面向通信系統(tǒng)的太赫茲調(diào)制技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)狀

劉松卓，于偉華，鄧長(zhǎng)江，李 堯，呂 昕

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京100081)

0 引言

近年來(lái)，在地面移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)與航天技術(shù)的推動(dòng)下，全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)步入井噴式發(fā)展階段[1]。目前，高速率、大容量信息交換已成為推動(dòng)衛(wèi)星通信向網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，衛(wèi)星高速通信已成為衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。美國(guó)埃隆·馬斯克提出的spaceX項(xiàng)目預(yù)期通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的全球無(wú)線連接，運(yùn)用低地球軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)較低的傳輸時(shí)延與較廣的覆蓋范圍[3]，使人們更加注意到了星間及星地通信的廣闊前景。但是，由于傳統(tǒng)的微波通信相對(duì)帶寬較窄，無(wú)法保證數(shù)十Gbit/s量級(jí)的信號(hào)傳輸，難以達(dá)到要求[4-5]。隨著人們對(duì)電磁頻譜資源的深入探索，可利用的工作帶寬逐漸提升。太赫茲頻段的工作頻率為0.1 ～10 THz，覆蓋超大帶寬的可用頻譜資源，使其不僅在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢查、反恐探測(cè)以及生物醫(yī)學(xué)等方向[6]擁有廣泛的研究前景，其在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用也備受關(guān)注。

目前，太赫茲通信技術(shù)研究方興未艾，還沒(méi)有成熟的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案[7-8]。太赫茲通信中所需的主要技術(shù)包括：太赫茲產(chǎn)生和功率放大技術(shù)、太赫茲調(diào)制技術(shù)、太赫茲傳輸技術(shù)、太赫茲高速通信數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)、太赫茲集成微系統(tǒng)技術(shù)等[9]，其中太赫茲調(diào)制技術(shù)負(fù)責(zé)將低頻通信信號(hào)調(diào)制到太赫茲頻段。基于電子學(xué)的太赫茲調(diào)制器根據(jù)調(diào)制思路不同，可以分為混頻調(diào)制與載波直接調(diào)制兩種[9]。其中混頻調(diào)制的原理是頻率變換，使用非線性或時(shí)變?cè)玫絻蓚€(gè)輸入信號(hào)本身或者其諧波的和/差頻?；诨祛l方法太赫茲調(diào)制器可以分為基于二極管的無(wú)源混頻調(diào)制器[10]以及基于晶體管的有源混頻調(diào)制器。太赫茲二極管工藝技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，二極管基電路最高工作頻率可以達(dá)到3 THz，覆蓋整個(gè)太赫茲頻段[11]。晶體管太赫茲有源電路，SiC襯底GaN HEMT器件功率輸出優(yōu)勢(shì)明顯，目前工作頻率可到220 GHz；SOI CMOS的最大頻率已經(jīng)達(dá)到450 GHz；InP HEMT和InP HBT是實(shí)現(xiàn)太赫茲低噪聲和功率放大最具性能優(yōu)勢(shì)的器件，2016年就存在使用InP HEMT工藝實(shí)現(xiàn)的1 THz頻段電路的相關(guān)報(bào)導(dǎo)[12]。瑞典、德國(guó)、日本等國(guó)家均實(shí)現(xiàn)了基于晶體管芯片(TMIC)混頻調(diào)制的太赫茲通信驗(yàn)證系統(tǒng)[13-15]。基于載波直接調(diào)制的太赫茲調(diào)制器直接對(duì)太赫茲波進(jìn)行操控，將調(diào)制信號(hào)直接加載到太赫茲波上來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲通信。其輸出功率與太赫茲源的輸入功率直接相關(guān)，受非線性器件的影響較小，因此可以通過(guò)單元陣列的方式實(shí)現(xiàn)較大功率輸出[4]。

