深入研究對構(gòu)成太赫茲無線系統(tǒng)的2種關(guān)鍵電路

在關(guān)鍵電路研究取得突破的基礎(chǔ)上，開展了太赫茲無線通信技術(shù)研究，構(gòu)建了220 GHz 無線通信實驗驗證系統(tǒng)。220 GHz 實驗驗證系統(tǒng)在室外200 m 的通信距離上，實現(xiàn)了碼速率為3.52 Gbit/s 的高速無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸誤碼率為1.92×10-6。測試結(jié)果展現(xiàn)出太赫茲波用于高速無線通信的巨大潛力，為未來開發(fā)太赫茲頻率資源作為新的無線通信頻段奠定了重要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

太赫茲波是指頻率在100 GHz 以10 THz 之間的電磁波。這一段電磁頻譜處于傳統(tǒng)電子學(xué)和光子學(xué)研究頻段之間的特殊位置，過去對其研究以及開發(fā)利用都相對較少。隨著無線通信的高速發(fā)展，現(xiàn)有的頻譜資源已變得日益匱乏，開發(fā)無線通信的新頻段已逐漸成為解決此矛盾的一種共識，而在太赫茲頻段存在大量未被開發(fā)的頻譜資源，使得太赫茲頻率適于作為未來無線通信的新頻段。在眾多技術(shù)途徑中，采用固態(tài)電子學(xué)的技術(shù)途徑實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)，未來存在將系統(tǒng)進行片上集成的可能，這對太赫茲無線通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没哂兄匾饬x。

根據(jù)Edholm 的帶寬定律[1]，無線短距通信的帶寬需求每18 個月翻一番。未來無線通信的發(fā)展對帶寬、容量、傳輸速率的需求可以說幾乎是沒有止境的，頻譜資源是每個國家無形的戰(zhàn)略資源，目前這個資源供求矛盾已十分突出，而且需求越來越急迫，這也就使人們將對新頻率資源開發(fā)的目光轉(zhuǎn)移到從前較少關(guān)注的太赫茲頻段。

使用太赫茲頻率進行無線通信最為顯著的優(yōu)勢就是太赫茲頻段大量存在的絕對帶寬資源。在地面上，太赫茲無線通信就非常適合用于短距高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合，例如：移動通信基站數(shù)據(jù)回傳、人員高度密集場所的高速無線接入、偏遠地區(qū)用戶的“ 最后一千米”連接等[2-4]。在太空中，由于太赫茲波在近似真空環(huán)境中的衰減較小，因此使用太赫茲波進行大容量數(shù)據(jù)傳輸是衛(wèi)星間組網(wǎng)進行星間通信的一種理想選擇[5-6]。

太赫茲通信除了具有上述大帶寬的固有優(yōu)勢之外，還具有以下一些優(yōu)勢[7-12]：

首先，太赫茲波比毫米波波長更短，衍射更小，因而方向性更強，同時太赫茲頻段容易實現(xiàn)超高帶寬擴頻通信，這對保密通信具有重要意義。

其次，在雨霧、霧霾、戰(zhàn)場等惡劣環(huán)境條件下，相比光波，太赫茲波的衰減更小，因而在特定的通信距離、自然條件要求下，太赫茲波相較光波更易實現(xiàn)可靠的通信傳輸。

綜上所述，太赫茲無線通信作為一個新興的研究領(lǐng)域，不僅具有極高的學(xué)術(shù)價值，而且具有未來實際應(yīng)用的廣闊前景，這就是本文的選題意義和立題基礎(chǔ)所在。之前較少利用太赫茲波來進行無線通信的最主要原因是：缺乏實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)所需的關(guān)鍵電路[13-14]。因此，我們將對作為太赫茲無線通信技術(shù)重要組成的幾項固態(tài)太赫茲關(guān)鍵技術(shù)開展深入研究，從核心電子器件建模、關(guān)鍵電路實現(xiàn)到系統(tǒng)集成應(yīng)用研究全覆蓋，為太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了積極貢獻。

1、太赫茲分諧波混頻技術(shù)

