太赫兹固态通信系统技术发展现状与挑战

李 尧,高 岩,张 淅,秦雪妮,周雨萌,3,赵 亮,郑 重,费泽松,3,于伟华,4*

(1.北京理工大学 集成电路与电子学院,北京 100081;2.北京理工大学 信息与电子学院,北京 100081;3.北京理工大学 长三角研究院,浙江 嘉兴 314099;4.北京理工大学 重庆微电子研究院,重庆 400031)

0 引言

自20世纪80年代以来,移动通信系统基本按照每10年迭代的速率进行演进。伴随着高速率、大带宽应用增量式涌现,当前紧张的频谱资源显然无法满足海量设备的智联化、可视化应用需求。毫米波与太赫兹频段具有带宽大、电磁辐射低、穿透性较好等特点,成为新一代通信系统中亟待开发的关键频谱,其潜在高达Tbit/s级的通信速率有望为全息通信、小尺度通信、超大容量数据回传、短距离超高速传输等场景提供解决方案,为“万物智联”提供基础支撑[1]。

太赫兹通信技术面临诸多挑战。在系统架构方面,不论是基于太赫兹全固态电路的混频调制、直接调制方式,亦或光电混合太赫兹系统,小型化、低成本、高效率等难题亟待解决。太赫兹固态电路中的核心器件如频率源、功率放大器(Power Amplifier, PA)、低噪声放大器、混频器等性能直接影响太赫兹通信系统的表现。在空间传输中,太赫兹信号传输损耗大、带宽大引起的多径衰落统计特征复杂,缺乏详实而准确的信道模型。超大容量的数据通信也对太赫兹基带信号的调制与解调方式提出了更高的要求。此外,太赫兹通信系统面临的点对点、点对多点应用场景,对太赫兹天线的高增益、小型化、阵列化需求越发强烈。本文对太赫兹固态通信系统的国内外研究现状进行了整理,并对关键技术进行了梳理归纳,探讨了其进一步发展面临的挑战,旨在为太赫兹通信系统的实例研制提供参考。

1 太赫兹通信波形与信号调制技术

太赫兹通信理论上能够实现Tbit/s级别的传输速率,有望成为支持大数据无线实时传输的核心技术,发展与应用前景备受期待。太赫兹通信既需要太赫兹电路的硬件支持,也需要如帧结构、调制编码以及波形调制等相应的物理层技术保障[2]。目前在太赫兹通信物理层技术方向,成型的研究进展成果较少,仅有少量对于太赫兹通信的低频段物理层技术的讨论。

1.1 太赫兹调制编码技术

太赫兹通信系统选用的体制主要考虑通信速率、实现难易程度、带宽等因素。对于地面点对点、点对多点的通信应用,太赫兹频段的信号波形需要承载大量信息,还面临着信道干扰与硬件设备限制。因此,高速数据传输的太赫兹通信需要综合考虑两方面的需求。

信号的基带调制方法必须具备有效的信息嵌入特性。数字调制的阶数与通信速率和带宽利用率成正比。以相移键控(Phase Shift Keying, PSK)调制为例,其特点是星座点均匀分布于单位圆上,从而确保调制后信号的幅度恒定。然而,随着调制阶数的增加,星座点之间的间距逐渐缩小,从而增加了对信道噪声和非线性效应的敏感度,导致所需解调信噪比的提高。正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)技术则同时考虑幅度和相位的变化。与PSK相比,相同阶数的QAM在星座点分布上具有更大的间隔,因此其对解调信噪比的要求相对较低,但QAM的非等幅特性意味着它对非线性元件,如混频器和放大器有着更高的线性度需求。