本文基于不同實(shí)現(xiàn)方案對(duì)太赫茲調(diào)制器的發(fā)展歷程進(jìn)行了研究，將太赫茲調(diào)制器區(qū)分為基于混頻調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器以及基于載波直接調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器，其中基于混頻調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器又可以分為基于二極管實(shí)現(xiàn)的混頻器和基于晶體管實(shí)現(xiàn)的混頻器。然后，對(duì)不同方案下太赫茲調(diào)制器方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。最后，探討了面向通信系統(tǒng)的太赫茲調(diào)制器進(jìn)一步發(fā)展所需應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。

1 基于混頻方法的太赫茲調(diào)制技術(shù)

混頻是指將信號(hào)從一個(gè)頻率變換到另外一個(gè)頻率的過(guò)程,其實(shí)質(zhì)是頻譜線性搬移的過(guò)程[16]。具有混頻功能的電路被稱為混頻器。由于太赫茲上變頻混頻器線性度高，因此是太赫茲調(diào)制器的優(yōu)秀選擇。本節(jié)對(duì)電子學(xué)中常見(jiàn)的太赫茲固態(tài)混頻器調(diào)制方案，即無(wú)源調(diào)制及有源調(diào)制方案分別進(jìn)行概述。

1.1 基于二極管的太赫茲無(wú)源混頻調(diào)制技術(shù)

早期太赫茲調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生一般采用太赫茲混頻器作為調(diào)制器件。使用無(wú)源混頻調(diào)制技術(shù)的太赫茲混頻器一般使用石英基底，本振信號(hào)與射頻信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)-懸置微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)輸送到肖特基二極管上實(shí)現(xiàn)頻譜的搬移[17]。太赫茲二極管混頻器的產(chǎn)生可以追溯到20世紀(jì)末，E. R. Carlson等人在1978年發(fā)明了最早的基于肖特基二極管的混頻器，該混頻器使用懸置微帶線結(jié)構(gòu)，可以工作在117 GHz的毫米波頻段上[18]。隨著制造工藝的發(fā)展，研究者們開(kāi)始使用如減薄襯底、二極管與外圍電路單片集成實(shí)現(xiàn)等多種方法提升系統(tǒng)集成度[19-22]。近年來(lái)，我國(guó)制造的二極管混頻器也有較多報(bào)導(dǎo)[23-25]。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前二極管混頻器已經(jīng)能夠工作在較高頻段。如圖1所示，2017 年文獻(xiàn)[26]發(fā)布的太赫茲次諧波混頻器已經(jīng)可以工作在3～5 THz頻段上。

圖1 3～5 THz太赫茲混頻器顯微照片F(xiàn)ig.1 Micrograph of 3～5 THz mixer

此外，二極管混頻器需要通過(guò)模塊封裝才能與系統(tǒng)其他組件進(jìn)行互聯(lián)，而模塊封裝產(chǎn)生的損耗較大，因此有研究人員采用將混頻器與系統(tǒng)中的天線、濾波器等其他組件相結(jié)合的方法以提升系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[27]將偶極子天線集成到薄膜電路中，從系統(tǒng)角度降低了傳輸損耗；文獻(xiàn)[28]使用波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的微帶濾波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡頻信號(hào)的抑制。表1總結(jié)了部分基于二極管的太赫茲混頻調(diào)制器研究成果。

表1 基于二極管的太赫茲混頻調(diào)制器相關(guān)工作總結(jié)Tab.1 Overview of terahertz modulator based on Diode

綜上所述，二極管無(wú)源混頻器工藝成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻率高。很多研究機(jī)構(gòu)都采用太赫茲二極管混頻器對(duì)太赫茲通信系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖2所示，2008年德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究所的300 GHz頻段太赫茲通信實(shí)驗(yàn)在10 m作用距離內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的穩(wěn)定傳輸[29-30]。2012年中國(guó)工程物理研究院實(shí)現(xiàn)的0.34 THz傳輸系統(tǒng)于最遠(yuǎn)50 m作用距離下實(shí)現(xiàn)了3 Gbit/s的無(wú)線傳輸速率[31]。2016年電子科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次全固態(tài)太赫茲通信實(shí)驗(yàn)，在200 m實(shí)驗(yàn)距離處實(shí)現(xiàn)了3.52 Gbit/s的傳輸速率[32]。

