隨著5G的逐漸普及，下一代通信技術(shù)——6G的研發(fā)也在緊鑼密鼓的進(jìn)行中。無(wú)論是中國(guó)，美國(guó)，歐盟還是日韓，目前在通信領(lǐng)域領(lǐng)先的國(guó)家都在加大6G方面研發(fā)的投入。根據(jù)目前的研發(fā)目標(biāo)，6G預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)5G十倍以上的通信速率，并且預(yù)計(jì)在2026年左右推出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)應(yīng)用方面，6G預(yù)計(jì)將繼續(xù)5G的道路，將覆蓋個(gè)人通信的同時(shí)，繼續(xù)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)和智能工業(yè)應(yīng)用，包括超高速工廠內(nèi)無(wú)線接入等。

為了支持更大的通信速率，根據(jù)香農(nóng)定律，信道容量必須相應(yīng)增加，通常而言這意味著需要增加通信帶寬。為了增加通信帶寬，最直接的方法就是提升載波頻率，而這也是太赫茲在6G領(lǐng)域得到特別關(guān)注的原因。一般來(lái)說(shuō)，太赫茲（THz）是指載波頻率在300 GHz - 3 THz范圍內(nèi)的頻段，而sub-THz則是指100 GHz - 300 GHz左右的頻段。而在6G的相關(guān)語(yǔ)境中，一般太赫茲同時(shí)指THz頻段和sub-THz頻段。

目前，各個(gè)國(guó)家都在積極研發(fā)6G相關(guān)的太赫茲技術(shù)，并且在開(kāi)放相關(guān)頻段。中國(guó)早在2019年底就開(kāi)始了6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組，而華為也在今年早些時(shí)候公布了使用太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信距離達(dá)到500米的6G原型系統(tǒng)；美國(guó)在2019年也決定開(kāi)放95 GHz - 3 THz的6G實(shí)驗(yàn)頻譜；韓國(guó)政府在大力投入6G研發(fā)，三星和LG也都在積極開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)，LG在今年九月初宣布和德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所合作實(shí)現(xiàn)了通信距離在200米以上的太赫茲通信原型機(jī)，其輸出功率高達(dá)20 dBm。

綜上，我們認(rèn)為隨著6G技術(shù)的興起，為了滿足高通信速率的需求，載波頻率繼續(xù)提升到太赫茲頻段將成為6G的關(guān)鍵技術(shù)，而相關(guān)的半導(dǎo)體芯片和系統(tǒng)則將是支撐太赫茲和6G通信的核心。

半導(dǎo)體太赫茲通信芯片現(xiàn)狀和前瞻

如上所述，太赫茲通信芯片將成為6G的技術(shù)核心。太赫茲通信相關(guān)的芯片可以分為兩大類，一個(gè)是射頻芯片，而另一類是基帶芯片。

就射頻芯片而言，太赫茲首先需要能工作在高頻段（太赫茲頻段）而且?guī)捄艽蟮碾娐贰榱藵M足這個(gè)要求，目前用于長(zhǎng)距離通信的太赫茲射頻芯片主要還是使用III-V族半導(dǎo)體HEMT和HBT晶體管實(shí)現(xiàn)射頻相關(guān)的工作。III-V族半導(dǎo)體的工作頻率高，工作帶寬大，且輸出功率較大，能滿足太赫茲頻段通信的主要需求。介于目前太赫茲通信的第一步還是基站間通信，我們認(rèn)為太赫茲實(shí)現(xiàn)的射頻芯片將會(huì)成為未來(lái)幾年內(nèi)太赫茲長(zhǎng)距離通信芯片的首選半導(dǎo)體技術(shù)。

在III-V半導(dǎo)體之外，使用硅基材料的CMOS和SiGe的太赫茲通信技術(shù)也在蓬勃發(fā)展。相對(duì)于III-V族半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，CMOS和SiGe芯片具有集成度高，成本低的優(yōu)勢(shì)，因此獲得了學(xué)界和業(yè)界的一致關(guān)注。對(duì)于太赫茲來(lái)說(shuō)，CMOS和SiGe的主要挑戰(zhàn)在于晶體管截止頻率較低，工作帶寬也較低。截止頻率地意味著CMOS和SiGe芯片雖然能工作在太赫茲頻段，但是其輸出功率會(huì)較低，也就是說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信；帶寬低則意味著CMOS和SiGe芯片難以直接支持工作在大頻寬的太赫茲通信，而必須使用系統(tǒng)級(jí)的方法（例如將一個(gè)較大的頻段拆分成多個(gè)帶寬較小的子頻段）來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。目前，CMOS和SiGe芯片在太赫茲通信上的應(yīng)用還主要在于短距離通信（例如1米左右的范圍里）。展望未來(lái)，CMOS和SiGe對(duì)于太赫茲通信領(lǐng)域的研發(fā)還將主要在于電路級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)的改進(jìn)，目前來(lái)看半導(dǎo)體工藝的改善并不能提升CMOS/SiGe電路在太赫茲頻段的性能（例如CMOS對(duì)于太赫茲頻段來(lái)說(shuō)65nm是最好的工藝節(jié)點(diǎn)之一）。

