基于电子学的太赫兹辐射源

宫玉彬，周 庆，田瀚文，唐靖超，王凯程，张雅鑫，张 波，刘頔威

电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都 610054

太赫兹波(terahertz wave，THz波)，指频率从0.1～ 10.0 THz，即波长在0.03～3.00 mm的一种电磁波．太赫兹波频段融合了微波毫米波和红外光的特点，具有适中的波束宽度以及较大的系统带宽．作为人类了解和开发最少的电磁波段，太赫兹波段被称为“探索电磁波谱的最后一段空隙”[1]．近年来，国际上对于太赫兹的相关研究都给予高度重视．20世纪80年代，美国在发展空间通讯和雷达时，首选亚毫米波波段；2004年将太赫兹技术列为“改变未来世界的十大科学技术”之一；2007年将太赫兹列入电子战的频率范围．近10年来，美国设立了一系列太赫兹技术研究计划，如亚毫米波成像焦平面技术(sub-millimeter wave imaging focal-plane technology, SWIFT)计划、太赫兹成像焦平面技术(terahertz imaging focal-plane-array technology, TIFT)计划、高频集成真空电子学(high frequency integrated vacuum electronics, HiFIVE)技术计划[2]、太赫兹电子学(terahertz electronics, THzE)技术计划、太赫兹量子点技术计划及高帧频成像雷达(video synthetic aperture radar, ViSAR)技术[2]等，其目的是为空间大容量数据传递、高分辨成像和生化探测提供新手段．欧盟第5到第7框架计划中启动了跨国协同的太赫兹技术研究计划，包括WANTED(wireless area networking of THz emitters and detectors)计划、THz-Bridge计划及DOTFIVE计划[3]．2005年日本将太赫兹技术列为未来10年科技战略规划十项重大关键科学技术之首．韩国于2009年设立为期10年的全国太赫兹技术发展计划，由韩国国内高校和知名企业组建了太赫兹系统全球前沿中心．

随着太赫兹技术的迅猛发展，太赫兹在目标探测、成像、通信及雷达等领域得到重要应用．太赫兹的广泛应用，推动了太赫兹辐射源的发展．目前，国际上正在开发的太赫兹辐射源主要包括：① 基于电子学的太赫兹辐射源；② 基于光学效应的太赫兹辐射源．其中，前者主要分为真空电子学和固态半导体电子学太赫兹辐射源两种．基于真空电子学的太赫兹辐射源，主要包括新型慢波结构的切伦科夫辐射器件、电子回旋谐振脉塞的回旋管、史密斯-帕塞尔效应的太赫兹辐射源，以及等离子体光子晶体的太赫兹辐射源等；基于固态半导体电子学的太赫兹辐射源，主要包括肖特基二极管固态倍频源、三极管单片集成固态功率放大器、低噪声放大器，以及共振隧穿二极管太赫兹振荡源等．

本文着眼于近年来基于电子学的太赫兹辐射源的发展和应用，介绍新型慢波结构切伦科夫辐射器件、电子回旋谐振脉塞回旋器件、史密斯-帕塞尔效应太赫兹辐射源、类等离子体光子晶体离子聚焦太赫兹辐射源，以及固体太赫兹倍频源、固体太赫兹噪声放大器、固体太赫兹功率放大器、固体太赫兹振荡器等固态太赫兹辐射源．最后对太赫兹辐射源的应用进行前瞻和评述．

1 新型慢波结构切伦科夫太赫兹辐射源

切伦科夫辐射器件主要包括行波管和返波管，慢波结构是该类器件的核心．传统的慢波结构一般采用螺旋线和耦合腔慢波结构，如图1．

图1 螺旋线慢波结构和耦合腔慢波结构结构图Fig.1 The structure of the helix slow wave structure and coupled cavity slow wave structure

螺旋线慢波行波管在连续波状态下，由于存在散热问题，无法提供更高的输出功率；在脉冲状态下，因存在返波振荡，也无法提供更高的输出功率．耦合腔行波管是全金属结构，行波管的功率容量得以提高，但工作带宽较窄．这两种慢波结构难以工作到太赫兹频段， 目前工作频率最高仅到W波段．为在提高工作频率的基础上，同时解决功率容量和带宽的问题，一系列新型慢波结构得以提出．

