太赫兹波技术论文(2)
太赫兹波技术论文篇二
电子学太赫兹技术研究概述
【摘要】 太赫兹技术是交叉前沿技术，本文首先介绍了太赫兹及电子学太赫兹技术基本概念，然后介绍了国内外电子学太赫兹器件的现状和应用情况，重点介绍了电子学太赫兹技术在通信及雷达方面的应用现状。最后给出了电子学太赫兹应用研究的具体内容及发展方向。
【关键词】 电子学 太赫兹 器件 应用
太赫兹(Terahertz，THz)波是电磁波谱中频率位于微波和红外辐射之间，频率在0.1-10THz(1THz=1012Hz)的电磁辐射，通常也被称作亚毫米波、远红外等。从频率的角度看，属于远红外波段;从能量的角度来看，是电子学和光学的交叉领域[1-4]。
THz光源与传统相比具有很多独特的性质：宽带性;方向性;穿透性;光谱分辨性;低能性等。正是由于THz波的众多优良特性，使THz技术具有重要的学术价值和广阔的应用前景，给多个应用领域带来了深远的影响，世界发达国家争相将THz技术列为战略性科技方向。
一、电子学THz技术
电子学THz技术的关键技术有五个：THz产生和放大技术、THz接收检测技术、THz传输技术、宽带高速信号处理技术、THz集成微系统技术[5]。目前，基于电子学方法的THz源的产生大部分都是采用对微波段的源进行倍频放大的方式获得;对THz波的探测通常采用成本较低的零偏检波器直接检波，或者采用具有很高动态范围和灵敏度的外差式(次)谐波混频器接收;THz的传输技术主要包括各种频段的波导管和增益喇叭的研究;宽带高速信号处理技术包括信号处理算法的研究和基于DSP、FPGA等芯片的处理方案实现;THz集成微系统技术指的是面向各种应用的THz系统。其中，THz器件的发展是THz技术的关键，是制约THz技术发展的主要因素。
二、电子学THz器件研究现状
THz器件中研发难度最大的是THz频段用二极管，其是制作THz倍频器和混频器的核心器件。肖特基二极管多采用平面结构，也有使用台面结构，目前制作肖特基二极管的半导体材料主要有Si、GaAS、GaN和InP。
在CMOS工艺中，以GaAs材料的应用最为广泛和成熟，目前应用于THz频段的GaAs二极管主要有触须接触式肖特基二极管和平面肖特基二极管，其已经被证明是常温下THz频段最好的混频器件;InP和GaN是两种新开发的应用材料，InP材料是目前所用的具有最高电子迁移率的III-V化合物材料，理论上可以实现更好的频率和噪声特性;GaN材料具有很高的击穿电压，更适合作为大功率器件的衬底，但是电子迁移率较低[6-7]。
国外的Millitech、RPG、OML、VDI等公司均可提供相关THz频段的二极管、倍频器、混频器、放大器、隔离器、天线等THz器件。Millitech、RPG、OML、VDI都可以提供500GHz以下频段的THz源和探测器，对于500GHz以上的频段，VDI公司表现突出，可提供高达2T频率倍频器和高达1.7T频段的混频器，在众多商家中，其THz源的输出功率更大，可以为用户提供成套解决方案，但价格较其它几个商家要高。
国内有多家科研单位从事相关研究。其中，中国科学院微电子学研究所，实现了悬臂梁结构的肖特基二极管，截止频率达到了3.4THz，在0.3THz具有很好的倍频性能并形成了产品[8]。中国工程物理研究院设计的电子学THz器件已经应用到多个频段的THz通信和成像实验系统中;电子科技大学主要专注于THz倍频器和混频器的研究[9-10]，同时其在波导、波导滤波器、微带天线等方面也进行了相关研究;中国电子科技集团公司第41研究所瞄准THz测试仪器[11]，相关产品的性能指标超过了OML公司，接近VDI公司，并且形成了产品。
三、电子学THz应用研究现状
THz频段包含了0.1-10THz的频段，而电子学方式目前只能产生低频段的源，不同频率段的THz波其特点有所差异，适用的领域也有所区别。
3.1 THz通信研究现状
THz无线通信是在传统的无线电通信的基础上，从微波、毫米波频段向THz频段的发展，同时结合了激光大气通信部分思想，可以解决目前微波和毫米波低端频谱紧张和速率难以大幅提高，以及激光通信难以应用于沙尘、烟雾等恶劣环境等问题。
在国外THz无线通信技术方面，日本走在前列。在2004-2006年，日本NTT实现了基于光学UTC-PD源+固态肖特基二极管检波接收的0.12THz的无线通信，采用ASK体制，传输距离300m，传输速率达到10Gbps，成为国际THz通信的标志性成果。在2012年将0.3THz无线通信系统的传输速率提高到了24Gbps。德国Fraunhofer(IAF)于2011年完成了基于全电子InP mHEMT的0.22THz通信，并实现了了两种体制：在OOK体制上实现了0.5m距离的25Gbps无线通信;在QAM体制上实现了2m距离的14Mbps无线通信。
