太赫茲通信技術(shù)研究報(bào)告（第二版）

太赫茲通信技術(shù)研究報(bào)告2022

年9

月版權(quán)聲明Copyright

Notification未經(jīng)書面許可禁止打印、復(fù)制及通過任何媒體傳播?

2022

IMT-2030（6G）推進(jìn)組版權(quán)所有前言為推動(dòng)6G

向泛在互聯(lián)、普惠智能、多維感知、全域覆蓋、綠色低碳、安全可信等

方向拓展，未來期望移動(dòng)通信滿足太比特極致連接、全域覆蓋等網(wǎng)絡(luò)能力需求。因此，通信頻段正在向具有超豐富頻率資源的太赫茲頻段延伸。太赫茲（Terahertz，THz）波指

位于0.1THz-10THz

頻率之間頻段的電磁波，太赫茲通信是以太赫茲頻段作為載波實(shí)現(xiàn)

無線通信的技術(shù)。太赫茲頻段憑借豐富的頻段資源優(yōu)勢(shì)，兼具超寬帶超高速率傳輸能力

和高精度定位感知能力。因此，太赫茲通信技術(shù)受到學(xué)術(shù)界的熱烈關(guān)注和歐、美、日等

國家區(qū)域和組織的高度重視，被認(rèn)為是達(dá)成6G“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”應(yīng)用愿景的重要空口技術(shù)備選方案，是極具潛力的6G關(guān)鍵候選頻譜技術(shù)。太赫茲通信未來有望應(yīng)用在超大容量數(shù)據(jù)回傳、短距超高速傳輸、全息通信、微小尺寸通信以及新興應(yīng)用場(chǎng)景如通信感知一體化、元宇宙、自主智能體網(wǎng)聯(lián)等場(chǎng)景中，也可為網(wǎng)絡(luò)和/或終端設(shè)備提供高精度定位和高分辨率感知成像。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究和通信系統(tǒng)原型測(cè)試，但用于未來6G

太赫茲通信的標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中，相關(guān)技術(shù)發(fā)展尚未成熟。目前，太赫茲通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于核心器件研制、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和原型系統(tǒng)驗(yàn)證，如太赫茲發(fā)射源和接收機(jī)、大規(guī)模天線集成、超寬帶信號(hào)采集、超高速基帶信號(hào)處理、極窄波束管理和定向組網(wǎng)和通信感知一體化等。同時(shí)，由于超高頻、超寬帶特性，導(dǎo)致太赫茲信道與器件特性改變，進(jìn)而在太赫茲核心器件、信道建模以及關(guān)鍵技術(shù)等方面仍有諸多挑戰(zhàn)亟待突破。在核心器件方面，國內(nèi)的0.1-0.3THz

頻段的核心器件研發(fā)已經(jīng)接近世界一流水平，但太赫茲核心器件還存在高頻信號(hào)處理、天線陣列架構(gòu)功耗和復(fù)雜度的平衡等挑戰(zhàn)。后續(xù)的太赫茲通信核心器件研發(fā)集中在高功率低損耗的收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)、超大帶寬太赫茲信號(hào)模轉(zhuǎn)換、超大規(guī)模天線集成技術(shù)和太赫茲可重構(gòu)智能表面設(shè)計(jì)等。在關(guān)鍵技術(shù)方面，國內(nèi)已重點(diǎn)攻關(guān)高速大寬帶基帶信號(hào)的調(diào)制解調(diào)與信號(hào)處理、超大規(guī)模MIMO

波束賦形與對(duì)準(zhǔn)追蹤、信道編碼、無線組網(wǎng)等，取得了一系列高水平理論成果。由于太赫茲頻段的超高頻、超寬帶、獨(dú)特的分子吸收特性，太赫茲通信技術(shù)仍需解決諸多挑戰(zhàn)，包括突破低復(fù)雜度和低功耗的高速基帶信號(hào)處理和集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)、覆蓋6G

遠(yuǎn)近混合場(chǎng)的新型低功耗高精度天線架構(gòu)和波束賦形方案和高效定向組網(wǎng)技術(shù)。在太赫茲信道測(cè)試方面，國內(nèi)多家單位聯(lián)合已針對(duì)多場(chǎng)景完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在0.1-0.4THz

頻段的信道測(cè)量和信道建模方面取得了國際領(lǐng)先的成果，正牽頭制定ITU-R

WP5D“IMT

Above

100

GHz”的標(biāo)準(zhǔn)提案。后續(xù)的突破重點(diǎn)包括面向6G

的多場(chǎng)景多頻段信道測(cè)量、超大規(guī)模MIMO

信道建模和估計(jì)、電磁傳播理論模型和仿真平臺(tái)開發(fā)、復(fù)雜天氣對(duì)傳播影響分析和新型太赫茲信道測(cè)量?jī)x器研制。在太赫茲原型系統(tǒng)方面，我國在系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破和原型系統(tǒng)研制方面取得了眾多進(jìn)展，接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平。國內(nèi)通過多家高校和研究機(jī)構(gòu)的聯(lián)合，已經(jīng)完成多距離、多場(chǎng)景、多頻段的太赫茲傳輸試驗(yàn)，如陸地和海面遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信、室內(nèi)短距離超高速通信、機(jī)載平臺(tái)高動(dòng)態(tài)接入場(chǎng)景、通信和感知一體化場(chǎng)景等。同時(shí)，也完成了不同架構(gòu)的太赫茲系統(tǒng)的通信測(cè)試，如全固態(tài)電子學(xué)架構(gòu)太赫茲通信系統(tǒng)、光電結(jié)合多維復(fù)用太赫茲通信系統(tǒng)和光子太赫茲光纖一體融合通信系統(tǒng)等。國內(nèi)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界通過聯(lián)合協(xié)作，積極投入太赫茲關(guān)鍵技術(shù)研究和原型系統(tǒng)驗(yàn)證，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)構(gòu)建。作為新頻譜資源，太赫茲器件的材料、結(jié)構(gòu)和工藝面臨挑戰(zhàn)，未來產(chǎn)業(yè)界需要通過應(yīng)用導(dǎo)向，系統(tǒng)牽引，加快發(fā)展從芯片到系統(tǒng)的太赫茲通信產(chǎn)業(yè)鏈。其次，為滿足6G

可持續(xù)發(fā)展綠色節(jié)能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)積極發(fā)展綠色低碳的太赫茲通信技