圖2 太赫茲通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Photo of THz communication system

基于二極管的太赫茲混頻器基帶帶寬高，但太赫茲頻段的變頻損耗大，器件輸出功率低，信號(hào)輸出功率一般在微瓦級(jí)。

1.2 基于晶體管的太赫茲有源混頻調(diào)制技術(shù)

基于晶體管的太赫茲單片集成電路(Terahertz Monolithic Integrated Circuits，TMIC)技術(shù)能夠?qū)⒒祛l器與發(fā)射鏈路靈活地集成到單個(gè)芯片上，降低由封裝產(chǎn)生的損耗，具有體積小、易集成、功耗低的特點(diǎn)[4],因此是太赫茲調(diào)制器的一個(gè)重要發(fā)展方向。

如圖3所示，基于晶體管的混頻調(diào)制器結(jié)構(gòu)與無(wú)源混頻調(diào)制器結(jié)構(gòu)類(lèi)似，基于晶體管的太赫茲有源混頻調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜搬移功能[33-36]?；诰w管的調(diào)制器變頻損耗相對(duì)于基于二極管的混頻調(diào)制器差別并不明顯。表2總結(jié)了部分基于晶體管的太赫茲混頻調(diào)制器研究成果。

圖3 太赫茲晶體管混頻器顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of THz transistor mixer

表2 基于晶體管的太赫茲混頻調(diào)制器相關(guān)工作總結(jié)Tab.2 Overview of THz modulator based on transistor

太赫茲頻率高、傳輸衰減大，如采用分立器件實(shí)現(xiàn)方式，互聯(lián)及封裝對(duì)帶寬和損耗影響顯著[32]。因此，對(duì)工作于太赫茲通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)組件，芯片化、高集成化是一個(gè)關(guān)注要點(diǎn)[11]。早期基于晶體管的太赫茲調(diào)制發(fā)射芯片將有源混頻器與本振倍頻鏈路、發(fā)射天線等進(jìn)行簡(jiǎn)單集成，直接搭建簡(jiǎn)單的太赫茲通信系統(tǒng)，從而避免對(duì)各個(gè)模塊獨(dú)立封裝產(chǎn)生的額外損耗[12,14,37]。表3總結(jié)了部分與發(fā)射機(jī)集成的有源混頻調(diào)制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)研究成果。

表3 發(fā)射機(jī)集成的有源太赫茲調(diào)制器相關(guān)工作總結(jié)Tab.3 Overview of highly integrated aactive THz modulator

研究人員通過(guò)對(duì)片上系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)對(duì)太赫茲通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]到高階調(diào)制系統(tǒng)產(chǎn)生的基帶信號(hào)多為差分信號(hào)，文獻(xiàn)[38]將本振放大器、本振功率分配巴倫、差分太赫茲諧波混頻器以及射頻功率合成巴倫集成在單個(gè)芯片上，保證基帶差分信號(hào)利用率。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[39]設(shè)計(jì)的太赫茲調(diào)制器使用差分饋入的環(huán)形天線，避免了引入射頻功率合成巴倫帶來(lái)的損耗。為實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率,文獻(xiàn)[40]使用雙極化的差分環(huán)形天線實(shí)現(xiàn)了相同空間鏈路下的極化復(fù)用，芯片照片如圖4所示。其中每個(gè)極化通道可以獨(dú)立傳輸一路信號(hào)，極大地提升了系統(tǒng)傳輸速率。

