毫米波与太赫兹技术（四）

4.2、太赫兹天线

随着对太赫兹技术研究的深入，太赫兹天线也逐渐成为研究热点。太赫兹频段相比微波毫米波频段有着更高的工作频率，对应的波长也短很多。由于天线尺寸与波长的相关性，太赫兹天线具有尺寸小的天然优势，但也对加工制作带来了挑战。类似于低频段通信的天线需求，太赫兹天线也分全向天线、定向天线以及多波束天线阵等。

常见太赫兹天线包括：

a) 太赫兹喇叭天线具有定向波束特性，天线增益高，得到了广泛的研究和应用。由于在太赫兹频段，天线尺寸非常小，对加工精度要求极高，目前英国卢瑟福实验室制作的圆锥喇叭天线已可工作到2.5 THz。
b) 太赫兹反射面天线具有高增益、低旁瓣、窄波束等优点，也是一种太赫兹技术中经常采用的天线形式，包括单反射面天线和双反射面天线，一般广泛应用于射电天文望远镜.
c) 太赫兹透镜天线采用介质透镜，具有高增益、低副瓣等特性。由于集成度较高且可形成透镜阵列，它对太赫兹成像技术的发展起到了重要的推动作用。
d) 太赫兹平面天线结构简单，容易与其他电路集成，且加工较容易、成本较低，是一种受到欢迎的结构形式。
e) 光电导天线作为产生宽带太赫兹波的一个主要方法，在太赫兹领域得到了广泛的研究。它的作用是有效地产生大功率、高能量、高效率的太赫兹波，其发展趋势是继续提高产生太赫兹波的功率和效率。另外，一些新型材料在太赫兹天线的设计中也受到了关注，如碳纳米管双极子天线和片上太赫兹3D 天线等。

4.3 太赫兹混频器

在超外差太赫兹系统中，混频器是一个核心器件，其功能是将太赫兹信号向下搬移到微波毫米波频段，从而实现对信号的采集、分析及处理，对太赫兹通信、太赫兹成像、大气监测等领域具有重要影响。目前可以在太赫兹频段容易实现的混频管有超导体{ 绝缘体{ 超导体(SIS) 混频管、热电子测辐射热计混频管以及肖特基二极管。前两者对工作环境的温度要求较高，需要低温环境，而肖特基二极管却没有这个限制。超导隧道结混频器由具有近似理想开关特性的超导隧道结构成。因此它可以提供较高的变频效率和一定的变频增益，同时它仅需要较小的本振功率，因此噪声较低。常用的Nb 隧道结在700 GHz 以下具有较好的性能，如果配合高能隙超导材料NbN 以及NbTiN 等，可以将工作频率拓展到12 THz。目前超导隧道结混频器的研究逐步由单元设计向多像元发展，特别是大规模多像元集成化接收机设计。近年来，国内外研究人员对太赫兹混频器开展了大量的研究工作。

4.4 太赫兹倍频器

与太赫兹混频器类似，太赫兹倍频器也是太赫兹系统的一个核心器件。通过倍频器，不仅可以由低频率的微波毫米波信号产生高频率的太赫兹信号，也能在一定程度上提高太赫兹信号的频率稳定度和信号质量。主要原理是利用非线性器件，产生两倍或者多倍的输出信号，从而实现信号频率倍增的功能，是目前获取高频率太赫兹信号源的一个重要手段。由于在太赫兹频段，半导体器件的寄生参数对电路性能的影响较大，所以需要对其进行仔细的分析与建模，进而完成倍频器的设计。

5、太赫兹应用

太赫兹技术的发展激发了很多有意义的应用，带来了多个领域新的发展，列举几个典型领域的应用。

在太赫兹射电天文应用方面，由于宇宙背景辐射在太赫兹频谱中存在丰富的信息，这使得太赫兹射电天文成为天文观测的重要手段。通过使用太赫兹波对宇宙背景辐射进行研究，可以理解更多关于我们生活的太阳系以及宇宙的进化过程。例如，通过研究星际分子云的太赫兹频段频谱特性，可探究宇宙的起源；分析原子和分子散射出来的频谱信息，可研究宇宙中的新生星系的形成等。

在太赫兹无损检测方面，太赫兹辐射的光子能量低，对穿透物不会造成损伤，并且可以穿过大多数介电物质。太赫兹波这一特点对于检测非导电材料中的隐藏缺陷或者特殊标记具有很大的发展空间，一般称为无损检测，比如检测油画、航天器和半导体器件等。

在太赫兹生命科学应用方面，由于太赫兹辐射波对人体基本无害，同时水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收率，因此它可广泛应用于对人体局部成像和疾病的医疗诊断上，比如对于皮肤癌和乳腺癌等的检测。太赫兹波段包含了大量的光谱信息，对不同的分子，尤其是有机大分子会呈现出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于测定分子特性，在生命科学领域有着广泛的应用前景，比如测定DNA 的束缚状态、生物组织的特征和蛋白质复合物等。

