高頻天線技術(shù)與應(yīng)用前沿報(bào)告

1、 高頻天線技術(shù)與應(yīng)用前沿報(bào)告 本報(bào)告分析了高頻天線的全球發(fā)展態(tài)勢(shì)和我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)天線的趨向高頻化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)和技術(shù)預(yù)見(jiàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，探討了高頻天線在太赫茲通信領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，提出了技術(shù)和產(chǎn)業(yè)政策建議。一、 研究概述天線作為無(wú)線電通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)和太空探索等系統(tǒng)中不可缺少的裝置，承擔(dān)著通信系統(tǒng)收發(fā)信號(hào)的重要作用。作為整個(gè)系統(tǒng)中最前端的組成部分，所有通信數(shù)據(jù)都需要通過(guò)天線來(lái)進(jìn)行傳輸，因此天線性能的好壞直接影響著整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和深空探測(cè)作為無(wú)線通信的重要領(lǐng)域，是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)，天線在其中扮演著重要的角色。在軍事方面，高質(zhì)量的天線能夠更好地保障軍事作戰(zhàn)任務(wù)的成

2、功。如今，信息化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，對(duì)于天線技術(shù)的發(fā)展也提出了更高的要求。通信系統(tǒng)不斷向更高頻段、更大帶寬進(jìn)行發(fā)展，要求天線技術(shù)不斷向高頻段演進(jìn)。目前，天線設(shè)計(jì)逐漸趨于系統(tǒng)化和復(fù)雜化，以應(yīng)對(duì)多頻段、多波束、高頻段等需求。天線的形式也多種多樣，包括貼片天線、喇叭天線、透鏡天線、反射面天線等。為了應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，大規(guī)模 MIMO 技術(shù)、同頻全雙工技術(shù)、超帶寬低復(fù)雜度信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)機(jī)構(gòu)和空口的優(yōu)化等技術(shù)也逐漸涌現(xiàn)出來(lái)。本報(bào)告通過(guò)分析天線技術(shù)在全球發(fā)展的態(tài)勢(shì)和國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)天線技術(shù)的現(xiàn)狀和技術(shù)預(yù)見(jiàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，探討了高頻天線技術(shù)研究過(guò)程中會(huì)遇到的工程難題，并對(duì)產(chǎn)業(yè)政策提出建議。

3、二、 全球發(fā)展態(tài)勢(shì)(一) 系統(tǒng)熱點(diǎn)分布傳統(tǒng)微波通常被認(rèn)為是頻率在 300MHz 以上的電磁波，隨著移動(dòng)通信 5G、6G 以及空間通信技術(shù)的發(fā)展，毫米波和太赫茲波的應(yīng)用已經(jīng)是必然的趨勢(shì)，天線與射頻技術(shù)正在向更高的頻段演進(jìn)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到軍事、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各個(gè)方面。在眾多應(yīng)用方面中，移動(dòng)通信由于其快速的發(fā)展和變革，被認(rèn)為是最新興和最有前景的領(lǐng)域之一。未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（如 5G 和 6G，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線 LANS，大型數(shù)據(jù)中心以及芯片內(nèi)/芯片間通信）對(duì)高容量鏈路的需求正在增加。這要求射頻技術(shù)向能滿足更大帶寬的頻段發(fā)展。(二) 頻率分布及分析未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，不僅要針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，還

4、要面對(duì)點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。以目前最受關(guān)注的 5G 通信為例，與 4G 相比，5G 頻譜效率需要提升 515 倍，能量效率和成本效率提升百倍以上，5G 的容量預(yù)計(jì)是 4G 的 1000 倍。這使得通信網(wǎng)絡(luò)需要更寬的頻譜帶寬。目前情況下，6GHz 以下頻率資源匱乏，很難找到連續(xù)的大帶寬滿足 5G 系統(tǒng)需求。移動(dòng)通信行業(yè)的目光因此開(kāi)始向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻段開(kāi)始成為移動(dòng)通信發(fā)展的重要研究方向。ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）-RWP5D 為5G 定義了 eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、uRLLC（高可靠低時(shí)延）、mMTC（海量機(jī)器類通信）三大場(chǎng)景，如圖 1 所示。其中 eMBB 場(chǎng)景是速率的提升，主要應(yīng)對(duì)密集城區(qū)、室內(nèi)

5、熱點(diǎn)等大流量場(chǎng)景；uRLLC 場(chǎng)景是降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，主要應(yīng)用于無(wú)人駕駛、智能工廠等低時(shí)延場(chǎng)景；mMTC 場(chǎng)景是海量大連接，對(duì)應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)等海量機(jī)器類通信的場(chǎng)景。為達(dá)到上述愿景，5G 頻率將涵蓋低、中、高頻段：6GHz 以下的中、低頻段覆蓋能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，滿足高可靠低時(shí)延場(chǎng)景和海量機(jī)器類通信場(chǎng)景；6GHz 以上的高頻段擁有連續(xù)大帶寬，滿足增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶場(chǎng)景，如圖 2 所示1。國(guó)際來(lái)看，為搶占市場(chǎng)先機(jī)，美國(guó)、歐盟、韓國(guó)等全球主要國(guó)家紛紛制定 5G 頻譜政策，針對(duì)高頻頻譜進(jìn)行了分配，如表 1 所示2。(三) 高頻天線關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)1. 大規(guī)模 MIMO 技術(shù)大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，也稱為多

6、天線技術(shù)，已經(jīng)在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如 4G，在人們的日常生活中，MIMO 技術(shù)主要用于通信網(wǎng)絡(luò)和 WIFI 熱點(diǎn)。從理論可知，天線的數(shù)量對(duì)通信系統(tǒng)的頻率效率、傳輸速率和可靠性都有直接影響，為了保證未來(lái) 5G 系統(tǒng)的通信服務(wù)質(zhì)量，5G 基站配備了大量的天線，提高了 5G 通信頻譜效率。同時(shí)，采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)使通信波束集中在規(guī)劃范圍內(nèi)，有效地避免了信號(hào)在不同區(qū)域（均為 5G）之間的干擾問(wèn)題，可以大大降低通信的傳輸功率。最后，大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和通信系統(tǒng)的能力，幫助電信運(yùn)營(yíng)商充分利用現(xiàn)有的基站地址和頻譜資源，這為 5G 通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)提供

7、了巨大的資源放大的便利4。但大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的實(shí)施依然建立在基站的基礎(chǔ)上，而在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，多數(shù)都忽視了導(dǎo)頻數(shù)目缺乏帶來(lái)的不良影響，即導(dǎo)頻污染，對(duì)大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的容量性能造成嚴(yán)重影響。基于對(duì)這個(gè)問(wèn)題的考慮，有專家認(rèn)為可以對(duì)大規(guī)模 MIMO技術(shù)服務(wù)的用戶進(jìn)行分類，以此達(dá)到所需的導(dǎo)頻支出的目的。2. 同頻全雙工技術(shù)未來(lái)使用 5G 移動(dòng)通信技術(shù)，除了要求有高水平的頻譜資源支撐外，還需要對(duì)頻譜資源進(jìn)行全面細(xì)致的分析，這就需要使用同頻全雙工技術(shù)。同頻全雙工技術(shù)是目前最為有效的挖掘手段，性能較高，因此應(yīng)用逐漸普遍。在 4G 網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行頻譜資源的挖掘分析主要是采用 FDD 和 TDD

