太赫兹通信技术作为敲开未来6G高速通信的关键钥匙,已成为通信与信息科学领域需求导向的重大科学问题研究方向之一。太赫兹直接调制技术有望实现高速大容量数据传输以及波束的快速捷变和扫描,对于推动太赫兹通信以及成像等系统实现应用有着重要作用。而大功率容量的太赫兹源、高性能的调制器件等诸多核心器件已成为太赫兹应用领域最核心、最亟待解决的关键技术。此外,面向实际应用的太赫兹系统,对模块的集成小型化提出了新的要求。本文主要围绕基于直接调制方式的太赫兹通信关键性器件展开研究,旨在推动国内太赫兹高速通信的发展以及为太赫兹关键性器件的集成小型化提供良好的技术支撑。本论文的主要工作与创新点如下:（1）针对大功率容量的太赫兹倍频源存在二极管结温升高导致模型不够准确的问题,本文在传统Spice模型的基础上引入了温度因子并对非线性结参数方程进行了修正,从而建立了太赫兹频段下基于热效应的肖特基二极管SDD（Symbolically Defined Devices）非线性模型,基于该模型开展了偶数对多管芯级联的太赫兹单片集成二倍频器的研究。通过研究二极管单片物理结构与寄生参数的关系,分别自主设计了适应0.17 THz和0.34 THz一体化的偶数对多管芯二极管单片物理模型以及外围匹配电路,成功研制了0.17 THz和0.34 THz偶数对多管芯的单片集成二倍频器。实验测试结果表明,8管芯的0.17 THz二倍频器在承受300 m W输入功率下,最大输出功率达到82 m W;6管芯的0.34 THz二倍频器在输入功率约120 m W下,最大输出功率为20 m W,最高倍频效率为17.4%。相较于传统的Spice仿真模型,SDD模型整体平均吻合度分别提升了61%和50%,验证了SDD非线性模型的可靠性。该项成果有效促进了国内高功率太赫兹单片集成倍频源技术的发展。（2）基于太赫兹肖特基二极管非线性模型,在国内现有太赫兹单片集成工艺下,研究了基于腔体集成化与片上集成化的太赫兹两级倍频电路,研制了0.34 THz腔体集成化的2×2太赫兹倍频器,实现了国产太赫兹前端倍频源的集成小型化。为了紧凑地将两级倍频芯片集成在腔体内部并且实现级间阻抗匹配,提出采用了分布式等效电路的匹配方法,将整体倍频电路分解为若干个子单元电路模型,通过全功率有源仿真优化了级间匹配波导结构。实验结果表明,在输入功率约300 m W下,0.334THz～0.343 THz频段内整体输出功率在8 m W以上;在0.32 THz频点输出功率最大为14.1 m W,倍频效率达到5%,与仿真结果基本一致。开展了0.34 THz片上化单片集成的两级倍频器方案研究,通过优化两级倍频二极管管芯数目实现了单片集成芯片一体化馈电,同时采用宽微带枝节结构对第二级倍频芯片进行匹配优化实现了级间谐波隔离,仿真结果验证了片上集成化2×2倍频器方案设计的可行性。（3）从空间阵列型人工微结构对太赫兹波幅度或相位的调控入手,通过仿真研究与实验测试,验证了太赫兹相位可重构的平面透镜结构实现焦距可调。在此基础上,创新将肖特基二极管电子输运、人工微结构电磁谐振特性以及片上太赫兹波传输模式三者相互结合,提出将鳍线与嵌套肖特基二极管的微结构单元结合的片上太赫兹高速调制超构芯片结构,研究了基于0.34 THz片上谐振微结构单元复合肖特基二极管对太赫兹波幅度的调制机理,提出物理场谐振模式结合电路匹配的设计思想,研制出低插入损耗、高开关比的太赫兹幅度高速调制芯片。动态测试下,调制速率在27 GHz以内,平坦度整体相对较好,最高数据传输速率可达25 Gbps;基于该调制超构芯片的太赫兹直接调制通信系统实现了4K视频传输,验证了所研制的超构芯片具有良好的性能。（4）在太赫兹直接调制关键性电路突破的基础上,提出了一种基于肖特基二极管的太赫兹（2×2）两级倍频结合调制的固态集成化电路方案,并研制了0.34 THz倍调一体的集成化小型模块。该模块将倍频功能与调制功能芯片在腔体内部集成,通过仿真研究,优化整体结构,解决了级间芯片阻抗匹配的问题。实验测试证明倍调一体模块在0.330～0.343 THz频带内实现了输出功率的动态调控,开关比达到了20 d B,与仿真结果在趋势上基本一致;对单音正弦波信号,测试到调制速率为25GHz;加载数字基带信号时,在0.34 THz载频下实现了20 Gbps高速数据传输。实验验证了倍调一体模块具备了输出功率可调及高速数据传输能力。