1.1 新型慢波结构的理论与模拟仿真

1.1.1 曲折波导类慢波结构及其变形

曲折波导类慢波结构，作为一种全新的全金属结构，不仅具有大的功率容量，同时可以提供良好的宽带性能，曲折波导的基础模型如图2．

图2 曲折波导慢波结构结构图Fig.2 The folded waveguide slow wave structure

基于曲折波导慢波结构，衍生了一系列曲折波导慢波结构的改进结构，如图3．图中变量的定义见相关文献，下同．图3(a)为脊加载曲折波导慢波结构[4]，曲折波导电子注通过加载金属脊，纵向电场得以加强，注波互作用电子效率大幅提高；图3(b)为曲折双脊波导全金属慢波结构[5]，通过改变脊宽度，可以控制慢波结构的色散特性，相比传统曲折波导慢波结构，曲折双脊波导慢波结构的带宽可明显展宽；图3(c)为脊翼加载曲折波导慢波结构[6]，通过脊翼加载，不仅可以展宽频带，同时又可通过增加耦合阻抗来增大输出功率，但对加工方法又提出新挑战．

图3 几种曲折波导类慢波结构的改进结构[4-6]Fig.3 The modified structure of folded waveguide slow wave structure[4-6]

在太赫兹频段，电子科技大学理论研究了220 GHz脊翼加载曲折波导行波管的色散特性及注波互作用特性[6]．在220 GHz处达到的最大输出功率为56 W，增益为37.5 dB，3 dB带宽约为30 GHz．

1.1.2 交错双栅慢波结构

在切伦科夫辐射器件中，另一种使用较多的新型慢波结构为交错双栅慢波结构，如图4(a)．图4(b)为交错双栅慢波结构的显微照片．交错双栅慢波结构是一种全金属结构，其散热性能好、功率容量大，适合带状电子注工作，能够产生高功率且结构简单，相对容易加工，适于高频率工作，因此受到广泛研究关注．

图4 交错双栅慢波结构[7-8]Fig.4 The staggered double vane slow wave structure[7-8]

电子科技大学对基于栅类慢波结构的行波管进行大量模拟研究．在G波段，开展220 GHz带状注交错双栅行波管的研究[9]，在工作电压为25 kV、电流为0.08 A、输入功率设置为50 mW时，输出功率在214 GHz处达到最大值78.125 W，增益为31.29 dB，3 dB带宽约为30 GHz．

在R波段，也开展340 GHz带状注交错双栅行波管的研究[10]．其中，输入电压为22.1 kV，电流为43 mA，输入功率为10 mW，电流密度为200 A/cm2．输出功率在330 GHz处达到最大值16.7 W，增益为32.2 dB．此外，850 GHz交错双栅行波管的研究中，在工作电压为28.1 kV，工作电流为20 mA，输入功率为2 mW情况下，其输出功率在800 GHz处达到最大值100 mW，对应增益为17 dB[11]．

1.1.3 正弦波导慢波结构

栅类慢波结构虽然具有低欧姆损耗和天然带状电子注通道的优势，但由于在栅的膜片位置存在许多不连续性，因此存在较大反射．为减小反射，文献[12]提出正弦波导慢波结构，如图5．

图5 正弦波导慢波结构模型图[12]Fig.5 The sine waveguide slow wave structure[12]

2012年，电子科技大学报道了220 GHz正弦波导返波管和220 GHz正弦波导行波管的模拟结果[12-13]．220 GHz正弦波导返波管，在210～230 GHz内，可输出瓦量级的功率，此时可调电压工作范围为17～26 kV，电流为10 mA．对于220 GHz正弦波导行波管，从220～250 GHz带宽范围内可输出上百瓦的功率，同时频带内最大增益可达37.7 dB，电子效率为9.6%．

基于正弦波导慢波结构，出现一些正弦波导慢波结构的改进结构．2016年，电子科技大学报道了基于正弦型脊波导的超宽带太赫兹返波管[14]．模拟结果表明，该器件在0.617～ 0.990 THz具有超过0.625 W的输出功率．脊加载正弦波导慢波结构也是正弦波导慢波结构的一种变形[15]，如图6．脊加载正弦波导慢波结构行波管在电压20.9 kV和电流45 mA条件下，在220 GHz可得到52.1 W的输出功率，对应电子效率为5.54%，3 dB带宽可达25 GHz．

图6 脊加载正弦波导慢波结构[15] Fig.6 The ridge-loaded sine waveguide slow wave structure[15]

1.2 新型慢波结构切伦科夫器件的实验研究

基于新型慢波结构，国内外学者不但进行了大量理论研究，在实验方面也取得很大进展．

1.2.1 行波器件的实验研究

1.2.1.1 曲折波导太赫兹行波管

对于太赫兹频段的曲折波导行波管，电子科技大学报道了140 GHz曲折波导行波管的热测结果[16]．测试结果显示，D波段曲折波导行波管，在5 GHz带宽范围内连续波增益超过20 dB，输出功率可达2 W．中国工程物理研究院研制的D波段曲折波导行波管的连续波输出功率在140.3 GHz处可得到7.3 W的输出功率，增益达到25.3 dB．同时，3 dB带宽为3 GHz[17]．