在固態(tài)放大器還比較缺乏的太赫茲頻段，混頻器的性能很大程度上決定了系統(tǒng)的整體性能。采用分諧波混頻的方式，本振頻率只需對應(yīng)基波混頻的一半，這就很大程度地減小了本振源的實現(xiàn)難度。本章圍繞分諧波混頻技術(shù)展開，從器件物理機理入手，對混頻二極管建模開展了深入的理論研究。在此基礎(chǔ)上，完成了一個220 GHz 二次分諧波混頻器的電路優(yōu)化，并同時開展了該分諧波混頻器的電路性能（變頻損耗）實驗研究，實驗結(jié)果與仿真預(yù)測吻合較好，驗證了二極管建模以及電路優(yōu)化方法的有效性[15]。

1.1 肖特基二極管三維建模分析

二極管是混頻器的核心器件，它的性能好壞直接關(guān)系到變頻損耗的高低和混頻器的工作帶寬。在太赫茲頻段波長很小，二極管的封裝尺寸會對其性能造成很大的影響，應(yīng)盡量選取級聯(lián)電阻、結(jié)電容都比較小的二極管，但隨著頻率的升高，要同時降低級聯(lián)電阻、結(jié)電容，在半導(dǎo)體工藝上的實現(xiàn)有較大難度。目前在太赫茲頻段的分諧波混頻器的這種反向并聯(lián)二極管對的封裝形式已成為主流。先進的半導(dǎo)體制造工藝將兩個肖特基結(jié)集成在一個封裝內(nèi)，并構(gòu)成反向并聯(lián)的形式，最大程度地保證了兩管的對稱性，減小了封裝寄生參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1、肖特基二極管三維模型

1.2 分諧波混頻器建模分析

本節(jié)中，我們在對混頻器二極管模型進行深入研究的基礎(chǔ)上，首先分析了二極管的工作狀態(tài)，明確了取得最優(yōu)工作狀態(tài)時二極管所需的阻抗條件和其自身的阻抗，然后根據(jù)這些阻抗優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)，在匹配網(wǎng)絡(luò)確定之后，便可進行非線性電路仿真，最終完成電路的優(yōu)化。通過該方法，基于Ansoft 公司的仿真軟件高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HFSS）與安捷倫（Agilent）公司的仿真軟件先進設(shè)計系統(tǒng)（ADS），我們對220 GHz 分諧波混頻器展開了仿真研究，獲得了低變頻損耗的分諧波混頻器，為后續(xù)通信系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了良好基礎(chǔ)。

圖2 所示為220 GHz 分諧波混頻器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，整個電路集成在石英基片上，這樣降低了工藝難度。電路的主傳輸線采用懸置微帶線。無源電路由射頻探針過渡、本振中頻雙工（包括本振探針過渡、本振（LO）濾波和中頻（IF）濾波器）2 部分組成。射頻（RF）和LO 信號分別從標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口WR4 和WR8 波導(dǎo)端口饋入，經(jīng)探針過渡到懸置微帶后加載到反向并聯(lián)二極管對，由于LO 頻率低于RF 端口WR4 波導(dǎo)的截止頻率，所以LO 信號不會從RF 端口處泄漏，而RF 信號由于LO 濾波器（通LO 頻率、阻RF 頻率）的存在而不會從LO端口泄漏，從而實現(xiàn)這2 個端口之間的隔離；混頻產(chǎn)生的IF 信號通過IF濾波器（通IF 頻率、阻LO 頻率）輸出。在RF 探針過渡、LO 濾波器及LO探針過渡間的傳輸線采用懸置微帶線，接地端和IF 濾波器輸出端采用微帶線。

圖2、220 GHz 分諧波混頻器電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 分諧波混頻器的測試

采用增益法求解混頻器的等效噪聲溫度和變頻損耗，可降低測試系統(tǒng)搭建的復(fù)雜度，簡化測試過程，并且易于實現(xiàn)測試自動化。本節(jié)采用了基于Y 因子法測試并通過增益法求解220 GHz 分諧波混頻器的等效噪聲溫度和變頻損耗。

圖3 中2 條實線給出了220 GHz分諧波混頻器的雙邊帶等效噪聲溫度和變頻損耗實驗結(jié)果。中頻頻率固定為2 GHz，在188～244 GHz 頻帶內(nèi)，雙邊帶等效噪聲溫度則需要小于1 500 K，雙邊帶變頻損耗則會小于10 dB，最小雙邊帶等效噪聲溫度為680 K。圖中每個點的性能都是在最佳本振功率激勵下獲得的，所有點的最佳本振功率在2~3.5 mW 范圍內(nèi)。表1 為本文所研究的分諧波混頻器的結(jié)果與其他同類產(chǎn)品的指標(biāo)對比。

