太赫兹技术发展综述下

（接上期）

四 DARPA在太赫兹 领域的研究

太赫兹技术在发展早期就获得了美军关注，美国国防高级研究计划局（DARPA）在21 世纪初就开展了有关太赫兹的研究项目。美国陆军、空军、海军也都资助了太赫兹技术研究。

（一）DARPA 的太赫兹研究项目

自1999 年起，DARPA 就陆续安排了“太赫兹成像焦平面阵列技术”（TIFT，2003 年），亚毫米波焦平面成像技术（SWIFT，2004 年），高频集成真空电子学（HiFIVE，2007 年），太赫兹电子学（THz Electronics，2008 年），“具有压倒性能力的真空电子高功率放大器”（HAVOC，2016 年）等研究计划，以此发展太赫兹基础器件。

此外，DARPA 还在2012 年推出视频合成孔径雷达（ViSAR）计划，2014 年推出成像雷达先进扫描技术（ASTIR）计划，发展太赫兹雷达应用技术。

在2017 年6 月DARPA 微系统技术办公室启动的“电子复兴计划”中，面向大学的“联合大学微电子学计划”设立了6 个研究中心，其中一中心为太赫兹与感知融合技术研究中心，主要研究射频到太赫兹通信、分布式计算、认知计算、先进集成电路架构等技术。

（二）DARPA 在太赫兹领域的研究趋势

通过梳理2000—2020 财年DARPA 的研发预算可以看出，目前DARPA 在太赫兹领域的研究已经处于基本完成基础原理、基础器件探索，开始向应用基础技术发展阶段。

从研究内容来看，DARPA 早期开展的太赫兹应用技术研究主要是为了摸清应用所需要的基础技术，而自2004 财年开展的太赫兹电子学研究，曾历经两度改名，一直持续到2015 财年，主要进行太赫兹源、探测器、成像原理等基础技术的探索。

从研究成果来看，多个面向太赫兹器件的项目（SWIF、HiFIVE 等）基本完成了基础器件的研究，获得了较好的成果，目前，DARPA 在太赫兹器件领域的研究聚焦于大功率真空放大器。当前DARPA 在太赫兹应用技术领域的研究还主要聚焦于概念验证、性能指标分析的阶段。

整体上，DARPA 在太赫兹领域处于基本完成基础技术探索研究，开始再一次进入应用研究阶段，如ASTIR 项目，见表1。

表1 DARPA在太赫兹领域的研究情况项目名称 资助时间 主要研究内容 主要成就太赫兹技术 2002财年研究用于0.3～10THz的紧凑型固态太赫兹传输和近距离探测系统，支持环境传感、上层大气成像、隐蔽卫星通信、化学和生物传感开发了半导体量子阱源，半导体量子阱探测器，太赫兹、短波长探测演示系统电磁能量 2004财年 利用电磁能量主动探查生物气溶胶，实现极快速、远距离探测生物体开发传感器性能模型，用于评估探测生物气溶胶方法的性能轻便灵巧雷达，集成传感器结构（ISIS） （2005财年改名）2004—2005财年开发天线技术，增强传感器和通信系统的可移动性。开发太赫兹频率天线，替代大的吉赫兹频率天线开发太赫兹源和信号处理技术，制造便携式传感器光学相干成像雷达，太赫兹焦平面成像技术（TIFT）（2009财年改名）2004—2009财年开发新的相干雷达，采样率达到吉赫兹，在小的、低功率、降低热负载器件中实现极快速成像；演示在太赫兹频带（＞0.557THz）工作的大型多元素（＞4万像素）焦平面阵列探测器。系统有效工作在大于25m的距离，并具有小于2cm的高空间分辨率，达到衍射极限。图像接收器将产生二维图像，每个像素输出的是太赫兹辐射的相对强度开发衍射受限、视频帧率的太赫兹（至少0.557THz）成像器组件和集成技术；演示平均功率高于10mW、插座效率为1%的紧凑太赫兹源，用于主动照明、外差、零差探测的本地振荡器；演示太赫兹接收器，噪声等效功率低于1pW/Hz1/2，获取图像时间小于30ms，预探测带宽大于50GHz，系统级噪声等效 δ 温度达到或优于1K亚毫米波成像焦平面阵列技术（SWIFT）2005—2008财年 开发新型低功率、视频帧率、在亚毫米波段实现衍射受限成像的传感器采用新电子学和频率转换方法研发了紧凑、高效、高功率太赫兹源；开发灵敏的、大型接收器阵列，先进的集成、后端信号处理技术；开发和演示亚毫米波焦平面成像器

（续表1）项目名称 资助时间 主要研究内容 主要成就紧凑真空电子射频技术（HiFIVE） 2008—2013财年 制造220GHz、50W输出功率、带宽5GHz的真空管放大器完成高性能阴极原型研发，演示超过1000h的无性能降低能力；完成高功率放大器原型器件的制造和测试；演示220GHz固态驱动放大器激励电路；通过试验和仿真验证高功率放大器设计太赫兹电子学由TIFT项目改名而来2010—2015财年开发关键半导体器件和集成技术，用于在中心频率超过1THz的紧凑、高性能微电子器件和电路中工作，支持太赫兹频段成像、雷达、通信、光谱等应用。太赫兹电子学项目有两个主要研究方向：一是晶体管电子学，研发用于在太赫兹频段工作的接收器和激励器的晶体管材料与处理技术；二是高功率放大器，研发太赫兹高功率放大紧凑模块演示全球首个太赫兹单片微波集成电路放大器，在1.0THz产生10dB增益；演示1.03THz振荡电路；演示首个1THz真空电子行波管放大器；演示太赫兹频率的外差探测和传感太赫兹光子学 2011—2012财年开发在室温、太赫兹频工作段的连续波激光源，采用的技术包括量子级联激光器、量子点激光器，用于便携式红外对抗、主动成像研制太赫兹室温激光器军用医疗成像 2012财年 开发医用成像技术，支持军事任务和作战 验证在太赫兹光谱仪中使用轨道角动量技术，验证光子轨道角动量–分子相互作用理论成像雷达先进扫描技术（ASTIR） 2016—2017财年构建新的成像雷达架构，生成更加稳定、低成本的传感器，无需平台或目标移动。该系统将集成DARPA其他项目开发的毫米波/太赫兹电子组件，实现发射/接收功能，实现当前传感器无法做到的广域监视和视频帧率目标监视完成传感器概念设计和处理技术需求分析；构建波束定向系统原型，进行性能和可行性测试；分析支持具体军事应用的系统性能指标具有压倒性能力的真空电子高功率放大器（HAVOC）2016—2019财年开发在75GHz以上工作的宽带和敏捷波形高功率真空放大器，提供强大的电子攻击能力开展先进制造技术，例如，选择激光熔融（SLS）和其他增材制造技术研究，用于波束–波互动电路和其他管器件制造；探索新的磁材料和磁铁配置，实现紧凑集成波束聚焦和传输；宽带、高功率微波真空电子放大器设计；评估电子束传输的阴极、真空窗口、磁场结构，鉴别满足或超过需求的技术或组件

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0306/500.html