的高频或中频的前置放大器以及高灵敏度电子探测器的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能会很严重，因此希望减小这种噪声，来提高输出的信噪比。低噪声放大器主要的性能指标包括噪声系数和放大增益，前者影响了接收机的噪声性能，后者影响了通信系统的作用距离。由于InP 高电子迁移率、宽带隙以及HEMT 高增益，低噪声的优点，因此InP HEMT 低噪声放大器在过去的十几年中被广泛研究[40]。

如图5 所示，在InP HEMT 电路研究方面，美国诺格公司处于行业领先地位，2011 年，William.R.Deal 等人设计了一款基于30 nm InP HEMT 工艺，工作在670 GHz 的低噪声放大器，分别进行了五级和十级放大，经测试，五级放大器表现出7～8 dB 的封装增益，十级放大器表现出30 dB的峰值增益[41]。2015 年，Yoshida W 等人设计了第一个基于25 nm Inp HEMT 工艺，工作在1 THz 下的放大器，测量增益为9 dB[42]。美国teledyne 公司在InP HBT 低噪声放大器领域也有不错的成果，2021 年，Soylu U 等人报告了一种共基极（CB,Common Base）和共发射极（CE,Common Emitter）拓扑结构的200 GHz 低噪声放大器，该放大器采用250 nm InP DHBT 技术，CB 设计在196～216 GHz 显示7.4±0.7 dB 的噪声系数，在200 GHz 显示14.5 dB 增益，而CE设计在196～216 GHz 显示7.2±0.4 dB 噪声系数，在200 GHz显示13 dB 增益[43]。随着硅基器件的发展，2021 年，Sumit Pratap Singh 等人基于130nmSiGe BiCMOS 工艺，设计了一款工作在中心频率290 GHz 的低噪声放大器，经测试，在中心频率290 GHz 时提供12.9 dB 的增益，在300 GHz 时提供11.2 dB 的增益[44]。2022 年，Ahmed Gadallah 等人基于130 nm SiGe BiCMOS 工艺设计了一款300 GHz 低噪声放大器，经测试，所设计的放大器在325 GHz 时具有10.8 dB的峰值小信号增益，以及68 GHz 的3 dB 带宽和287.5 GHz时-15.6 dBm 的输入，在所需频带上模拟的噪声系数优于12.7 dB[45]。

图5 四种低噪声放大器的显微照片

3.5 THz电路器件的未来展望

由于材料和技术的限制，例如二极管的尺寸、石英电路的加工厚度以及腔体加工精度等，目前THz 电路器件的工作频率主要集中在100～300 GHz 左右的低频段，而且输出功率有限，很难满足以后高效率、低功耗和长寿命等商业化要求。所以目前业界对THz 电路技术的研究，正在朝着更高的频段、更低的损耗以及更高的效率的方向发展，其中包括使用新型的Ⅲ-Ⅴ族化合物器件，可以提供比硅基器件更好的电子迁移率和更高的饱和电压，以及使用相应的薄膜工艺和单片集成技术，有助于降低传输损耗和提高输出效率。

4 结束语

随着人们对通信速率要求的不断提高，许多国家已经开始了6G 技术的研究。高速率、大带宽、低时延的6G技术将会在人们未来生活展现更多的应用场景。THz 通信技术可以实现Tbit/s 的超高传输速率，是实现6G 的关键技术之一。THz 电路是实现THz 通信系统的关键组件，正朝着高频段、低延时、高效率的方向发展。