術(shù)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)6G

的普惠智能發(fā)展，應(yīng)推動(dòng)太赫茲通信與多種6G

無線新技術(shù)的融

合，如通信感知一體化、人工智能等，構(gòu)建整體6G

無線空口方案。目錄第一章太赫茲通信概述...............................................................................................1基本原理....................................................................................................1國內(nèi)外研究進(jìn)展........................................................................................1國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展....................................................................................3小結(jié)...................................................................................................................4第二章太赫茲通信應(yīng)用場(chǎng)景.......................................................................................5地面通信應(yīng)用............................................................................................5非地面通信應(yīng)用........................................................................................7微系統(tǒng)通信應(yīng)用........................................................................................8小結(jié)...................................................................................................................8第三章太赫茲通信核心器件.......................................................................................9太赫茲半導(dǎo)體技術(shù)....................................................................................9發(fā)射端核心器件......................................................................................10接收端核心器件......................................................................................11太赫茲調(diào)制電路......................................................................................12太赫茲陣列天線及集成技術(shù)..................................................................13太赫茲可重構(gòu)智能表面..........................................................................13小結(jié).................................................................................................................14第四章太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù).....................................................................................15調(diào)制解調(diào)技術(shù)..........................................................................................15高速大帶寬基帶信號(hào)處理技術(shù)..............................................................17超大規(guī)模天線技術(shù)..................................................................................18波束對(duì)準(zhǔn)與跟蹤技術(shù)..............................................................................19信道編碼技術(shù)..........................................................................................20無線組網(wǎng)技術(shù)..........................................................................................21太赫茲通信感知一體化技術(shù)..................................................................22太赫茲智能反射面輔助技術(shù)..................................................................24小結(jié).................................................................................................................25第五章太赫茲傳播特性測(cè)量與建模.........................................................................26國內(nèi)外研究現(xiàn)狀......................................................................................26模型研究方法和思路..............................................................................26室內(nèi)環(huán)境測(cè)量與結(jié)果分析......................................................................27多天線信道模型......................................................................................29粗糙表面散射模型..................................................................................29小結(jié).................................................................................................................31第六章國內(nèi)外太赫茲通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證.................................................................32國內(nèi)外太赫茲通信演示系統(tǒng)現(xiàn)狀簡(jiǎn)述..................................................32國內(nèi)太赫茲通信系統(tǒng)原型近況..............................................................33小結(jié).................................................................................................................37第七章國內(nèi)太赫茲通信產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.........................................................................39太赫茲通信核心器件產(chǎn)業(yè)化..................................................................39太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化..................................................................40太赫茲通信系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化..........................................................................42小結(jié).................................................................................................................44總結(jié).............................................................................................................................45參考文獻(xiàn).....................................................................................................................46貢獻(xiàn)單位......................................................................................................................52圖目錄圖1-1

太赫茲頻譜頻段………………...…………1圖1-2

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的0.625THz

通信系統(tǒng)……..2圖1-3

日本NTT

的120GHz

通信系統(tǒng)實(shí)物與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景……….……2圖1-4

WRC-2019

議題1.15

太赫茲頻譜劃分情況……….………….4圖2-1

熱點(diǎn)地區(qū)超寬帶覆蓋...................................................................................................5圖2-2

固定無線接入...............................................................................................................5圖2-3

高速無線回傳...............................................................................................................6圖2-4

通信感知一體化應(yīng)用[17]...............................................................................................6圖2-5

宇宙通信應(yīng)用[18]..........................................................................................................7圖2-6

空天地一體化通信應(yīng)用場(chǎng)景.......................................................................................8圖2-7

微系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景（a）片上通信（b）用于健康監(jiān)測(cè)的納米體域網(wǎng)[17]..................8圖3-1

不同工藝的fmax/fT

性能.............................................................................................9圖4-1

OFDM,DFT-s-OFDM,OTFS,DFT-s-OTFS

太赫茲傳輸?shù)姆逯灯骄β时?........16圖4-2

太赫茲場(chǎng)景候選波形時(shí)域數(shù)據(jù)的基本符號(hào)結(jié)構(gòu).....................................................16圖4-3

太赫茲場(chǎng)景候選波形的發(fā)送端、接收端結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)設(shè)計(jì).....................................16圖4-4

eDFT-s-OFDM與DFT-s-OFDM

的PAPR、BLER、PSD

性能比較......................17圖4-5

太赫茲信號(hào)處理關(guān)鍵算法技術(shù).................................................................................17圖4-6

大規(guī)模MIMO

天線陣列的混合天線架構(gòu)[59]...........................................................19圖4-7

一維波束轉(zhuǎn)型成二維波點(diǎn)現(xiàn)象與載波頻點(diǎn)之間的關(guān)系.........................................23圖4-8

遠(yuǎn)近場(chǎng)傳輸模式對(duì)比：（a）遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸模式；（b）近場(chǎng)二維傳輸模式.................23圖4-9

用戶移動(dòng)性、分子吸收對(duì)太赫茲網(wǎng)絡(luò)空間吞吐量的影響.....................................24圖4-10

基于SSB

感知輔助的太赫茲波束管理方案及波束對(duì)準(zhǔn)性能提升分析................24圖4-11

智能反射面對(duì)太赫茲信道改善.................................................................................25圖5-1

140-220

GHz

測(cè)量場(chǎng)景示意.....................................................................................28圖5-2

300

GHz

測(cè)量場(chǎng)景示意............................................................................................28圖5-3

140

和220

GHz

路徑損耗（a）會(huì)議室（b）辦公室辦公區(qū)（c）辦公室走廊...29圖5-4

太赫茲超大規(guī)模MIMO

傳播信道[107].....................................................................29圖5-5

粗糙表面上散射電場(chǎng)（a）幅值分布;（b）微結(jié)構(gòu)分布........................................30圖5-6（a）粗糙表面散射電場(chǎng)相位數(shù)值擬合；（b）粗糙表面散射電場(chǎng)相位空間分布.30圖5-7（a）粗糙表面XPR

分布擬合;（b）觀察角XPR

分布擬合..................................31圖6-1

太赫茲高清視頻實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng).................................................................................34圖6-2

太赫茲遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)試場(chǎng)景.....................................................................................34圖6-3

0.14THz

地面21.3km

海面27km

遠(yuǎn)距傳輸驗(yàn)證（上）0.22THz

機(jī)載高速通信動(dòng)態(tài)驗(yàn)證（下）

..............................................................................................................................35圖6-4

紫金山實(shí)驗(yàn)室100/200Gbps

太赫茲光纖一體融合通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).........................35圖6-5

浙江大學(xué)光電集成太赫茲通信系統(tǒng).........................................................................36圖6-6

浙江大學(xué)0.33THz-0.38THz

光電結(jié)合方式的多維復(fù)用太赫茲通信系統(tǒng).............36圖6-7

華為太赫茲室外遠(yuǎn)距離通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)500米240Gbps通信速率（上），華為太赫茲室外MIMO

通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)3500

米80Gbps

通信速率（下）

................................37圖6-8

華為太赫茲通感一體化原型：毫米級(jí)精度成像、高速率通信.............................37表目錄表1-1

國內(nèi)太赫茲科研機(jī)構(gòu)及研究課題...............................................................................2表4-1

太赫茲通信主要應(yīng)用場(chǎng)景及組網(wǎng)形式.....................................................................21表5-1

信道建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比.....................................................................................27表5-2

上海交通大學(xué)和華為室內(nèi)信道測(cè)量平臺(tái)..................................................................27表6-1

國內(nèi)外太赫茲通信演示系統(tǒng)（按文獻(xiàn)發(fā)表的時(shí)間順序）.....................................32第一章太赫茲通信概述1.1

基本原理太赫茲（Terahertz，THz）波是指位于0.1THz~

10THz

頻率范圍的電磁波，在整個(gè)電磁波譜中位于微波和紅外波頻段之間，如圖1-1

所示。由于在電磁波譜的特殊位置，太赫茲既具有微波頻段的穿透性和吸收性，又具有光譜分辨特性。太赫茲頻段具有超大帶寬的頻段資源可供利用，支持超高的通信速率。因此，太赫茲通信被認(rèn)為是達(dá)成6G

太比特每秒通信速率的重要空口技術(shù)備選方案，有望應(yīng)用在全息通信、微小尺寸通信、超大容量數(shù)據(jù)回傳、短距超高速傳輸?shù)葓?chǎng)景。同時(shí)，利用太赫茲的超寬帶和高精度分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)和/或終端設(shè)備的高精度定位和高分辨率感知成像是太赫茲通信的應(yīng)用擴(kuò)展方向。圖1-1