基带信号的包络稳定性与功率放大器等核心器件的线性度密切相关。为了最小化非线性失真,太赫兹调制设计常采用低包络变化特性的低阶调制方案[3]。与正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)相比,π/4 QPSK限制了最大相位变化至135°,经带通滤波处理后具有更低的包络波动,具有更快的旁瓣功率衰减及更高的频谱效率。基于相同设计理念的π/4二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)也为低包络波动调制提供了一种选择。太赫兹频段的设备衰减和相位噪声同样会对信号传输造成干扰。幅度相移键控(Amplitude Phase Shift Keying,APSK)调制方法因其相位噪声的抑制特性亦受到了研究者的重视。

综上所述,低阶调制对信道的线性度要求较为宽松。然而大带宽需求增加了信号采集的挑战性,间接提高了对数模转换器件的速率要求,增加了数字器件的复杂性。相对之下,采用高阶的16QAM调制可以在获得同等传输速率下降低带宽要求,是太赫兹通信系统的有力备选调制方式。

1.2 太赫兹波形设计

在太赫兹频段进行波形设计时,必须考虑该频段独有的物理特性,如明显的路径损耗、信道的稀疏性、更大的时延拓展以及显著增大的多普勒频移扩展等。这些特性对系统设计中如带外发射等关键指标提出了更为严苛的要求。同时,它也应当能够与调制编码、先进的多址技术和大规模天线技术等实现无缝集成,以保证在太赫兹频段内的通信系统能够适应未来的技术演进。

1.2.1 单载波波形

单载波波形具有峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)较低、节能、实施简单、适用于小范围覆盖场景等优点。为了满足高吞吐量的需求,基带调制方式通常选用QAM。单载波频域均衡(Single Carrier-Frequency Domain Equalization,SC-FDE)[4]是一种简单的基于时域的调制信号,相比于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 调制波形,瞬时功率更加稳定,减少了功率回退,同时可以有效抵抗频率偏移。离散傅里叶变换扩频正交频分复用(Discrete Fourier Transform-spread-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,DFT-s-OFDM)波形利用扩频,降低多径引起的符号间干扰,并通过可调的循环前缀增强频域均衡,提供灵活的带宽管理和保护周期[5]。这种波形以较低的PAPR和简化的实施流程,在保留OFDM优势的同时增大了通信覆盖范围。对于使用 QAM 下低调制阶数的情况,此方案仍表现出较高的PAPR。

1.2.2 多载波波形

由于太赫兹频段存在信道多径扩展的特点,多载波波形依旧是太赫兹波形设计的重点,循环前缀正交频分复用(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing, CP-OFDM)技术因其与现行系统的高度兼容性而显得尤为关键。但是CP-OFDM的PAPR较高,对于功率受限的太赫兹系统具有挑战性。因此,需要设计降低PAPR的算法,同时需要权衡复杂度与波形的性能。如图1所示[6],主动星座扩展(Active Constellation Extension, ACE)的PAPR抑制算法[6]利用预先扩展星座点和峰值去除操作,大大减少了传统ACE算法的迭代次数,进一步提升PAPR抑制性能的同时,显著减少了计算复杂度。

图1 低复杂度ACE、传统ACE与CP-OFDM波形PAPR性能比较Fig.1 Comparison of low complexity ACE,traditional ACE, and CP-OFDM waveform PAPR perf- ormance

正交时频空间调制(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)作为一种创新的多载波调制方案,已经在无线通信领域引起了广泛的关注。该技术的核心在于将传输信号映射至时延-多普勒域,通过这种映射机制,OTFS能够将时变信道的动态特性转换为近乎静态的时延-多普勒信道特性。这一转换对于应对高移动性环境中的多普勒效应尤为有效。OTFS波形在实现高数据传输率的同时,能够满足系统对于低延迟的苛刻要求,表现出优异的频谱效率。与CP-OFDM相比,OTFS在单个帧内仅需加入一个循环前缀,大大简化了结构。尽管OTFS在多个方面展现出其优势,其PAPR表现尚未达到对太赫兹频段功率放大器要求的理想状态,这一点在未来的技术发展中仍需优化。低复杂度时延-多普勒域星座旋转和时域信号迭代削波滤波的两阶段跨域联合抑制算法,可有效抑制PAPR。如图2所示,该算法在时延-多普勒域对信号分组并按预设码本进行星座旋转预先降低调制后信号PAPR,在此基础上对时域信号进行迭代削波滤波处理以进一步降低PAPR,实现了PAPR抑制和误码率性能的权衡。

