麻省理工Ruonan Han團(tuán)隊(duì)Huzhi和王成兩位博士生（以下簡(jiǎn)稱MIT團(tuán)隊(duì)）在今年2月IEEE Journal of Solid-State Circuits發(fā)表文章《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》，報(bào)道其在太赫茲成像芯片領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展。

在240GHz中心工作頻率，MIT團(tuán)隊(duì)采用65nmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)了32像素超外差接收機(jī)陣列、靈敏度f(wàn)W量級(jí)、整個(gè)陣列面積僅1.2mm²。該陣列性能比較如下：

表一：MIT團(tuán)隊(duì)4x8超外差接收機(jī)陣列性能比較表，來(lái)自《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》

該超外差接收機(jī)陣列核心特點(diǎn)是采用了分布式本振鏈路設(shè)計(jì)，突破了陣列擴(kuò)展性和超外差本振鏈路制約的矛盾，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)了片上鎖相功能。成功構(gòu)建了具有強(qiáng)大擴(kuò)展能力的相干陣列芯片。

以下是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖一：傳統(tǒng)集中式本振架構(gòu)左圖和分布式本振架構(gòu)右圖（來(lái)自《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》）

圖二：MIT團(tuán)隊(duì)4x8超外差接收機(jī)陣列外形圖（來(lái)自 《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》）

MIT團(tuán)隊(duì)在芯片級(jí)的突破給太赫茲被動(dòng)成像產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)了新的曙光，目前太赫茲被動(dòng)成像系統(tǒng)廠商不完全統(tǒng)計(jì)如下表：

圖三：太赫茲被動(dòng)成像系統(tǒng)廠商列表（數(shù)據(jù)可能有誤僅供參考）

最早出現(xiàn)的直檢式接收機(jī)來(lái)源于宇航輻射計(jì)技術(shù)。在上個(gè)世紀(jì)六十年代金星探測(cè)計(jì)劃中，NASA首次在水手2號(hào)部署了K波段雙通道輻射計(jì)。由JPL領(lǐng)銜設(shè)計(jì)的這套雙通道直檢式接收機(jī)不負(fù)眾望，成功穿透高溫高壓的金星大氣層獲取了金星表面溫度。自此微波輻射計(jì)（接收機(jī)）在宇航中的應(yīng)用拉開(kāi)序幕,逐漸成為紅外、可見(jiàn)光之外宇航探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

圖四：首套微波輻射計(jì)外形和結(jié)構(gòu)圖（來(lái)自NASA）

但直檢式方案先天缺陷在于無(wú)法探測(cè)相位信息，同時(shí)高頻率沒(méi)有商用的低噪聲放大器可以提高探測(cè)靈敏度。所以面對(duì)高靈敏度、高分辨率的成像要求，太赫茲超外差方案自然成為不二之選。近年來(lái)ESA和NASA在ICECUBE、普朗克、哨兵、MetOp-SG、JUICE等多顆衛(wèi)星采用不同機(jī)理(肖特基二極管、SIS、HEB等) 研制的超外差接收機(jī)已經(jīng)覆蓋了毫米波到中紅外頻段（STO2望遠(yuǎn)鏡采用4.8THz接收）。

圖五：JUICE木星探測(cè)器600GHz輻射計(jì)和STO2望遠(yuǎn)鏡1.4/1.9THz四通道陣列（來(lái)自LERMA和Delft大學(xué)）

但是陽(yáng)春白雪的宇航技術(shù)在轉(zhuǎn)化為的商用系統(tǒng)時(shí)，水土不服出現(xiàn)了。英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室將宇航級(jí)太赫茲接收機(jī)技術(shù)授權(quán)給THRUVISION公司商業(yè)化，THRUVISION的TS系列被動(dòng)成像系統(tǒng)（前后成像）單價(jià)超過(guò)200萬(wàn)人民幣。要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化成像市場(chǎng)所必須的魚(yú)和熊掌兼得，高靈敏的芯片陣列將是必經(jīng)之路。

目前TI、英飛凌等芯片巨頭正忙于在24/77GHz汽車?yán)走_(dá)芯片上推陳出新，更高頻率的主被動(dòng)成像芯片級(jí)產(chǎn)品仍乏善可陳。國(guó)內(nèi)芯片巨頭中電13所在奮力追趕近十年后終于在W波段接收機(jī)芯片獲得突破，性能指標(biāo)不遜于法國(guó)OMMIC、德國(guó)GOTMIC而單價(jià)卻降到萬(wàn)元以下。而基于CMOS技術(shù)的大規(guī)模陣列芯片有望將單價(jià)再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

MIT團(tuán)隊(duì)在芯片級(jí)的突破必會(huì)讓太赫茲技術(shù)更快的出現(xiàn)在我們的衣食住行中。太赫茲技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和商用化已在路上。

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