太赫兹射频器件与电路（三）

钟 旻

1 实现太赫兹射频器件与电路的第三条技术途径：等离子技术

等离子体方法的目标是构造本质上在太赫兹频率下运作的器件，即不需要从微波范围上变频转换，或从光学器件产生光再下变频转换为太赫兹波，而直接从等离子体产生。等离子体早在20世纪20年代就已问世，而之后新的发现，特别是利用如石墨烯等二维纳米材料，打开了室温下工作的太赫兹纳米器件的大门，使得它们对太赫兹通信特别有吸引力。

由图1可见，利用等离子技术实现太赫兹通信收发信机，需要解决信号源的产生、变频、调制、放大和滤波等问题。为此，需首先弄清等离子体、等离子体波（Plasma Wave）与表面等离子极化激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）的概念和利用它们产生太赫兹波的原理。

图1 利用等离子技术实现太赫兹收发信机的基本组成框图

2 利用等离子技术产生太赫兹波的原理[1][2][3]

等离子体或等离子态，是指数目几乎相等的正负离子构成的物质形态，如电离气体。实际上，金属中的传导电子、半导体体中的电子与空穴，也满足等离子体条件。这是物质的电子从原子中剥离出来成为自由电子和离子组成的，其共同的条件是体系整体上近似呈现电中性。

理论与实践都证明，某些气体（如空气）、液体（如水）和固体（如铝箔）等离子体均可激发出太赫兹波（见图2），它们是在等离子体中产生的电磁波，称等离子体波。在图2中，使用了飞秒光纤激光器输出飞秒光脉冲，作用于这几种等离子体，便能诱导出太赫兹波。飞秒光纤激光器是一种主要由光纤激光器构成，具有飞秒（10-15秒）区持续时间的脉冲激光器。飞秒激光不是单色光，而是中心波长在800 nm左右的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干，来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。

图2 利用气体、液体和固体等离子体激发出太赫兹波

需要指出，用等离子体波辐射到自由空间时，效率是很低的。从太赫兹通信收发设备应用的角度看，既要解决等离子体产生太赫兹波构成信号源并能向自由空间有效辐射，又能小型化，以及便于与其他器件和电路的集成，特别是做成平面电路结构等，使其利于手持、车载和室内基站与终端的实现。于是表面等离子极化激元（SPP）的应用便受到了特别的关注。它是指空气或介质与金属表面的自由电子相互作用而引起的一种电磁波模式。即一种沿着介质和金属（导体）界面方向传播的表面电磁波，一般是电磁场与导体内等离子体相互耦合的纵向振荡模式，而其沿界面垂直方向上传播振幅呈指数衰减，如图3所示。在电场作用下，金属中的电子分布不均匀，电子密集处相对于稀疏处形成了正负电荷交替的区域，是表面波振荡模式。理论研究表明，这是一种横磁（TM）波，即磁场只分布在垂直于传播方向的横截面上，没有纵向（传播方向）分量。SPP波可用电子激发，它是通过发射电子进入一块金属，由于电子散射，其能量转变为体等离子，散射矢量中平行于表面的分量而形成SPP。此外，利用光脉冲通过适合的方式可激发太赫兹SPP波。

图4（d）是棱镜耦合和光栅耦合达到匹配的示意图（图中圆圈）。

图4 自由空间光与SPP波的耦合匹配方法

据研究，构成上述介面的金属可用金、银等导体，介质可用硫化锌、二氧化硅、砷化镓等。近年来，石墨烯异军突起，成为太赫兹器件的一个热点。

石墨烯的构成如图5（a）所示。它是由单层的碳原子构成的蜂窝晶格。由于其厚度仅为一个碳原子的尺寸（约0.34 nm），因此是二维的结构。图5（b）是能带图，导带和价带呈锥形，称为Dirac锥。二者之间无禁带。当石墨烯吸收光子时，高能量光子，可导致电子带间跃迁，产生近红外波长的辐射；对于低能量的光子，则引起电子的带内跃迁，产生远红外或太赫兹波辐射。

图5 （a）石墨烯的构成（b）能带图

从微电子应用的角度看，石墨烯具有以下的特性。

（1）高导电性。石墨烯作为一种半导体，电阻率极低，约为10-6Ω·m，比银、铜的低。故自由电子在其中的运动速度达到光速的1/300。其高的电子和空穴迁移率（在室温下高达2×105cm2/Vs，而当T＜55 K时高达107cm2/Vs），对超高速信号具有极好的响应能力。