8、兩種方式，但可挖掘的頻譜資源有限，5G 時(shí)期，需要加強(qiáng)對(duì)同頻全雙工技術(shù)的應(yīng)用，挖掘更多的頻譜資源，為 5G 網(wǎng)絡(luò)的搭建奠定基礎(chǔ)。同頻全雙工技術(shù)不僅對(duì)于頻譜資源的挖掘效率高，對(duì)于傳輸效率也能穩(wěn)定提升，可以滿足未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的通信需求。但是目前研究中發(fā)現(xiàn)，同頻全雙工技術(shù)在使用時(shí)存在一個(gè)很大的問(wèn)題就是在同頻段接受時(shí)形成的干擾較大，會(huì)影響該技術(shù)性能的發(fā)揮。基于此，有研究人員提出兩種解決方案：一是使用模擬域自干擾技術(shù)，該技術(shù)可以在射頻電路中形成抵消信號(hào)，在自干擾信號(hào)較弱時(shí)，可以有效進(jìn)行消除；但如果自干擾信號(hào)較強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)信息傳輸滯后問(wèn)題。對(duì)于同頻全雙工技術(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，本技術(shù)單獨(dú)使用難以滿足需求。二是使用數(shù)字

9、域自干擾消除技術(shù)，是利用消除算法排除干擾，還可以與模擬域自干擾技術(shù)合用，消除干擾信號(hào)，本技術(shù)更加高效方便，但局限性也較強(qiáng)，會(huì)受到發(fā)射通道的影響5。3. 毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)上文可以看出，5G 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要系統(tǒng)支持更多的頻譜資源，尤其是速度快和容量大的頻譜資源。而利用毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)，可以提供更多的頻譜資源，實(shí)現(xiàn)速度快和容量大的頻譜資源的傳輸。因此，毫米波段也是國(guó)內(nèi)外對(duì)于 5G 乃至下一代移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn)。但在毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要注意幾個(gè)問(wèn)題：一是該技術(shù)的應(yīng)用不適合采用接頭方式，需要實(shí)現(xiàn)毫米波前端天線有源和無(wú)源的一體化，以提高連接效果；二是毫米波前端波長(zhǎng)較小，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

10、過(guò)程和具體環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要將毫米波頻段與中頻子系統(tǒng)分離，這樣可以提高通信的穩(wěn)定性。這就對(duì)高頻天線的設(shè)計(jì)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。因此，本文接下來(lái)將對(duì)高頻天線的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)以及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行討論。4. 超寬帶低復(fù)雜度信號(hào)處理在 B5G/6G 時(shí)代中，毫米波、太赫茲通信有望使得 100 Gbit/s 甚至 1 Tbit/s 的高速通信成為可能，這要求模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣率隨著通信帶寬的增大而增大。然而，要制造出滿足低功耗、小尺寸和高帶寬要求的 ADC 越來(lái)越困難。為了解決這一問(wèn)題，采用低分辨率 ADC 進(jìn)行量化和 ADC 時(shí)間交織技術(shù)都是值得研究的方向。5. 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和空口

11、的優(yōu)化未來(lái)，隨著高頻毫米波、太赫茲技術(shù)在不同通信場(chǎng)景中的廣泛應(yīng)用，毫米波、太赫茲環(huán)境下的無(wú)線通信組網(wǎng)必將成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)目前的研究，與低頻段相比，高頻毫米波、太赫茲頻段的波束相對(duì)較窄，波束的覆蓋范圍有限，且性能易受障礙物、路損，以及天氣變化影響；因此，由全向天線實(shí)現(xiàn)的全向組網(wǎng)技術(shù)不能滿足快速查找網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、完成全向組網(wǎng)和節(jié)約系統(tǒng)能耗的要求，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化。三、 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀(一) 系統(tǒng)熱點(diǎn)分布5G 時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，由于以華為、中興為代表的公司對(duì)技術(shù)不斷的探索，我國(guó)在 5G 領(lǐng)域向世界證明了中國(guó)技術(shù)的重要性。未來(lái)，5G技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到更多的高精尖領(lǐng)域當(dāng)中并且同這些技術(shù)進(jìn)行融合，從而進(jìn)一步

12、提升整體的通信質(zhì)量，使人們對(duì)于通信的需求得到最大限度的滿足。2019 年 11 月 3 日，科技部會(huì)同發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、中科院、自然科學(xué)基金委在北京組織召開(kāi) 6G 技術(shù)研發(fā)工作啟動(dòng)會(huì)。這也標(biāo)志著我國(guó)已將移動(dòng)通信的發(fā)展著眼于下一代更高頻段的通信技術(shù)。同時(shí)，相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)高頻段天線技術(shù)在軍事、農(nóng)業(yè)、天文學(xué)等各方面的應(yīng)用仍有一定差距，因此需要投入更多力量進(jìn)行研究。(二) 頻率分布及分析目前，國(guó)內(nèi)正處于 5G 通信持續(xù)發(fā)展階段。2018 年 12 月初，三大運(yùn)營(yíng)商均已獲得全國(guó)范圍內(nèi) 6GHz 以下 5G 中低頻段試驗(yàn)頻率的使用許可，2019 年 6 月 6 日工信部向中國(guó)電信、中國(guó)

13、移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通以及中國(guó)廣電發(fā)放了 5G 商用牌照，說(shuō)明目前國(guó)內(nèi) 6GHz 以下 5G 系統(tǒng)已經(jīng)從試驗(yàn)網(wǎng)向商用轉(zhuǎn)變。相對(duì)于 6GHz 以下頻段，5G 高頻波段落地應(yīng)用還有很多問(wèn)題有待解決和進(jìn)一步完善，如高頻器件性能、電磁兼容問(wèn)題、波束賦形和波束管理算法、鏈路特性等方面。目前，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商已累計(jì)建設(shè)開(kāi)通約 45 萬(wàn)座 5G 基站，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)用戶數(shù)量也達(dá)到一定規(guī)模，5G 通信已達(dá)到規(guī)模商業(yè)階段。而在 5G 通信基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)和擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更高的系統(tǒng)容量、更高的頻譜效率的 6G 通信技術(shù)必將是下一步研究的熱點(diǎn)，而研究也必將面向更高的頻段乃至太赫茲頻段進(jìn)行展開(kāi)。四、 技術(shù)預(yù)見(jiàn)(一) 高

14、頻天線研究現(xiàn)狀1. 天線形式1.1 天線特點(diǎn)從無(wú)源天線到有源天線系統(tǒng)：天線可能會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計(jì)）、定制化。因?yàn)槲磥?lái)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，我們需要根據(jù)周圍的場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會(huì)更加精細(xì)，而不是簡(jiǎn)單的覆蓋。5G 通信將會(huì)應(yīng)用高頻段，障礙物會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。天線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化：例如波束陣列（實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用）、多波束以及多/高頻段。這些都對(duì)天線提出了很高的要求，它會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)以及互相兼容的問(wèn)題，在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.2 天線舉例印刷或微型天線：基于貼片天線，印刷偶極子

15、和縫隙天線的納米天線陣列在太赫茲光譜應(yīng)用的太赫茲范圍內(nèi)得到了證明。這些天線陣列本質(zhì)上是窄帶，但 L 形探針饋電，U 形槽貼片和堆疊貼片等技術(shù)有助于這些天線陣列的寬帶設(shè)計(jì)。納米天線對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)施尤其有用，因?yàn)樗鼈兙哂谐叽缧『鸵子诩傻膬?yōu)點(diǎn)，如 6G 超快速通信場(chǎng)景。金屬天線：在金屬天線的情況下，喇叭天線是大多數(shù)太赫茲通信應(yīng)用的首選。喇叭天線可用作拋物面反射器天線的主饋源。反射器天線是一種高增益天線，人們對(duì)在太赫茲范圍內(nèi)使用它感興趣。由于太赫茲區(qū)域的超窄波長(zhǎng)，制造過(guò)程中需要高精度的表面光潔度，這會(huì)增加成本。具有拋物面反射器的喇叭可用于固定寬帶無(wú)線接入應(yīng)用，其中可集成性不是主要關(guān)注點(diǎn)。基于石墨烯的

