电子科技大学电子科学与工程学院极高频复杂系统重点学科实验室对太赫兹多电路集成固态前端展开研究，相关成果以“220GHz多电路集成固态前端及高速通信系统应用”（220GHz Multi Circuit Integrated Front End Based on Solid State Circuits for High Speed Communication System）为题，发表在Chinese Journal of Electronics 2022年第3期。
文章简介
利用太赫兹技术进行高速通信是该技术现阶段最吸引人的应用之一。无线通信正面临有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾，而太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，具有丰富的频谱资源。目前，已有在研的太赫兹固态电子学通信系统仍面临着体积较大，电路排布繁琐，难以集成化小型化等诸多技术难题，这主要是由于太赫兹固态电路普遍采用波导结构传输电磁波，存在着结构灵活性较差，弯曲、扭转结构加工复杂等缺点。为了克服这些技术难题，满足未来太赫兹高速通信系统的应用需求，多电路集成化、小型化甚至芯片化已成为现阶段太赫兹固态电路新的发展趋势。
为了实现小型化固态前端，本文主要研究了太赫兹多电路集成固态前端。太赫兹固态射频前端的核心电路为分谐波混频器和本振驱动倍频器，然而，若只集成这两个电路，一旦电路出现工作性能下降或故障，无法判断是哪部分电路出现问题。故又集成了分支波导定向耦合器，将倍频器功率的较少部分耦合出来，作为监测端口，可对倍频器的性能进行监测。同时，为了解决太赫兹高速通信过程中射频前端上变频产生的双边带干扰问题，本文研究的多电路集成前端还集成了波导带通滤波器，可对其中一个边带进行有效抑制，实现无干扰的单边带通信。
由于220GHz多电路集成前端腔体内同时集成了220GHz分谐波混频器、110GHz三倍频器、110GHz分支波导定向耦合器、220GHz波导带通滤波器多个电路，因此，合理的电路集成架构十分重要。
为了合理利用腔体内部空间，降低电路整体尺寸的同时防止电路之间出现干扰，本文研究了一种电路集成架构，如图1所示。由于电路腔体通常为六面长方体，如何减少端口数量非常重要。对于本振倍频器，为了减少输出端口，同时减小整体电路体积，其直流偏置端不进行外置，在直流滤波器的末端内接匹配负载。对于分支波导定向耦合器，也可以在隔离端接吸波材料进行匹配。这样，整体集成电路的输入输出端口可以简化为四个，在同一水平面内，就可以利用E面剖分结构对整体电路腔体进行有效加工。
图1 220GHz多电路集成前端架构
多电路集成前端腔体采用数控精密机械加工技术进行加工，进而可对多电路集成前端变频损耗性能进行测试，测试结果如图2所示。射频频率在210~220GHz范围内时，混频器变频损耗低于11dB。
图2 220GHz多电路集成前端测试结果
该多电路集成前端可直接作为太赫兹固态接收机前端，同时具备单边带接收的优势，可有效抑制镜像频率。该电路体积仅为30mm×25mm×20mm，重量仅为90克，与基于级联方式的传统电路相比，如图3所示，体积减小了90%，重量降低了80%。
图3 传统级联电路与多电路集成前端对比图
基于此前端，建立了太赫兹高速通信系统，通过星座图和EVM值指标测试完成了系统误码性能的研究，验证了太赫兹通信系统传输速率10Gbps，取得了良好的实验结果。
作者简介
牛中乾，电子科技大学师资博士后。2019~2020年新加坡国立大学国家公派联合培养博士，主要研究领域为全固态太赫兹关键技术与系统。主持国家自然科学基金、中国博士后基金等多项国家级项目。
张波，博士后，教授/博导，国家优秀青年基金获得者，IEEE高级会员，太赫兹技术教育部重点实验室副主任，主要研究领域为全固态太赫兹关键技术与系统。主持国家自然科学基金、国家863、重点研发计划等多项国家级项目。
文章信息
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