在G波段，中国电子科技集团公司第十二研究所研制一只220 GHz曲折波导行波管[18]，带宽为10 GHz，连续波增益20 dB，输出功率大于10 W．中国工程物理研究院报道两只G波段的曲折波导行波管，其中一只220 GHz连续波曲折波导行波管的3 dB带宽可达11 GHz，输出功率超过200 mW[19]；另外一只220 GHz连续波曲折波导行波管的峰值功率为1.2 W，3 dB带宽为3.5 GHz．

在R波段，中国工程物理研究院研制工作在320 GHz的曲折波导行波管[20]，如图7．测试结果发现， 电子束电压的改变， 对小信号增益影响很大， 当电子束电压为16.9 kV时，320 GHz曲折波导行波管可在318.24 GHz频率下得到19.6 dB的增益．

图7 折叠波导慢波结构与0.32 THz折叠波导行波管[20]Fig.7 Folded waveguide slow wave structure and 0.32 THz folded waveguide traveling wave tube[20]

太赫兹波的产生较为困难，有时难以找到高频率的太赫兹波源来推动行波管工作．为解决这一困难，一些基于高次谐波工作的谐波放大器得到广泛研究．基于曲折波导慢波结构，中国电子科技集团公司第十二研究所和电子科技大学分别研制出二次谐波行波管谐波放大器和三次谐波行波管谐波放大器[21-22]．如图8所示，对于二次谐波行波管谐波放大器，输入为W波段信号，输出为G波段信号．三次谐波行波谐波放大器，输入信号为Q波段，同样得到G波段的输出信号，其输出功率如图9．

图8 高次谐波行波管[21]Fig.8 Prototype of the high-harmonic traveling wave tube[21]

图9 二次谐波和三次谐波行波管谐波放大器[21-22]Fig.9 The second and third harmonic traveling wave tube amplifiers[21-22]

(a) 完整慢波结构显微照片；(b) 安置于电子注通道中的直径为0.018 288 cm的套位针；(c) 完整的输入波导示意图； (d) 电子注通道入口示意图；(e) 封装到真空腔中的焊接后的电路； (f) 最终热测时的整管图10 220 GHz曲折波导真空电子放大器[23]Fig.10 220 GHz serpentine waveguide vacuum electron amplifier[23]

国外研究机构基于曲折波导慢波结构研制出一系列太赫兹辐射源．2013年，美国海军实验室研制出一只220 GHz曲折波导真空电子放大器，如图10[23]．热测结果显示，器件的瞬时带宽超过15 GHz，小信号增益超过14 dB，如图11．2016年，诺斯罗普格鲁曼公司报道了233 GHz曲折波导行波管的研究进展[24]．热测结果表明，当电压为20.95 kV、电流为113 mA时，在2.4 GHz的带宽内实现大于50 W的功率输出．

图11 220 GHz曲折波导真空电子放大器热测结果[23]Fig.11 The test results of 220 GHz serpentine waveguide vacuum electron amplifier[23]

除此之外，诺斯罗普格鲁曼公司就0.64、 0.67、0.85 THz和1.03 THz放大器进行研究，结果见表1[25]．

表1 诺斯罗普格鲁曼公司600 GHz以上 曲折波导行波管的研究进展[25]

1.2.1.2 交错双栅慢波结构太赫兹行波管

基于交错双栅慢波结构，加州大学戴维斯分校研制了200 GHz带状注交错栅行波管[26]，如图12．采用扩展互作用振荡器作为推动级对行波管进行饱和功率测试，在213.85 GHz测试得到110 W的最大饱和功率，测试结果如图13．这是目前国际上报道的带状注行波管的最高频率．

图12 200 GHz带状注交错栅行波管[26]Fig.12 200 GHz sheet beam staggered double vane traveling wave tube[26]

图13 200 GHz带状注交错双栅行波管[26]Fig.13 The test results of 200 GHz staggered double van traveling wave tube with sheet electron beam in UC Davis[26]

1.2.2 返波器件的实验研究

返波管是目前发展比较成熟的一种微波振荡器件，可在不需要输入信号的情况下产生电磁波振荡，主要特点为小型化和价格低廉．早在20世纪80年代，俄罗斯已经研制出太赫兹返波管．俄罗斯的ISTOK公司对太赫兹返波管进行了大量实验研究[27]，如图14．其主要参数见表2．

图14 俄罗斯ISTOK太赫兹返波管[27]Fig.14 Parameters of backward wave oscillator by ISTOK (Russia)[27]

型 号频率/GHz输出功率/mWOB86118～17820OB66177～26310OB65258～37510OB67370～5355OB80530～7145OB81690～8505OB82790～9703OB83900～1 1003OB841 070～1 2002OB851 176～1 4002