16、等離子體天線：在基于石墨烯的等離子體天線中研究動(dòng)態(tài)摻雜效應(yīng)。介電諧振器天線采用芯片制造技術(shù)，效率高達(dá) 801011。石墨烯是一種納米材料，在 2004 年通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，厚度是一個(gè)原子。碳納米管和石墨烯納米帶是石墨烯的衍生物?；?Yagi Uda石墨烯天線的 MIMO 天線也可以制成可重新配置的配置。與傳統(tǒng)的微制造天線相比，基于石墨烯的納米等離子體天線具有相對(duì)小的尺寸。這些天線的范圍從幾十納米到幾微米，可以很容易地集成到納米機(jī)器和通信系統(tǒng)中。當(dāng)這些納米等離子體天線響應(yīng)可以通過(guò)材料摻雜來(lái)調(diào)整時(shí)，使用基于石墨烯的天線產(chǎn)生新的機(jī)會(huì)領(lǐng)域。兩大類新體制天線技術(shù)：包括基于耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)的緊耦合終端天線

17、；基于超材料（超表面）的 MIMO，Massive MIMO 天線陣耦合減小及性能提升技術(shù)。襯底集成天線（substrate integrated antenna，即 SIA）、把天線設(shè)計(jì)在封裝(package integrated antenna，即 PIA 或 AIP)。1.3 5G 高頻天線集成技術(shù)傳統(tǒng)的有源相控陣天線，當(dāng)應(yīng)用平臺(tái)或者功能項(xiàng)目變化需要擴(kuò)大或者縮小陣列天線的口徑時(shí)，除了要增加或減少 T/R 組件的數(shù)量，還需要重新設(shè)計(jì)相控陣其他分系統(tǒng)，以適應(yīng)射頻、中頻、數(shù)字信號(hào)與電源接口數(shù)量以及負(fù)荷能力的變化。因此，具有模塊化、通用化和擴(kuò)展性能的天線集成技術(shù)得到迅速發(fā)展。這技術(shù)以子陣模塊（單

18、元模塊）為基本單元，通過(guò)封裝多個(gè)相控陣天線通道，集成相控陣其他分系統(tǒng)（如波束形成與幅相校正網(wǎng)絡(luò)，電源、波束控制、頻率源、波形產(chǎn)生等）的部分功能，大幅度減少接口的類型與數(shù)量。天線集成技術(shù)可分為三種形式：1) 封裝天線封裝天線（Antenna in Package, AIP）是基于封裝材料與工藝將天線與芯片集成在封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)無(wú)線功能的一門技術(shù)。它是在一個(gè)單獨(dú)基板上實(shí)現(xiàn)的，該基板可以專門用輻射元件及其饋送線，也可以起到包裝收發(fā)器零件和異構(gòu)集成的作用。出于這個(gè)原因，AIP 設(shè)計(jì)在毫米波收發(fā)器的三維集成場(chǎng)景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時(shí)提供一個(gè)額外的自由度，用來(lái)選擇低介電常數(shù)和高電阻率的襯底。它具有模塊化設(shè)

19、計(jì)，方便使用，設(shè)計(jì)自由度高的優(yōu)點(diǎn)。2) 外部天線外部天線（Antenna on Board, AOB）技術(shù)是將天線直接做在 PCB基板上，毫米波的前端芯片集成在另外一面。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省連接器，采用成熟的 PCB 材料和 SMT 工藝降低成本。其缺點(diǎn)是：PCB 為多層板，存在多階盲埋孔，加工復(fù)雜，PCB 很難做成對(duì)稱板，存在翹曲風(fēng)險(xiǎn)。3) 片上天線片上天線(Antenna on Chip, AOC）技術(shù)是通過(guò)半導(dǎo)體材料與工藝將天線與其他電路集成在同一芯片上，可以采用 CMOS 族技術(shù)進(jìn)行制造。優(yōu)點(diǎn)是，在一個(gè)大小僅為幾平方毫米的單一模塊上，沒(méi)有任何射頻互聯(lián)和所有射頻與基帶功能的相互集成。缺點(diǎn)是，硅基

20、 AOC 基板的高介電常數(shù)和低電阻率嚴(yán)重降低匹配帶寬和輻射效率。同時(shí)考慮到成本和性能，AOC 技術(shù)更適用于太赫茲頻段。2. 天線頻段3. 天線應(yīng)用場(chǎng)景5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)：5G 將融合高低頻技術(shù)，采用分層蜂窩網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高低搭配的全場(chǎng)景覆蓋。Sub6G 系統(tǒng)采用注塑模組振子、對(duì)稱 PCB 振子等組成 Massive MIMO，通過(guò)主動(dòng)波束賦形實(shí)現(xiàn)三扇區(qū)的廣播單波束和多波束覆蓋，同時(shí)通過(guò)用戶感知和波束反向賦形技術(shù)對(duì)用戶實(shí)時(shí)追蹤，提供連續(xù)廣域高速的業(yè)務(wù)覆蓋。另外為了解決 5G 與 2/3/4G 的融合問(wèn)題，采用前沿的 A+P 方案，利用智慧構(gòu)造天線技術(shù)，將 5G 模組天線和 2/3/4G 偶極子天

21、線融合，滿足自適應(yīng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)需求。5G 毫米波則采用多層貼片子陣與模數(shù)混合移相技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的蜂窩覆蓋，提供瞬時(shí)超高速通訊。目前毫米波天線正在向 AiP 和AOC 等前沿方向演進(jìn)，將天線器件化，實(shí)現(xiàn)與有源模塊一體封裝，組成 5G 毫米波通訊子細(xì)胞，為蜂窩層級(jí)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署提供支撐。THz 波段通信可以用于下一代小細(xì)胞，即作為分層蜂窩網(wǎng)絡(luò)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一部分12。太赫茲頻段將提供 10m 范圍內(nèi)的超高速數(shù)據(jù)。運(yùn)營(yíng)環(huán)境不論是靜態(tài)還是移動(dòng)用戶，室內(nèi)還是室外場(chǎng)景均可。太比特?zé)o線局域網(wǎng)（T-WLAN）：太赫茲頻帶通信在超高速有線網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫互連，例如，光纖鏈路和個(gè)人無(wú)線設(shè)備如筆記本電腦和

22、類似平板電腦的設(shè)備（無(wú)線和有線鏈路之間沒(méi)有速度差異）。這將便于靜態(tài)和移動(dòng)用戶在室內(nèi)使用帶寬密集型應(yīng)用程序1314。太比特?zé)o線個(gè)域網(wǎng)（T-WPAN）：THz 頻段通信可以實(shí)現(xiàn)近距離設(shè)備之間的 Tbps 鏈路。操作環(huán)境主要是室內(nèi)，通常在桌面上。具體應(yīng)用包括多媒體信息亭和超高速信息個(gè)人設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。例如，將藍(lán)光光盤的等效內(nèi)容傳輸?shù)筋愃破桨咫娔X的設(shè)備可能需要不到一秒的時(shí)間15。安全太比特?zé)o線通信：太赫茲頻段還可以在軍事和國(guó)防領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超寬帶安全通信鏈路。THz 波段頻率的非常高的大氣衰減和使用非常大的天線陣列來(lái)克服有限的通信距離導(dǎo)致非常窄，幾乎是銳利的波束，極大地限制了竊聽(tīng)概率。擴(kuò)頻技術(shù)也可用于超