在国内，中国工程物理研究所、中科院微系统所、电子科技大学、湖南大学等科研单位先后展开了THz通信的相关研究。中科院微系统所于2008年进行了4.1THz通信实验，传输距离为几米。中国工程物理研究院在2010年完成国内第一个0.14THz/16QAM 10Gbps高速无线通信传输系统试验样机和国内首次的0.5km无线传输实验;电子科技大学与湖南大学联合研制了国内首部基于光电结合的0.1THz全固态高速无线通信系统，速率可达11Gbps。
3.2 THz雷达和THz雷达成像研究现状
在目前已经研制出的THz雷达和THz雷达成像系统[13-14]中，大都采用的是FMCW体制，利用主反射面实现波束聚焦，平面镜的转动和摆动实现方位向二维波束扫描;也有采用水平方向多发多收线阵列+孔径合成，竖直方向通过平面镜旋转实现波束扫描。 目前研制出的THz雷达成像样机几乎均为近距离测量，并且大部分是在室内使用，特别是在安检、微小物体成像等领域具有广阔应用前景。
在国外，多家科研单位已经取得了突破性的成果。美国JPL实验室于 2008～2011年期间在662GHZ-691GHZ频段上采用FMCW体制实现了25m处的三维成像，距离向分辨率7mm，方向向分辨率1cm，40cm*40cm视场范围成像时间1s(66*48像素);英国ThruVision于2009年实现了多通道外差接收列阵的无源焦面阵成像产品T5000，成像距离>20m，帧速>10Hz，可实现车载成像;德国法兰克福大学于2011年在220GHZ～320GHZ频段上采用FMCW体制，用8个发射模块和16个接收模块组成了一个线阵列，实现了8m处的快速成像(成像时间0.5s)。
在国内，中国工程物理研究院进行了0.14T/0.67T/2.5THz的ISAR雷达成像研究，并在2011年研制出了0.14THz的ISAR雷达成像试验样机，二维成像分辨率达到3cm;中科院电子所在300GHz频段上，采用扇形波束扫描+合成孔径成像实现了1.5m处的二维和三维成像，成像分辨率达到8mm，60cm*180cm视场成像时间小于5s;电子科技大学、首都师范大学、北京理工大学均研制了雷达成像样机。
四、总结
电子学THz器件和THz应用已经得到了各国的重视并得到了一定程度的发展。THz通信、THz雷达、THz成像作为电子学THz技术的主要应用领域，已经得到了迅速的发展。但是目前整体上是处于实验研究阶段，只有很少产品得到了初步应用。
THz技术的发展最终需要实际应用来检验。随着需求的发展，THz通信将会朝着远距离、高速率、高稳定性、小体积方向发展;THZ雷达系统将向着高分辨率、远距离、小体积、低功耗的方向发展;THz雷达成像系统除了满足一般雷达的性能外，还需要实时性强，线阵或者面阵的成像系统是必然的发展途径。而制约THz技术的关键因素还是THz器件的发展，特别是THz源和THz探测器的发展。随着THz频段相关器件材料的进一步深入研究，器件加工工艺的提升，THz相关功能器件成本的下降，才会带来THz技术的大范围的应用。
参 考 文 献
[1] 许景周，张希成. 太赫兹科学技术和应用[M]. 北京：北京大学出版社，2007：1-246.
[2] 张存林. 太赫兹感测与成像[M]. 北京：国防工业出版社，2008：1-231.
[3] 蔡禾，郭雪娇，和挺，潘锐，熊伟，沈京玲. 太赫兹技术及其应用研究进展[J]. 中国光学与应用光学. 2010，3(3)：209-222.
[4] 张健. 太赫兹通信和雷达成像技术[C]. 第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会，北京，2012.9
[5] Chong Jin，Pavlidis，D.，Considine，L. A novel GaN-based high frequency varactor diode. IEEE，EuMIC，2010，118-121.
[6] 陈宁波，张波，樊勇，宋开军. 440GHz高效三倍频器研究[C]. 第一届全国太赫兹技术学术会议，成都，2012.8.
[7] 卢秋全，张勇，刘伟. 220GHz三倍频器的设计[C]. 第一届全国太赫兹技术学术会议，成都，2012.8.
[8] 姜万顺. THz测试仪器技术最新进展[C]. 第一届全国太赫兹技术学术会议，成都，2012.8.
[9] 胡伟东. 220GHz频率步进脉冲成像技术研究[C]. 太赫兹科学仪器及前沿技术专题研讨会，北京，2012.8.
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