圖3、220 GHz 分諧波混頻器雙邊帶等效噪聲溫度和變頻損耗實驗結(jié)果

表1、本文實驗結(jié)果與其他同類產(chǎn)品的指標(biāo)對比

2、太赫茲二倍頻技術(shù)

二倍頻是產(chǎn)生太赫茲頻率信號的一種重要技術(shù)途徑，二倍頻器作為組成固態(tài)太赫茲系統(tǒng)中本振源的關(guān)鍵電路之一有著廣泛的應(yīng)用需求。本章中我們從作為二倍頻器非線性器件的變?nèi)荻O管工作機理入手，通過深入的理論研究，基于理論推導(dǎo)討論了變?nèi)荻O管參數(shù)對二倍頻器電路性能的影響，并且給出了設(shè)計變?nèi)荻O管時需考慮的主要參數(shù)。針對190 GHz 二倍頻器的電路性能需求，我們定量分析了變?nèi)荻O管參數(shù)對各電路性能的影響，設(shè)計出二倍頻器的變?nèi)荻O管。實驗結(jié)果與仿真預(yù)測較為一致，驗證了變?nèi)荻O管建模、器件設(shè)計等的有效性[16]。

2.1 變?nèi)荻O管三維建模分析

二極管的功率容量是目前制約二倍頻器發(fā)展的主要限制因素，要增加二極管的功率容量，一種常用的方法是在二極管芯片上集成更多的管芯來分?jǐn)傒斎牍β?，這在平面二極管工藝出現(xiàn)以后得到了廣泛的應(yīng)用。但是管芯數(shù)量的增加必然導(dǎo)致二極管芯片尺寸的增大，隨著二倍頻器工作頻率進入太赫茲頻段，電路幾何尺寸也在相應(yīng)地不斷減小，芯片尺寸的增大往往會給電路的電磁特性帶來負(fù)面影響，所以管芯的數(shù)量受到了基片電路和腔體幾何尺寸的限制。本文中我們所建立變?nèi)荻O管模型如圖4 所示。

圖4、190 GHz 二倍頻器的變?nèi)荻O管芯片三維電磁模型

2.2 二倍頻器建模分析

190 GHz 二倍頻器基于平衡二倍頻原理，采用矩形波導(dǎo)的主模作為基波輸入信號的傳播模式，二次諧波以懸置微帶的準(zhǔn)橫電磁波模式傳播。這樣，在不需要額外濾波器的情況下實現(xiàn)輸入和輸出信號的隔離。具體的電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示，電路基片為50 μm 厚的氮化鋁（AlN），輸入信號從WR10 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)饋入，經(jīng)一段減高波導(dǎo)和介質(zhì)加載波導(dǎo)后，產(chǎn)生的二次諧波信號以準(zhǔn)橫電磁波模式沿懸置微帶傳播，并經(jīng)探針過渡從WR5 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口輸出。輸入波導(dǎo)的減高是為了提高輸入匹配的性能。主模的輸入信號仍可以在經(jīng)過二極管之后朝輸出探針方向傳播，所以引入了一段屏蔽腔減寬的懸置微帶，這段懸置微帶的屏蔽腔可看作為WR10 波導(dǎo)的減寬，這樣就能使輸入的主模截止，形成一個對輸入信號的短路終端。二極管上產(chǎn)生的準(zhǔn)橫電磁模（TEM）二次諧波不會從輸入波導(dǎo)泄漏，因為矩形波導(dǎo)并不支持這樣的場型模式傳播。二極管的直流偏置通過一個低通濾波器饋入，該濾波器防止輸出信號從偏置端口泄漏。輸出端的兩段減高是為了提高輸出匹配性能。由于目前工藝的限制，在AlN 基片上還無法像在石英和砷化鎵（GaAs）上那樣實現(xiàn)梁式引線，所以在二極管兩端的電路基片焊盤上是通過金帶鍵合至腔體上，以此形成接地，使得6個二極管芯構(gòu)成平衡二倍頻所需的連接。

圖5 、190 GHz 二倍頻器電路結(jié)構(gòu)