23、寬帶信道帶寬以防止和克服常見(jiàn)的干擾攻擊16。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：血液中的鈉，葡萄糖和其他離子，膽固醇、癌癥生物標(biāo)志物或不同傳染因子的存在可以通過(guò)納米級(jí)傳感器監(jiān)測(cè)17。幾個(gè)納米傳感器分布在身體周圍，定義了人體納米傳感器網(wǎng)絡(luò)?？捎糜谑占嘘P(guān)患者健康的相關(guān)數(shù)據(jù)。這些納米傳感器與微型設(shè)備（如手機(jī)或微型設(shè)備）之間的無(wú)線接口可以使用專門的醫(yī)療設(shè)備收集所有這些數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給醫(yī)療保健提供者。核，生物和化學(xué)防御：化學(xué)和生物納米傳感器可用于以分布式方式檢測(cè)有害化學(xué)品和生物武器18。使用納米傳感器而不是傳統(tǒng)化學(xué)傳感器的主要好處之一是，化學(xué)復(fù)合物的存在可以在低至一個(gè)分子的濃度下檢測(cè)，并且比傳統(tǒng)的微量傳感器快得多。然而，考

24、慮到這些傳感器需要與分子直接接觸，需要具有非常多納米傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)分布式光譜學(xué)，無(wú)線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)將能夠收斂分子的信息在非常短的時(shí)間內(nèi)在宏觀設(shè)備的特定位置組成空氣。納米物聯(lián)網(wǎng)：納米級(jí)機(jī)器與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和最終互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)定義了一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò)，被稱為納米物聯(lián)網(wǎng)（IoNT）的物理系統(tǒng)12。IoNT 使新的有趣應(yīng)用程序能夠影響我們的工作方式。 例如，在互連的辦公室中，納米收發(fā)器和納米天線可以嵌入在每個(gè)對(duì)象中，以允許它們永久連接到 Internet。結(jié)果，用戶可以毫不費(fèi)力地跟蹤其所有專業(yè)和個(gè)人物品。超高速片上通信：THz 頻段可以在無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)中提供高效且可擴(kuò)展的核心間通信方式，通過(guò)使用平面納米

25、天線來(lái)創(chuàng)建超高速鏈路。這種新穎的方法通過(guò)其高帶寬和極低的面積開(kāi)銷有望滿足區(qū)域約束和片上通信密集型的嚴(yán)格要求。更重要的是，使用基于石墨烯的 THz波段通信將在核心層面提供固有的多播和廣播通信能力。(二) 高頻天線應(yīng)用-太赫茲通信太赫茲通信是一個(gè)極具應(yīng)用前景的技術(shù)，THz 波有非常寬的還沒(méi)分配的頻帶，并且具有速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好等許多特性，THz 通信將給通信系統(tǒng)帶來(lái)巨大的技術(shù)進(jìn)步。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)太赫茲技術(shù)在通信方面的應(yīng)用都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從 THz 源到 THz 傳輸、THz 調(diào)制方式、THz 探測(cè)技術(shù)等方面國(guó)內(nèi)均取得了較大的突破。為解決傳輸距離的問(wèn)題，太赫茲源經(jīng)

26、歷了半導(dǎo)體太赫茲波輻射源、光學(xué)和光子學(xué)太赫茲輻射源、真空電子學(xué)太赫茲波輻射源，目前在 300GHz 頻率段可以達(dá)到瓦級(jí)功率，基本可滿足使用需求；為保證高傳輸速率和低誤碼率，出現(xiàn)了光子晶體、超材料、相變材料、HEMT 結(jié)構(gòu)、石墨烯等類型 THz 調(diào)制器，它們都在各自方面展現(xiàn)了對(duì)太赫茲波調(diào)制的性能；為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，對(duì)所有接收信號(hào)進(jìn)行處理，在電信道上采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)，時(shí)域光譜探測(cè)技術(shù)、啁啾脈沖光譜儀探測(cè)技術(shù)、量子阱探測(cè)器( QWP)等一系列探測(cè)技術(shù)均用來(lái)解決上述問(wèn)題?；谝陨霞夹g(shù)的不斷發(fā)展，目前美國(guó)、德國(guó)、日本、中國(guó)研制了從 0.12THz4.15THz 不同頻段的通信系

27、統(tǒng)，其中很多涉及到應(yīng)用的問(wèn)題也在繼續(xù)研究中。1. 太赫茲通信概述太赫茲無(wú)線通信技術(shù)作為未來(lái)超高速通信的主要解決方案，近些年來(lái)一直受到發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，尤其對(duì)于外層空間衛(wèi)星間高速無(wú)線通信、地面室內(nèi)短距離無(wú)線通信及局域網(wǎng)的寬帶移動(dòng)通訊等領(lǐng)域給予了很大的關(guān)注。針對(duì)太赫茲無(wú)線通信的巨大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與前景，美國(guó)NASA 很早就已著手太赫茲通信計(jì)劃，國(guó)空軍也推出了安全短距離大氣通信計(jì)劃（Air Force Office of Scientific Research, AFOSR ）。歐盟將太赫茲星際通信列為太空計(jì)劃最主要研究?jī)?nèi)容，英國(guó)Rutherford-Appleton 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是主要研究單位，研究主要

28、集中在0.1-1.5THz 頻 率 范 圍 。 歐盟 第五研 究 開(kāi) 發(fā)框 架計(jì)劃 也 資 助了WANTED（Wireless Area Networking of THz Emitters and Detectors）工程，旨在研討 Tbps 級(jí) WAN 的可能性。相較之下我國(guó)的太赫茲通信研究還處于劣勢(shì)地位。近年來(lái)，隨著太赫茲輻射源和檢測(cè)器的進(jìn)一步發(fā)展，以及太赫茲天線、新型調(diào)制器、波導(dǎo)、濾波器等功能器件的不斷突破，促進(jìn)了太赫茲在通信領(lǐng)域的快速發(fā)展。雖然太赫茲通信還有許多新的技術(shù)難題需要進(jìn)一步的解決，尤其是應(yīng)用于太赫茲通信的核心元器件在性能和工作方式上均還需要進(jìn)一步突破，但無(wú)用懷疑，隨著相關(guān)技

29、術(shù)的發(fā)展，THz 通信技術(shù)未來(lái)必將會(huì)在空間通信中和近距離通信中扮演越發(fā)重要的作用。太赫茲通信技術(shù)逐步從元器件研制走向系統(tǒng)集成，世界各國(guó)逐步開(kāi)始針對(duì)不同應(yīng)用目的研究相應(yīng)的太赫茲系統(tǒng)。元器件也向著更高頻率、更高功率等高性能指標(biāo)的思路逐步發(fā)展，以促進(jìn)系統(tǒng)向更多的領(lǐng)域擴(kuò)展。太赫茲通信技術(shù)在軍事和民用上的應(yīng)用逐步明確，包括：短距離保密無(wú)線通信、空間無(wú)線通信、高清電視圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域的高速大容量通信、彈道導(dǎo)彈成像識(shí)別、重要設(shè)施近程防護(hù)、反恐、太赫茲雷達(dá)等。高速大容量太赫茲通信系統(tǒng)、太赫茲醫(yī)學(xué)檢測(cè)、太赫茲成像系統(tǒng)、近程防護(hù)和反恐 THz 探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為太赫茲技術(shù)應(yīng)用的重要發(fā)展方向，并將獲得各國(guó)的大力資助。2