太赫茲頻譜頻段1.2

國內(nèi)外研究進(jìn)展太赫茲具有高頻率、大帶寬、低電磁輻射特性，且對(duì)非極性物質(zhì)具有很好的穿透性的特點(diǎn)，早在2000

年初，國外就啟動(dòng)太赫茲技術(shù)相關(guān)研究，并進(jìn)行了一些實(shí)踐應(yīng)用。美國的研究相對(duì)突出，應(yīng)用場(chǎng)景包括移動(dòng)自組網(wǎng)空間通信、機(jī)載大容量遠(yuǎn)距離通信等。圖1-2

為美國貝爾實(shí)驗(yàn)室0.625THz

通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]，是目前全電子方式實(shí)現(xiàn)的最高載波頻率的太赫茲通信系統(tǒng)。近年來，美國正在積極推動(dòng)太赫茲通信和相關(guān)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化，如1)2018

年2

月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)一項(xiàng)名為“Spectrum

Horizons”的NPRM，對(duì)未來移動(dòng)通信應(yīng)用開放了從95GHz

到3THz

頻段，該報(bào)告和命令于2020年8

月24

正式生效；2)美國工業(yè)伙伴聯(lián)盟和DARPA

共同創(chuàng)建了ComSenTer

研究中心和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，開發(fā)太赫茲無線傳輸和感知應(yīng)用技術(shù)。1圖1-2

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的0.625THz

通信系統(tǒng)[2]歐洲太赫茲通信技術(shù)研究，主要依托兩個(gè)歐盟框架計(jì)劃：“Horizon

2020（地平線2020）”和“Horizon

Europe（地平線歐洲）”。啟動(dòng)多個(gè)跨國的太赫茲研發(fā)項(xiàng)目，如

WORTECS（研究太赫茲異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)）、EPIC（研究Tbps

傳輸前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)）、TERAPAD（研究局域網(wǎng)場(chǎng)景下超大帶寬無線接入技術(shù)）、ULTRAWAVE（研究超高容量回傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）、DREAM（研究可重構(gòu)Mesh

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）等，屆時(shí)網(wǎng)絡(luò)峰值數(shù)據(jù)達(dá)Tbps量級(jí)，而超高速太赫茲通信技術(shù)是達(dá)成上述目標(biāo)的核心技術(shù)之一。成果[5]-[8]，接近或部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平。2表1-1

國內(nèi)太赫茲科研機(jī)構(gòu)及研究課題研究單位研究課題中科院上海微系統(tǒng)所太赫茲量子器件及其成像電子科技大學(xué)大功率太赫茲源、固態(tài)太赫茲射頻器件、太赫茲準(zhǔn)光器件、太赫茲通信系統(tǒng)、太赫茲通信感知一體化、太赫茲有源超表面、圖1-3

日本NTT

的120GHz

通信系統(tǒng)實(shí)物與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景[3][4]日本政府將太赫茲技術(shù)列為未來十年十大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)首位。2006

年，NTT

公司完成世界上首例太赫茲通信演示，在2008

年成功用于北京奧運(yùn)會(huì)的高清轉(zhuǎn)播，如圖1-3

所示。該系統(tǒng)工作頻點(diǎn)120GHz，傳輸距離可達(dá)15

公里。此外，目前NTT

正在全力研究0.5~0.6THz

高速大容量無線通信系統(tǒng)。國內(nèi)以高校和研究院所為代表的科研機(jī)構(gòu)也積極投入太赫茲通信研究，并以不同形式進(jìn)行了互通協(xié)作，共同推動(dòng)國內(nèi)太赫茲技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。以電子科技大學(xué)、中國工程物理研究所、中國電科第十三所、中國電科第五十五所、中科院上海微系統(tǒng)所、天津大學(xué)、湖南大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等眾多高校和科研院所為代表的國家太赫茲相關(guān)研究單位，都在太赫茲核心關(guān)鍵器件和通信原型系統(tǒng)的開發(fā)上取得了眾多技術(shù)太赫茲成像系統(tǒng)前段關(guān)鍵技術(shù)、太赫茲高速直接調(diào)控器件上海理工大學(xué)太赫茲TDS

系統(tǒng)、太赫茲納米光子學(xué)中科院電子學(xué)研究所太赫茲成像中電41

所太赫茲倍頻源中電13

所太赫茲混頻器、倍頻器、放大器天津大學(xué)太赫茲波譜成像、太赫茲輻射源、太赫茲光纖激光技術(shù)武漢理工大學(xué)太赫茲微帶天線陣列紫金山天文臺(tái)太赫茲倍頻器北京大學(xué)太赫茲自由電子激光器放大器清華大學(xué)基于SiGe

BiCOMS

工藝的太赫茲功率放大器哈爾濱工業(yè)大學(xué)太赫茲成像探測(cè)技術(shù)南開大學(xué)太赫茲功能材料電磁特性與器件研究、鐵磁納米顆粒誘導(dǎo)調(diào)控增強(qiáng)的太赫茲液晶相移器復(fù)旦大學(xué)太赫茲波波導(dǎo)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室太赫茲光通信器件，太赫茲技術(shù)，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)華為技術(shù)有限公司太赫茲關(guān)鍵器件，太赫茲低復(fù)雜度信號(hào)處理，太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)浙江大學(xué)光電調(diào)制器件、光電結(jié)合方式太赫茲通信系統(tǒng)中國工程物理研究所太赫茲源、太赫茲半導(dǎo)體器件、太赫茲通信系統(tǒng)上海交通大學(xué)太赫茲信道、超大規(guī)模MIMO、太赫茲通信感知一體化中興通訊太赫茲通信與感知1.3

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展在太赫茲無線通信頻譜分配方面，國際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)完成100~275

GHz

頻率范圍內(nèi)各用頻業(yè)務(wù)的頻率劃分工作，為陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)分配的全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)頻譜有97.2

GHz。在2019

年世界無線電大會(huì)（WRC-19）上，又為陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)在275~450

GHz

頻率范圍內(nèi)新增275~296GHz、306~313GHz、318-333GHz、356~450GHz

四個(gè)全球標(biāo)識(shí)的移動(dòng)業(yè)務(wù)頻段，帶寬合計(jì)137GHz，如圖1-4

所示。圖1-4

WRC-2019

議題1.15

太赫茲頻譜劃分情況

在太赫茲無線通信空口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上，國際電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）在2008

年在3IEEE

802.15

工作組下設(shè)立了太赫茲興趣組（IG

THz，THz

Interest

Group），探討

275~3000

GHz

頻率范圍內(nèi)太赫茲通信和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可行性。后續(xù)，該興趣組轉(zhuǎn)為IEEE

802.15.3d

任務(wù)組。2017

年，該任務(wù)組發(fā)布了IEEE

Std.802.15.3d-2017[9]，定義了符合IEEE

Std.802.15.3-2016

的無線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理層，頻率范圍為252GHz

到325GHz，是第一個(gè)工作在300GHz

的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。2019

年，IMT-2030（6G）推進(jìn)組無線技術(shù)工作組成立了太赫茲通信任務(wù)組，將太赫茲通信為未來6G

通信的重要候選技術(shù)，召集各相關(guān)產(chǎn)學(xué)研用單位，研究討論太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用愿景和標(biāo)準(zhǔn)化等方面的工作，這為太赫茲通信進(jìn)入IMT

通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了研究和產(chǎn)業(yè)共識(shí)基礎(chǔ)。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門5D