圖4 太赫茲混頻調(diào)制發(fā)射集成芯片照片F(xiàn)ig.4 Photo of THz Transistor integrated chip

此外，基于混頻調(diào)制系統(tǒng)的原理，日本研究人員采用末級(jí)倍頻結(jié)構(gòu)(frequency-multiplier-last architecture)實(shí)現(xiàn)了較低成本的太赫茲調(diào)制器。該系統(tǒng)由正交基帶載波混頻器、中頻混頻器、基于倍頻器的自混頻器以及帶通濾波器組成[15]。末級(jí)倍頻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)調(diào)制的流程如圖5所示[41]。該芯片通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)以及中頻鏡頻相互混頻的方法，降低了中頻濾波對(duì)系統(tǒng)輸出功率的損耗，通過(guò)十分新穎的方式實(shí)現(xiàn)了由基帶信號(hào)到射頻信號(hào)的頻譜搬移，同時(shí)只需要較低的本振信號(hào)就能產(chǎn)生太赫茲已調(diào)信號(hào)。但是，由于倍頻器功率的限制，最終輸出功率相對(duì)較低，設(shè)計(jì)思路過(guò)于復(fù)雜，多次混頻方案對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度提出了較高要求。

圖5 末級(jí)倍頻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of frequency-multiplier-last architecture

2 基于載波直接調(diào)制方法的太赫茲調(diào)制技術(shù)進(jìn)展

基于載波直接調(diào)制方法太赫茲調(diào)制器易于集成、體積小、靈活性大；但目前其工作帶寬較窄，在實(shí)現(xiàn)高調(diào)制速率方面還有很大挑戰(zhàn)[4]。太赫茲頻段常用的直接調(diào)制方式包括調(diào)控法[43]、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)法以及集成電路法[44]等。其中，調(diào)控法實(shí)現(xiàn)的太赫茲調(diào)制器損耗低、自由度高，但較窄的基帶帶寬導(dǎo)致了其傳輸速率有限。MEMS調(diào)制法容易受到外部環(huán)境影響產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形[45]，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高階調(diào)制。集成電路法具有調(diào)制階數(shù)高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，但由于現(xiàn)有的調(diào)幅電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的幅度控制，輸出信號(hào)的波形較差，傳輸速率受限[46]。表4總結(jié)了部分基于載波直接調(diào)制法實(shí)現(xiàn)的太赫茲混頻調(diào)制器研究成果。

表4 基于載波直接調(diào)制方法的太赫茲調(diào)制器相關(guān)工作總結(jié)Tab.4 Overview of THz modulator based on direct carrier modulation

調(diào)控法主要依靠溫、光、電等手段，將太赫茲電路與半導(dǎo)體材料、相變材料、摻雜異質(zhì)結(jié)、石墨烯等[47]可變材料結(jié)合起來(lái)改變反射陣列的反射率或者透射陣列的透射率[49]，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度或者相位的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[48]通過(guò)電流控制石墨烯改變太赫茲波的布魯斯特角實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幅度與相位調(diào)制；文獻(xiàn)[49]使用動(dòng)態(tài)微結(jié)構(gòu)改變鰭線傳輸能力實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)幅度的調(diào)控，制成的調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)空域4 Gbit/s的傳輸速率。

MEMS調(diào)制法主要依靠改變電路的機(jī)械結(jié)構(gòu), 通過(guò)控制信號(hào)改變器件物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而改變其電學(xué)參數(shù)完成開(kāi)關(guān)或移向。文獻(xiàn)[50]采用分布式MEMS傳輸線開(kāi)關(guān)電容器實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的相位調(diào)制。

集成電路法基于TMIC技術(shù)通過(guò)晶體管電路控制載波電路實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[51]通過(guò)改變片上VCO的工作頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)的頻譜變化；文獻(xiàn)[46]通過(guò)對(duì)天線陣單元的開(kāi)關(guān)控制影響太赫茲信號(hào)的輸出功率實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制。