中国科学院电子学研究所基于曲折波导慢波结构研制一只工作在316 GHz的扩展互作用振荡器，其测试结果如图15[28]．可见，扩展互作用振荡器工作在316 GHz，测得平均功率为4.17 mW, 脉冲功率大于4 W．

图15 基于曲折波导的扩展互作用振荡器测试图[28]Fig.15 The test results of 316 GHz folded waveguide extended interaction oscillators[28]

2 电子回旋谐振脉塞太赫兹辐射源

为在太赫兹频段获得高输出功率，越来越多的学者致力于基于电子回旋谐振脉塞的太赫兹辐射源研究．相比其他太赫兹辐射源，基于电子回旋谐振脉塞的真空电子器件具有高功率和高效率的特点．基于电子回旋谐振脉塞的太赫兹辐射器件，主要分为回旋振荡管和回旋放大管．回旋振荡管在输出功率和效率方面有优势，但调谐困难；回旋速调管在增益和效率方面优于回旋行波管，但回旋行波管具有显著的带宽优势．

图16 140 GHz回旋振荡管计算仿真结果Fig.16 The numerical simulation result of 140 GHz gyrotron oscillators

近年来，电子科技大学研制一系列太赫兹频段的回旋振荡管[29-33]．图16为0.14 THz回旋振荡管的计算仿真结果，该回旋振荡管的工作模式为TE28, 8，电压75 kV，电流45 A，采用单阳极电子枪，内置准光模式变换器和单级降压收集极，设计连续波和准光输出功率为1.2 MW．

图17为0.11 THz和0.22 THz双频回旋振荡管[29-30]图片．该回旋管的工作模式为TE02和TE04，工作磁场为4.1 T，工作电压为40 kV, 工作电流为5 A，谐波次数为1st和2nd．在0.11 THz和0.22 THz，其输出功率大于20 kW．

图17 0.11 THz和0.22 THz双频回旋振荡管[29-30]Fig.17 The photo of 0.11 and 0.22 THz dual frequency gyrotron oscillators[29-30]

在G波段，电子科技大学还研制一只工作在TE03模、输出功率为11.5 kW的回旋管，以及一只工作在TE03模、输出功率为500 mW的冷阴极回旋管[31-32]．对于更高的太赫兹频段，电子科技大学研制两只0.42 THz二次谐波回旋振荡管[33]，其主要测试参数见表3．

表3 0.42 THz二次谐波回旋振荡管[33]Table 3 The main parameters of 0.42 THz gyrotron oscillator[33]

自1964年前苏联第一只单腔回旋管问世，美国、法国及日本等国纷纷开展回旋管的相关研究．近年来，在受控热核聚变的推动下，国内外对兆瓦量级太赫兹回旋管的研究进展如表4[34]．

表4 兆瓦量级回旋管的研究进展[34]

对于更高频率太赫兹回旋管的研究，主要集中在美国麻省理工学院、美国马里兰大学、俄罗斯应用物理研究院和日本福井大学等研究机构，回旋管具体参数见表5[34]．

表5 更高频率太赫兹回旋管的研究进展[34]

除回旋振荡管外，何文龙等[35-36]研制一只基于螺旋波纹波导互作用结构的75～110 GHz回旋行波放大器，其输出功率可达3.4 kW，增益可达36～38 dB．

3 史密斯-帕塞尔效应太赫兹辐射源

1953年，史密斯和帕塞尔共同发现当电子掠过金属光栅表面时，会激发出电磁辐射，该辐射被称为史密斯-帕塞尔(Smith-Purcell，SP)辐射[37]．1966年，基于SP辐射，RUSIN和BOGOMOLOV[38]首次提出并开展奥罗管(Orotron)的研究．截止目前，奥罗管已被公认为是一种可以覆盖从毫米波到亚毫米波的电磁辐射源．其结构特点是拥有开放式谐振腔，可提高电子束宽度和工作电流大小，已成为一种有望产生THz辐射的真空电子器件．

华东光电技术研究所长期致力于奥罗管的研究，并在2018年研制出0.1 THz的奥罗管，如图18(a).
图18(b)为奥罗管的测试曲线．

图18 0.1 THz奥罗管结构图和测试结果图Fig.18 The photos of 0.1 THz Orotron and the test results

由于尺寸共渡效应，太赫兹波段的奥罗管结构尺寸小、起振电流密度高，难以实现高频率和高效率的太赫兹辐射．1998年，URATA等[39]发现SP超辐射并进行实验验证．他们将光栅结构放置在扫描电子显微镜中，利用扫描电子显微镜中的电子束掠过光栅表面，致使电子束发生群聚，当群聚电子束谐波频率与SP辐射某一角度频率相同时，将激发出相干的SP辐射，称为SP超辐射．SP超辐射可工作在高次谐波，大幅降低起振电流密度，因此该技术为太赫兹辐射源提供一种频率可调、相干的连续波源．