工作組（ITU-R

WP5D）2020

年啟動(dòng)研究了100GHz以上的國際移動(dòng)電話系統(tǒng)（IMT）的技術(shù)可行性，制定名為“IMT

Above

100

GHz”的提案[10]。相關(guān)技術(shù)可為室內(nèi)室外熱點(diǎn)場(chǎng)景、通信感知一體化應(yīng)用與超短范圍環(huán)境提供超高通信速率。該報(bào)告預(yù)計(jì)2023

年6

月結(jié)束。IEEE

通信學(xué)會(huì)旗下的太赫茲通信特別興趣組（ComSoc

Special

Interest

Group(SIG)on

Terahertz

Communications）已于2021

年7

月成立，將在國內(nèi)外組織太赫茲通信領(lǐng)域的研討會(huì)、講座等各類活動(dòng)。上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、華為等工作組成員單位已積極與其中。隨著2023

年世界無線電大會(huì)（WRC-23）臨近，各國啟動(dòng)IMT-2030/6G

頻譜研討。業(yè)界初步達(dá)成優(yōu)先考慮92-275GHz

亞太赫茲頻譜用于IMT-2030/6G

頻譜的共識(shí)。具體候選頻段仍在研究、討論中，意向頻譜包括：W-band、D-band、220GHz、250GHz等具有連續(xù)大帶寬傳輸機(jī)會(huì)的頻譜。小結(jié)太赫茲頻段憑借豐富的頻段資源優(yōu)勢(shì)可支持超高的通信速率和高精度分辨率，太赫茲通信被認(rèn)為是達(dá)成6G“數(shù)萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”應(yīng)用愿景的重要空口技術(shù)備選方案，有望應(yīng)用在全息通信、微小尺寸通信、超大容量數(shù)據(jù)回傳、短距超高速傳輸?shù)葓?chǎng)景，提供進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和/或終端設(shè)備的高精度定位和高分辨率感知成像。國內(nèi)以高校、研究院所、和通信企業(yè)為代表的科研機(jī)構(gòu)也積極投入太赫茲研究，并以不同形式進(jìn)行了互通協(xié)作，共同推動(dòng)國內(nèi)太赫茲技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，在太赫茲核心關(guān)鍵器件和通信原型系統(tǒng)的開發(fā)上取得了眾多技術(shù)成果，接近或部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平。太赫茲頻段相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究已啟動(dòng)，隨著2023

年世界無線電大會(huì)（WRC-23）臨近，各國啟動(dòng)IMT-2030/6G

頻譜研討。4第二章太赫茲通信應(yīng)用場(chǎng)景2.1

地面通信應(yīng)用太赫茲的超寬帶頻率資源，可實(shí)現(xiàn)Tbps

峰值速率，適合地面超高速無線通信。超高速無線移動(dòng)場(chǎng)景6G

時(shí)代的通信業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如全息通信、高質(zhì)量視頻在線會(huì)議、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)、3D

游戲等，對(duì)數(shù)據(jù)速率、時(shí)延和連接數(shù)等網(wǎng)絡(luò)KPI

的需求可能呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)，太赫茲通信能夠滿足上述技術(shù)需求，可用于為熱點(diǎn)地區(qū)提供超高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋，作為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，提供超寬帶無線通信服務(wù)。圖2-1

熱點(diǎn)地區(qū)超寬帶覆蓋固定無線接入場(chǎng)景FWA（Fixed

Wireless

Access,固定無線接入）是在5G

已實(shí)現(xiàn)商用的一種通信場(chǎng)景，目前較多應(yīng)用毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于太赫茲通信可以支持的帶寬和速率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于毫米波頻段，未來可應(yīng)用于FWA

場(chǎng)景，用于滿足6G

通信能力需求。圖2-2

固定無線接入高速無線回傳太赫茲無線收發(fā)設(shè)備可以用于代替光纖或電纜實(shí)現(xiàn)基站數(shù)據(jù)的高速回傳，節(jié)省光纖部署成本，在高山、沙漠、河流等無法部署光纖的區(qū)域應(yīng)用太赫茲無線鏈路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，作為光纖的延伸。目前國內(nèi)外已有的太赫茲原型通信系統(tǒng)已具備超高速無線數(shù)5據(jù)傳輸能力，未來需要發(fā)展的技術(shù)重點(diǎn)是相關(guān)功能設(shè)備的低功耗、低成本和小型化。高效的太赫茲無線集成接入回傳網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)低成本且靈活的基站部署和管理。圖2-3

高速無線回傳無線數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景6隨著云服務(wù)應(yīng)用需求的不斷增加，對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器/服務(wù)器群（Server

Farms）的應(yīng)用需求也快速增長(zhǎng)。傳統(tǒng)線纜連接需要海量線纜，占用大量空間且維護(hù)成本較高，對(duì)于散熱和服務(wù)器性能帶來影響。太赫茲以其超高通信速率特點(diǎn)，被認(rèn)為可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)中心，用以降低數(shù)據(jù)中心空間成本、線纜維護(hù)成本和功耗[11]-[14]。數(shù)據(jù)亭下載場(chǎng)景數(shù)據(jù)亭（DataKiosk），即具有超高數(shù)據(jù)傳輸能力的數(shù)據(jù)站點(diǎn)，是太赫茲另一個(gè)極具潛力的應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)據(jù)亭可以分布在公共場(chǎng)所，例如機(jī)場(chǎng)、火車站、購物中心、交通擁堵等擁擠的地方，可以同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)用戶提供短時(shí)超高速率數(shù)據(jù)下載服務(wù)[15]-[16]。此外，還可以為汽車更新3D

4K

地圖視頻、提供多媒體內(nèi)容下載服務(wù)等。通信感知一體化場(chǎng)景太赫茲的超寬帶寬以及超高速率有望實(shí)現(xiàn)兼具高速率通信和高精度感知的通信感知一體化應(yīng)用。相關(guān)應(yīng)用包括基于太赫茲通信的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、車載通信與雷達(dá)傳感、毫米級(jí)室內(nèi)定位等。圖2-4

通信感知一體化應(yīng)用[17]元宇宙應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，太赫茲通信能夠滿足未來多樣化的元宇宙應(yīng)用需求，如全息通信、觸覺和遠(yuǎn)程呈現(xiàn)通信，為娛樂、學(xué)術(shù)研究等提供更直觀的視覺和審美體驗(yàn)。圖2-5

宇宙通信應(yīng)用[18]自主智能體網(wǎng)聯(lián)場(chǎng)景未來6G

場(chǎng)景中還將發(fā)展出如智能汽車、智能機(jī)器人、自主無人機(jī)等場(chǎng)景。此類自主系統(tǒng)需要與環(huán)境實(shí)時(shí)交換大量數(shù)據(jù)，在高移動(dòng)過程中準(zhǔn)確地感知和跟蹤它們的操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、保證交通安全。此外，數(shù)據(jù)類型形成多樣性，包括3D

視頻、雷達(dá)信號(hào)、環(huán)境信息等，無線系統(tǒng)應(yīng)在上行和下行鏈路提供雙向高速率可靠通信和高精度感知。太赫茲波段具備高速通信和高分辨率感知優(yōu)勢(shì)，可支撐自主智能體網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用。2.2

