作者：Gina Roos，主編

麻省理工學院的研究人員開發了一種亞太赫茲輻射接收系統或陣列，可用于補充自動駕駛汽車中使用的基于紅外的 LiDAR 成像系統。麻省理工學院表示，基于光的圖像傳感器通常在霧氣等極端環境條件下遇到問題，而電磁光譜上的微波和紅外輻射之間的亞太赫茲波長可以通過霧氣和塵埃云檢測到。

以下是亞太赫茲成像系統的工作原理：“為了檢測物體，亞太赫茲成像系統通過發射器發送初始信號；然后接收器測量反射的亞太赫茲波長的吸收和反射。這會將信號發送到重新創建對象圖像的處理器。”

然而，麻省理工學院表示，將亞太赫茲傳感器應用到車輛中存在一些挑戰。其中包括需要從接收器到處理器的強輸出基帶信號。問題在于，許多現有的分立元件解決方案體積大且價格昂貴，而且較小的片上傳感器陣列會產生微弱的信號。

麻省理工學院的研究人員在 IEEE Journal of Solid-State Circuits 發表的一篇論文中表示，他們開發了一種“芯片上的二維、亞太赫茲接收陣列，其靈敏度要高幾個數量級”，因此它可以在具有大量信號噪聲的環境中捕獲和解釋亞太赫茲波長。

圖片：麻省理工學院。

該論文的作者是麻省理工學院微系統技術實驗室（MTL）電氣工程和計算機科學副教授、太赫茲集成電子組主任韓若楠，以及博士胡志和王成。 韓氏課題組電氣工程與計算機科學系的學生。

“這項工作的一個重要動機是為自動駕駛汽車和無人機提供更好的‘電眼’，”韓在一份新聞稿中說。“當環境惡劣時，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器將與 LiDAR 起到補充作用。”

麻省理工學院表示，接收陣列基于外差探測器，這是一種獨立的信號混合像素方案，通常難以密集集成到芯片中。然而，研究人員能夠縮小探測器的尺寸，以將其中的許多探測器安裝在芯片上。

該論文稱，“外差傳感器將輸入信號與強本地振蕩器 (LO) 信號混合，能夠產生比平方律檢測器更高的基帶輸出和靈敏度”，從而解決了對強輸出基帶的需求信號。

麻省理工學院表示，該設計的核心是單個像素，即“外差”像素，它產生兩個傳入的亞太赫茲信號和本地振蕩之間的頻率差，本地振蕩是一種改變輸入頻率頻率的電信號。這就是產生兆赫茲范圍內的信號的原因，該信號可由基帶處理器解釋。

輸出信號計算物體的距離，類似于激光雷達的工作原理。像素陣列的輸出信號使場景的高分辨率圖像能夠用于檢測和識別物體。

麻省理工學院表示，該原型是一個集成在 1.2-mm 2器件上的 32 像素陣列，其 靈敏度比當今片上亞太赫茲陣列傳感器的像素提高了約 4,300 倍。

麻省理工學院表示，外差像素陣列只有在來自所有像素的本地振蕩信號同步時才能工作，從而引導設計人員采用分散式設計來解決可擴展性問題。麻省理工學院表示，隨著陣列擴大，每個像素共享的功率會降低，這會降低取決于本地振蕩信號功率的輸出基帶信號強度。這意味著每個像素產生的信號可能很弱，導致靈敏度低。

在分散式設計中，每個像素生成自己的本地振蕩信號，用于接收和下混輸入信號。集成耦合器同步其自身的本地振蕩，為每個像素提供更多輸出功率。在這種設計中，每個像素都提供高靈敏度。

缺點是每個像素的占用空間要大得多，這對高密度陣列設計來說是一個挑戰。因此，研究人員將天線、下混頻器、振蕩器和耦合器組件組合成每個像素的單個組件，從而實現“32 像素的分散設計”，麻省理工學院表示。鎖相環（鎖定到 75MHz 參考）確保 32 個本地振蕩信號穩定。

“我們為芯片上的[分散]設計設計了一個多功能組件，并結合了一些離散結構來縮小每個像素的大小，”胡說。“即使每個像素執行復雜的操作，它仍然保持其緊湊性，因此我們仍然可以擁有大規模的密集陣列。”

審核編輯 黃昊宇