麻省理工240GHz相干接收机4x8阵列芯片

麻省理工Ruonan Han团队Huzhi和王成两位博士生（以下简称MIT团队）在今年2月IEEE Journal of Solid-State Circuits发表文章《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》，报道其在太赫兹成像芯片领域取得的最新进展。

在240GHz中心工作频率，MIT团队采用65nmCMOS工艺实现了32像素超外差接收机阵列、灵敏度fW量级、整个阵列面积仅1.2mm²。该阵列性能比较如下：

表一：MIT团队4x8超外差接收机阵列性能比较表，来自《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》

该超外差接收机阵列核心特点是采用了分布式本振链路设计，突破了阵列扩展性和超外差本振链路制约的矛盾，与此同时实现了片上锁相功能。成功构建了具有强大扩展能力的相干阵列芯片。

以下是系统结构图：

图一：传统集中式本振架构左图和分布式本振架构右图（来自《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》）

图二：MIT团队4x8超外差接收机阵列外形图（来自 《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》）

MIT团队在芯片级的突破给太赫兹被动成像产业化带来了新的曙光，目前太赫兹被动成像系统厂商不完全统计如下表：

图三：太赫兹被动成像系统厂商列表（数据可能有误仅供参考）

最早出现的直检式接收机来源于宇航辐射计技术。在上个世纪六十年代金星探测计划中，NASA首次在水手2号部署了K波段双通道辐射计。由JPL领衔设计的这套双通道直检式接收机不负众望，成功穿透高温高压的金星大气层获取了金星表面温度。自此微波辐射计（接收机）在宇航中的应用拉开序幕,逐渐成为红外、可见光之外宇航探测的标准配置。

图四：首套微波辐射计外形和结构图（来自NASA）

但直检式方案先天缺陷在于无法探测相位信息，同时高频率没有商用的低噪声放大器可以提高探测灵敏度。所以面对高灵敏度、高分辨率的成像要求，太赫兹超外差方案自然成为不二之选。近年来ESA和NASA在ICECUBE、普朗克、哨兵、MetOp-SG、JUICE等多颗卫星采用不同机理(肖特基二极管、SIS、HEB等) 研制的超外差接收机已经覆盖了毫米波到中红外频段（STO2望远镜采用4.8THz接收）。

图五：JUICE木星探测器600GHz辐射计和STO2望远镜1.4/1.9THz四通道阵列（来自LERMA和Delft大学）

但是阳春白雪的宇航技术在转化为的商用系统时，水土不服出现了。英国卢瑟福实验室将宇航级太赫兹接收机技术授权给THRUVISION公司商业化，THRUVISION的TS系列被动成像系统（前后成像）单价超过200万人民币。要实现工业化成像市场所必须的鱼和熊掌兼得，高灵敏的芯片阵列将是必经之路。

目前TI、英飞凌等芯片巨头正忙于在24/77GHz汽车雷达芯片上推陈出新，更高频率的主被动成像芯片级产品仍乏善可陈。国内芯片巨头中电13所在奋力追赶近十年后终于在W波段接收机芯片获得突破，性能指标不逊于法国OMMIC、德国GOTMIC而单价却降到万元以下。而基于CMOS技术的大规模阵列芯片有望将单价再降低一个数量级。

MIT团队在芯片级的突破必会让太赫兹技术更快的出现在我们的衣食住行中。太赫兹技术产业化和商用化已在路上。

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