從應(yīng)用角度來(lái)看，基于載波直接調(diào)制技術(shù)的通信系統(tǒng)極具特色。2011年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的625 GHz太赫茲通信系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件(lab distance)下實(shí)現(xiàn)了1mW的射頻輸出功率及2.5 Gbit/s的傳輸速率[53]；2017年，密歇根大學(xué)使用220 GHz發(fā)射芯片實(shí)現(xiàn)的太赫茲通信系統(tǒng)在217 GHz頻段上單方向上最大輸出功率可達(dá)到4.6 dBm，每個(gè)通道可以實(shí)現(xiàn)12.2 Gbit/s的傳輸速率[46]。

可以看出，直接載頻調(diào)制器盡管目前存在帶寬較窄、調(diào)制速率低、無(wú)法實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐?wèn)題，但與太赫茲芯片設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，基于載波直接調(diào)制技術(shù)的通信系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間。

3 存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)相比，太赫茲調(diào)制器技術(shù)存在輸出功率低、目標(biāo)調(diào)制速率大、技術(shù)難度高等問(wèn)題，且不同的實(shí)現(xiàn)方案應(yīng)用在通信系統(tǒng)中仍需面對(duì)各種問(wèn)題。

3.1 輸出功率不足

太赫茲調(diào)制技術(shù)無(wú)法廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)是調(diào)制信號(hào)的功率有限。對(duì)通信系統(tǒng)而言，調(diào)制器的輸出功率對(duì)系統(tǒng)傳輸距離與信噪比等關(guān)鍵指標(biāo)息息相關(guān)。目前，采用基于二極管無(wú)源混頻調(diào)制技術(shù)的太赫茲通信系統(tǒng)輸出功率僅有微瓦級(jí)，需要較高增益天線才能實(shí)現(xiàn)空口信息傳輸；采用結(jié)合放大器的有源調(diào)制技術(shù)的通信系統(tǒng)輸出功率可以達(dá)到毫瓦量級(jí)，僅通過(guò)低增益的片上天線就能進(jìn)行短距離通信實(shí)驗(yàn)；基于載波直接調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)輸出功率也可以達(dá)到毫瓦量級(jí)。因此，想要實(shí)現(xiàn)較高功率輸出的太赫茲通信系統(tǒng)，需要考慮結(jié)合放大器工藝以及提高載波直接調(diào)制功率。

3.2 調(diào)制速率與預(yù)期存在差距

由于太赫茲頻段絕對(duì)帶寬較大，根據(jù)香農(nóng)公式能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率也相對(duì)較大。但現(xiàn)有的太赫茲調(diào)制技術(shù)存在帶寬較受限以及調(diào)制深度不足等問(wèn)題。對(duì)基于混頻方法的太赫茲調(diào)制技術(shù)而言，主要問(wèn)題在于現(xiàn)有的基帶系統(tǒng)難以支持高帶寬大數(shù)據(jù)率的信號(hào)產(chǎn)生，采用任意信號(hào)發(fā)生器作為替代后估算得到的太赫茲通信數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)能夠達(dá)到百吉比特?cái)?shù)據(jù)量；對(duì)采用載波直接調(diào)制方法的太赫茲調(diào)制技術(shù)而言，由于主要使用類(lèi)開(kāi)關(guān)的方法對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，難以保證復(fù)雜基帶信號(hào)的線性度，實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制的難度較大，采用極化復(fù)用模式后最大傳輸速率也僅為數(shù)十吉比特。

4 結(jié)論

太赫茲調(diào)制技術(shù)能夠把基帶信號(hào)攜帶的信息傳輸?shù)教掌澬盘?hào)上，其實(shí)現(xiàn)器件太赫茲調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)的重要組成部分。本文旨在對(duì)基于電子學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的太赫茲調(diào)制技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行研究，對(duì)基于電子學(xué)的多種太赫茲調(diào)制器進(jìn)行了概述，并討論了基于不同方案下的太赫茲調(diào)制方案的優(yōu)劣。最后，本文對(duì)現(xiàn)階段太赫茲調(diào)制系統(tǒng)存在的問(wèn)題以及未來(lái)存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討。