图2 跨域联合抑制方法与现有OTFS波形PAPR抑制方法PAPR性能比较Fig.2 Comparison of PAPR performance between cross- domain joint suppression methods and existing OTFS waveform PAPR suppression methods

2 太赫兹固态核心器件

太赫兹固态核心器件作为通信系统的硬件基石,它的性能直接影响着整个系统的性能优劣。以磷化铟(Indium Phosphide, InP)和砷化镓 (Gallium Arsenide, GaAs)为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由于其独特的能带结构,能够在太赫兹频段兼顾电子与光子应用,成为太赫兹电路设计中的主流材料体系。基于Ⅲ-Ⅴ族工艺设计的太赫兹通信核心电路如频率源、功率放大器、低噪声放大器、混频器以及太赫兹收发机结构等将会影响太赫兹通信的性能表现。

2.1 太赫兹频率源

太赫兹频率源性能直接影响信号发射链路的噪声表现。对于太赫兹通信链路而言,低噪、可靠、频稳的频率源至关重要。频率源的性能和所能达到的工作频率在很大程度上受限于晶体管的最大振荡器频率fmax,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件例如基于InP的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)和异质结双极性晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)的fmax已经接近或者超过1 THz[7],故多用于高频基波频率源设计[8-10]。硅基工艺则多采用谐波或倍频方式实现太赫兹频率源[11-12]。太赫兹频率源设计结构多样化,如单核振荡器(三点式振荡器、交叉耦合式振荡器等)[13-15]、多核振荡器(push-push振荡器、三推振荡器、注入锁定耦合式振荡器等)[16-20]以及振荡器或锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)倍频等[21-23]。

如图3所示,对当前不同工艺技术下的太赫兹频率源输出功率进行了统计[24]。显然InP太赫兹频率源的直流-射频转换效率较高,且国内外研制水平存在一定的差距。

图3 国内外太赫兹频率源性能对比Fig.3 Comparison of performance between domestic and foreign terahertz frequency generators

表1佐证了不同工艺下太赫兹频率源实现结构的差异。一般,三点式振荡器中,Clapp振荡器和Colpitts振荡器振荡波形和频率稳定性好,适用于较高的工作频率,但是调频不方便。Hartley振荡器易起振、输出幅度大、调频方便但振荡频率低,输出波形差。交叉耦合振荡器设计受电感品质因数影响较大,相位噪声更加敏感,且高频可变电容难以实现。注入锁定耦合振荡器用于产生高谐波频率选择性输出。总之,太赫兹频率源的设计需要根据不同的工艺与需求选择合理的拓扑结构。

表1 不同结构的太赫兹频率源对比

2.2 太赫兹功率放大电路

功率放大器通常位于发射机的末级,功率放大性能直接决定了通信系统的作用距离。目前太赫兹频段功率放大器多采用InP HBT或InP双异质结双极性晶体管(Double Heterojunction Bipolar Transistor,DHBT)器件,具有低噪、宽频、高线性等特点,但是单一的工作晶体管并不能满足太赫兹通信所需的增益及功率需求。

功率合成技术突破了单个晶体管的输出功率受限问题,自1969年出现首个成功基于多个IMPATT功率合成之后,各种合成方案不断被提出。常见的高频片上功率合成结构有威尔金森功分器、耦合线巴伦、切比雪夫合成器、变压器功率合成等。合成的路数越多,输出功率越高,但是电路拓扑变得越发复杂。清华大学采用128路功率合成技术[25],通过零极点相消技术,利用CMOS 65 nm工艺实现了W级功率输出。