30、. 太赫茲通信國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀美國(guó)的防御遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局（Defense Advanced Research ProjectsAgency，縮寫為 DARPA）開(kāi)展了名為 THOR（Tera-Hertz OperationalReachback）的研究計(jì)劃。該計(jì)劃包含研發(fā)和評(píng)估一系列可用于移動(dòng)的Ad-Hoc 自由空間光通信系統(tǒng)的技術(shù)。THOR 系統(tǒng)包括空間和地面的雙向的來(lái)自于高速 ad-hoc 移動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)物理層的有源終端和無(wú)源終端，空間終端網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成傳輸和接收 2.5Gbps 的通信中樞，無(wú)源光終端以200Mbps 的速率連接高速的電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備。DARPA 集中資金研究緊湊的電-

31、光束操控的設(shè)備，試圖減小光終端、高速高靈敏度（-47dBm）探測(cè)器和高功率（50W）調(diào)制激光源的大小和重量。美國(guó)的JPL 實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory）的亞毫米波先進(jìn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)側(cè)重于研究 THz 器件在太空中的應(yīng)用。他們研發(fā) THz 源輻射頻率為0.1THz5THz，采用外差結(jié)構(gòu)功率可以達(dá)到 0.110m W，采用雷達(dá)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到 101000m W，源的體積為 111m3，質(zhì)量為 550kg，天線尺寸為 50cm30m。該器件可以在太空中使用 215 年。此外，他們采用的直接探測(cè)技術(shù)具有寬帶、高靈敏度特性，可以探測(cè)整個(gè)0.130THz 頻段；采用窄帶、中-高級(jí)靈敏

32、度的外差探測(cè)技術(shù)，可以探測(cè) 0.1THz5THz 頻段。布克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven NationalLaboratory）也開(kāi)展了名為 Terahertz Lightbeams 的研究。德國(guó)的布倫瑞克工業(yè)大學(xué)（Technical University of Braunschweig）建立了 THz 通信實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)下一代 THz 寬帶無(wú)線接入、THz 室內(nèi)無(wú)線通信的應(yīng)用背景，對(duì) THz 波傳輸信道特性進(jìn)行研究，采用射線跟蹤技術(shù)仿真、鏈路耦合預(yù)算分析的方法，得出室內(nèi) THz 通信鏈路的系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)，對(duì)貼片天線陣列作了初步仿真，得到未來(lái)室內(nèi) THz通信系統(tǒng)中天線增益的性能。研究表明，

33、室內(nèi)環(huán)境的 THz 通信的實(shí)現(xiàn)需要高增益天線。此外，由于室內(nèi)無(wú)線視距通信容易被移動(dòng)物體中斷，可采用介質(zhì)反射鏡，建立發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的間接傳輸路徑，使通訊信道更能抵抗陰影衰落。2005 年，他們已成功的將一套在室溫下工作的半導(dǎo)體 THz 調(diào)制器與 THz 時(shí)域光譜結(jié)合起來(lái)，利用 THz 寬脈沖，以 75MHz 的重復(fù)率來(lái)傳輸頻率高于 25KHz 的音頻信號(hào)。2008年，在 0.3THz 頻率成功傳輸一個(gè)無(wú)線電信號(hào)，實(shí)驗(yàn)距離超過(guò) 22 米，這證明了采用 THz 波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的可能性23。日本 NTT 微波系統(tǒng)2425集成實(shí)驗(yàn)室建立了工作在 120GHz 頻段的 THz 波無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)

34、傳輸速率為 10Gbps，發(fā)射功率為10dBm。該系統(tǒng)能傳輸路未壓縮的高清晰度數(shù)字電視信號(hào)，已于 2005年 8 月獲得日本國(guó)際事務(wù)與通信部的許可證。該系統(tǒng)中，采用光外差式的低相位噪聲可調(diào) THz 源，產(chǎn)生 125GHz 的光副載波信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)輸入到光強(qiáng)度調(diào)制器（ASK），對(duì)光副載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，被調(diào)制的光副載波信號(hào)通過(guò)光放大器放大，輸入到光子 THz 波發(fā)射機(jī)。在發(fā)射機(jī)中，一個(gè)光電二極管(UTC-PD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成 THz 信號(hào)，放大后通過(guò)高增益的卡賽格倫天線發(fā)送到接收機(jī)上。接收的 THz 信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波法解調(diào)。系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)已制作成毫米波集成電路芯片。接收機(jī)

35、內(nèi)包括一個(gè)單位電流增益頻率為 170GHz、最大振蕩頻率為 350GHz 的 InP-HEMT。在 2018 年，NTT 的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一個(gè)基于 80nm InP 工藝的HEMT(High Electron Mobility Transistor)的 300GHz 無(wú)線通信系統(tǒng)，通過(guò)如圖所示的方案，在 2.22 米的通信距離下，利用 16QAM 的調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了 100Gbit/s 的通信速率。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，十一五期間，中國(guó)工程物理研究院、浙江大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)計(jì)量學(xué)院、電子科技大學(xué)等一批國(guó)內(nèi)單位進(jìn)行了太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)和功能器件的研究并取得了一定的

36、成果。十二五開(kāi)始，863 成立了太赫茲技術(shù)專家組，重點(diǎn)開(kāi)展太赫茲通信技術(shù)研究，極大促進(jìn)了我國(guó)太赫茲通信的發(fā)展。十三五期間國(guó)家立項(xiàng)了太赫茲通信的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，在國(guó)家支持和引導(dǎo)下，以高校和研究院所為代表的科研機(jī)構(gòu)紛紛投入太赫茲研究中，并以不同形式進(jìn)行了互通協(xié)作，共同推動(dòng)國(guó)內(nèi)太赫茲技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。浙江大學(xué)采用電控 ZnTe 晶體加壓方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì) THz 波進(jìn)行調(diào)制，還利用高阻硅與空氣構(gòu)建了一維的光子晶體實(shí)現(xiàn)了太赫茲波窄帶濾波。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所研究團(tuán)隊(duì)研究提出了基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的偏壓特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)于太赫茲輻射輸出的實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)。天津大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)利用液晶填充的光子晶體，實(shí)現(xiàn)了磁控太赫茲頻

37、段的濾波和調(diào)制的原理器件。2009 年，電子科技大學(xué)與中國(guó)計(jì)量學(xué)院基于硅基光子晶體和磁光子晶體，提出了調(diào)制速率可以達(dá)到幾十 Kb/s 的 THz 波調(diào)制器，以及太赫茲功分器、濾波器等功能器件。2009 年 12 月電子科技大學(xué)在 0.1-1THz 頻率范圍內(nèi)的大調(diào)制深度太赫茲調(diào)制技術(shù)研究方面取得了突破，獲得調(diào)制深度達(dá)到 50%的太赫茲調(diào)制器26。對(duì)于通信系統(tǒng)研究上，與 2007 年法國(guó) S.Barbieri 等人采用的方式類似，2008 年底我國(guó)中科院上海微系統(tǒng)所，以曹俊誠(chéng)教授為核心的THz 研究組在 4.1THz 頻率實(shí)現(xiàn)了基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz?QCL）和太赫茲量子探測(cè)器（THz

38、-QWP）的無(wú)線通信演示，并利用該通信系統(tǒng)成功演示了文件傳輸，并與 2012 年進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了視頻的傳輸，但同樣 THz-QCL 需要工作在低溫，載頻 4.1THz 也不是太赫茲的大氣窗口，在大氣中的傳輸衰減率很大，只能實(shí)現(xiàn)非常近距離的無(wú)線通信。電子科技大學(xué)基于電磁超材料制備出電控和光控的太赫茲調(diào)制器件，調(diào)制幅度達(dá)到 50%，并成功演示了利用返波管 BWO 系統(tǒng)在0.1-0.15THz 頻段進(jìn)行的 0.2Kb/s 的光控太赫茲通信實(shí)驗(yàn)。更進(jìn)一步，2012 年 6 月，電子科技大學(xué)與湖南大學(xué)聯(lián)合，基于光控和電控結(jié)合的方式完成了 THz 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試，采用載波 0.11THz 的太赫茲波，