（2）可调谐性。通过适当偏置或光激发可对石墨烯构成的元、器件的谐振频率进行调谐，具有适应不同太赫兹工作频率的灵活性。

（3）宽带特性。石墨烯具有宽带吸收性，其导带与价带之间为零带隙[图5（b）]，无色散，在超宽频带内具有线性相位，这意味着石墨烯器件对宽带、超宽带信号不会造成波形失真。

（4）高机械强度和高散热系数。

（5）超小尺寸。除二维结构外，对相同频率，在石墨烯中的波长比在自由空间的缩小数百乃至千倍，而许多太赫兹器件与工作波长是成正比的，因而可构成纳米级器件。

作为例子，图6是利用石墨烯产生太赫兹SPP波的示意图。它是在以金属作为接地板，上放置一介质片，再在上面覆盖一层石墨烯，介质片与石墨烯的尺寸是10～100 nm×1 000 nm。可采用电磁波或光脉冲作为泵源。

图6 利用石墨烯产生太赫兹SPP波

需要说明，利用电源激励，基于双层分别掺入n和p型杂质的石墨烯，在外电场作用下分别形成二维电子气和二维空穴气等离子体，电子从边界接触处注入，从而在石墨烯之间形成反转粒子而产生太赫兹辐射，但其强度不及光波激励。

另一例子是一种“纳米发射机”用的高电子迁移率晶体管（HEMT），如图7所示。关于HEMT的构成和原理，在“太赫兹射频器件与电路（一）”中已有介绍。不同的是，这里栅极不是使用金属-半导体结构成的，而是代之以石墨烯，下面为绝缘层（InGaAs）和GaN或GaAs，二者间隔着二维电子气（2DEG）。

图7 （a）“纳米发射机”用的高电子迁移率晶体管（HEMT）（b）栅区下二维电子气形成谐振

图7（a）中，HEMT栅极下的二维电子气是在异质结界面运动的电子流。这里采用无线电泵激发，在二维电子气中产生等离子体波，然后再以无线方式，将其耦合到石墨栅上感应出SPP波。研究得知，当栅长（L）设计为100～200 nm时，等离子体波将对1～4 THz的频率产生谐振，如图7（b）所示，即电荷的振荡，从而在石墨烯栅极界面上耦合感应与此频率相近的SPP波，这两种波形在传播特性上是匹配的。所连接漏极与源极的电压源，在基带信号的控制下，通过“通”“断”电压，对SPP波进行调制。

3 无源器件

在无线电射频电路中，电路功能是通过有源与无源器件的组成来实现的。无源器件主要是电阻类、电感类、电容类器件和传输线等，它们的共同特点是在电路中无须加电源即可在有信号时工作。有源器件包括信号产生（振荡）器、放大器、调制解调器、倍频/分频器等。下面举例介绍若干太赫兹收发信机中可能使用的无源器件。

3.1 传输线[4][5][6][7][8]

3.1.1 微带传输线

传输线是用来传送射频（太赫兹波）信号的。在收发电路中，要采用传输线将有关器件连接。常见的有微带和波导。用于传输太赫兹波的一种采用石墨烯的微带传输线结构如图8所示。通过理论和实验表明，这种微带传输线的基模为横磁（TM）模，主要在衬底内导行；而沿着金属-二氧化硅界面则传导SPP模，就是说此结构可作为太赫兹波的传输线。对于图8（a）中所给尺寸，工作频率范围为0.5～1.8 THz。图8（b）则是其横截面上基模和SPP模光场的分布。

图8 一种采用石墨烯的微带结构和横截面上的光场分布

图9 有石墨烯的微带线的传播常数和特性阻抗随频率的变化关系

研究表明，改变SiO2的高度，微带传输的传播常数随频率仍近似为线性；而对特性阻抗的实部则有较大的影响，这为优化设计提供了有价值的参考。

3.1.2 波导

在微波-毫米波频段，波导是一种常用的三维传输线，也可推广应用于太赫兹波，因太赫兹波导尺寸极小，也可集成于平面电路上。波导可由金属或介质构成，其横截面有矩形或圆形，或平板形等。

一种用于太赫兹波的金属与石墨烯构成的矩形波导如图10所示，图中显示的是波导的横截面，传输方向（Z轴）未画出。矩形四边为金属（导体）片构成，b为窄边；2a为宽边，分别为波导中的相对介电常数和导磁率，在中间（X=0）插入一石墨烯薄膜。石墨烯的导电率是根据边界条件，波导内在金属壁上的切向电场分量为0，仅存在电力线与金属内壁垂直的电场分量。理论上满足此边界条件的电磁场分布结构有无数个，但是离散的。其中横电横模是它的基模（m=1），它的电场力线与Y轴平行，其幅度沿X轴为半个余弦波分布；m=2则为两个半波余弦分布。