在太赫兹安全应用方面，太赫兹波具有穿透性，能够实现对隐蔽物体的有效检测，可应用于国家安全相关的领域，比如对于隐蔽的爆炸物、隐藏的枪支、邮寄的非法药品的检测和用于机场的快速安检等。上海微系统所孙晓玮团队研制了0.36 THz 的成像系统，电子科技大学樊勇团队研制了0.34 THz 的SAR 成像系统。

在太赫兹高速通信方面，相对于现有微波毫米波通信频段的频谱，太赫兹频段具有海量的频谱资源，可用于超宽带超高速无线通信，比如100 Gbps 甚至更高。

毫米波与太赫兹领域未来研究方向展望

毫米波领域

1、大功率毫米波固态源。针对5G 通信、空天地一体化通信、高分辨率雷达等应用需求，发展GaAs和GaN 工艺，提升毫米波固态放大器的输出功率，探索高效率功率合成原理和实现方法。
2、高功率毫米波电真空器件。毫米波行波管(TWT)、回旋管(Gyrotron)、速调管(Klystron)、返波管(BWO) 等高功率放大器的设计与实现，重点是提高其可靠性和寿命。
3、毫米波III/V 族单片集成电路。研究GaAs、InP 等III/V 族毫米波单片集成电路，改善输出功率和噪声性能指标，提高电路集成度，以满足我国毫米波技术的应用需求。
4、毫米波硅基集成电路.。硅基(如CMOS、SiGe 等) 毫米波集成电路在功率和噪声等性能上比III/V族单片集成电路要差一些，但高集成度、低成本等特性将使得CMOS 或SiGe 集成电路在未来毫米波应用领域发挥越来越重要的作用。针对5G 无线通信、阵列成像和汽车防撞雷达等应用，研究高集成度、多通道毫米波硅基系统芯片的架构和实现方法。
5、毫米波测量仪器研制。目前，我国毫米波测试仪器领域基本上被Keysight 和R&S 等国外公司垄断，而测试仪表又是发展各种电路与系统的基础。因此，要加强毫米波测量仪器特别是高端毫米波测量仪器的研究与开发。
6、毫米波应用系统。探索毫米波应用系统的新原理、新架构、新的实现方法，及其在雷达、制导、通信、成像和汽车自动驾驶等领域的创新应用。

太赫兹领域

1、大功率太赫兹源。高功率源对于太赫兹远距离成像、探测物质内部的高穿透波谱研究、太赫兹通信等至关重要。但到目前为止，低成本、小体积的高功率太赫兹源还没有很好的解决方案，需要持续研究，以期获得突破性进展。此外，还应发展太赫兹行波管、回旋管、速调管和返波管等高功率放大器。
2、太赫兹信号检测。在太赫兹信号检测方面，近些年得到了长足的进步，许多技术的性能指标已经接近于其理论的极限，但仍然很难满足日益增长的需求。因此，迫切需要探索新的检测原理，发现新的器件，并且在此基础上推进大规模太赫兹检测阵列的研究。
3、太赫兹固态器件与集成电路。发展III/V 族半导体工艺，开展元器件模型和电路设计方法的研究，实现太赫兹器件与单片集成电路；发展硅基集成电路工艺，开展相应元器件模型和电路设计方法的研究，实现太赫兹器件与片上系统。
4、太赫兹新材料与无源元件。发展新的高精度加工工艺和新型太赫兹材料，探索新的太赫兹无源元件工作机理，研究新型低成本、低损耗、高集成度的太赫兹无源元件。超高速太赫兹通信。对于未来数据传输速率需要100 Gbps 甚至更高的场合，研究超高速太赫兹通信技术，包括频谱规划、信道模型、系统架构与标准等。
5、太赫兹测量技术与仪器。伴随着太赫兹波生成和检测技术的成熟，我国太赫兹仪器的研制也将拉开序幕。太赫兹网络分析仪，太赫兹光谱仪等等对我国太赫兹领域的研制能力有着重要的支撑作用。。
6、太赫兹交叉应用领域。目前太赫兹技术的主要研究领域在太赫兹成像，主要集中在生物成像应用。太赫兹波可用于对一些与其波长可比的细胞、DNA 等的检测。研究太赫兹波与各种物质之间的相互作用，以期发现新的物理特性、化学变化等，对生物医学的基础领域研究提供思路。开发新的太赫兹技术应用领域对太赫兹技术的整体发展有着重要的推动作用。

此外，将已有的毫米波、太赫兹系统应用推向产业化，设计出易加工、低成本、高性能的商用化太赫兹系统将对国家基础工业的发展带来革命性的变化。

总结

毫米波及太赫兹领域是一个发展迅速的交叉学科，有着极其重要的科研学术价值和工业应用前景。在毫米波及太赫兹技术方面的研究，经过近几十年的发展，取得了很多重要的成果，但是仍然在很多研究领域还不够成熟，亟待需要进一步地深入开发，并且有效的将这些频段的应用丰富起来，进而最终推动国民经济的发展。

来源：洪伟等。毫米波与太赫兹技术。中国科学：信息科学，2016，46：1086-1107,