電子科技大學電子科學與工程學院極高頻複雜系統重點學科實驗室對太赫茲多電路內建固态前端展開研究，相關成果以“220GHz多電路內建固态前端及高速通信系統應用”（220GHz Multi Circuit Integrated Front End Based on Solid State Circuits for High Speed Communication System）為題，發表在Chinese Journal of Electronics 2022年第3期。
文章簡介
利用太赫茲技術進行高速通信是該技術現階段最吸引人的應用之一。無線通信正面臨有限頻譜資源和迅速增長的高速業務需求的沖突，而太赫茲波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置，具有豐富的頻譜資源。目前，已有在研的太赫茲固态電子學通信系統仍面臨着體積較大，電路排布繁瑣，難以內建化小型化等諸多技術難題，這主要是由于太赫茲固态電路普遍采用波導結構傳輸電磁波，存在着結構靈活性較差，彎曲、扭轉結構加工複雜等缺點。為了克服這些技術難題，滿足未來太赫茲高速通信系統的應用需求，多電路內建化、小型化甚至晶片化已成為現階段太赫茲固态電路新的發展趨勢。
為了實作小型化固态前端，本文主要研究了太赫茲多電路內建固态前端。太赫茲固态射頻前端的核心電路為分諧波混頻器和本振驅動倍頻器，然而，若隻內建這兩個電路，一旦電路出現工作性能下降或故障，無法判斷是哪部分電路出現問題。故又內建了分支波導定向耦合器，将倍頻器功率的較少部分耦合出來，作為監測端口，可對倍頻器的性能進行監測。同時，為了解決太赫茲高速通信過程中射頻前端上變頻産生的雙邊帶幹擾問題，本文研究的多電路內建前端還內建了波導帶通濾波器，可對其中一個邊帶進行有效抑制，實作無幹擾的單邊帶通信。
由于220GHz多電路內建前端腔體内同時內建了220GHz分諧波混頻器、110GHz三倍頻器、110GHz分支波導定向耦合器、220GHz波導帶通濾波器多個電路，是以，合理的電路內建架構十分重要。
為了合理利用腔體内部空間，降低電路整體尺寸的同時防止電路之間出現幹擾，本文研究了一種電路內建架構，如圖1所示。由于電路腔體通常為六面長方體，如何減少端口數量非常重要。對于本振倍頻器，為了減少輸出端口，同時減小整體電路體積，其直流偏置端不進行外置，在直流濾波器的末端内接比對負載。對于分支波導定向耦合器，也可以在隔離端接吸波材料進行比對。這樣，整體內建電路的輸入輸出端口可以簡化為四個，在同一水準面内，就可以利用E面剖分結構對整體電路腔體進行有效加工。
圖1 220GHz多電路內建前端架構
多電路內建前端腔體采用數控精密機械加工技術進行加工，進而可對多電路內建前端變頻損耗性能進行測試，測試結果如圖2所示。射頻頻率在210~220GHz範圍内時，混頻器變頻損耗低于11dB。
圖2 220GHz多電路內建前端測試結果
該多電路內建前端可直接作為太赫茲固态接收機前端，同時具備單邊帶接收的優勢，可有效抑制鏡像頻率。該電路體積僅為30mm×25mm×20mm，重量僅為90克，與基于級聯方式的傳統電路相比，如圖3所示，體積減小了90%，重量降低了80%。
圖3 傳統級聯電路與多電路內建前端對比圖
基于此前端，建立了太赫茲高速通信系統，通過星座圖和EVM值名額測試完成了系統誤碼性能的研究，驗證了太赫茲通信系統傳輸速率10Gbps，取得了良好的實驗結果。
作者簡介
牛中乾，電子科技大學師資博士後。2019~2020年新加坡國立大學國家公派聯合培養博士，主要研究領域為全固态太赫茲關鍵技術與系統。主持國家自然科學基金、中國博士後基金等多項國家級項目。
張波，博士後，教授/博導，國家優秀青年基金獲得者，IEEE進階會員，太赫茲技術教育部重點實驗室副主任，主要研究領域為全固态太赫茲關鍵技術與系統。主持國家自然科學基金、國家863、重點研發計劃等多項國家級項目。
文章資訊
220 GHz Multi Circuit Integrated Front End Based on Solid-State Circuits for High Speed Communication System
NIU Zhongqian, ZHANG Bo, DAI Bingli, ZHANG Jicong, SHEN Fang, HU Yi, FAN Yong, ZHANG Yihan
Chinese Journal of Electronics, vol.31. no.3, pp.569-580.
DOI: 10.1049/cje.2021.00.295