39、實(shí)現(xiàn)了 11Gb/s 的通信速率，為今后的太赫茲無(wú)線通信研究開(kāi)辟了良好道路27。2011 年，中國(guó)工程物理研究院在 0.14THz 頻段實(shí)現(xiàn)了 10 Gbit/s的 16 QAM 信號(hào)無(wú)線通信，同時(shí)進(jìn)行 4 路 HDTV 信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸與解調(diào)，傳輸距離達(dá)到 500 m。2014 年，中國(guó)工程物理研究院使用純電子器件方式實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首個(gè) 50 m 視距信道下的 0.34 THz 數(shù)據(jù)鏈路，能實(shí)時(shí)調(diào)制和解調(diào) 3 Gbit/s 的數(shù)據(jù)。研究人員同時(shí)基于該鏈路提出了基于 IEEE 802.11b/g 協(xié)議的 0.34 THz 無(wú)線局域網(wǎng)的通信協(xié)議，是 THz 波用在 WLAN 中可行性的初步驗(yàn)證。中國(guó)工

40、程物理研究院實(shí)現(xiàn)了 0.14 THz OOK 通信系統(tǒng)，達(dá)到 15 Gbit/s 的傳輸速率，系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)可用模擬器件直接完成，并結(jié)合高階 QAM 調(diào)制、諧波混頻以及級(jí)聯(lián)放大技術(shù)。同 OOK 調(diào)制方式相比，頻譜利用率高，可用先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行信道估計(jì)與均衡。2017 年，電子科技大學(xué)陳哲博士報(bào)道了一個(gè) 220GHz 無(wú)線通信系統(tǒng)。其通過(guò)突破太赫茲分諧波混頻器和倍頻器的關(guān)鍵性技術(shù)，在室外200 米的傳輸距離下，利用 QPSK 的調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了 3.52Gbit/s 的通信速率。復(fù)旦大學(xué)課題組在太赫茲通信方面也取得了許多進(jìn)展。在信號(hào)源的產(chǎn)生方面，2017 年，實(shí)現(xiàn)了基于平衡預(yù)編碼光學(xué)四倍頻

41、技術(shù)的 D波段矢量 QPSK 毫米波產(chǎn)生，這是首次在不使用光學(xué)濾波器的情況下使用一個(gè)馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器產(chǎn)生 D 波段矢量毫米波。在調(diào)制格式方面，于 2017 年研究了在太赫茲系統(tǒng)中使用概率整形調(diào)制的 16 QAM信號(hào)傳輸，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的等概率分布 16 QAM 相比，概率整形能帶來(lái)較大的誤比特率改善，提升系統(tǒng)性能。使用 MIMO 系統(tǒng)、多載波以及偏振復(fù)用等技術(shù)都能使系統(tǒng)速率大幅提升。于 2017 年實(shí)現(xiàn)了首個(gè)多載波 22 MIMO THz 鏈路，能傳輸 6 路 20 Gbit/s 的 PDM?QPSK 信號(hào)，在多載波 MIMO 太赫茲通信的領(lǐng)域有了新的進(jìn)展，在高速通信方面，使用概率整形、奈奎

42、斯特整形、查找表等先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能顯著提升系統(tǒng)性能。實(shí)現(xiàn) D 波段光子輔助矢量毫米波信號(hào)的無(wú)線傳輸，能夠在 3.1 m 的無(wú)線距離上同時(shí)傳輸兩路 PS-64QAM調(diào)制的毫米波信號(hào)，凈速率達(dá)到 1.056 Tbit/s，該成果是目前世界上THz 通信系統(tǒng)的最高速率3. 太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)3.1 太赫茲源太赫茲波位于毫米波波段與紅外光波段之間，代表了從經(jīng)典機(jī)制傳輸理論到量子機(jī)制體傳輸理論的重要轉(zhuǎn)變。作為微波電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的過(guò)渡區(qū)，太赫茲波在無(wú)線通信應(yīng)用方面有著很多獨(dú)特的性質(zhì)，然而由于缺乏穩(wěn)定的大功率太赫茲信號(hào)發(fā)射源，太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展至今一直很緩慢。大功率 THz 波發(fā)射源依舊相當(dāng)缺乏33

43、。（1）半導(dǎo)體太赫茲波輻射源半導(dǎo)體太赫茲波輻射源一般體積小、可調(diào)諧、使用方便。較為常見(jiàn)的有 Impatt、Gun 振蕩器、共振隧道二極管(RTD) 及量子級(jí)聯(lián)激光器( QCL) 等。其中，QCL 以異結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(Ga As/AIGa As) 的導(dǎo)帶中的次能級(jí)間的躍遷為基礎(chǔ)，利用縱向光學(xué)聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的一種激光器，是正在研究的重點(diǎn)器件。1994 年，F(xiàn)ederico Capasso等人率先發(fā)明 QCL。2000 年，中國(guó)率先研制出 5 至 8 微米波段半導(dǎo)體 QCL。2002 年，意大利和英國(guó)研制出了 4.4 THz、2 mW(溫度 8 K)的 QCL。此后，逐漸降低頻率，提升了脈沖的

44、功率。2004 年，美國(guó)研制的 QCL 達(dá)到了 2.1 THz、連續(xù)波功率 1 m W ( 溫 度 93K) 、脈沖功率 20 m W。2005 年，美國(guó)研制出 137 K、200 m W 的 QCL。2007年，哈佛研發(fā)出 170 K、3 THz 的 QCL。2009 年，Kumar 等人研制出基于對(duì)角躍遷的 186 K、3.9 THz 的 QCL，峰值功率達(dá) 5 mw。2010年 8 月，美國(guó)和英國(guó)利用一種“超材料”研制成功新型太赫茲半導(dǎo)體激光器，使光波準(zhǔn)直性能與傳統(tǒng)太赫茲光源相比顯著改善。中國(guó)科學(xué)院在“十五”期間研制了激射頻率為 3.2 THz 的 QCL。2014 年 2 月17 日，

45、英國(guó)利茲大學(xué)開(kāi)發(fā)出了世界上功率最大的太赫茲激光器芯片 QCL，輸出功率超過(guò)了 1 W，比 2013 年維也納團(tuán)隊(duì)的記錄高出一倍以上。共振隧道二極管(RTD) 是通過(guò)量子共振隧穿效應(yīng)工作的納米器件，也是目前正在研究的關(guān)鍵器件之一。2013 年 12 月 16 日，日本開(kāi)發(fā)出了可在室溫下工作、基本振蕩頻率為 1.42 THz 的共振隧道二極管。（2）光學(xué)和光子學(xué)太赫茲輻射源該類輻射源主要是通過(guò)超短激光脈沖、紅外光泵浦、非線性差頻及參量過(guò)程等幾種方式產(chǎn)生的。其中，利用超短激光脈沖產(chǎn)生輻射波是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，主要有兩種方式：利用瞬時(shí)光電導(dǎo)。即在光電導(dǎo)的表面淀積金屬，制成偶極天線電極，再利用飛秒激光照射