除了射頻之外，太赫茲通信領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的芯片將是基帶芯片。在6G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未確定的時(shí)候，目前對(duì)于基帶的討論主要在于如何產(chǎn)生高速信號(hào)的調(diào)制（例如，如果6G需要在太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)超過(guò)100Gbps的傳輸，如何實(shí)現(xiàn)如此高速率的調(diào)制信號(hào)），以及對(duì)于射頻電路的相關(guān)控制，例如線性化技術(shù)。對(duì)于高速通信來(lái)說(shuō)，如何提高數(shù)字信號(hào)處理的速度，以及如何提升超高速ADC/DAC等數(shù)模轉(zhuǎn)換的性能將是主要課題。此外，太赫茲通信目前仍然在設(shè)法提高通信距離，或者說(shuō)目前如何提升射頻電路的有效輸出功率也是一個(gè)很重要的課題，因此相關(guān)的數(shù)字輔助技術(shù)，例如功放線性化技術(shù)等，也將在太赫茲領(lǐng)域起到非常重要的作用。

另外一種值得關(guān)注的射頻相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)是封裝技術(shù)。在電路領(lǐng)域，如何把III-V和CMOS使用先進(jìn)封裝技術(shù)集成起來(lái)也是一個(gè)能讓III-V和CMOS各取所長(zhǎng)的技術(shù)，但是在太赫茲頻段如何能保證相關(guān)系統(tǒng)的損耗可控將是一個(gè)很值得研究的課題。此外，更重要的是，在太赫茲頻段由于波長(zhǎng)較小，因此天線的尺寸也可以做到較小，因此有可能實(shí)現(xiàn)使用先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)把多個(gè)（大于10個(gè)）射頻芯片封裝在一起實(shí)現(xiàn)陣列，來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能波束成形來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能。我們認(rèn)為，在這樣的小型化射頻陣列方面，先進(jìn)封裝將起到賦能的作用，從而支撐6G太赫茲技術(shù)的發(fā)展。

成像是太赫茲芯片的另一個(gè)潛力領(lǐng)域

除了通信之外，太赫茲芯片的另一個(gè)主要應(yīng)用是成像。太赫茲的主要特點(diǎn)是可以穿透一些傳統(tǒng)光線無(wú)法穿透的障礙，同時(shí)能靈敏地檢測(cè)金屬物體，從而在安防等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景。同時(shí)，相比之前的基于毫米波的安防成像技術(shù)，太赫茲波長(zhǎng)較短且可以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，因此成像精度要好于毫米波成像。

與通信不同的是，成像無(wú)需很遠(yuǎn)的傳輸距離，因此太赫茲成像可以使用基于硅基底的芯片實(shí)現(xiàn)。另外，由于安放和成像有小型化和大規(guī)模部署的需求，因此從成本考慮使用CMOS/SiGe來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲成像也有很好的前景。

目前，使用CMOS/SiGe實(shí)現(xiàn)的太赫茲成像芯片通常工作在100 - 400 GHz，帶寬可達(dá)100 GHz，因此可以實(shí)現(xiàn)很高精度的成像。我們認(rèn)為，在這一領(lǐng)域的太赫茲電路未來(lái)還有較大的上升空間，包括集成更復(fù)雜的成像算法（例如壓縮感知等），集成更復(fù)雜的陣列系統(tǒng)等等。成像技術(shù)將與6G通信一起成為太赫茲在未來(lái)最關(guān)鍵的應(yīng)用，從而推進(jìn)太赫茲芯片和系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。太赫茲將成為毫米波之后另一個(gè)充滿潛力的頻段，相關(guān)的芯片技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用值得期待。

編輯：黃飛

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