麻省理工Ruonan Han團隊Huzhi和王成兩位博士生（以下簡稱MIT團隊）在今年2月IEEE Journal of Solid-State Circuits發表文章《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》，報道其在太赫茲成像芯片領域取得的最新進展。

在240GHz中心工作頻率，MIT團隊采用65nmCMOS工藝實現了32像素超外差接收機陣列、靈敏度fW量級、整個陣列面積僅1.2mm²。該陣列性能比較如下：

表一：MIT團隊4x8超外差接收機陣列性能比較表，來自《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》

該超外差接收機陣列核心特點是采用了分布式本振鏈路設計，突破了陣列擴展性和超外差本振鏈路制約的矛盾，與此同時實現了片上鎖相功能。成功構建了具有強大擴展能力的相干陣列芯片。

以下是系統結構圖：

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

圖二：MIT團隊4x8超外差接收機陣列外形圖（來自 《A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking》）

MIT團隊在芯片級的突破給太赫茲被動成像產業化帶來了新的曙光，目前太赫茲被動成像系統廠商不完全統計如下表：

圖三：太赫茲被動成像系統廠商列表（數據可能有誤僅供參考）

最早出現的直檢式接收機來源于宇航輻射計技術。在上個世紀六十年代金星探測計劃中，NASA首次在水手2號部署了K波段雙通道輻射計。由JPL領銜設計的這套雙通道直檢式接收機不負眾望，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（接收機）在宇航中的應用拉開序幕,逐漸成為紅外、可見光之外宇航探測的標準配置。

圖四：首套微波輻射計外形和結構圖（來自NASA）

但直檢式方案先天缺陷在于無法探測相位信息，同時高頻率沒有商用的低噪聲放大器可以提高探測靈敏度。所以面對高靈敏度、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ESA和NASA在ICECUBE、普朗克、哨兵、MetOp-SG、JUICE等多顆衛星采用不同機理(肖特基二極管、SIS、HEB等) 研制的超外差接收機已經覆蓋了毫米波到中紅外頻段（STO2望遠鏡采用4.8THz接收）。

圖五：JUICE木星探測器600GHz輻射計和STO2望遠鏡1.4/1.9THz四通道陣列（來自LERMA和Delft大學）

但是陽春白雪的宇航技術在轉化為的商用系統時，水土不服出現了。英國盧瑟福實驗室將宇航級太赫茲接收機技術授權給THRUVISION公司商業化，THRUVISION的TS系列被動成像系統（前后成像）單價超過200萬人民幣。要實現工業化成像市場所必須的魚和熊掌兼得，高靈敏的芯片陣列將是必經之路。

目前TI、英飛凌等芯片巨頭正忙于在24/77GHz汽車雷達芯片上推陳出新，更高頻率的主被動成像芯片級產品仍乏善可陳。國內芯片巨頭中電13所在奮力追趕近十年后終于在W波段接收機芯片獲得突破，性能指標不遜于法國OMMIC、德國GOTMIC而單價卻降到萬元以下。而基于CMOS技術的大規模陣列芯片有望將單價再降低一個數量級。

MIT團隊在芯片級的突破必會讓太赫茲技術更快的出現在我們的衣食住行中。太赫茲技術產業化和商用化已在路上。

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