太赫兹无线通信技术是未来6G 潜在关键技术之一， 引起了国内外广泛的关注。本文首先介绍了国内外相关研究计划和研究动向， 分析了太赫兹通信技术的特点和优势。其次阐述了太赫兹通信技术在未来6G 中的可能应用场景以及面临的挑战。最后提出了行动建议。

设计了一个工作于 D波段的微带转波导结构。过渡结构由 2部分组成，分别为微带-带状线过渡结构和带状线－波导过渡结构。相比传统的微带至波导结构，该结构无需额外的金属波导短路结构，减少了加工流程，直接和标准波导相连即可。仿真结果表明，在 122~140 GHz范围内，反射系数小于 -10 dB，最小插入损耗为1.85 dB。该过渡结构基于栅格阵列( LGA)封装工艺，能够直接与其他的芯片和无源器件进行集成和封装，对射频微系统的集成具有重要意义。

基于GaAs 0.1 μm pHEMT工艺，设计了一款工作在 0.1~0.14 THz的小型化定向耦合器芯片。采用加载开路枝节线的方式提高传输线的等效电长度，进而实现电路结构的小型化；利用曲折线的方式构成开路枝节线，使得耦合器的物理尺寸进一步缩小。采用电磁仿真软件仿真表明，所设计的小型化定向耦合芯片中心工作频率为 0.12 THz，相对带宽大于 30%，带内的回波损耗高于 20 dB，带内插入损耗小于 1 dB，耦合度为( 10±0.5) dB，带内隔离度大于 20 dB，直通端口与耦合端口相位差为 90°±3.5°，其尺寸为0.21 mm×0.19 mm(不计 Pad尺寸)。

作为低频段混频电路中的典型拓扑结构, 基尔伯特单元在毫米波、太赫兹领域的应用较少, 在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体单片微波集成电路 (MMIC)设计中, 超过 100 GHz的基尔伯特混频器很少有文献报导。基于 70 nm GaAs mHEMT工艺, 设计了一款 120 GHz的双平衡式基尔伯特混频器, 同时对该混频器版图结构进行优化改进, 提升了混频器中频差分输出端口间的平衡度。仿真结果显示该混频器在本振输入 0 dBm功率时, 在 100~135 GHz频率范围内有 (-7.6±1.5) dB的变频损耗, 射频输入 1 dB压缩点为 0 dBm@120 GHz, 中频输出带宽大于 10 GHz, 差分输出信号间的功率失配 <1 dB, 相位失配 <4°。该芯片直流功耗为 90 mW, 面积为 1.5 mm×1.5 mm。

介绍了一个基于平面肖特基二极管的220?GHz倍频器。该倍频器工作在室温下，结构简单。为了实现倍频，将一个具有4个反向串联肖特基结的变容二极管安置在石英基片上，直流偏置通过一个石英微带构成的低通滤波器加到二极管上。所有的石英电路基片都用导电胶粘接在波导腔体上，波导腔体是E面剖分的，表面镀金。220?GHz倍频器的测试结果表明，在选择合适的偏置电阻时，该倍频器具有15?mW的输出功率和5%的效率。在213~230?GHz频段，二倍频器的输出功率均在10?mW以上，且带内的功率波动非常小。

通过在 300 μm厚度的 GaAs衬底条件下, 利用共面波导传输线实现了基波混频集成电路设计。利用半导体分析仪测试 I-U和 C-U曲线, 并成功提取了相应的肖特基二极管模型。结合建立的肖特基二极管模型, 代入 Lange耦合器、中频结构和匹配网络等实现了 140 GHz零中频基波混频片上电路, 并加入了地-信号-地 (GSG)测试封装。最终仿真结果表明: 在固定中频 1 GHz的条件下, 变频损耗最优为 -7 dB, 3 dB带宽大于 40 GHz。

基于同轴波导径向合成器提出了一款可用于太赫兹频段的任意路数功率合成器。该功率合成器采用二阶阶梯变换结构, 实现电场方向从同轴轴向到径向的扩散传播, 并通过径向外围均匀分布的Y型功分结构实现任意路数功分。以D波段五路功率合成器为例, 采用背靠背测试, 在130 GHz到150 GHz频带内, 背靠背插入损耗优于2 dB, 带内回波损耗优于15 dB。由于是背靠背测试, 因此该功率合成器单边损耗约为0.72 dB, 折合合成效率为84.7%。

利用矩阵将数字信号处理算法采用并行化方式表示, 然后利用矩阵张量积的思想, 推导出以张量积表示的两级迭代并行滤波算法。在此基础上进一步分解得到多级迭代的并行滤波算法, 并且采用多相分解的方式进一步提高系统应用中的并行化率。利用上述算法对码率为5 Gbps的16QAM信号进行32路并行化处理的MATLAB乘加级仿真, 仿真结果与串行算法得到的数据等效, 最终得到与理想误码率对比的系统误码率, 仿真结果与理论误码率误差小于0.05 dB。

为了实现倍频器多谐波输出, 满足系统多频率需求, 同时减少成本, 增加系统集成度, 引入了改进紧凑型悬置微带谐振单元(Compact Suspended Microstrip Resonators (CSMRs))滤波器, 主要研究并实现了170 GHz和340 GHz双频段分别输出。仿真中分别设计170 GHz和340 GHz探针, 引入CSMRs低通滤波器增加170 GHz对高频段的隔离, 减小波导高度, 提高WR.2.8波导截止频率, 增加对300 GHz以下频段抑制, 为了测试其输出特性和网络损耗, 设计170~340 GHz背靠背模块。仿真结果为低通CSMRs滤波器满足在20~180 GHz通带内反射系数小于-18 dB, 在266~520 GHz阻带内抑制度大于20 dB, 背靠背结构仿真170 GHz与340 GHz频段反射系数均小于-15 dB, 端口隔离大于30 dB, 表现出良好的选频特性。测试结果表明: 在170 GHz端口通带为150~185 GHz, 反射系数小于-10 dB, 损耗大于1.2 dB; 在340 GHz端口, 通带为306~355 GHz, 反射系数小于-10 dB, 损耗2 dB, 两端口隔离度大于10 dB, 最好60 dB。

为了满足340 GHz高速OOK无线通信的需求, 完成了340 GHz零偏置波导检波器的设计、加工和测试。首先, 在高频电磁仿真软件HFSS中对准垂直结构二极管(QVD)进行建模仿真, 并结合二极管的非线性模型确定二极管的阻抗; 随后设计了输入波导-微带转换以及低通滤波器等无源结构, 并同时对二极管进行阻抗匹配; 最后进行了检波器的加工和测试。测试结果表明该检波器的电压灵敏度在334 GHz时最佳, 最大值为2 210 V/W , 并且在315 GHz~357 GHz频率范围内的典型值为1 400 V/W, 其对应的等效噪声功率典型值为5 pW· Hz-0.5。最后, 还利用该检波器进行了340 GHz频段的高速OOK信号接收实验, 结果表明, 该检波器能够近乎无误地检测10 Gbps的OOK信号, 并且在OOK信号速率为15 Gbps时, 检波器解调得到的误码率为3.15×10-7, 证明了该检波器的高速信号检测能力能够满足高速OOK无线通信系统的需求。