图10 金属与石墨烯构成的太赫兹波矩形波导横截面图

图11 归一化传播常数随频率变化的曲线

另一例为图12所示的圆形波导。其圆截面上，从圆心向外，标明的三个半径分别记为R1、R2和R3；三个分区中，I区和III区用半导体材料InAs填充，II区填充绝缘材料SiC，其内、外层表面则覆盖石墨烯薄膜。

图12 含有两层石墨烯的圆柱介质波导

这种波导传输的主模为LP1模，低次模为LP01和LP11，其光强分布如图13所示。

图13 （a）LP01的光强分布（b）LP11的光强分布

选择不同的R1，可获得低传输损耗的性能，图14是R1分别取时，传播衰减常数随频率的变化关系。由图14可见，当时，衰减常数为0.55 dB/m；与传统采用的镀银介质波导衰减常数为7～8 dB/m相比，其低耗性能有了大幅度的提升。

图14 不同R1的两层石墨烯圆柱波导传播衰减常数随频率变化曲线

实际上，已有许多不同形状结构的利用石墨烯的介质波导，其中一些如图15所示。

图15 若干利用石墨烯薄膜构成的太赫兹纳米线（GCNW）波导

图15中，（a）为圆形截面，（b）为椭圆截面，（c）为类同轴，（d）为类长同轴，（e）为成对圆形，（f）为蝴蝶领结形，（g）为传统，（h）为对称的基于GCNW混合波导，（i）为修改对称的GCVW，（j）为基于三角形圆形介质集成的GCNW混合波导，（k）为一维阵列GCNW，（l）为二维阵列GCNW，（m）为三聚体。

3.1.3 共面波导（CPW）和平面Goubau传输线（PGL）

在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧制作面积较大的导体板构成接地平面，这样就构成了共面波导（CPW），又叫共面微带传输线，其基本组成的横截面图如图16（a）所示。共面波导传播的是准TEM波。由于中心导体与导体平板位于同一平面内，因此，在共面波导上并联安装元器件很方便，用它可制成传输线及元件都在同一侧的单片微波集成电路。

图16 （a）共面波导（CPW）横截面和电场分布图（b）平面Goubau传输线（PGL）横截面和电场分布图

若将共面波导上面的接地板去掉，便得到另一种称之为平面Goubau线的传输线（PGL）。如图16（b）所示。研究表明，在太赫兹频段，PGL比CPW具有更低的传输损耗。

3.2 模式转换[9]

在太赫兹传输线中，有多种模式（波型），如需互连时，要接入模式（波型）变换器来匹配。图17给出了一些模式转换的例子。图17中，（a）是将CPW通过椎形变换过渡到PGL；（b）将输入的太赫兹波转变为SPP波在输出端之前再再转换为太赫兹波；（c）将共面波导输入端口处的横电磁（TEM）波转变为SPP波；（d）将微带线的TEM波转换为等离子体波导的SPP波。

图17 传输线模式转换举例

3.3 滤波器[10][11][12]

滤波器的作用是进行频率选择，即选取出有用信号的频带，滤除或抑制不需要的频带，有低通、高通、带通、带阻等。通常用插入损耗来描述其通带和阻带的性能，要求通带内的插损要低，阻带内的插损要高。这几种滤波器的理想特性如图18所示。此外，通带与阻带之间的过渡要尽可能陡峭。

图18 滤波器的理想特性

在太赫兹波电路中，特别是平面集成电路，滤波器大多使用分布参数的元器件来构成，下面是传输线型带通、高通和带阻滤波器的举例。

（1）一种微带交指带通滤波器如图19所示，图19（a）为原理图，（b）为三维图。

图19 一种微带交指带通滤波器

从带通滤波器的原理可知，它是由若干个谐振器耦合级联构成的，这里由五根四分之一波长微带线组成，一端开路，另一端短路[图19（a）中穿孔接地]，按照传输线原理，每一根都是一个谐振器，当信号中心频率等于它的自然谐振频率时，便会产生谐振，线上的电流是纯驻波，由它激起的交变电磁场会耦合到下一个谐振器中去。这样，一节一节地将信号从输入端输送到输出端。当不需要（无用）的信号频率远离微带谐振器的自然谐振频率时，耦合极其微弱而几乎没有输出。总之只有在微带谐振器自然谐振频率附近的信号频率分量，才能通过滤波器，因此具有带通性质。