46、電極之間的光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料，會(huì)瞬時(shí)在表面產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，形成光電流，進(jìn)而產(chǎn)生太赫茲輻射；利用光整流。即利用電光晶體作為非線性介質(zhì)，使超快激光脈沖進(jìn)行二階非線性光學(xué)過(guò)程或者高階非線性光學(xué)過(guò)程來(lái)產(chǎn)生太赫茲電磁脈沖。目前已經(jīng)發(fā)展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學(xué)晶體的太赫茲激光源。如太赫茲光導(dǎo)天線、非線性差頻、光整流、太赫茲參量振蕩器和光學(xué) Cherenkov 輻射和放大器( TPG，TPO，TPA) 等等。在采用光學(xué)技術(shù)獲得的太赫茲源中，量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）是被認(rèn)為最有前途的固態(tài)太赫茲源。THz-QCL 有兩個(gè)突出特點(diǎn)：首先，作為一種能級(jí)間的單極器件，它利用了電子在不同能級(jí)躍遷來(lái)輻射太赫茲

47、波；其次，QCL 采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通常具有幾十到幾百個(gè)級(jí)聯(lián)重復(fù)單元組成，激發(fā)出的電子在每個(gè)周期內(nèi)重復(fù)躍遷釋放能量，以此來(lái)提高器件整體輸出功率。（3）真空電子學(xué)太赫茲波輻射源真空電子放大器具有大功率的特點(diǎn)，在 300GHz 頻率段可以達(dá)到瓦級(jí)功率。太赫茲真空電子放大器的主要研制難點(diǎn)在于微細(xì)關(guān)鍵尺寸的精密加工，為此將創(chuàng)新性地采用微電子工藝和機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合的制造方法。此外，還應(yīng)解決微細(xì)電子注的產(chǎn)生與傳輸、太赫茲信號(hào)的高效率輸入/輸出、放大器內(nèi)部真空環(huán)境的維持等一系列技術(shù)問(wèn)題。真空電子學(xué)太赫茲波輻射源主要包括:相對(duì)論電子器件、太赫茲納米速調(diào)管、太赫茲回旋管、太赫茲返波振蕩器(BWO)、擴(kuò)展互作用振蕩

48、器(EIO)以及單行載流子光電二極管(UTCPD)。1) 相對(duì)論電子器件。主要包括:自由電子激光器(FEL)、等離子體尾場(chǎng)契倫科夫輻射和儲(chǔ)存環(huán)太赫茲輻射源。其中，F(xiàn)EL 的頻譜連續(xù)可調(diào)、范圍廣、峰值功率及平均功率較大、相干性好。2012 年 1 月，美國(guó)利用 l MeV 靜電加速器的 FEL，在 2 mm 到 500 微米，0.156 THz，產(chǎn)生 1kw 的準(zhǔn)連續(xù)波。儲(chǔ)存環(huán)太赫茲輻射源，可產(chǎn)生 0.0330THz 的太赫茲波，亮度超過(guò)現(xiàn)有輻射源 9 個(gè)數(shù)量級(jí)。2) 太赫茲波納米速調(diào)管。該器件將微電子加工技術(shù)、納米技術(shù)和真空電子器件技術(shù)融合在一起，能產(chǎn)生毫瓦級(jí)的輸出功率，電壓低，不需要磁場(chǎng)，具

49、有低色散、長(zhǎng)工作壽命等特點(diǎn)。目前，美國(guó)研制出頻率為 0.33.0 THz，當(dāng)工作電壓為 500 V 時(shí)，連續(xù)波輸出功率可高達(dá)50 m W 的納米速調(diào)管。3) 太赫茲回旋管。回旋管是快波器件，能在很高的頻率下產(chǎn)生高脈沖功率，可達(dá)到千瓦級(jí)，平均功率也較高。美國(guó)海軍研制出具有超高磁場(chǎng)（16.6T）的太赫茲回旋管振蕩器，工作頻率為 5001 000 GHz，輸出功率數(shù)百瓦。日本 Fukui 大學(xué)研制出了 0.889 THz，輸出功率達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦的太赫茲回旋管。俄羅斯正在研制 1 THz 的回旋管，脈寬 100s，脈沖磁場(chǎng) 40 T，電流 5 A，電壓 30 k V，輸出功率可達(dá) 10 k W。我國(guó)成都電子

50、科技大學(xué)分別于 2008 年和 2009 年在國(guó)內(nèi)首次成功研制了 0.22 THz 脈沖功率大于 2 k W 的一次諧波和 0.42 THz 脈沖功率千瓦級(jí)二次諧波 THz 回旋管。4) 太赫茲返波振蕩器( BWO)。BWO 是一種經(jīng)典電真空微波源慢波器件。俄羅斯研制的 BWO 可以產(chǎn)生 1801 110 GHz、輸出功率 350 m W 的電磁輻射。美國(guó) NASA 正在開(kāi)發(fā)工作頻率 300 GHz1.5 THz 的 BWO。5) 擴(kuò)展互作用振蕩器(EIO)。CPI 公司于 2007 年研制出 220 GHz的 EIO，電壓 1 k V，電流 105 A，平均功率 6 W，具有 2%的機(jī)械調(diào)諧

51、，重量不超過(guò) 3 kg。德國(guó) FGAN 公司研制出了 220 GHz、脈沖功率35 W、占空比 0.005%的 EIO。6) 單行載流子光電二極管 (UTC-PD)。2004 年，研制成功以單行電子作為活性載流子的新型光電二極管，具有高速度和高飽和輸出特性，輸出功率為 2.6W，頻率 1.04 THz，適合在 10 Gb /s 的 THz無(wú)線通信中應(yīng)用。3.2 太赫茲調(diào)制技術(shù)高效、可靠的調(diào)制技術(shù)是高傳輸速率和低誤碼率的保證。THz 波用于通信可以獲得 10GB/s 的無(wú)線傳輸速度，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)還要快幾百到一千倍。如此高的傳輸速度對(duì)調(diào)制技術(shù)要求很高。由于通信系統(tǒng)位于外層空間，因此信道的自

52、由空間部分無(wú)起伏衰落現(xiàn)象。只引入白高斯噪聲，呈現(xiàn)恒參信道的特征。因此，在空間通信系統(tǒng)中，根據(jù)調(diào)制方式的不同，對(duì)模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制分別有如下要求：模擬調(diào)制要求可以增加系統(tǒng)的傳輸帶寬。提高系統(tǒng)的傳輸容量，同時(shí)有利于改善傳輸質(zhì)量。數(shù)字調(diào)制應(yīng)選擇盡可能少地占用頻帶，而又能高效利用有限頻帶資源，抗衰落和干擾性能強(qiáng)的調(diào)制技術(shù)；采用的調(diào)制信號(hào)的旁瓣應(yīng)較小，以減少相鄰?fù)ǖ乐g的干擾.同時(shí)在太赫茲通信系統(tǒng)中，調(diào)制器作為關(guān)鍵器件之一備受關(guān)注。由于太赫茲頻段的特殊性，現(xiàn)有的微波段調(diào)制技術(shù)在太赫茲波段都無(wú)法發(fā)揮作用，應(yīng)用于光波段的調(diào)制技術(shù)和調(diào)制器也不能應(yīng)用于 THz波段。因而采用新型電子材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出高速寬帶

53、太赫茲波調(diào)制器，成為了 THz 調(diào)制器的必備途徑。近年來(lái)隨著越來(lái)越多的材料被投入到 THz 調(diào)制器件研發(fā)中，THz 調(diào)制器也快速發(fā)展著，出現(xiàn)了光子晶體、超材料、相變材料、HEMT 結(jié)構(gòu)、石墨烯等類型 THz 調(diào)制器，它們都在各自方面展現(xiàn)了對(duì)太赫茲波調(diào)制的性能。2003 年，Kersting 等人利用 AIGa As / Ga As 量子阱實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下的太赫茲波信號(hào)的相位調(diào)制；2005 年 Liu 等人通過(guò)低溫生長(zhǎng)的Ga As 制成偶極子天線制成中心頻率在 0.30.4 THz、100 cm、系統(tǒng)帶寬 20 k Hz 的調(diào)制解調(diào)器。2006 年 Chen 等人利用周期結(jié)構(gòu)的人工復(fù)合媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電

