6G无线通信THz电子学、光子学、等离子体波器件及应用的新进展(续)

移动通信技术已成为现代智能信息网络发展的带动的重要技术之一。继sub-6 GHz和毫米波频段的5G移动通信成为当今移动通信的发展主流之后,预计以亚THz/THz频段的6G移动通信将于2030年到来。综述了用于未来6G无线通信的THz电子学、光子学、等离子体波器件及应用的新进展。综述并分析了当今THz器件与电路以及典型应用的关键技术的发展现状与趋势,包含真空电子领域的行波管、碰撞雪崩渡越时间(IMPATT)二极管、THz谐振隧穿二极管(RTD)、THz肖特基势垒二极管(SBD)、THz CMOS、THz SiGe BiCMOS、THz InP HEMT/InP HBT、D波段GaN HEMT、光子学辅助的太赫兹波技术、石墨烯为代表的二维材料器件与电路。THz器件的应用创新重点包含四个方面:通道测量与建模、多输入多输出(MIMO)天线阵列、智能可重构反射阵列以及通信局域网络架构和实验平台。

6G无线通信THz电子学、光子学、等离子体波器件及应用的新进展

移动通信技术已成为由现代智能信息网络发展带动的重要技术之一。继sub-6 GHz和毫米波频段的5G移动通信成为当今移动通信的发展主流之后,预计以亚THz/THz频段的6G移动通信将于2030年到来。综述了用于未来6G无线通信的THz电子学、光子学、等离子体波器件及应用的新进展。综述并分析了当今THz器件与电路以及典型应用的关键技术的发展现状与趋势,包含真空电子领域的行波管、碰撞雪崩渡越时间(IMPATT)二极管、THz谐振隧穿二极管(RTD)、THz肖特基势垒二极管(SBD)、THz CMOS、THz SiGe BiCMOS、THz InP HEMT/InP HBT、D波段GaN HEMT、光子学辅助的太赫兹波技术、石墨烯为代表的二维材料器件与电路。THz器件的应用创新重点包含四个方面:通道测量与建模、多输入多输出(MIMO)天线阵列、智能可重构反射阵列以及通信局域网络架构和实验平台。

THz-ATR技术检测生物医学样品的研究进展

太赫兹衰减全内反射(THz-ATR)光谱法含水样品检测技术具有无标记、无电离以及检测灵敏度高等优点,在疾病标志物的定性识别和定量检测方面具有很大的应用潜力,尤其对重大疾病的早期诊断和分阶段诊疗具有非常重要的现实意义。在简要介绍THz-ATR技术检测含水样品基本原理的基础上,通过分析与对比,详细探讨了不同辐射源的THz-ATR光谱检测技术在生物医学检测方面的应用,最后简要归纳了THz-ATR光谱检测技术的研究现状及未来发展趋势。

0.2THz平衡式二倍频器两路功率合成技术

针对GaAs肖特基二极管基倍频器输出功率低的问题,采用Y型结结构的波导功分器/功合器在倍频器子模块外部进行信号的合成,实现了输出功率的提升。设计实现了插入损耗低、幅度/相位一致性良好的Y型结结构的波导功分器/功合器。基于GaAs肖特基二极管单片工艺,研制了二倍频器子模块,以提高子模块的一致性并降低芯片结温。对波导功分器/功合器及二倍频子模块进行了装配和测试,测试结果表明,该外合成式二倍频器的工作频率为209~216 GHz,当输入功率大于600 mW时,在214 GHz频率下,峰值输出功率可达117 mW,转换效率达到18.5%,合成效率达86.5%。

基于皮肤-脂肪模型的太赫兹体内多输入多输出信道特性分析与建模

为探究太赫兹(THz)频段体内多输入多输出(MIMO)通信系统的传输特性,该文在0.8~1.2 THz下构建了精确的皮肤-脂肪模型,对皮肤-脂肪模型中垂直方向和水平方向的链路进行全波电磁仿真,分析太赫兹体内信道特性,建立路径损耗模型。首先,结合太赫兹频段人体组织的介电特性和人体皮肤的解剖学结构构建皮肤-脂肪模型。其次,对比分析了3条链路的路径损耗和阴影衰落,提出带有等效吸收因子的太赫兹体内路径损耗模型。最后,对3条链路的莱斯K因子、均方根时延扩展、MIMO容量进行分析。仿真分析表明,带有等效吸收因子的太赫兹体内路径损耗模型可以更准确地描述加长距离垂直链路2的路径损耗,发射端在体表可以增强MIMO容量。该文的工作可以为太赫兹体内通信系统的设计和优化提供参考。