2005年，美国麻省理工学院利用预调制的电子束团激励，研究该情况下的超辐射现象特性，并在2006年实验测定频率锁定的相干SP辐射的功率，相干SP辐射功率的频谱分析如图19[40]．该机制为超辐射THz源的研究开辟新方向．

图19 相干SP辐射功率的频谱分析[40]Fig.19 The spectral analysis of tested power based on coherent SP radiation[40]

2007年，韩国国立首尔大学利用反向双电子束从阵列上下表面掠过，激发中空光栅结构的表面波，实现太赫兹波段把SP辐射强度提高2个数量级(图20)，并将该激励方式和结构用于相干太赫兹辐射源的研究中[41]．

图20 SP辐射频率和辐射强度的关系[41]Fig.20 The relation between SP radiation frequency and radiation intensity[41]

与此同时，一系列基于SP超辐射的研究广泛开展．

3.1 电子束激发渐变的金属光栅的SP超辐射

用电子束激发深度渐变的光栅结构时，在光栅边缘处可得含有多个尖峰的宽带的定向THz辐射[42]，结果如图21．其原理是在光栅上不同的位置，由于其深度的渐变，将存在不同的模态，即类表面等离子体波在不同位置的色散特性不同，这些模态最终都将在光栅的一个边缘转化为辐射场．

图21 含有多个尖峰的辐射频谱[42]Fig.21 The radiation frequency spectrum with multiple amplitude[42]

3.2 模式耦合SP超辐射

在光栅结构中，若光栅槽比较窄和深，光栅槽中的谐振模式将可转化为SP辐射[43]，如图22．在这种SP辐射中，槽中的谐振模式起了重要作用．运用该方法的同时，还可大幅提高SP超辐射的辐射强度和效率．

图22 谐振模式转化为SP辐射[43]Fig.22 The change from resonant mode to SP radiation[43]

3.3 单个电子束团和电子束团序列激励光栅结构产生太赫兹辐射

2018年，清华大学和牛津大学联合对单个电子束团和电子束团序列激励光栅结构产生太赫兹辐射进行实验研究，实验装置如图23[44]．结果表明，相干SP谱线的位置和宽度由光栅参数决定，而谱线的幅值则是微束团周期性的函数．

图23 单个电子束团和电子束团序列激励光栅 结构产生太赫兹辐射的实验装置[44]Fig.23 The schematic of the experimental setup of coherent Smith-Purcell and transition radiation driven by single bunch and micro-bunched electron beams[44]

3.4 电子激发超材料结构产生太赫兹SP超辐射

当带电粒子靠近并平行于由金属谐振环组成的Babinet材料表面时，会在共振频率处产生强烈的电磁辐射，其模型如图24．通过调整周期来调节特异材料的共振频率，可实现辐射频率从GHz到THz，甚至到红外范围的变化[45]．

图24 电子激发超材料结构产生SP辐射模型图[45]Fig.24 The model of Smith-Purcell radiation from Babinet metasurfaces[45]

3.5 电子激发亚波长孔阵列双边太赫兹SP衍射辐射

电子科技大学刘盛纲院士团队[46]研究亚波长孔阵列的电磁衍射辐射，发现电子激发亚波长孔阵列时所产生的双边衍射辐射现象，特别是场通过孔的方式，如图25．当辐射频率小于孔时，场通过透射的方式，上下空间辐射场没有相移，而辐射频率高于孔时，通过传播的方式，上下空间辐射场有相移．电子激发亚波长孔阵列双边太赫兹SP衍射辐射可提高SP效应的辐射效率，是一种高效太赫兹波源．

图25 亚波长孔阵列双边衍射辐射的仿真结果[46]Fig.25 The simulation results of the diffraction radiation from subwavelength holes array[46]

4 类等离子体光子晶体太赫兹辐射源

行波管和速调管等传统真空电子器件，都要使用磁聚焦系统，而离子聚焦可以不使用外磁场，或使用小的外磁场．强相对论电子束在等离子体背景下传输，束电子会排开等离子体电子，留下相对静止的等离子体离子，形成离子通道．电子束的空间电荷力会被全部或部分中和，从而代替或降低引导磁场，这一方法通常称为离子聚焦机制．

基于此，提出了基于生成对抗文本的人脸图像翻译方法，相比其他翻译方法，本文的翻译结果更好，在人脸图像上具有很好的适应性。

基于离子聚焦机制，电子科技大学研究强相对论电子束驱动下的束-等离子体系统，模型如图26[47]．通过粒子模拟得到束-等离子体系统在等离子体密度为1022m-3时，可获得0.903 5 THz的电磁辐射．同时该系统可实现在没有外加磁场情况下的电子束自聚焦．