增益自举技术则是通过反馈机制对晶体管的小信号放大性能进行弥补,常见引入电容、电感等器件形成回路,消除晶体管寄生。如图4所示,电容Cn一方面用作米勒补偿电容来提高差分输入对的稳定性,另外一方面则有助于提升功率增益[26]。电感Lb用于增强等效跨导,并通过共模偏置电阻补偿稳定性[27]。

(a) 电容反馈增益

(b) 电感反馈增益

宽带匹配技术可根据Wheeler 理论[28]和 Bode-Fano 约束条件[29]进行设计,增益-带宽积存在上限,放大器设计通常需要在增益和带宽之间进行取舍,为此衍生出多种宽带放大器设计方法。欲实现放大器带宽拓展,必须增加匹配网络复杂度,或采用低 Q 值电路宽带匹配结构。电阻性匹配网络可以获得较好的输入、输出匹配,但随之相应地降低了增益,浪费了功耗。负反馈则改善晶体管的频率响应以平坦工作带宽,提高器件的稳定性,但带内增益将会进一步降低。平衡式放大结构利用90°耦合器可以实现两个放大器的宽带匹配,增益并无明显变化,需消耗双倍的直流功率。分布式放大结构增益则与其串联的级数密切相关,其单元多采用Cascode或Stack结构。

基于上述功率放大器设计所采用技术进行了不完全调研,并对不同工艺的先进功率放大器性能进行了对比,如表2所示。其中,功率合成技术是太赫兹功放设计的核心技术,普遍应用于固态电路设计。

表2 不同拓扑结构太赫兹功率放大器性能对比

太赫兹功率放大器的输出功率与采用的材料密切相关,如图5所示,据Wang等人[24]的相关数据统计,基于GaAs和InP的功率放大器输出功率水平更高,且具备更高频段的应用潜力。此外,太赫兹通信系统研究尚未成熟,通信所需的线性度要求并未体现在当前的设计当中。Doherty结构、Envelope Tracking、out phasing等功率回退技术在太赫兹频段的应用也有待进一步挖掘。

图5 不同工艺下国内外太赫兹功放饱和输出功率分布Fig.5 Saturated output power of terahertz power amplifiers at home and abroad in different processes

2.3 太赫兹低噪放大电路

单端共射级结构简单、易于实现,在太赫兹波段低噪声放大器设计中得到了广泛的应用。2021年,北卡罗莱纳大学的Kobayashi等人[40]基于90 nm GaN HEMT工艺设计了一款工作频率为70～110 GHz的宽带低噪声放大器。该放大器采用单端共射级和四级级联结构,在E波段和W波段分别实现小信号增益为15～17.9 dB和15.8～19.2 dB,噪声系数为3.5～4.2 dB和3.3～3.8 dB,在同频段单级GaN低噪声放大器中,该放大器实现了当时已知的最小噪声系数,实现了3 dB带宽40 GHz。2022年Chauhan等人[41]基于250 nm InP工艺,发现了芯片中的参考地平面和芯片背板的接地金属,共同构成了波导状结构,可替代信号传输路径,并提出去除射频焊盘中的地平面以及引入衬底通孔的方法,抑制衬底波对低噪声放大器的影响。

噪声系数是低噪声放大器最重要的设计指标之一。Cascode结构提高低噪小信号增益的同时也恶化了噪声系数。Turkmen等人[42]提出可以在共射极和共基极晶体管间的节点处引入适当的电感用以抵消该节点处存在的寄生电容,从而抑制噪声,改善放大器噪声系数。四级级联Cascode低噪声放大器芯片如图6所示。

图6 四级级联Cascode低噪声放大器芯片图Fig.6 Chip diagram of a four-stage cascaded Cassode low noise amplifier