非地面通信應(yīng)用太赫茲波在外層空間中基本可做到無損傳播，通過極低的功率就可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸。如果未來太赫茲天線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小型化、平面化，太赫茲通信系統(tǒng)可通過搭載衛(wèi)星、無人機(jī)、飛艇等天基平臺(tái)和空基平臺(tái)，作為無線通信和中繼設(shè)備，應(yīng)用于衛(wèi)星集群間、天地間和千公里以上的星間高速無線通信場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)未來的空天地海一體化通信?？仗斓匾惑w化通信網(wǎng)絡(luò)可以提供空、天、海、地的廣域覆蓋，特別是人跡罕至的偏遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、空中和海面上。在業(yè)務(wù)方面，空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)可以提供回傳、中繼、應(yīng)急通信、廣播通信、寬帶接入、個(gè)人移動(dòng)、行業(yè)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。7圖2-6

空天地一體化通信應(yīng)用場(chǎng)景2.3

微系統(tǒng)通信應(yīng)用隨著太赫茲通信技術(shù)的持續(xù)突破和發(fā)展，未來有望實(shí)現(xiàn)毫微尺寸甚至是微納尺寸的收發(fā)設(shè)備和組件，在極短距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用。隨著石墨烯等新型材料技術(shù)的興起與發(fā)展，太赫茲通信有望作為無線納米網(wǎng)絡(luò)通信頻段，用于芯片的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠?片間無線通信等，支持健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可穿戴或植入式太赫茲設(shè)備等多種微小尺度通信應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)從宏觀通信到微觀通信的6G

網(wǎng)絡(luò)覆蓋。未來需要通過將太赫茲技術(shù)與微納技術(shù)的結(jié)合，以及新型材料和工藝技術(shù)的進(jìn)展突破，實(shí)現(xiàn)毫微尺寸、高效率、低成本的太赫茲通信收發(fā)器件與設(shè)備。圖2-7

微系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景（a）片上通信（b）用于健康監(jiān)測(cè)的納米體域網(wǎng)[17]小結(jié)充分利用太赫茲頻段超寬帶、超高數(shù)據(jù)率傳輸能力，太赫茲通信技術(shù)期望應(yīng)用于未來6G

所需的超級(jí)無線寬帶、超大規(guī)模連接、極其可靠通信能力和感知和智能服務(wù)新場(chǎng)景。太赫茲通信技術(shù)預(yù)期實(shí)現(xiàn)在空天地海一體化多領(lǐng)域覆蓋。利用其超寬帶超高速數(shù)據(jù)傳輸能力，太赫茲通信有望在超高速率無線移動(dòng)和回傳、固定接入、無線數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。除此之外，利用太赫茲超高頻的高精度感知特性和高密度硬件集成能力，太赫茲通信也可以在基站和終端形態(tài)通信感知一體化、元宇宙、自主智能體聯(lián)網(wǎng)和納米微系統(tǒng)等未來新興領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。8第三章太赫茲通信核心器件太赫茲電路是實(shí)現(xiàn)太赫茲系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的性能直接影響著系統(tǒng)性能優(yōu)劣。近二十年來，太赫茲電路的研究正如火如荼地開展，引發(fā)了業(yè)界的高度關(guān)注和積極探索?，F(xiàn)在支持高于100GHz

應(yīng)用的設(shè)備技術(shù)方面有了多種選擇，如圖3-1

所示。圖3-1

不同工藝的fmax/fT

性能太赫茲通信系統(tǒng)主要是太赫茲發(fā)射源和接收機(jī)，涉及的核心電路包括：倍頻器、混頻器、調(diào)制解調(diào)器、低噪聲放大器等。目前，業(yè)界對(duì)太赫茲電路技術(shù)的研究，正朝著更高頻段（超過1THz）、更低損耗、更高效率的方向發(fā)展?；贗II-V

族化合物半導(dǎo)體晶體管工藝的芯片集成電路，雖然發(fā)展緩慢且耗資巨大，也還是引發(fā)了廣大科研工作者的高度關(guān)注和積極探索。3.1

太赫茲半導(dǎo)體技術(shù)太赫茲半導(dǎo)體技術(shù)主要指的是利用二極管或晶體管等非線性器件，實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的倍頻、混頻、放大等功能電路，從而構(gòu)成太赫茲發(fā)射和接收前端，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)。肖特基勢(shì)壘二極管是一種可常溫工作、導(dǎo)通電壓較低、反向恢復(fù)時(shí)間極短的二極管，因?yàn)樯榛墦碛休^高的飽和電子速率及電子遷移率，目前太赫茲頻段肖特基勢(shì)壘二極管主要基于砷化鎵（GaAs）材料。GaAs基肖特基二極管是太赫茲固態(tài)有源電路采用的主流器件，以美國VDI

公司為代表，產(chǎn)業(yè)化成熟。目前器件截止頻率已經(jīng)大于30THz，混頻器、倍頻器的工作頻率基本覆蓋了太赫茲頻段。同時(shí)，芯片集成化也成為太赫茲頻段半導(dǎo)體技術(shù)研究的重中之重。用于太赫茲頻段放大器的半導(dǎo)體器件，主要分為1）Si

基器件和2）是-族化合物基器件。Si

基器件主要為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（

CMOS）器件和SiGe

雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體9（

BiCMOS）器件，-族化合物器件主要包括GaAs

贗配型高電子遷移率晶體管（PHEMT）器件、GaAs

改性高電子遷移率晶體管（MHEMT）器件、InP

HEMT

器件、

InP

HBT

器件和GaN

HEMT

器件。硅基集成電路（IC）因其低成本和高密度片上集成而盛行，以砷化鎵基半導(dǎo)體和氮化鎵基半導(dǎo)體為代表的III-V

族化合物半導(dǎo)體能夠提供更高的傳輸功率。異構(gòu)集成平臺(tái)既保留了硅的優(yōu)勢(shì)，又能提供更好的性能，例如更高的輸出功率。使用苯并環(huán)丁烯（BCB）的晶圓級(jí)集成可以采用2D

集成方法[20]，或是將由III-V

族材料組成的晶圓或裸片焊接到圖案化硅晶圓上，例如基于3D

BCB

的晶圓焊接集成方案或晶圓級(jí)的低溫氧化物-氧化物焊接[21]，既保留了硅的優(yōu)勢(shì)，又充分利用了III-V

族化合物半導(dǎo)體的高功率和高工作頻率特性，因此極具前景。3.2

發(fā)射端核心器件高品質(zhì)的太赫茲頻率源是太赫茲系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵，它的性能在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。目前，太赫茲固態(tài)頻率源正在向著更高頻率、更大功率、更寬頻帶、單片集成、超低相噪等方向發(fā)展。倍頻器倍頻器是利用二極管的非線性特性實(shí)現(xiàn)頻率倍增功能的有源電路，是太赫茲固態(tài)頻率源的核心。在太赫茲通信系統(tǒng)中，倍頻源的主要作用是為變頻器提供本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而滿足通信系統(tǒng)的正常工作。隨著二極管加工工藝的迭代與MEMS

工藝的應(yīng)用，太赫茲倍頻器在不斷朝著更高的輸出功率、更高的頻率以及更寬的帶寬發(fā)展，同時(shí)單片集成的方式已成為主流趨勢(shì)。為了達(dá)到高功率性能的目標(biāo)，一方面是采用大功率GaN

倍頻技術(shù)，另一方面是基于功率合成，采用在片合成、腔體內(nèi)合成以及散熱等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率。目前美國JPL

實(shí)驗(yàn)室基于GaAs

二極管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1.6THz

頻段的倍頻鏈路，美國

VDI

公司，德國的ACST

公司、英國的盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室、瑞典查爾姆斯理工大

學(xué)、愛爾蘭的Farran

公司等研究機(jī)構(gòu)在異質(zhì)集成、HBV、薄膜工藝、硅基加工和外延轉(zhuǎn)