图26 束-等离子体系统的模型图[47]Fig.26 The simulation model of the beam-plasma system[47]

为从物理上理解束-等离子系统的辐射机制，利用场匹配法求得束-等离子体系统的色散方程，并进行数值求解．结果表明，在低电子束密度、高等离子体密度条件下，束-等离子体系统的辐射机制为慢波辐射．

除此之外，为更接近模拟现象，数值推导了径向非均匀分布下束-等离子体的色散关系[48]，通过求解色散关系可知，对于径向非均匀等离子体系统而言，存在两种电磁不稳定性：一种为电子束模不稳定性；一种为由束-等离子体系统中快等离子体波与前向电磁波耦合引起的电磁不稳定性．

结合束-等离子体系统和等离子体光子晶体[49]的概念，同时为了对束-等离子体系统进行实验研究，电子科技大学提出类等离子体光子晶体的概念．等离子体光子晶体及类等离子体光子晶体的模型图，如图27[50]．

图27 等离子体光子晶体及 类等离子体光子晶体模型图[49-50]Fig.27 The model of plasma photonic crystals and plasma photonic crystal like beam-plasma system[49-50]

通过对类等离子体光子晶体进行模拟研究发现，在同等辐射频率的条件下，与束-等离子体系统相比，类等离子体光子晶体的电子效率可得到有效提高．目前，类等离子体光子晶体的实验研究正在进行．

另外，一类基于等离子体空心阴极的太赫兹电子器件也十分引人注目．深圳大学和英国斯克莱德大学研制一只基于等离子体空心阴极的扩展互作用振荡器．在197～199 GHz输出功率约为10 W，脉宽约为35 ns[51-53]．

5 固态太赫兹波源

固态太赫兹波源包括固态太赫兹倍频源、功率放大器和太赫兹振荡源．

5.1 固态太赫兹倍频源

基于肖特基二极管的非线性效应，将微波频段的低频信号通过倍频转换成太赫兹信号的源，称为固态太赫兹倍频源．固态太赫兹倍频源具有频率稳定性好，易实现信号调制，可实现超宽带工作，以及易集成、可实现小型化等优点．

国外关于固态太赫兹倍频源的研究机构主要包括美国喷气动力实验室、弗吉尼亚二极管公司、英国卢瑟福国家实验室及瑞典查尔姆斯大学等．

2012年，法国科学家MAESTRINI与美国喷气动力实验室成功研制最高频率达2.7 THz、工作带宽200 GHz、输出功率达到μW量级的固态太赫兹倍频器，其电路结构如图28[54]．

图28 2.7 THz三倍频器的电路结构[54]Fig.28 The circuit of the 2.7 THz balanced frequency tripler chip[54]

美国VDI公司研制了工作频率为0.34 THz、工作频带为20 GHz、最高功率达20 mW的倍频器，该辐射源主要用于近距离成像和通信系统的发射源，或用于固态功率放大器或真空电子放大器的前级驱动源或者混频器的本振源．

2014年，美国喷气动力实验室报道4通道54倍频输出频率为1.9 THz的固态太赫兹波源[55]．

在提高倍频源输出功率的探索上，国外研究多采用功率合成技术设计固态太赫兹倍频源．2014年，美国喷气动力实验室设计了105～120 GHz与550 GHz片上功率合成三倍频器，其电路结构如图29[56]．测试结果表明，该倍频器在800 mW功率的驱动下获得90 mW的输出．

图29 功率合成技术下的三倍频器[56]Fig.29 The circuit of tripler chip using power- combining techniques[56]

2015年9月，英国RAL实验室研制出工作在240 ～290 GHz的倍频源，用于驱动扩展互作用速调管[57]．该倍频器中心频率为280 GHz，3 dB带宽为 6%，峰值功率为15 mW．2016年，英国卢瑟福实验室、德国辐射物理有限公司及欧洲航天局等联合报道工作在114 ～224 GHz的太赫兹倍频器，其峰值功率为11.5 mW，倍频器效率大于19%[58]．2017年，英国卢瑟福实验室和Teratech Components公司联合报道360 GHz固态太赫兹倍频源，成功实现W波段输入信号倍频到360 GHz，同时获得20 GHz的带宽[59]．

国内关于固态太赫兹倍频源的研究相对迟缓．2014年，电子科技大学报道国内首次采用单片集成肖特基二极管研制210 GHz二倍频器，该倍频器在210 GHz处得到0.5 mW的输出功率[60]．2015年，电子科技大学成功研制330～500 GHz三倍频器，其在330～500 GHz频段内的输出功率大于10 μW，同时在348 GHz频点处达到峰值功率194 μW[61]．在更高的太赫兹频段，2015年，电子科技大学研制GaAs单片集成650 GHz三倍频器，实验测试结果表明，在633～652 GHz均测到功率输出，并在650 GHz时获得0.072 mW的输出功率[55]．除此之外，2016年和2017年电子科技大学在G波段研制两只固态太赫兹倍频源[62]．2016年研制的220 GHz的固态太赫兹波源为三倍频产生，在221～232 GHz频段内输出功率大于5 mW，峰值功率为6.34 mW．2017年研制的220 GHz固态太赫兹倍频放大链路采用二倍频与三倍频进行组合倍频，在197 ～230 GHz带宽内，倍频器效率均大于10%，最大输出功率为24 mW[63]．