2.3 二倍頻器的測試

如圖6 中所示，實驗結(jié)果表明：190 GHz 二倍頻器的輸出頻帶為190～198 GHz，最大可承受350 mW的輸入功率；當(dāng)輸入功率為200 mW時，在193 GHz 處獲得最大倍頻效率8%，輸出功率達到16 mW；在該頻點處當(dāng)輸入功率為350 mW 時，輸出功率為24.12 mW，倍頻效率為6.89% 。表2 展示了本文所研究的二倍頻器的結(jié)果與其他同類產(chǎn)品的指標(biāo)對比。實驗結(jié)果與仿真預(yù)測較為一致，驗證了變?nèi)荻O管建模、器件設(shè)計和電路優(yōu)化方法的有效性。同時，我們提出了一套從變?nèi)荻O管設(shè)計到電路優(yōu)化的系統(tǒng)研究方法，這對實現(xiàn)太赫茲頻段的固態(tài)源有著重要的意義。

圖6、190 GHz 二倍頻器倍頻效率測試曲線

表2、190 GHz 二倍頻器性能對比

3、220 GHz高速無線通信系統(tǒng)

太赫茲頻段分諧波混頻技術(shù)和二倍頻技術(shù)，是構(gòu)成無線系統(tǒng)的2 項關(guān)鍵技術(shù)。本節(jié)中，我們將2 項關(guān)鍵技術(shù)用于220 GHz 高速無線通信實驗驗證系統(tǒng)。我們在太赫茲頻段的一個大氣窗口頻率--220 GHz 處，基于低噪聲分諧波混頻器構(gòu)建了一個無線通信實驗驗證系統(tǒng)，并在室外200 m 的距離上實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸，測試了無線傳輸?shù)恼`碼性能，并成功地進行了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實時傳輸。表3展示了本文所研究的220 GHz通信實驗驗證系統(tǒng)傳輸鏈路的相關(guān)參數(shù)。

表3、220 GHz 實驗驗證系統(tǒng)200 m傳輸鏈路相關(guān)參數(shù)

基于高性能關(guān)鍵電路的實現(xiàn)，我們完成了120 GHz 原理驗證系統(tǒng)和220 GHz 實驗驗證系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。120 GHz 的原理驗證系統(tǒng)基于120 GHz 分諧波混頻器構(gòu)建，在實驗室中實現(xiàn)了碼速率高達12.5 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸。220 GHz 實驗驗證系統(tǒng)是基于上文220 GHz 低噪聲分諧波混頻器構(gòu)建的，在室外200 m 的通信距離上，我們通過誤差矢量幅度（EVM）指標(biāo)測試研究了系統(tǒng)的誤碼性能，并實時傳輸了碼速率為3.52 Gbit/s 的裸眼3D 高清視頻信號，取得了良好的實驗結(jié)果。該220 GHz 實驗驗證系統(tǒng)已具備了面向?qū)嵱玫狞c對點高速無線通信系統(tǒng)的基本雛形，為未來開發(fā)太赫茲頻率資源作為新的無線通信頻段奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸實驗場景如圖7 所示。

圖7、實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸實驗場景

圖8 所示為發(fā)射機和接收機在相距200 m 的距離上進行無線傳輸時，在不同碼速率下的星座圖及對應(yīng)的EVM 測試結(jié)果。星座圖平面上4 個點的聚焦程度隨著碼速率的增加而稍有惡化，這也和EVM 隨著碼速率的增加而增加的趨勢一致。

圖8、200 m 無線傳輸星座圖及EVM 測試結(jié)果

4、結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，研究永無止境，特別是在太赫茲科學(xué)技術(shù)這一前沿?zé)衢T領(lǐng)域。隨著智能移動終端、云端大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能服務(wù)等不斷滲入人類生活的方方面面，對無線通信帶寬的需求會越來越來迫切，而太赫茲波正好能提供一個頻率資源的富礦，未來太赫茲系統(tǒng)實現(xiàn)芯片集成化已成為必然發(fā)展趨勢。這也就說明單片集成電路工藝將成為未來系統(tǒng)關(guān)鍵電路實現(xiàn)的主流工藝方式，也就要求對半導(dǎo)體材料、器件工藝、器件模型、電路仿真方法等方面的研究不斷深入下去。