移等太赫茲倍頻源相關(guān)技術(shù)都有諸多建樹。在常用的170GHz、220GHz、340GHz、420GHz、550GHz

等頻段的頻率源的輸出功率均可滿足變頻器的驅(qū)動(dòng)功率需求，其中170GHz、220GHz均可大于100mW。國內(nèi)方面，電子科技大學(xué)，中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，中國工程物理研究院等研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過技術(shù)追趕，在輸出功率、倍頻效率和工作帶寬等指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破，在110GHz、140GHz、170GHz、220GHz、340GHz等頻段的太赫茲頻率源滿足了應(yīng)用需求[22]-[24]，例如已成功在220GHz

頻段實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于84mW[25]，在180GHz

頻段實(shí)現(xiàn)了244

mW

的輸出功率[26]等。功率放大器功率放大器通常位于通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的末級(jí)，與上變頻器相連接，其功率放大性能10決定了通信系統(tǒng)的作用距離。功率放大器的核心指標(biāo)是放大器增益，直接影響著通信系統(tǒng)的實(shí)際作用距離。目前功率放大器普遍采用基于InP

HBT/DHBT

的器件，該器件由發(fā)射極、集電極和基極組成，具有高頻率、高功率的特點(diǎn)，因而可以應(yīng)用于太赫茲功率放大器的研究，InP

HBT

器件還具有相位噪聲低、頻帶寬、集成能力高的特點(diǎn)，十分適合于線性功放和超高速電路的設(shè)計(jì)。目前美國Teledyne

公司在InP

HBT

器件研究中處于世界領(lǐng)先，德國IAF

研究所、美國諾格公司等研究機(jī)構(gòu)緊隨其后。最新研究表明，基于InP

HBT

的太赫茲功放在高達(dá)

670

GHz

頻段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)增益大于24

dB

和輸出功率大于-4

dBm[27]，并在170

GHz

頻段實(shí)現(xiàn)了輸出功率最高244

mW[28]，而基于InP

HEMT

的太赫茲功放目前在220

GHz

頻段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于200

mW[29]，在650

GHz

頻段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于3

mW，增益大于10

dB[30]。國內(nèi)在太赫茲InP

HBT/DHBT

技術(shù)方面起步較晚，實(shí)現(xiàn)的功放也集中于200GHz

以下，中國電子科技集團(tuán)公司第十三、第五十五研究所、中國科學(xué)院微電子研究所等目前正在積極的推進(jìn)220GHz

以上頻率功率放大器的相關(guān)研究工作。隨著硅基器件工藝的不斷發(fā)展，CMOS

和BiCMOS

已成功應(yīng)用于太赫茲功率放大器。清華大學(xué)報(bào)道了基于130

nm

SiGe

BiCMOS

工藝的250-310

GHz

頻段功率放大器，飽和輸出功率為5

dBm[31]。美國加州戴維斯分校報(bào)道了基于65

nm

CMOS

工藝的200GHz

功率放大器，飽和輸出功率高達(dá)9.4

dBm[32]。3.3

接收端核心器件太赫茲頻段的接收機(jī)中，外差接收是應(yīng)用最為廣泛的接收體制。在外差接收體制中，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路通常包括實(shí)現(xiàn)頻率變換、信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)放大功能的電路。變頻器11變頻器是利用肖特基勢(shì)壘二極管的非線性特性實(shí)現(xiàn)頻率變換功能的有源電路，是超外差接收系統(tǒng)中的核心電路之一。通信系統(tǒng)中，變頻器的主要作用是將中頻基帶信號(hào)搬移至太赫茲頻段進(jìn)行發(fā)射（上變頻），或?qū)⑻掌濐l段傳輸信號(hào)搬移至中頻頻段送至基帶進(jìn)行解調(diào)（下變頻）。變頻器的核心指標(biāo)是噪聲溫度和變頻損耗，前者影響著接收機(jī)的噪聲性能，后者則決定了太赫茲頻段信號(hào)變頻至中頻頻段信號(hào)的損耗。太赫茲變頻器發(fā)展已有幾十年的歷史，技術(shù)相對(duì)成熟，目前，太赫茲固態(tài)變頻器正在向著高頻率、低損耗、低噪聲、寬頻帶、單片集成等方向發(fā)展，最高工作頻率已達(dá)5THz[33]。作為目前固態(tài)變頻器的世界領(lǐng)先研究機(jī)構(gòu)，美國弗吉尼亞二極管公司（VDI）的分諧波變頻器的工作頻率已經(jīng)覆蓋到5THz，在常用的220GHz、340GHz、420GHz

等頻段的分諧波變頻器的變頻損耗的典型值分別為8dB、10dB、12dB。同時(shí)，德國的ACST

公司，英國的盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室，巴黎天文臺(tái)等研究機(jī)構(gòu)在太赫茲分諧波變頻器方面也具有諸多建樹。國內(nèi)方面，電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所等研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過近十年的技術(shù)追趕，在140GHz、220GHz、340GHz

等頻段的分諧波變頻器也基本達(dá)到了世界一流水平。相較于傳統(tǒng)的雙邊帶混頻器，太赫茲正交（IQ）混頻器在太赫茲通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，可用于太赫茲直接調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收和高速率傳輸?shù)耐瑫r(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)。相關(guān)研究國外開展較早，目前已報(bào)道了330

GHz

頻段的太赫茲IQ

混頻器[34]-[35]。低噪聲放大器低噪聲放大器作為通信系統(tǒng)接收機(jī)的第一級(jí)，其重要作用是將微弱的傳輸信號(hào)功率放大，并盡可能的減小放大器自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，以提高通信系統(tǒng)的信噪比。低噪聲放大器的核心指標(biāo)是噪聲系數(shù)和放大器增益，前者影響著接收機(jī)的噪聲性能，后者是對(duì)信號(hào)功率放大能力的體現(xiàn)，影響著通信系統(tǒng)的作用距離。目前，低噪聲放大器主要基于InP

器件。由于InP

電子遷移率較高，但是禁帶寬度較小，所以InP

基器件可以用來進(jìn)行THz

高頻、高增益、低噪聲的小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)。同時(shí)由于HEMT

器件不連續(xù)導(dǎo)帶產(chǎn)生的二維電子氣具有高場(chǎng)遷移率以及高飽和漂移速度的特點(diǎn)，因此HEMT

器件在具有良好的高頻、高增益、低噪聲特性。因此InP

HEMT

器件具有截止頻率高和噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，能夠在THz

波段提供良好的噪聲增益特性。在InPHEMT

電路研究方面，美國諾格公司（NorthropGrumman）處在行業(yè)領(lǐng)先的位置，該公司研制的InP

放大芯片工作頻率可達(dá)850GHz

以上，最低噪聲系數(shù)為11.1

dB，增益大于13dB[36]。在220GHz、340GHz

的常用頻段，其噪聲系數(shù)典型值為6dB

和8dB。同時(shí)，美國Teledyne

公司，德國IAF

研究所等研究機(jī)構(gòu)也具有較強(qiáng)的太赫茲芯片研發(fā)能力[37]-[39]。近五年來，國內(nèi)投入了大量人力物力研究InPHEMT器件和電路，主要研究單位有中國電子科技集團(tuán)公司第十三、第五十五研究所、中國科學(xué)院微電子研究所等，目前研制出的140GHz、220GHz