差分结构因高稳定性和可以抑制共模噪声等优点深受设计者们青睐。文献[43-44]均采用了差分Cascode结构,其中文献[43]在文献[42]的基础上,提出了电容负反馈技术,如图7所示。根据叠加原理可知,负反馈电容技术可使共基极电路的小信号增益为原电路的两倍,并进一步提高放大器的稳定性。

(a) 传统差分Cascode 低噪声放大器

(b) 改进型采用负反馈电容技术的差分放大器

低噪声放大器要尽可能减小放大器自身的噪声对信号的干扰并进行功率放大,以提高通信系统的信噪比。如图8所示[24],截止目前,太赫兹低噪放的噪声系数大多集中于10 dB附近,仍有较大的优化空间。

图8 不同工艺下国内外低噪声放大器噪声系数对比Fig.8 Comparison of noise coefficients of low noise amplifiers at home and abroad in different processes

2.4 太赫兹混频电路

混频电路是超外差系统中的核心器件之一,它利用器件的非线性特性实现频率搬移功能。在信号发射端,将中频基带信号搬移至太赫兹频段进行发射(上变频),或在接收端将太赫兹频段传输信号搬移至中频频段送至基带进行解调(下变频)[45]。噪声温度直接影响接收机的噪声性能,太赫兹频段信号变频至中频频段信号的损耗则用变频损耗评估,二者共同作为衡量混频电路的核心指标。

混频器一般分为二极管混频器和三极管混频器。二极管混频器往往只需要较低的导通电压,功耗较低且电路结构简单,易于实现。此外以肖特基二极管为代表的混频电路还具有低噪声系数、良好的高频特性和动态特性等优点,常用于太赫兹频段混频电路设计。由于二极管并不提供信号放大的作用,因此二极管混频器变频损耗较大。目前固态变频器的世界领先研究机构,美国弗吉尼亚二极管公司的分谐波变频器的工作频率已经覆盖到 5 THz,如图9所示[46]。国内方面,电子科技大学及其他研究机构所研制的140、220、340 GHz等频段的分谐波混频器也基本达到了世界一流水平[47]。如2022年,Liu等人[48]对肖特基二极管阻抗进行提取和等效模型建模,利用肖特基二极管设计了一款330 GHz 次谐波混频器,该款肖特基二极管混频器工作频率为292～356 GHz,单边带变频损耗为7.5～10 dB,射频端口回波损耗大于15 dB,中频端口回波损耗大于14 dB。

图9 肖特基二极管混频器显微图Fig.9 Microscope diagram of Schottky diode 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[49]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[50]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。

三极管混频器变频增益较高,带宽较大,但同时电路复杂度较大、功耗较高。根据电路基本结构可以将其划分为单端(单端输入、单端输出)混频器、单平衡(单端输入、差分输出)混频器和双平衡(差分输入、差分输出)混频器三种类型[51]。单端混频器具有电路结构简单、器件引入噪声小等优点,缺点是单晶体管所提供的小信号增益较小,因而变频增益较低,单平衡混频器的增益为单端混频器的两倍,同时相位相反,但幅度相等的一对本振信号会在射频端口相抵消,因此抑制了本振泄露,提高了本振信号端口和射频端口之间的隔离度。双平衡混频器可以有效地提高本振端口到中频端口的隔离度,抑制谐波和杂波信号。此外,通过引入差分结构,双平衡结构显著抑制了共模噪声,改善了混频器噪声系数。2021年,Maiwald等人[52]采用双平衡结构,设计了一款应用于零中频收发机的宽带低噪下变频混频器。

相较于传统的双边带混频器,太赫兹IQ混频器在太赫兹通信系统中应用广泛,可用于太赫兹直接调制。太赫兹通信发射机中采用直接调制方式可大幅降低传输损耗,减小互联及封装对混频器带宽和损耗影响,实现高灵敏度接收和高速率传输。早期研制的 330 GHz 频段的太赫兹 IQ 混频器[53]取得了良好的性能,引发研究者持续的关注与改进。表3总结了当前部分与发射机集成的有源混频调制结构相关的研究成果[54]。