基于CMOS的高响应度太赫兹探测器线阵

本文提出了一种基于CMOS 0.18μm工艺的改进型高响应度太赫兹探测器线阵,各探测像素单元由高增益片上天线、高耦合度差分自混频功率探测电路和集成电压放大器组成。其中,差分探测电路利用源极差分驱动场效应管的交叉耦合电容,将太赫兹差分信号耦合至场效应管的栅极与源极,增强场效应管沟道内自混频太赫兹信号的强度,实现高响应度。其次,该探测器配备高增益片上环形差分天线与集成电压放大器,可有效放大混频后的信号,进而提高系统信噪比,最终达到增强探测器响应度的目的。探测器1×3线阵系统充分利用CMOS工艺多层结构的特点,将电压放大器布置在天线地平面下方,提高了芯片面积的利用率,有效降低了制作成本,整个系统的面积为0.5 mm^(2)。测试结果表明,当场效应管的栅极偏置为0.42 V时,该探测系统对0.3 THz辐射信号的电压响应度(Rv)最大可达到43.8 kV/W,对应的最小噪声等效功率(NEP)为20.5 pW/Hz^(1/2)。动态测试结果显示该探测器可对不同材质的隔挡物进行区分。

太赫兹时域光谱成像增强算法

低分辨率是扫描太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统图像的一个重要缺点.本文提出了一种针对太赫兹时域光谱图像的超分辨率增强算法,该算法结合了多层感知机(MLP)和超分辨率卷积神经网络(SRCNN),创建了一个复合网络.本文算法针对太赫兹光谱图像的特点,通过引入新的目标函数,避免了传统机器学习算法需要采集或模拟生成大量训练集的弊端,实现了训练图像即目标图像的单幅光谱图像增强.为了实现这一目标,本文算法的基本原理是,让试件产生一个刚体位移,利用THz-TDS系统采集位移前后两幅三维(1个时间维,2个空间维)光谱图像作为输入数据.机器学习网络包括两部分:首先,利用一个MLP网络实现三维光谱图像到二维光强图像的转化;其次,采用传统针对二维图像的SRCNN网络获取一幅高分辨率图像,对位移前后图像处理后计算得到新的高分辨率图像的位移场,并将位移场方差作为目标函数,再通过机器学习算法,优化网络中的成像参数,实现太赫兹光谱图像的分辨率增强.典型验证性实验最终得到的峰值信噪比为42.65 dB,结构相似度为0.816,均比其他现有方法高,表明本文算法能获得良好的图像增强.

基于THz技术的农产品品质无损检测研究

农产品品质备受关注,而由品质变化引发的农产品安全事故频繁,开发农产品品质的快速无损检测技术成为研究热点。太赫兹波(THz)是介于微波与红外之间的电磁辐射,由于其独特的优势,具有重要的科学研究价值。近年来,随着THz辐射源和探测器研究的不断突破,大大丰富了THz的应用研究。与其他检测技术相比,作为一种新型检测技术,THz辐射具有安全和高信噪比等重要特征,能获得传统检测方法无法获得的物理、化学和生物等信息,在质量安全检测与控制、生物医学和通信等领域的应用前景广阔。首先介绍了THz波的概念和主要性质,接着对THz技术在农产品品质检测应用上的研究进展进行综述,分析THz探测技术存在的问题,对THz技术的应用潜力进行展望,最后提出THz技术在储粮品质检测中新的应用和广阔前景。

0.14 THz超高速无线通信系统实验研究

介绍了0.14THz超高速无线通信实验系统的主要组成部分和主要实验结果。从太赫兹电子学出发,基于太赫兹半导体器件和宽带数字调制解调技术,采用一种"低频段高速矢量调制+谐波混频+放大"的太赫兹高速信息传输技术路线,在国内首次成功实现了0.14THz 0.5km 10Gb/s高速信号实时传输和软件化事后解调,同时进行了4路高清视频信号的传输与解调。