放大器性能良好[40]。基于硅基器件研制的太赫茲低噪聲放大器也實(shí)現(xiàn)了性能提升。目前0.13

mSiGe工藝的fT/fmax

高達(dá)460/600

GHz，該工藝下的190

GHz

低噪放噪聲系數(shù)僅為7.7

dB[41]。3.4

太赫茲調(diào)制電路太赫茲直接調(diào)制技術(shù)為解決太赫茲無線通信技術(shù)和成像技術(shù)中存在的一系列問題，提供了新的研究方向，為實(shí)現(xiàn)高效、高速、低復(fù)雜度太赫茲無線通信和快速、高分辨率太赫茲成像提供了新的技術(shù)解決途徑。太赫茲直接調(diào)制技術(shù)是針對(duì)以從信號(hào)源發(fā)射到自

由空間或者片上傳輸?shù)奶掌澆ㄟM(jìn)行外部調(diào)制方式，可根據(jù)不同的通信距離和工作環(huán)境，靈活地選擇輸出不同功率和載波頻率的信號(hào)源。因此，基于直接調(diào)制技術(shù)的太赫茲無線

通信系統(tǒng)及太赫茲成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于提升太赫茲調(diào)制電路和器件性能。隨著人工微結(jié)構(gòu)、新型半導(dǎo)體材料以及芯片電路在太赫茲直接調(diào)制技術(shù)中的結(jié)合以及應(yīng)用，太赫茲直接調(diào)制技術(shù)不斷朝著高速率、低損耗、集成化以及高帶寬利用率的方12向發(fā)展，不僅在面向自由空間傳輸太赫茲波的平面準(zhǔn)光型調(diào)制器上取得突破，同時(shí)在面向集成化、芯片化的片上太赫茲直接調(diào)制器也不斷取得進(jìn)展。以國內(nèi)電子科技大學(xué)為代表的單位，將動(dòng)態(tài)人工微結(jié)構(gòu)與射頻芯片電路相結(jié)合，在

0.14THz、0.22THz、0.34THz

均實(shí)現(xiàn)了調(diào)制速率大于30Gbps

的高速太赫茲直接調(diào)制器

件；同時(shí)，采用片上數(shù)字編碼的方式與微擾單元結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)了0.26THz-0.27THz

移相

精度小于2

度的直接相位調(diào)制。同時(shí)國際上美國布朗大學(xué)、日本也取得了進(jìn)展，使得太

赫茲直接調(diào)制技術(shù)不斷向著實(shí)用化發(fā)展。直接調(diào)制目前以單路單比特低復(fù)雜度調(diào)制為主，在未來發(fā)展中多路正交直接調(diào)制也將是其發(fā)展的重要方向。3.5

太赫茲陣列天線及集成技術(shù)作為無線系統(tǒng)，天線也是重要的部件之一，承擔(dān)了太赫茲信號(hào)的最后發(fā)射和接收工作，天線增益和掃描范圍直接影響太赫茲系統(tǒng)的覆蓋范圍。目前利用的較多的是方便對(duì)接太赫茲波導(dǎo)器件的各類喇叭天線，透鏡天線和反射面天線等定波束天線，增益覆蓋

10dBi~50dBi

范圍，可以用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)-點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)太赫茲通信系統(tǒng)中。對(duì)于未來太赫茲系統(tǒng)更加靈活性的需求，具有波束賦形能力的大規(guī)模陣列天線將是必須的研究路線之一。太赫茲“瓦片式”陣列允許對(duì)大規(guī)模太赫茲天線陣列進(jìn)行波束操控來獲得高輻射功率，因而極具吸引力。在太赫茲“瓦片式”陣列中，大量天線集成在芯片或封裝上，以確保結(jié)構(gòu)緊湊和高能效，避免不必要的寄生損耗。每個(gè)陣子的相位由模擬移相器進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形[44]-[45]。隨著電磁波空間調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，智能超表面也是波束賦形的一種重要補(bǔ)充方式，智能表面分為無源表面（也稱為可重構(gòu)智能表面RIS）和有源表面（也稱為大型智能表面LIS）。無源RIS

實(shí)現(xiàn)波束反射、準(zhǔn)直和偏振等基本功能，通常由低成本、自供電的無源器件組成，因此能耗較低。有源LIS

則實(shí)現(xiàn)全部或部分射頻功能，因此通常配備較為耗電的射頻電路和信號(hào)處理單無論采用哪種方式，輻射源都能使表面“智能”地響應(yīng)時(shí)變無線通信環(huán)境[46]。太赫茲器件封裝和集成技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線陣列。目前常用的波導(dǎo)接口，金屬模塊封裝方式集成度低且成本較高，將來會(huì)被高密度集成技術(shù)所取代，其中比較有前景的技術(shù)包括多芯片模塊（MCM）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）和異構(gòu)集成?；诟邷毓矡沾桑℉TCC）或低溫共燒陶瓷（LTCC）基板的MCM

已用于太赫茲系統(tǒng)封裝，這種封裝集成了天線和硅透鏡，可減少連接損耗并增強(qiáng)系統(tǒng)EIRP[47]-[48]。硅通孔（TSV）工藝具有更高的集成度和工藝精度，可用于更高頻率[49]。嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列（eWLB）工藝通常用于低頻（中介層或布線層），但也可以作為SIP

技術(shù)用于太赫茲低端頻段[50]。3.6

太赫茲可重構(gòu)智能表面太赫茲可重構(gòu)智能表面（ReconfigurableIntelligentSurface,RIS）是一項(xiàng)近兩年依基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)超表面和陣列波束綜合理論發(fā)展的新興技術(shù)，可以低成本、低功耗、低復(fù)13雜度、超薄體積的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波束方向性進(jìn)行重構(gòu)，通過引入時(shí)間編碼技術(shù)可進(jìn)而取得信息調(diào)制的能力，同時(shí)也是作為實(shí)現(xiàn)未來通感一體化無線系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。RIS作為一種二維平面器件，根據(jù)其被動(dòng)輻射和諧振重構(gòu)的特點(diǎn)，自身即可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太赫茲波幅相響應(yīng)的調(diào)制，相比傳統(tǒng)相控陣/MIMO鏈路而言，RIS將幅相調(diào)制、極化轉(zhuǎn)換、波束調(diào)控集成于二維平面器件上，大大降低了無線鏈路在硬件層的復(fù)雜度，同時(shí)更有利于各種復(fù)雜信道環(huán)境的大規(guī)模部署。基于RIS

的可編程波束調(diào)控，結(jié)合人工智能算法對(duì)

RIS的控制編碼進(jìn)行波束訓(xùn)練優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跟蹤通信，以及實(shí)時(shí)偵測(cè)或成像，對(duì)解決太赫茲頻段的傳播損耗、遠(yuǎn)距/非視距傳輸、高速/高分辨?zhèn)蓽y(cè)等難題具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)高效的太赫茲RIS器件，有兩個(gè)重要研究方向即重構(gòu)陣列和智能編碼調(diào)控，其中動(dòng)態(tài)調(diào)控的手段直接決定了編碼調(diào)控的靈活度與自由度，發(fā)展高速、高效率、低功耗、低寄生的動(dòng)態(tài)調(diào)控超表面單元是實(shí)現(xiàn)太赫茲RIS

