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太赫茲波被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的工具，可以在潛在的 6G 網(wǎng)絡(luò)中快速傳輸大量數(shù)據(jù)，并像 X 射線一樣穿透固體物質(zhì)——而且沒有危險的電離輻射。然而，事實證明，將這些想法真正付諸實踐非常困難?，F(xiàn)在，一個研究小組表示，他們正在利用一種可以將強(qiáng)大的太赫茲波放在芯片上的設(shè)備，讓太赫茲夢想更接近現(xiàn)實。

太赫茲波位于微波和遠(yuǎn)紅外光之間電磁波譜中被忽視的部分，通常在 0.1 到 10 太赫茲的范圍內(nèi)。除了能夠穿透許多材料之外，太赫茲波的頻率比無線電波更高，這使得它們能夠傳輸更多信息。太赫茲波的缺點是利用它們的物理條件具有挑戰(zhàn)性。它們很快就會被空氣中的水蒸氣吸收，在銅等常用的電子材料中會損耗，而且產(chǎn)生這些頻率的方法通常很大或只能以低功率產(chǎn)生它們。

由于硅和空氣的介電常數(shù)不同，在芯片中產(chǎn)生太赫茲波時，這個問題就很明顯了。介電常數(shù)是指材料集中電場的能力。當(dāng)波遇到介電常數(shù)不同的材料邊界時，一部分波會被反射，一部分會被透射。材料之間的對比度越大，反射越大。硅的介電常數(shù)為 11.9，遠(yuǎn)高于空氣 ，因此，太赫茲波會在硅和空氣的界面處反射。這會導(dǎo)致嚴(yán)重的信號損失。

一種解決方法是在芯片上放置硅透鏡以增強(qiáng)輻射功率，使太赫茲信號傳播得更遠(yuǎn)，但這些透鏡價格昂貴，并且可能比芯片本身還要大。

利用圖案化薄片增強(qiáng)太赫茲波

為了克服這一限制，麻省理工學(xué)院的研究人員采用了不同的方法。他們沒有使用透鏡，而是在芯片背面貼上一種特殊圖案的薄片，以增強(qiáng)電磁波從硅到空氣的傳輸。薄片上有許多孔，一部分是硅，一部分是空氣，介電常數(shù)介于硅和空氣之間，使大多數(shù)波可以透射而不是反射。研究人員實現(xiàn)了他們所說的比現(xiàn)有設(shè)備更高的輻射功率，而且沒有使用硅透鏡。

在 2 月底于舊金山舉行的IEEE 國際固態(tài)電路會議上，該團(tuán)隊在論文和幻燈片中概述了太赫茲輻射器設(shè)備如何整合片上放大器-倍增器鏈陣列、倍增器和寬帶蝴蝶結(jié)形槽線天線。所有這些加起來形成了一個可產(chǎn)生 232 至 260 千兆赫輻射的系統(tǒng)。

除了介電片之外，該芯片還采用了高功率英特爾晶體管，擊穿電壓為 6.3 伏，最大頻率為 290 GHz，高于傳統(tǒng)CMOS晶體管。該團(tuán)隊稱，該芯片安裝在一塊 51 x 40 毫米的印刷電路板上，介電匹配片暴露在背面，測得的峰值輻射功率為 11.1 分貝毫瓦，高于 200 至 300 GHz 頻段的同類設(shè)備。

麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系研究生表示，介電片并不是一個新概念，但 CMOS 太赫茲源是其應(yīng)用的理想場景。

該輻射器成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括高分辨率雷達(dá)成像、寬帶無線傳輸和更好的醫(yī)學(xué)成像。

“主要挑戰(zhàn)是溫度和電流密度管理。目前，電路在相對極端的條件下運(yùn)行，這縮短了晶體管的壽命，”他說。

“此外，如果我們將系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大到大型 CMOS 陣列，熱管理將成為一個關(guān)鍵問題，”他補(bǔ)充道?！斑@需要更精致的散熱器和風(fēng)扇設(shè)計。不過，我們預(yù)計這些挑戰(zhàn)可以在未來兩到四年內(nèi)得到有效解決?！?/p>

加州大學(xué)洛杉磯分校電氣與計算機(jī)工程學(xué)教授莫娜·賈拉希 雖然未參與這項研究，但她稱這是高頻電子領(lǐng)域的“一項突破性成就”。

Jarrahi 表示:“這一顯著進(jìn)步不僅突破了太赫茲領(lǐng)域 CMOS 技術(shù)的極限，而且還實現(xiàn)了高輸出功率、低成本和緊湊集成的空前組合。”

“將這種出色的性能擴(kuò)展到更高的太赫茲頻率仍然是許多研究人員正在應(yīng)對的挑戰(zhàn)。晶體管的截止頻率、器件寄生和互連損耗等物理限制是更高頻率操作的主要制約因素。”

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