THz技术在农产品/食品品质检测中的应用

农产品/食品的质量和品质问题越来越受人们关注。探索实际可行的农产品/食品的无损检测与品质评估技术正在成为研究热点。太赫兹(THz)辐射是位于中红外和微波波段之间的一段电磁波,具有非常重要的科学研究和应用价值。长期以来由于缺乏可行的THz波产生方法与探测手段,该波段相关领域的研究滞缓。THz光谱传感和成像技术是THz波的两个主要应用技术。THz光谱检测技术作为一种新型检测技术能够获得传统检测无法获得的信息。近十几年来,THz波用于来研究固、液、气相等各种物质的光电特性、分子内部振动和组成信息,在生物分析、医疗诊断、安全检测、环境控制等领域,THz技术显示出广阔的应用前景。文章介绍了THz波的主要性质、THz波检测技术的特点,论述了THz技术在农产品、食品质量与品质检测中的最新进展及其应用的潜力。

THz辐射在DNA光谱研究中的应用

太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来在不同的研究领域中得到了广泛的应用,许多研究表明THz脉冲光谱学在生物和医学方面具有潜在的应用前景。文章简要介绍了THz辐射产生和探测的基本原理和方法;阐述了THz辐射在生物学和DNA分子光谱学研究的物理基础;讨论应用THz辐射研究DNA取得的成果及最新进展,展望应用THz辐射研究DNA分子的前景。

基于Schottky二极管和Hammer-Head滤波器0.67THz二次谐波混频器

通过测量肖特基二极管的I-V和C-V曲线,建立等效电路模型.利用三维电磁场和谐波平衡仿真工具分别进行三维结构仿真和电路宽带匹配,最终实现混合集成方式的0.67THz谐波混频器设计.测试结果表明：混频器中心频率为0.685 THz,射频3 dB带宽为47 GHz,双边带变频损耗13.1~16 dB,在685 GHz双边带噪声温度最低值为11500 K.

基于散射特性的太赫兹信道建模

太赫兹(Terahertz, THz)通信是6G的关键技术之一。由于太赫兹技术具有大带宽和超高速率的特点,越来越受到关注。为支持太赫兹无线通信设备的性能评估,建立能够表征信道特性的无线信道模型至关重要。提出了一种基于散射特性的太赫兹信道模型,在室内场景中使用该信道模型生成信道系数和功率时延谱。分析结果表明,提出的信道模型能较好地表征太赫兹散射特性,能够支持太赫兹通信系统的设计与评估。

THz射线产生技术及应用最新进展

THz电磁脉冲是由超短激光脉冲选通半导体光导开关后产生的超宽频带电磁辐射 ,在很多基础研究领域、工业应用领域以及军事领域中有相当重要的应用。作者就THz电磁脉冲的产生技术、探测技术作了较全面的评述。对其若干重要应用研究成果包括THz时域光谱技术(TDS)、THz二维成像技术等也进行了分析。

苯甲酸及其衍生物的THz-TDS研究

太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopyr,THz-TDS)是基于飞秒超快激光的远红外波段光谱测量新技术。我们利用该技术对苯甲酸及其单甲基取代物进行测量,得到了它们在0.1-2.0THz波段的吸收谱图。4种物质的吸收谱有明显的特征,可以将这几种化合物区分开来,这表明THz-TDS技术可以分辨化合物结构上的微小差异,可以应用于物质检测与分析。