54、壓幅度調(diào)制，幅度調(diào)制率達(dá)到 50%。2009 年，H.T.Chen 等提出了線性電控超材料相位調(diào)制器，外加 16 V 偏壓時(shí)，在 0.81 THz 頻點(diǎn)處，材料透射系數(shù)由無(wú)外加偏壓時(shí)的 0.56 下降到0.25，透射振幅下降了 50% ，在 0.89 THz 頻點(diǎn)處，可實(shí)現(xiàn)/6 的相移。2012 年 11 月，諾特丹大學(xué)研發(fā)了用石墨烯設(shè)計(jì)的寬帶太赫茲波調(diào)制器，可以在很大的頻率范圍內(nèi)調(diào)制太赫茲波，處理能力是之前的太赫茲寬帶調(diào)制器的兩倍多。目前，美國(guó)正嘗試?yán)秒姶挪ù骐娏餍盘?hào)制造新型太赫茲波信號(hào)調(diào)制器，期望傳輸速率達(dá)到每秒萬(wàn)億字節(jié)，比目前的電流調(diào)制系統(tǒng)快 100 倍。2000 年美國(guó) Renss

55、elaer 大學(xué)R.Kersting 等人利用 Ga As/Al Ga As 設(shè)計(jì)太赫茲波相位調(diào)制器，但該調(diào)制器調(diào)制速率低，并且需要在 10K 低溫下運(yùn)行。2004 年，德國(guó)Braunschweig 大學(xué)進(jìn)行了可以在室溫下工作的新型半導(dǎo)體太赫茲波調(diào)制器研究。該調(diào)制器調(diào)制深度約為 3%。2004 年日本的 NTT 公司對(duì)半導(dǎo)體太赫茲波調(diào)制器進(jìn)行了深入的研究，該調(diào)制器具有低電壓、小尺寸、快速工作的特點(diǎn)，該研究成果已經(jīng)申請(qǐng)了美國(guó)專利（PatentNo.：US7355778B2）。2008 年美國(guó)的 MIT 對(duì)半導(dǎo)體基的寬帶調(diào)制器進(jìn)行了研究，該調(diào)制器能在高電壓條件下工作，其研究成果已經(jīng)申請(qǐng)了專利（Pa

56、tent No.：US7680383B1）。2007 年，捷克 L.Fekete 采用光控一維光子晶體實(shí)現(xiàn)了太赫茲波調(diào)制器，響應(yīng)速率接近 330ps，但是只有很小的調(diào)制深度。美國(guó) Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 H.T.Chen 等人于 2006 年提出的基于超材料的太赫茲波調(diào)制器構(gòu)想，2008 年實(shí)現(xiàn)了用電場(chǎng)控制亞波長(zhǎng)金屬孔陣列結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)制太赫茲波，獲得調(diào)制深度為52%的太赫茲波調(diào)制器，該有源超材料的太赫茲波調(diào)制器已經(jīng)申請(qǐng)了美國(guó)的發(fā)明專利（專利號(hào)：US7826504B2，US7826504B2）。但是該調(diào)制器受到自身電極結(jié)構(gòu)電容的影響，最大調(diào)制速率只有幾 Kbps，離實(shí)用還有一定的距離。20

57、08 年，丹麥 D.G.Cooke 利用光激勵(lì)鍍膜硅平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)觀測(cè)到了對(duì)太赫茲波的調(diào)制，調(diào)制深度達(dá)到 70%。2009年德國(guó) Kaiserslautern 大學(xué) O.Paul 等人采用電壓控制超材料陣列獲得調(diào)制速率100kbps太赫茲波調(diào)制器，但是調(diào)制深度僅為36%。2011年，美國(guó) Willie J.padilla 教授采用高電子遷移率晶體管（HEMT）和電磁超材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制速率高達(dá) 10MHz 的 HEMT 型 THz 調(diào)制器，但該調(diào)制器一方面工藝復(fù)雜成本高，另一方面實(shí)現(xiàn)的調(diào)制深度不超過(guò)30%，且只能在 0.46THz 頻點(diǎn)工作，大大限制了其實(shí)際應(yīng)用。3.3 太赫茲波信號(hào)探測(cè)技術(shù)T

58、Hz 空間通信系統(tǒng)中，特別是高頻段，由于波束較小，接收端接收到的信號(hào)比較微弱，又加之在高背景噪聲場(chǎng)的干擾情況下，會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比 S/N 1。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，通常采取兩方面的措施，一是提高接收端的靈敏度，達(dá)到 n W p W 量級(jí)；其次是對(duì)所有接收信號(hào)進(jìn)行處理，在電信道上采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)。1) 傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)基于傳統(tǒng)手段的探測(cè)技術(shù)主要有超導(dǎo)混頻技術(shù)(SIS)、熱電子測(cè)熱電阻(HEB)混頻技術(shù)和肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)技術(shù)。SI 探測(cè)頻率約為 0.11.2 THz，需在液氦溫度下工作。HEB 主要用于探測(cè) 1 THz以上的輻射信號(hào)，最高探測(cè)頻率達(dá) 5 THz，噪聲溫

59、度約為量子極限的10 倍。目前，SBD 技術(shù)運(yùn)用的比較廣泛，可用在 4300 K 溫度內(nèi)的直接式探測(cè)器，也可用作外差式接收單元混頻器的非線性元件。2012年11月，中國(guó)研制出截止頻率達(dá)到3.37 THz的太赫茲肖特基二極管。2) 時(shí)域光譜探測(cè)技術(shù)目前研究的時(shí)域光譜探測(cè)技術(shù)主要包括：光電導(dǎo)相干探測(cè)技術(shù)，使用光電導(dǎo)半導(dǎo)體天線進(jìn)行接收，利用探測(cè)光在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的光電流與太赫茲驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)成正比的特性，測(cè)量太赫茲波的瞬間電場(chǎng)；電光探測(cè)技術(shù)；即將鈦寶石激光器提供的飛秒脈寬激光脈沖分成兩束，一束較強(qiáng)的激光束通過(guò)延遲成為泵浦光，激發(fā)發(fā)射器產(chǎn)生電磁波，另一束激光束作為探測(cè)光與太赫茲波脈沖匯合后同步通過(guò)電光晶體，把

60、太赫茲波在電光晶體上引起的折射率變化轉(zhuǎn)變成探測(cè)光強(qiáng)的變化，再用平衡二極管接收并輸入鎖相放大器，然后再經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。3) 啁啾脈沖光譜儀探測(cè)技術(shù)該技術(shù)產(chǎn)生自傳統(tǒng)的太赫茲互相關(guān)探測(cè)技術(shù)，克服了互相關(guān)技術(shù)中測(cè)量速度較慢的缺點(diǎn)，時(shí)間分辨率與信噪比較高。但是，由于該技術(shù)中的光譜儀引入了傅立葉變換，在時(shí)間分辨率上有限制，使太赫茲時(shí)間波形發(fā)生了畸變。4) 量子阱探測(cè)器( QWP)QWP 是應(yīng)用在太赫茲波段的一種新型量子阱紅外光電探測(cè)器，是基于帶內(nèi)光致激發(fā)，將導(dǎo)帶阱內(nèi)的束縛態(tài)電子激發(fā)到連續(xù)態(tài)。它一般采用 Ga As/AIGa As 材料，具有較強(qiáng)的光譜分辨率，是一種窄帶探測(cè)器。5) 光電導(dǎo)取樣技術(shù)光