表3 发射机集成有源太赫兹混频器相关工作

3 太赫兹天线技术

太赫兹天线作为无线通信系统的关键一环,其增益与扫描角度直接影响着整个通信系统的覆盖范围。太赫兹通信系统的发展对于天线提出了更多的特性需求。一方面,太赫兹频带范围跨度大,对于太赫兹天线的宽带性能需求越发显现;另一方面,太赫兹通信系统对于天线小型化、集成化、阵列化问题也亟需解决。喇叭天线由于标准的波导接口形式成为当前太赫兹天线的主流应用,但多用于点对点-点对多点的通信应用。

3.1 太赫兹可重构智能表面天线

对于太赫兹通信系统更加多样灵活的需求,太赫兹可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)天线是当前研究热点之一。一般而言,可重构反射阵与透射阵天线是由一维或者二维规则排列的可重构单元组成,利用关联的编码技术调整可重构单元的电磁特性,将信号根据需求进行离散化调控。当前常见的调控方式包括电子/机械调控、有源器件调控以及可调材料调控等。

二极管器件利用通断特性改变可重构单元表面的电流分布及辐射特性。PIN管相位差较为固定,而变容管则可以通过电压调控实现相位的连续调控,实现0°～360°精确控制。二者的应用研究大多集中于毫米波频段,一旦工作频率逾百GHz,器件的性能急剧恶化,导致天线表现下降。相比之下,肖特基二极管更加适用于作为太赫兹天线的电控器件。Chan等人[64]将在GaAs基板上实现肖特基二极管电控,利用电压调谐金属开口谐振环响应,在0.4 THz实现了 3 dB振幅调制深度。文献[65-66]采用不同的肖特基二极管与谐振结构进一步验证了肖特基二极管在太赫兹波段实现波束可重构的潜力。

晶体管在太赫兹可重构阵列天线中也崭露头角,核心设计理念在于将天线所需衬底采用或异质或同质的方式与晶体管工艺进行融合,如2018年采用SiC衬底与高电子迁移晶体管(High Electron Mobility Transistor,HMET)器件结合,实现137°的辐射相移[67]。成熟的CMOS工艺也被广泛应用,2020年Venkatesh等人[68]提出的12×12可编程反射天线阵在0.3 THz频段实现任意幅相控制,并能提供0°和±30°波束角度重构。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)开关寄生电阻小、隔离度高、易于集成,可实现大规模的阵列化布置,相较于二极管、晶体管控制方式在太赫兹波段的设计更加灵活。Cong等人[69]利用MEMS悬臂梁作为天线发射单元,在0.8 THz下实现了310°相位覆盖,支持±70°的波束方向重构。针对MEMS频率可重构方案,Manjappa等人[70]通过调谐馈电网络,在1 THz内实现了工作频段的迁移。

除上述控制方式之外,以液晶、石墨烯、VO2等可调材料作为衬底与电控结合的方式亦可实现可重构功能。液晶通过外加电场使得液晶分子发生旋转从而改变光轴,实现电磁辐射方向变化[71-75]。石墨烯可在电压控制下使电导率发生变化,实现幅相的调控。2015年,上海交通大学的常壮设计了一款基于石墨烯材料的可重构反射阵天线,在1.6 THz实现了0、±1和±2模式的轨道角动量涡旋波的生成。VO2在外部电压激励下可实现绝缘-金属态势转化[76-77],在这一特性作用下,电磁波被选择性的吸收或延迟。Wang等人[78]利用VO2材料特性在0.69～0.79 THz生成轨道角动量波束。

