太赫茲技術(shù)發(fā)展綜述（下）

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所

周智偉

（接上期）

四 DARPA在太赫茲 領(lǐng)域的研究

太赫茲技術(shù)在發(fā)展早期就獲得了美軍關(guān)注，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在21 世紀(jì)初就開(kāi)展了有關(guān)太赫茲的研究項(xiàng)目。美國(guó)陸軍、空軍、海軍也都資助了太赫茲技術(shù)研究。

（一）DARPA 的太赫茲研究項(xiàng)目

自1999 年起，DARPA 就陸續(xù)安排了“太赫茲成像焦平面陣列技術(shù)”（TIFT，2003 年），亞毫米波焦平面成像技術(shù)（SWIFT，2004 年），高頻集成真空電子學(xué)（HiFIVE，2007 年），太赫茲電子學(xué)（THz Electronics，2008 年），“具有壓倒性能力的真空電子高功率放大器”（HAVOC，2016 年）等研究計(jì)劃，以此發(fā)展太赫茲基礎(chǔ)器件。

此外，DARPA 還在2012 年推出視頻合成孔徑雷達(dá)（ViSAR）計(jì)劃，2014 年推出成像雷達(dá)先進(jìn)掃描技術(shù)（ASTIR）計(jì)劃，發(fā)展太赫茲雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)。

在2017 年6 月DARPA 微系統(tǒng)技術(shù)辦公室啟動(dòng)的“電子復(fù)興計(jì)劃”中，面向大學(xué)的“聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)計(jì)劃”設(shè)立了6 個(gè)研究中心，其中一中心為太赫茲與感知融合技術(shù)研究中心，主要研究射頻到太赫茲通信、分布式計(jì)算、認(rèn)知計(jì)算、先進(jìn)集成電路架構(gòu)等技術(shù)。

（二）DARPA 在太赫茲領(lǐng)域的研究趨勢(shì)

通過(guò)梳理2000—2020 財(cái)年DARPA 的研發(fā)預(yù)算可以看出，目前DARPA 在太赫茲領(lǐng)域的研究已經(jīng)處于基本完成基礎(chǔ)原理、基礎(chǔ)器件探索，開(kāi)始向應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展階段。

從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，DARPA 早期開(kāi)展的太赫茲應(yīng)用技術(shù)研究主要是為了摸清應(yīng)用所需要的基礎(chǔ)技術(shù)，而自2004 財(cái)年開(kāi)展的太赫茲電子學(xué)研究，曾歷經(jīng)兩度改名，一直持續(xù)到2015 財(cái)年，主要進(jìn)行太赫茲源、探測(cè)器、成像原理等基礎(chǔ)技術(shù)的探索。

從研究成果來(lái)看，多個(gè)面向太赫茲器件的項(xiàng)目（SWIF、HiFIVE 等）基本完成了基礎(chǔ)器件的研究，獲得了較好的成果，目前，DARPA 在太赫茲器件領(lǐng)域的研究聚焦于大功率真空放大器。當(dāng)前DARPA 在太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的研究還主要聚焦于概念驗(yàn)證、性能指標(biāo)分析的階段。

整體上，DARPA 在太赫茲領(lǐng)域處于基本完成基礎(chǔ)技術(shù)探索研究，開(kāi)始再一次進(jìn)入應(yīng)用研究階段，如ASTIR 項(xiàng)目，見(jiàn)表1。

表1 DARPA在太赫茲領(lǐng)域的研究情況

（續(xù)表1）

五 當(dāng)前研究重點(diǎn)

（一）高性能太赫茲源、探測(cè)器和相關(guān)器件

從世界范圍內(nèi)的太赫茲領(lǐng)域研究成果來(lái)看，目前高性能太赫茲源、探測(cè)器和相關(guān)器件依然是重要研究方向，也是阻礙太赫茲技術(shù)廣泛應(yīng)用的最重要因素。目前，等離子體、石墨烯等新興技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始用于太赫茲領(lǐng)域，對(duì)提升器件性能有較大幫助。

（二）太赫茲通信標(biāo)準(zhǔn)與演示系統(tǒng)

隨著5G 通信技術(shù)的快速發(fā)展，目前世界各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始制定毫米波頻段（50～60GHz）的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通信規(guī)則等，下一步很可能將頻率進(jìn)一步提升到太赫茲頻段。日本宣稱將在2020 年 東京奧運(yùn)會(huì)時(shí)實(shí)現(xiàn)100Gbit 太赫茲高速通信；歐盟已將太赫茲通信列為了6G 通信研究計(jì)劃；國(guó)際電信聯(lián)盟在WRC-19 大會(huì)上設(shè)置議題1.15，研究0.275THz 頻譜 需 求， 建 立0.275～0.450THz頻段范圍內(nèi)的傳播模型，開(kāi)展業(yè)務(wù)間電磁兼容分析，確定候選頻段等。2019 年，世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC-19）最終批準(zhǔn)了275～296GHz、306～313GHz、318～333GHz 和356～450GHz 頻段共137GHz 帶寬資源，可無(wú)限制條件地用于固定和陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。這是國(guó)際電聯(lián)首次明確275GHz 以上太赫茲頻段地面有源無(wú)線電業(yè)務(wù)應(yīng)用可用頻譜資源，并將有源業(yè)務(wù)的可用頻譜資源上限提升到450GHz。

（三）太赫茲器件集成與制造技術(shù)

現(xiàn)有太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)采用的各種器件體積龐大，是阻礙太赫茲應(yīng)用發(fā)展的重要因素，因此太赫茲器件集成與制造技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。高度集成化的太赫茲系統(tǒng)可降低系統(tǒng)體積、質(zhì)量、功耗，提高系統(tǒng)適用范圍。而低成本、與傳統(tǒng)CMOS 工藝兼容的制造技術(shù)，將使太赫茲器件的成本降低，進(jìn)一步促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。