这种滤波器的尺寸是W=24 μm，L=30μm。按图19的结构和设计，获得了双带通的性能，按3 dB带宽计算，第一个通带的频率范围是0.97～1.02 THz，第二个通带的范围是1.47～1.52 THz。此滤波器的金属带条上贴有石墨烯薄膜，其优点是其可调谐性，研究表明，通过电调，可将石墨烯的化学势值从0.09 eV改变为0.11 eV，相应带通滤波器的谐振频率可以在0.14 THz的范围内调谐。

（2）图20是一种利用耦合微带线构成的带阻滤波器。图20（a）中，在主微带传输线两侧放置三节微带短线，按照微带线理论，设计每节微带等效一个谐振器，并与主传输线耦合。当太赫兹信号通过主传输线先后经这三节微带短线所对应位置时，与谐振器自然谐振频率相同的信号频率分量，将在谐振器中产生共振，换言之，这些信号频率分量为谐振器所吸收，经此三个谐振器的共振吸收后，到达主传输线的输出端口的这一部分信号频率分量已被大大削弱，从而起到了带阻的作用；阻带外的信号因电路对它们不产生共振吸收，故将无衰减，或衰减很少而输出。

图20 一种利用耦合微带线构成的带阻滤波器

为获得可调谐性能，微带的金属带条上覆盖了一层石墨烯薄膜，通过改变其化学势可改变阻带的中心频率。此滤波器的一个样品的性能如表1所示。

表1 此滤波器的一个样品的性能

图21是一种利用微带分支线构成的高通滤波器，微带带条的金属导体表面覆盖有一层石墨烯薄膜，取适当的化学势来确定电路参数（注：化学势，一个物种的化学势是由于给定物种的粒子数的变化而可以吸收或释放的能量。就石墨烯而言，其电导率与化学势有密切的关系，可通过理论分析和实际测量得到定量的结果，用以设计和控制石墨烯器件的性能参数）。图21（b）、图21（c）为传输线和集总参数等效电路。图21（a）中，微带基片尺寸为2.25μm×2.30 μm，厚度为200 nm，基片介质为二氧化硅，相对介电常数为3.9。通过短路分支线与主线并联构成高通滤波器。按微带传输线理论，对于适当长度（小于四分之一波长），高特性阻抗短路分支线在主线接入点处等效为一并联电感，当二并联电感之间，主线的一小段微带宽度较宽（低特性阻抗）时，呈容性，于是得到图21（b）、图21（c）的等效电路。

图21 一种利用微带分支线构成的高通滤波器

结果所获得的高通滤波器插入衰减特性如图21（d）所示。其中，截止频率f1所对应的插入衰减LA=1.4 dB，f＞f1时，LA＜1.5 dB。在阻带，当f=2 THz时，LA=9.5 dB。在2～5 THz之间的过渡带不够陡峭，这是因为微带分支数较少所致。增加并联分支数即滤波器节数，可使性能进一步改善。

4 变频器、调制器和放大器[13]-[17]

4.1 变频器

上、下变频器是外差式收发信机必要的器件，在发射机中上变频器将中频信号变换为太赫兹射频信号，进而馈送给天线向空间辐射；是在接收机中下变频器则将太赫兹射频信号变换为中频信号，以便之后的解调处理。变频是通过混频器实现的，数学上，具有非线性特性的混频器是一个乘法器，将加入本振与信频信号二者相乘，得到和、差频分量。所产生的差频分量是为中频信号；而和频分量则为射频信号。

注意到，本振为太赫兹源，另外，GFET工艺制作也较为复杂。有研究发现，直接利用片状石墨烯产生的非线性效应更为便捷。如图22所示，当单一角频率的电磁波入射到石墨烯基片上时，将感应产生电流，理论上它包含有无数个奇数阶的谐波，其幅度随阶次的增加而缓慢下降：

图22 利用GFET构成混频器

图23 利用石墨烯产生倍频

作为例子，这里给出了基于石墨烯仅用单级、在射频为330～500 GHz频段工作的分谐波混频器，它对本振具有高次倍频作用，同时实现上变频或下变频的功能，输入本振信号频率范围是26～40 GHz，中频约为400 MHz。所采用的原理电路如图24所示。以下变频为例，本振与射频信号分别从各自的波导端口输入，在混频器电路中的石墨烯薄膜处交会，产生的中频信号经中频滤波器后从中频口输出。图24（b）、图24（c）分别为下变频和上变频的频谱图。