如表4所示,太赫兹可重构天线在特性上各有优劣,面对太赫兹通信系统的实际应用需进一步探索,推动更加高效实用的太赫兹可重构方案。

表4 可重构天线性能对比

3.2 多波束天线

多波束天线能够将通信资源更加高效地同时分配到不同区域用户,对于提升通信质量和容量具有重要意义。多波束天线的工作结构基本可分为反射面结构、透镜结构以及波束形成网络三大类。其中,太赫兹多波束平面反射阵结构多与RIS相结合,波束形成网络侧重于算法电控,以Luneberg透镜为代表的多波束天线研究演进迅速。

太赫兹波段的Luneberg透镜实现方式包括介质分层、混合介质材料、周期性人工材料、电磁带隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)结构等。2019年Andy等人[79]提出一种全介质实现结构,在RogersRT/duriod 6010基板上采用周期性通孔实现梯度折射率,在240 GHz处实现±8°的波束控制范围。同年,Chen等人[80]实现基于不同填充面积径向完全对称的八层梯度结构全介质平面Luneberg透镜,可覆盖60～240 GHz。

全金属特性的平行板波导和EBG结构可有效抑制介电损耗,提升Luneberg透镜在太赫兹波段的性能表现。瑞典皇家理工学院Quevedo-Teruel等人[81]于2015年提出一款基于低色散特性金属销钉超表面实现方式,但工作频率较低。北京理工大学Lu等人[82]将此理念加以拓展,利用全CNC加工实现了一款新型的低色散波导滑动移相结构,在400 GHz以上实现了多波束方案。

太赫兹波段EBG结构中的金属销钉采用金属铣削方法加工难度大,倒角结构受限。北京理工大学Yu等人[83]引入高精度投影微立体光刻3D打印技术与磁控溅射金属工艺,在D波段范围内实现19 dBi增益及±45°波束扫描范围,为太赫兹多波束天线的加工提供了低成本、低损耗、高精度方案。

3.3 片上集成天线

太赫兹无线通信的路径衰减较大,单一作用的太赫兹天线增益受限,难以满足通信需求。片上天线尺寸相较于太赫兹波段波长拥有充足的挖掘潜力,与太赫兹系统前端电路之间不需要严格遵循 50 Ω匹配原则,天线与电路之间可以通过共轭匹配的方式进行连接,减少匹配网络的设计大幅缩减电磁泄露与信号传输损耗,提升收发系统的集成度与稳定性,缩减芯片面积,降低系统的设计成本[84]。随着异质异构集成、3D堆叠等封装技术的不断改进,太赫兹片上天线集成难度也逐步降低。然而,片上天线自身存在辐射效率低、工作带宽窄等困境,可通过人工磁导体、片上谐振结构等加以改善。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)有助于抑制表面波传播,降低衬底损耗,在太赫兹片上天线应用较多。如图10所示,硅基工艺设计的SIW腔中,下层金属表面可以将天线结构和硅衬底分隔开,因此可以隔离损耗的硅衬底对天线性能产生影响,提高片上天线的增益和辐射效率[85-87]。

图10 基于CMOS 65 nm工艺的片上集成圆极化 SIW天线设计Fig.10 Design of on chip integrated circularly polarized SIW antenna fabricated in CMOS 65 nm

人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)属于“超材料”,其由周期排列的单元构成,具有特殊的电磁学特性,在低剖面天线设计中被广泛应用。基于AMC技术设计片上天线主要有两种设计方案,如图11和图12所示[88-89],相对于片外地板设计,片上地板看似可以利用底层金属地板屏蔽衬底的影响,但在实际设计中却很难实现,因为AMC周期表面层与金属地板的间距过小,反射波的零相位点通常不易出现[90],设计时需谨慎考虑。

(a) 片外地板

(b) 片上地板

(a) 片外地板 (b) 片上地板

(c) AMC单元

缝隙天线具有结构简单、低剖面特性以及小型化等优点,往往采用同轴线或者波导馈电,使能量向外部空间辐射,因此天线的辐射效率较高。如图13所示,由于是在金属表面直接开槽,没有凸起部分,具有良好的平面特性,因此该类天线还有易集成的优点[91-92]。