基于微流控技术的磁流体对外加磁场及温度的太赫兹特性研究

磁流体是将超微磁性粒子均匀地分布在载基液中,形成的胶态液体磁性材料,它打破了传统固体磁性材料的形态,是一种同时具有固体磁性和液体流动性的新型材料,具有非常广泛的应用前景。目前磁流体已经被应用于医学领域,已有研究表明,磁流体可被用于癌细胞的治疗、细胞的分离以及靶向给药等;另外,磁流体还可以应用于密封、润滑等方面。太赫兹波是指频率范围在0.1~10 THz,波长范围在30~3000μm的电磁辐射。由于许多生物分子的振动和转动模式均处于太赫兹波频段,并且太赫兹波的能量较低,不会破坏被测物品,所以太赫兹波可用于无损检测,是一种安全可靠的测量方法。微流控技术可用于对极少量液体样品的测量,具有操作简单、检测速度快、节约被测样品等优点。该研究将太赫兹技术与微流控芯片技术相结合,通过改变外加磁场的时间和温度,研究了磁流体的太赫兹时域谱和频域谱的变化情况,发现在外加不同时间的磁场强度时,随着时间的增加,磁流体的太赫兹时域谱图右移,频域谱图强度下降;外加不同温度时,随着温度的增加,同样出现时域谱图右移,透射强度降低的现象。初步认为磁流体中的磁性粒子在外加磁场下聚集定向排列,随着时间的延长,近似认为纳米粒子团簇半径增大,使得太赫兹波不易透过从而使其强度变低;在温度升高时,分子热运动加剧,分子振动和转动加强,使得太赫兹波不易透过进而强度变低。由于利用太赫兹研究磁流体特性方面的相关报道较少,该研究为探究磁流体提供了新的方法;对外加磁场下的磁流体太赫兹特性的研究可在医学领域的广泛应用,为太赫兹技术在生物医学方面提供了新的途径,为磁流体的深入应用和研究提供了技术支持。

光泵THz激光器进展及其应用前景

阐述了太赫兹辐射产生的各种方法及其特点,分析了国内外光泵太赫兹激光器的发展及研究现状,指出在实际应用中光泵太赫兹激光器具有效率高、覆盖频率宽、输出功率高等优点,是目前可实用化的THz激光辐射源.另外,还介绍了光泵太赫兹激光器在成像、探测、医疗诊断等领域的实际应用及其广阔的前景.

THz技术进展

THz(10 1 2 Hz)技术是二十世纪八十年代末发展起来的一种新技术 ,它在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域以及生物领域中有相当重要的应用前景 .本文从总体上介绍了THz技术的基本研究情况 ,包括它的产生、探测机理研究 ,THz光谱应用研究及THz成像研究 ,并介绍了目前THz技术研究中亟待解决的一些问题 .

基于LVQ和THz时域光谱的玉米品种分类鉴别研究

农作物的产量和品质与其自身的品种密切相关,因此品种鉴别对于农业生产和安全具有极为重要的意义。研究提出将太赫兹时域光谱(THz-TDS)与神经网络学习矢量量化(LVQ)相结合的方法用于四类玉米品种鉴别。实验选取120粒玉米样本的衰减全反射(ATR)吸收系数0～70 cm^(-1)谱区作为LVQ网络输入,4个品种作为网络输出,随机划分测试集与训练集的样本比例为1:1、1:2和1:5时,测试集识别率分别为80%、82. 5%、95%;实验选取ATR吸收系数0～275 cm^(-1)全谱区作为LVQ网络输入时,测试集识别率分别为93. 3%、97. 5%、100%。实验结果表明采用太赫兹光谱结合LVQ方法能有效鉴别玉米品种,该方法对于农作物品种快速鉴别具有一定的借鉴性。

基于模糊模式识别的爆炸物THz光谱识别

运用太赫兹(THz)光谱特性对爆炸物进行检测和识别,是现代检测技术研究的一个热点。在对多种单质炸药和混合炸药及几种可能与它们混淆的物质的太赫兹特征吸收光谱进行研究的基础上,提取它们在0.2～2.2THz频率范围内4个相对较强的特征吸收峰作为分类识别的特征参数,用模糊模式识别方法对它们的太赫兹特征吸收谱进行了分类和识别。首先,用基于模糊等价关系的模糊聚类分析方法对这几种物质的太赫兹特征吸收谱进行聚类训练,获得样品分类并形成标准太赫兹吸收光谱模型库;然后,选用与训练样本主体成分相同的2种物品作为待识别对象,采用基于择近原则的模糊模式识别方法进行了成功识别。研究结果表明,基于模糊聚类分析的模糊模式识别方法对太赫兹吸收谱具有较强的相似特征聚类功能和较高的识别率,为太赫兹光谱技术用于爆炸物的检测和识别提供了一种有效的方法。