图24 利用石墨烯分谐波混频的电路举例

因为中频固定为400 MHz，对于不同的射频，所需本振的频率近似值和倍频阶次如表2所示。表2中的频率单位为GHz。由于石墨烯强的非线性，通过单级倍频便可实现，而用传统的倍频器，则需多级级联，这是石墨烯具有的突出优点。

表2 对于不同的射频所需本振的频率近似值和倍频阶次

4.2 调制器

对太赫兹波的调制可采用调频、调相、调幅（或强度调制）和极化调制等方式。其中获得广泛应用的是振幅调制和相位调制，因为它们易于与硅基光电电路集成。图25列出了其中的关键技术。图中，选用二维材料是为了使所构成的器件微型化、平面化，以便于系统集成。石墨烯是理想的二维材料。过渡金属硫化物（TMGDC）也是一种二维材料，主要有二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硫化铼（ReS2）、二硒化钛（TiSe2）、二硒化铌（N bSe2）、二硒化铼（ReSe2）等。它们具有优异的机械性能、光学性能，能耗低，可用作纳米电子器件、光电子器件和柔性电子器件等。混合材料则是用石墨烯和其他介质材料结合起来构成调制器。

图25 太赫兹调制的关键技术

全光调制、磁-光调制和电-光调制都被证明是可行的。但全光调制需要增加一个用于调制的激光源，而磁-光调制的实现又较为复杂。相比之下电-光调制技术成熟，应用更为普遍。起调制作用的载流子的浓度，可以通过电子注入或耗尽来调节。

以振幅调制为例，如图26所示，用p型轻掺杂的硅（Si）构成介质波导，波导厚度为355 μm，脊高80 μm，宽230 μm。波导介质折射率为3.5，其传输的基模为TE模和TM模。在波导横截面的中间插入一石墨烯膜片，膜片的上下面各覆盖一层150纳米厚的二氧化硅。通过石墨烯片与波导面间的电极连接调制电源以进行调制。由波导导引的太赫兹波穿透石墨烯片，而在石墨烯和硅之间所加电压可改变石墨烯中的载流子浓度，也就是改变其介电常数。据光学原理，介电常数是个复数，描述了介质材料对光（电磁波）的响应。其实部反映了介质的折射特性，虚部则反映了介质的吸收特性。当太赫兹波在介质波导中传播时，由于介电常数虚部的作用，部分能量将被吸收而导致传输强度的下降（衰减），虚部的绝对值越大，吸收能力越强。衡量振幅调制的一个基本、重要的指标是振幅调制深度。在本案例中，加入的是开关脉冲序列，当脉冲输出电压为0（相当于开关“断”）时，太赫兹波输出强度最大（Tmax），而有输出（相当于开关“通”）时则输出强度最小（Tmin），按定义，振幅调制的调制深度MD（%）为

图26 （a）一种利用插入石墨烯膜片介质波导的振幅调制（b）调制深度随频率变化曲线

据报道，该调制器对0.2～0.7 THz频率范围的TE模太赫兹波的振幅调制深度达90%。

4.3 放大器

如图27所示为纳米发射机用的高电子迁移率晶体管（HEMT），当从栅极输入太赫兹信号时，将在漏极中获得放大。此外，还有若干种类的太赫兹放大器，其中一例是利用集成波导的行波型太赫兹波放大器。如图28所示，此波导由碳化硅（SiC）衬底和沉积的多层石墨烯（MGL）组成。研究发现，当波导受到一激光泵浦激励时，沿着波导传输的太赫兹波将得以放大。

图27 基于多层石墨烯的太赫兹放大器

图28 （a）不同光泵强度下MGL的电导率的频率特性（b）光泵MGL的增益频率特性

5 应用举例[18]

图29给出了一种纳米收、发信机基本架构原理图。收、发信机的核心器件是采用石墨烯作为栅极的HEMT[见图26（a）]。在发射机中，HEMT漏极与源极连接电压源，在加入基带信号的控制，利用“通”“断”电压，对SPP波进行调制。之所以用此方式，其中之一优点是利用SPP波便于将HEMT与等离子纳米发射天线连接（见图30）。

图29 一种纳米收发信机基本架构原理图

图30 HEMT输出通过T形馈线与天线连接

6 结束语

等离子技术是实现太赫兹射频器件与电路的另一条技术途径。本讲座通过一些具体例子介绍了其工作原理。由于二维材料如石墨烯等的出现，它们具有许多特有的物理、化学特性，可构成高性能、纳米型结构的电路与器件，随着研究与工艺的推进，这些器件与电路已日臻完善配套[19][20][21]，是很值得期待的。当然，要达到完全成熟和实用化的程度，尚须进行许多工作。