5.2 太赫兹低噪声放大器和功率放大器

太赫兹功率放大器是将三极管置于正向电压增益或者电流增益状态，将输入的较低功率水平太赫兹信号放大至较高功率水平的一类器件．通常基于铟磷基(InP)高电子迁移率晶体管( high electron mobility transistor，HEMT)和异质结双极晶体管(heterojunction bipolar transistor，HBT)等高截止频率太赫兹三极管，以单片集成电路形式出现．该类放大器主要优点为低噪声、高增益、大功率、高效率、结构简单和大工作带宽．主要不足是1 THz以上频段增益和噪声性能下降较为严重，在太赫兹高频段功率承受能力降低．

图30为2010年美国WILLIAM等[64]报道的5级和10级670 GHz低噪声放大器，对于5级670 GHz低噪声放大器，在频率为670 GHz时噪声系数为13 dB，增益大于7 dB．对于10级670 GHz低噪声放大器，峰值增益可达到30 dB．同年5月DEAL等[65]研制了工作在0.48 THz频段、峰值增益达到11.7 dB的低噪声放大器．

图30 670 GHz 5级和10级低噪声放大器[64-65]Fig.30 The microphotograph of 5-stage and 10-stage 670 GHz low noise amplifier[64-65]

5.3 共振隧穿型太赫兹振荡器

共振隧穿型太赫兹振荡器是基于化合物半导体量子隧穿机制的太赫兹波振荡源．当共振隧穿二极管(resonant tunneling diode, RTD)加上一定直流偏压，使其置于负阻工作状态，再与外围电路匹配形成振荡回路，可直接产生太赫兹频段的振荡信号．主要优点为较高工作频率、体积小、易于收发集成；不足是输出功率较低，点频工作．

目前德国和日本在共振隧穿型太赫兹振荡器研究处于领先地位，最高工作频率达到1.3 THz，在0.55 THz的最大输出功率为几百μW．

6 太赫兹波源的应用

随着太赫兹技术的发展，太赫兹波源在无线通信、成像探测、光谱探测及生物医学等方面得到广泛应用．

6.1 太赫兹波源在无线通信中的应用

相干太赫兹波源的发展为太赫兹通信技术的发展奠定基础．2006年，日本实现了120 GHz、10 Gbit/s、1.5 km通信演示系统，从此其太赫兹无线通信得到迅猛发展．国外开展相应研究的有，德国固态物理研究所、美国贝尔实验室及加拿大多伦多大学等．目前来看，太赫兹通信技术正逐步向更高速率、更高大气窗口频率、低损耗、小型集成化及实用化方向发展[66]．

此外，美国和德国的研究机构已经开始对太赫兹室内及室外信道模型进行研究，并取得初步成果，将为进一步指导系统和协议设计，为太赫兹通信系统走向实用化奠定基础．

6.2 太赫兹波源在成像探测上的应用

高功率太赫兹波源的出现为太赫兹波段成像技术的发展提供基础条件．2012年美国启动ViSAR项目[67]，以弥补微波和红外成像系统的不足．

德国FHR开发出超高分辨率的雷达成像系统Miranda300，发射和探测系统采用全集成的太赫兹单片集成电路(terahertz monolithic integrated circuit，TMIC)技术[68]，主要用于重要区域的隐蔽危险物远距离非接触性安全检查及未来天网系统．

欧盟第7框架计划安全主题部开始启动TeraSCREEN项目[69]，旨在开发多频谱融合的高帧频和高分辨率近距离快速安全检查系统，希望在3 m距离内，实现高分辨率成像．

在动态核极化磁共振成像研究中，由于太赫兹回旋管具有高功率和长寿命等优势，太赫兹回旋管成为动态核极化磁共振成像的唯一高频辐射源．相比其他成像方式，具有频率连续可调谐性的太赫兹回旋管，使动态核极化磁共振成像在不采用昂贵且繁琐的扫描线圈情况下，对成像信号进行优化[70]．