器件成熟化的關(guān)鍵。太赫茲RIS

研究方面，在美國DARPA

的支持下，美國HRL

實(shí)驗(yàn)室在2017

年報(bào)道了一種1-bit

編碼孔徑副反射面天線陣列，工作頻率235

GHz，天線效率37%，插損<5dB，是目前報(bào)道的最高天線效率和最低插損的毫米波電控可重構(gòu)天線。2018

年11

月，日本移動(dòng)通信運(yùn)營商N(yùn)TTDOCOMO聯(lián)合毫米波雷達(dá)技術(shù)公司Metawave首次演示了RIS反射面在6G

系統(tǒng)中28

GHz

頻段下的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了RIS

反射面對(duì)于覆蓋和容量提升的潛在能力。2022

年，美國麻省理工學(xué)院MIT

和Intel公司報(bào)道了基于CMOS

的二維反射陣列[3]，陣元數(shù)98×98，工作頻率265GHz，掃描范圍±45°，掃描精度1°，是目前報(bào)道的最大陣列規(guī)模、最大掃描范圍和最高掃描精度。但目前CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的插入損耗和器件成本依然制約器件性能進(jìn)一步提高。國內(nèi)方面，2015

年，電子科技大學(xué)研制出雙異質(zhì)結(jié)HEMT

與超材料結(jié)合的調(diào)制器后，通過控制二維電子氣的載流子濃度實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波束的高速調(diào)控成為了快速電控太赫茲RIS

的一種重要技術(shù)途徑，2021

年，電子科技大學(xué)利用多路HEMT-人工微結(jié)構(gòu)編碼控制單元微擾諧振態(tài)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波高精度相位調(diào)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了0.34THz、32×32、掃描角度范圍大于40

度的太赫茲RIS

的驗(yàn)證器件。然而太赫茲波段RIS

由于頻率高、波長(zhǎng)短，目前還存在反射效率低、增益低等問題，有待進(jìn)一步的提升。小結(jié)太赫茲通信核心器件是太赫茲通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，引發(fā)了業(yè)界的高度關(guān)注和積極探索。業(yè)界對(duì)太赫茲電路技術(shù)的研究正朝著更高頻段、更低損耗、更高效率的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)的太赫茲核心器件研發(fā)已經(jīng)接近世界一流水平，但太赫茲核心器件還存在高頻信號(hào)處理、天線陣列架構(gòu)功耗、實(shí)現(xiàn)成本和復(fù)雜度的平衡等挑戰(zhàn)。后續(xù)的太赫茲通信核心器件研發(fā)集中在高功率低損耗的收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)、超大帶寬太赫茲信號(hào)模轉(zhuǎn)換、高速基帶處理、超大規(guī)模天線集成技術(shù)和太赫茲可重構(gòu)智能表面設(shè)計(jì)等方向。14第四章太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)4.1

調(diào)制解調(diào)技術(shù)鑒于太赫茲的信道特性，傳統(tǒng)調(diào)制方式不能完全實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的期望性能。分子吸收導(dǎo)致的路徑衰減分隔了許多傳輸窗，并且其位置和寬度都與傳輸距離緊密相關(guān)。在太赫茲頻段，傳輸距離的微小變化會(huì)極大地影響其信道的大尺度傳輸特性，即傳輸窗帶寬會(huì)急劇下降。因此，對(duì)于短距離場(chǎng)景，太赫茲通信調(diào)制方式的設(shè)計(jì)思路與超寬帶通信類似，即低功耗、小尺寸、低復(fù)雜度。對(duì)于中長(zhǎng)距離場(chǎng)景，分子吸收的存在使得太赫茲頻帶的頻譜窗口與傳輸距離具有密切關(guān)系，促使距離自適應(yīng)通信調(diào)制方式的提出。此外，由于非視距路徑的損耗較為嚴(yán)重，太赫茲信道的時(shí)延擴(kuò)展會(huì)減小。同時(shí)，太赫茲頻段的多普勒效應(yīng)更為嚴(yán)重，在高速移動(dòng)場(chǎng)景下需要考慮調(diào)制方案對(duì)多普勒效應(yīng)的魯棒性。除了提高單用戶的數(shù)據(jù)速率，還可以使用距離自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)對(duì)多個(gè)用戶的可用帶寬進(jìn)行有效分配。距離自適應(yīng)多用戶調(diào)制技術(shù)將太赫茲頻譜窗口中的中心子窗口分配給距離更遠(yuǎn)的用戶，將邊界子窗口分配給更近的用戶，同時(shí)對(duì)不同用戶進(jìn)行功率自適應(yīng)分配[55]。這種用于太赫茲頻段的距離自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)優(yōu)于現(xiàn)有的毫米波調(diào)制技術(shù)以及非自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。由于不同距離的用戶具有不同的可用帶寬以及解調(diào)能力，上述距離自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)可以與傳統(tǒng)的調(diào)制方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分層帶寬調(diào)制技術(shù)[56]。該技術(shù)在發(fā)射端采用多種調(diào)制階數(shù)以及符號(hào)時(shí)間，在不同距離的用戶接收端根據(jù)自身的可用帶寬確定解調(diào)階數(shù)以及符號(hào)時(shí)間，能夠有效提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。沿用5G

空口的技術(shù)方案，需評(píng)估比較不同的波形設(shè)計(jì)方案，包括單載波基于傅立葉變換擴(kuò)展的正交頻分復(fù)用DFT-s-OFDM

及其變體、多載波正交頻分復(fù)用OFDM、以及正交時(shí)頻空間調(diào)制OTFS

在太赫茲信道和器件影響下的性能，如頻譜效率、多普勒偏移的魯棒性、峰值平均功率比、相位噪聲、帶外能量泄露、接收機(jī)復(fù)雜度等。OTFS

是近年來出現(xiàn)的一種新型多載波調(diào)制技術(shù)，將信息符號(hào)調(diào)制到時(shí)延多普勒域，使得時(shí)變信道轉(zhuǎn)化為近似平穩(wěn)的時(shí)延多普勒域信道，有利于處理多普勒效應(yīng)，但是OTFS

的峰均功率比性能對(duì)于太赫茲功率放大器來說仍然不盡人意。上海交通大學(xué)韓充教授與諾基亞貝爾團(tuán)隊(duì)提出新型的基于傅立葉變換擴(kuò)展的正交時(shí)頻空調(diào)制DFT-s-OTFS

的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合單載波與正交時(shí)頻空調(diào)制的優(yōu)勢(shì)，有效抵御太赫茲波段對(duì)多普勒偏移的敏感性，同時(shí)降低峰值平均功率比[57]，比較結(jié)果如圖4-1。引入DFT

預(yù)編碼會(huì)影響到導(dǎo)頻保護(hù)區(qū)域，因此，OTFS

的嵌入式導(dǎo)頻方案不再適用。上海交通大學(xué)韓充教授團(tuán)隊(duì)提出采用疊加式導(dǎo)頻的方案，并設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合信道估計(jì)與信號(hào)檢測(cè)的迭代方法，其中設(shè)計(jì)了一種基于快速傅里葉變換的信道均衡算法，有效降低了接收機(jī)復(fù)雜度。15圖4-1

OFDM,DFT-s-OFDM,OTFS,DFT-s-OTFS

太赫茲傳輸?shù)姆逯灯骄β时仍贒FT-s-OFDM

基礎(chǔ)上，中興團(tuán)隊(duì)提出eDFT-s-OFDM。圖4-2

是在DFT-s-OFDM波形基礎(chǔ)上增強(qiáng)和優(yōu)化的新型候選波形e

DFT-s-OFDM

時(shí)域數(shù)據(jù)的基本符號(hào)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)符號(hào)內(nèi)的時(shí)域數(shù)據(jù)主要數(shù)由