图13 开槽天线示意图Fig.13 Schematic diagram of slotted antenna

4 太赫兹固态通信系统

太赫兹通信系统受限于大气衰减强、顿路径传输损耗高,系统研制大多集中于140、220、300 GHz窗口附近;又因其高频宽带工作特性,收发链路中各组件性能需进行大量优化,从而实现复杂度低、单一信号波束性能更高的通信系统。近年来国内外太赫兹固态通信系统研究现状如表5所示。

表5 国内外固态通信系统研究对比

国内外已有多家高校或企业完成太赫兹原型机验证。以国内电子科技大学为代表的单位,将动态人工微结构与射频芯片电路相结合,在 0.14、0.22、0.34 THz 均实现了调制速率大于 30 Gbit/s 的高速太赫兹直接调制器件;国际上美国和日本也取得了进展,使得太赫兹直接调制技术不断向实用化发展[103]。2020 年 10 月,电子科技大学实现 220 GHz通信距离大于1 000 m,传输速率大于 20 Gbit/s的无线通信原型机验证[104]。如图14所示,2021年三星研究院、三星美国研究院和加州大学圣巴巴拉分校在140 GHz频段15 m距离内实现了6.2 Gbit/s 的实时吞吐量[105]。2022年华为技术有限公司基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺,先后在混频器、倍频器、低噪放等太赫兹关键器件上取得技术进展。如图15所示,在室外完成500 m链路通信距离内、240 Gbit/s高速数据传输,并支持两用户80 Gbit/s数据传输,完成室外远距离太赫兹高速数据通信系统验证[106-107]。同年,实现了共波形、共硬件的通感一体化太赫兹原型机,感知成像精度可达毫米级[108]。

图14 三星-加州大学圣巴巴拉分校140 GHz太赫兹通信系统Fig.14 Samsung-UCSB 140 GHz terahertz communication system

(b) 太赫兹室外MIMO通信样机,实现3 500 m内80 Gbit/s通信速率

5 结束语

自2005年香山科学会议倡议太赫兹研究以来,经过多家高校、研究机构及工业界十余年的发展与技术积累,我国在太赫兹通信系统关键器件、太赫兹通信系统原型验证等取得了多方面进展。然而,太赫兹通信系统发展面临的挑战依旧存在。

太赫兹波段通信系统传输路径损耗严重,面临的诸如空间分子吸收、宽带引发的多径衰落、高频与慢速运动等引发的动态不平衡等挑战还需进一步开展太赫兹信道多域特征刻画,结合太赫兹功率放大器件优化通信频谱效率,均衡线性输出特性。由于太赫兹通信系统多为宽带工作,多载波调制方式将会诱发输出信号波束分散,降低系统输出增益。可重构超表面大规模天线阵列方式可有效缓解这一问题,弥补路径损耗和增益波动。

此外,太赫兹固态器件多采用单片集成、波导封装等方式,集成程度还可进一步加强。SiGe工艺的兼具CMOS集成度高、Ⅲ-Ⅴ族材料的高频性能表现,是高集成度太赫兹通信系统的优选方案之一。Ⅲ-Ⅴ族材料由于其直接带隙的特性,在高太赫兹频段拥有更大的性能潜力。伴随着异质异构集成技术的不断演进,Ⅲ-Ⅴ族/硅基/可变材料等可突破单一工艺限制,实现紧凑且高度集成的SoC系统,使得硬件平台具有可迁移性,兼顾通信、雷达、成像、通感一体等多种功能。

总之,太赫兹通固态通信系统虽然在核心器件、关键技术、系统研制等方面取得了可观的成果,但距离面向下一代商业应用还存在很大的差距。还需从移动性、实时性、通信距离、工作环境等方面进一步优化太赫兹通信技术路线,降低生产成本,提升工作效率,加强系统复用性,推动国产太赫兹通信技术商业化发展。