6.3 太赫兹波源在光谱探测上的应用

宽带太赫兹波源的发展为太赫兹光谱技术的发展提供有利条件．20世纪80年代末期，GRISCHKOWSKY等[71]在IBM沃森研究中心创造性地利用太赫兹时域光谱实验方法，测量晶体介质蓝宝石、石英、熔融石英、半导体硅、砷化镓和锗在0.2～2.0 THz的远红外吸收和色散特性．自此之后，太赫兹时域光谱技术在半导体和纳米结构半导体领域取得突破性进展[72-73]，已经成为研究半导体和半导体结构中载流子动力学的一种相对成熟的有力工具[74]．相比X射线衍射、固态核磁共振和差示扫描量热法等，太赫兹时域光谱技术具有不可替代的优势[75]，甚至能够影响基于纳米线半导体器件的发展方向[76]．

除此之外，太赫兹光谱学还在生物医学[77-78]、药物学[79-80]、化学[75]、天文学、食品科学[81]，甚至艺术品鉴定和保护[82]等领域获得一系列创造性应用．有机分子骨架振动、转动以及分子间弱相互作用力(如氢键和范德华力等)的能级均处于太赫兹波低能光子对应的能量范围，因此所产生独特而丰富的光谱特征，不仅可用来分辨不同物质种类，还可深入分析分子的构像变化．如太赫兹光谱技术在生物大分子，诸如蛋白质和DNA的构像检测、分子间相互作用机制解析和浓度测量等方面，均取得许多研究进展[77，83]．在化学领域，太赫兹波作为探测分子间相互作用和分子内振动的灵敏探针，在分子结晶、非晶结构探测、溶剂化、生物化学、表面科学和超分子化学具有广泛应用[75]．

6.4 太赫兹波源在生物医学上的应用

近年得益于太赫兹波源的研究进展，太赫兹技术在生物医学领域表现出广阔的应用前景，尤其在生物效应、生物光谱及医学成像等方面得到广泛应用．太赫兹技术在生物效应方面的应用，主要包括生物大分子结构调节和生物体功能的改善[84]，还有报道发现太赫兹电脉冲通过引起电穿孔可导致细胞发生线粒体主导的凋亡，因而在肿瘤治疗领域显示出广阔的应用潜力[85-86]．与此同时太赫兹生物光谱目前已经发展成为生物分子识别的前沿方法，其应用主要有核酸检测、氨基酸和多肽检测、蛋白质检测、生物组织检测和细胞浓度的定量分析等[87-89]．截至目前，太赫兹成像技术已成为一种十分有力的生物医学检测工具，太赫兹成像技术凭借其非破坏性、非接触性和高分辨率的优点广泛用于癌症检测、创伤和烧伤检查、皮肤内药物追踪、软骨损伤成像和太赫兹内窥镜技术等，极大地推动着生物医学技术的发展．

相比其他频段电磁波，太赫兹波在生物和医学的应用方面具有如下独特优势：

1)太赫兹波的光子能量很低，不会引起细胞中原子的电离和激发，与传统的高能辐射(紫外线、X射线和伽马射线)相比，不会对生物体带来损伤，因此，在医学检测和成像方面十分安全，可用于人体和其他生物样品的活体无损检测[90]．

2)许多蛋白质、脂质分子和核酸的固有振动和转动频率处于太赫兹频段，通过太赫兹光谱分析可对生物分子进行特异性识别和鉴定，即得到生物分子的THz指纹谱．通过分析生物分子太赫兹响应谱还可得到其他电磁波频段无法获取的生物分子构像信息，在分子层面对疾病诊断提供可靠依据[91]．

3)太赫兹波对水非常敏感，同时太赫兹的空间分辨率高，可达几十微米的量级，因此太赫兹波适合用来分析生物分子的水合状态，从而进行高分辨率和高对比度的生物组织成像．太赫兹医学成像作为一种新颖的成像技术发展迅速，太赫兹实时成像和太赫兹层析成像等技术相继被提出[90-92]．

4)太赫兹波相对微波毫米波而言，具有更高的分辨率，可获得更精确的空间信息．而与较高频段的光波相比，太赫兹波不仅可以成像，同时可以得到生物分子的特征性物理参数，有广阔应用前景．

近年来，随着太赫兹技术的不断成熟，太赫兹在生物医疗的诸多领域发挥越来越重要的作用．

结 语

本文评述国内外基于电子学的太赫兹辐射源的发展研究现状，包括基于新型慢波结构的太赫兹辐射源、基于电子回旋谐振脉塞的太赫兹辐射源、基于史密斯-帕塞尔效应的太赫兹辐射源、基于类等离子体光子晶体的太赫兹辐射源，以及固态太赫兹波源，分析和介绍基于电子学的太赫兹辐射源应用．指出面对新兴技术革命，真正找到下一代核心器件， 以满足应用需求至关重要． 新材料、 新结构、 新机制及新工艺的不断出现， 为高功率、高频率、小型化及集成化的太赫兹辐射源研究带来新希望．