半导体太赫兹通信芯片现状和前瞻

随着5G的逐渐普及，下一代通信技术——6G的研发也在紧锣密鼓的进行中。无论是中国，美国，欧盟还是日韩，目前在通信领域领先的国家都在加大6G方面研发的投入。根据目前的研发目标，6G预计将实现5G十倍以上的通信速率，并且预计在2026年左右推出相关标准。在相关应用方面，6G预计将继续5G的道路，将覆盖个人通信的同时，继续覆盖物联网和智能工业应用，包括超高速工厂内无线接入等。

为了支持更大的通信速率，根据香农定律，信道容量必须相应增加，通常而言这意味着需要增加通信带宽。为了增加通信带宽，最直接的方法就是提升载波频率，而这也是太赫兹在6G领域得到特别关注的原因。一般来说，太赫兹（THz）是指载波频率在300 GHz - 3 THz范围内的频段，而sub-THz则是指100 GHz - 300 GHz左右的频段。而在6G的相关语境中，一般太赫兹同时指THz频段和sub-THz频段。

目前，各个国家都在积极研发6G相关的太赫兹技术，并且在开放相关频段。中国早在2019年底就开始了6G技术研发推进工作组，而华为也在今年早些时候公布了使用太赫兹技术实现的通信距离达到500米的6G原型系统；美国在2019年也决定开放95 GHz - 3 THz的6G实验频谱；韩国政府在大力投入6G研发，三星和LG也都在积极开发相关技术，LG在今年九月初宣布和德国夫琅和费研究所合作实现了通信距离在200米以上的太赫兹通信原型机，其输出功率高达20 dBm。

综上，我们认为随着6G技术的兴起，为了满足高通信速率的需求，载波频率继续提升到太赫兹频段将成为6G的关键技术，而相关的半导体芯片和系统则将是支撑太赫兹和6G通信的核心。

半导体太赫兹通信芯片现状和前瞻

如上所述，太赫兹通信芯片将成为6G的技术核心。太赫兹通信相关的芯片可以分为两大类，一个是射频芯片，而另一类是基带芯片。

就射频芯片而言，太赫兹首先需要能工作在高频段（太赫兹频段）而且带宽很大的电路。为了满足这个要求，目前用于长距离通信的太赫兹射频芯片主要还是使用III-V族半导体HEMT和HBT晶体管实现射频相关的工作。III-V族半导体的工作频率高，工作带宽大，且输出功率较大，能满足太赫兹频段通信的主要需求。介于目前太赫兹通信的第一步还是基站间通信，我们认为太赫兹实现的射频芯片将会成为未来几年内太赫兹长距离通信芯片的首选半导体技术。

在III-V半导体之外，使用硅基材料的CMOS和SiGe的太赫兹通信技术也在蓬勃发展。相对于III-V族半导体来说，CMOS和SiGe芯片具有集成度高，成本低的优势，因此获得了学界和业界的一致关注。对于太赫兹来说，CMOS和SiGe的主要挑战在于晶体管截止频率较低，工作带宽也较低。截止频率地意味着CMOS和SiGe芯片虽然能工作在太赫兹频段，但是其输出功率会较低，也就是说难以实现长距离通信；带宽低则意味着CMOS和SiGe芯片难以直接支持工作在大频宽的太赫兹通信，而必须使用系统级的方法（例如将一个较大的频段拆分成多个带宽较小的子频段）来实现通信。目前，CMOS和SiGe芯片在太赫兹通信上的应用还主要在于短距离通信（例如1米左右的范围里）。展望未来，CMOS和SiGe对于太赫兹通信领域的研发还将主要在于电路级以及系统级的改进，目前来看半导体工艺的改善并不能提升CMOS/SiGe电路在太赫兹频段的性能（例如CMOS对于太赫兹频段来说65nm是最好的工艺节点之一）。

除了射频之外，太赫兹通信领域另一个非常重要的芯片将是基带芯片。在6G相关标准尚未确定的时候，目前对于基带的讨论主要在于如何产生高速信号的调制（例如，如果6G需要在太赫兹频段实现超过100Gbps的传输，如何实现如此高速率的调制信号），以及对于射频电路的相关控制，例如线性化技术。对于高速通信来说，如何提高数字信号处理的速度，以及如何提升超高速ADC/DAC等数模转换的性能将是主要课题。此外，太赫兹通信目前仍然在设法提高通信距离，或者说目前如何提升射频电路的有效输出功率也是一个很重要的课题，因此相关的数字辅助技术，例如功放线性化技术等，也将在太赫兹领域起到非常重要的作用。

另外一种值得关注的射频相关半导体技术是封装技术。在电路领域，如何把III-V和CMOS使用先进封装技术集成起来也是一个能让III-V和CMOS各取所长的技术，但是在太赫兹频段如何能保证相关系统的损耗可控将是一个很值得研究的课题。此外，更重要的是，在太赫兹频段由于波长较小，因此天线的尺寸也可以做到较小，因此有可能实现使用先进封装技术来把多个（大于10个）射频芯片封装在一起实现阵列，来实现高性能波束成形来进一步提升系统的性能。我们认为，在这样的小型化射频阵列方面，先进封装将起到赋能的作用，从而支撑6G太赫兹技术的发展。

成像是太赫兹芯片的另一个潜力领域

除了通信之外，太赫兹芯片的另一个主要应用是成像。太赫兹的主要特点是可以穿透一些传统光线无法穿透的障碍，同时能灵敏地检测金属物体，从而在安防等领域有着很大的应用前景。同时，相比之前的基于毫米波的安防成像技术，太赫兹波长较短且可以实现更大的带宽，因此成像精度要好于毫米波成像。

与通信不同的是，成像无需很远的传输距离，因此太赫兹成像可以使用基于硅基底的芯片实现。另外，由于安放和成像有小型化和大规模部署的需求，因此从成本考虑使用CMOS/SiGe来实现太赫兹成像也有很好的前景。

目前，使用CMOS/SiGe实现的太赫兹成像芯片通常工作在100 - 400 GHz，带宽可达100 GHz，因此可以实现很高精度的成像。我们认为，在这一领域的太赫兹电路未来还有较大的上升空间，包括集成更复杂的成像算法（例如压缩感知等），集成更复杂的阵列系统等等。成像技术将与6G通信一起成为太赫兹在未来最关键的应用，从而推进太赫兹芯片和系统的进一步发展。太赫兹将成为毫米波之后另一个充满潜力的频段，相关的芯片技术和市场应用值得期待。

编辑：黄飞