高頻天線技術(shù)與應(yīng)用前沿報告

1、 高頻天線技術(shù)與應(yīng)用前沿報告 本報告分析了高頻天線的全球發(fā)展態(tài)勢和我國發(fā)展現(xiàn)狀，對天線的趨向高頻化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢和技術(shù)預(yù)見進行了預(yù)測，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線電通信、衛(wèi)星通信、雷達和太空探索等系統(tǒng)中不可缺少的裝置，承擔(dān)著通信系統(tǒng)收發(fā)信號的重要作用。作為整個系統(tǒng)中最前端的組成部分，所有通信數(shù)據(jù)都需要通過天線來進行傳輸，因此天線性能的好壞直接影響著整個無線通信系統(tǒng)的性能。移動通信、衛(wèi)星通信和深空探測作為無線通信的重要領(lǐng)域，是一個國家綜合實力的體現(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)時代已經(jīng)到來，對于天線技術(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、更大帶寬進行發(fā)展，要求天線技術(shù)不斷向高頻段演進。目前，天線設(shè)計逐漸趨于系統(tǒng)化和復(fù)雜化，以應(yīng)對多頻段、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)對更加復(fù)雜的應(yīng)用場景，大規(guī)模 MIMO 技術(shù)、同頻全雙工技術(shù)、超帶寬低復(fù)雜度信號處理、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)機構(gòu)和空口的優(yōu)化等技術(shù)也逐漸涌現(xiàn)出來。本報告通過分析天線技術(shù)在全球發(fā)展的態(tài)勢和國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，對天線技術(shù)的現(xiàn)狀和技術(shù)預(yù)見進行了預(yù)測，探討了高頻天線技術(shù)研究過程中會遇到的工程難題，并對產(chǎn)業(yè)政策提出建議。

3、二、 全球發(fā)展態(tài)勢(一) 系統(tǒng)熱點分布傳統(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，天線與射頻技術(shù)正在向更高的頻段演進。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到軍事、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各個方面。在眾多應(yīng)用方面中，移動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。未來的移動網(wǎng)絡(luò)（如 5G 和 6G，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，無線 LANS，大型數(shù)據(jù)中心以及芯片內(nèi)/芯片間通信）對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移動通信網(wǎng)絡(luò)，不僅要針對點對點，還

4、要面對點到多點的數(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。移動通信行業(yè)的目光因此開始向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻段開始成為移動通信發(fā)展的重要研究方向。ITU（國際電信聯(lián)盟）-RWP5D 為5G 定義了 eMBB（增強移動寬帶）、uRLLC（高可靠低時延）、mMTC（海量機器類通信）三大場景，如圖 1 所示。其中 eMBB 場景是速率的提升，主要應(yīng)對密集城區(qū)、室內(nèi)

5、熱點等大流量場景；uRLLC 場景是降低網(wǎng)絡(luò)時延，主要應(yīng)用于無人駕駛、智能工廠等低時延場景；mMTC 場景是海量大連接，對應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)等海量機器類通信的場景。為達到上述愿景，5G 頻率將涵蓋低、中、高頻段：6GHz 以下的中、低頻段覆蓋能力強，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，滿足高可靠低時延場景和海量機器類通信場景；6GHz 以上的高頻段擁有連續(xù)大帶寬，滿足增強的移動寬帶場景，如圖 2 所示1。國際來看，為搶占市場先機，美國、歐盟、韓國等全球主要國家紛紛制定 5G 頻譜政策，針對高頻頻譜進行了分配，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。從理論可知，天線的數(shù)量對通信系統(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 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，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)，有效地避免了信號在不同區(qū)域（均為 5G）之間的干擾問題，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，幫助電信運營商充分利用現(xiàn)有的基站地址和頻譜資源，這為 5G 通信系統(tǒng)的開發(fā)和實現(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)的實施依然建立在基站的基礎(chǔ)上，而在對該技術(shù)進行研究時，多數(shù)都忽視了導(dǎo)頻數(shù)目缺乏帶來的不良影響，即導(dǎo)頻污染，對大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的容量性能造成嚴(yán)重影響?；趯@個問題的考慮，有專家認(rèn)為可以對大規(guī)模 MIMO技術(shù)服務(wù)的用戶進行分類，以此達到所需的導(dǎo)頻支出的目的。2. 同頻全雙工技術(shù)未來使用 5G 移動通信技術(shù)，除了要求有高水平的頻譜資源支撐外，還需要對頻譜資源進行全面細致的分析，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 時期，需要加強對同頻全雙工技術(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)不僅對于頻譜資源的挖掘效率高，對于傳輸效率也能穩(wěn)定提升，可以滿足未來一段時間內(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)在使用時存在一個很大的問題就是在同頻段接受時形成的干擾較大，會影響該技術(shù)性能的發(fā)揮?；诖耍醒芯咳藛T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，在自干擾信號較弱時，可以有效進行消除；但如果自干擾信號較強，會出現(xiàn)信息傳輸滯后問題。對于同頻全雙工技術(shù)應(yīng)用來說，本技術(shù)單獨使用難以滿足需求。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，本技術(shù)更加高效方便，但局限性也較強，會受到發(fā)射通道的影響5。3. 毫米波頻段移動通信技術(shù)上文可以看出，5G 技術(shù)的實現(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通信技術(shù)，可以提供更多的頻譜資源，實現(xiàn)速度快和容量大的頻譜資源的傳輸。因此，毫米波段也是國內(nèi)外對于 5G 乃至下一代移動通信的研究熱點。但在毫米波頻段移動通信技術(shù)應(yīng)用時需要注意幾個問題：一是該技術(shù)的應(yīng)用不適合采用接頭方式，需要實現(xiàn)毫米波前端天線有源和無源的一體化，以提高連接效果；二是毫米波前端波長較小，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

10、過程和具體環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，因此設(shè)計時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。這就對高頻天線的設(shè)計提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。因此，本文接下來將對高頻天線的研究現(xiàn)狀和趨勢以及技術(shù)難點進行討論。4. 超寬帶低復(fù)雜度信號處理在 B5G/6G 時代中，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 越來越困難。為了解決這一問題，采用低分辨率 ADC 進行量化和 ADC 時間交織技術(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，隨著高頻毫米波、太赫茲技術(shù)在不同通信場景中的廣泛應(yīng)用，毫米波、太赫茲環(huán)境下的無線通信組網(wǎng)必將成為研究熱點。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、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)需要進一步優(yōu)化。三、 我國發(fā)展現(xiàn)狀(一) 系統(tǒng)熱點分布5G 時代已經(jīng)來臨，由于以華為、中興為代表的公司對技術(shù)不斷的探索，我國在 5G 領(lǐng)域向世界證明了中國技術(shù)的重要性。未來，5G技術(shù)將會應(yīng)用到更多的高精尖領(lǐng)域當(dāng)中并且同這些技術(shù)進行融合，從而進一步

12、提升整體的通信質(zhì)量，使人們對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 6G 技術(shù)研發(fā)工作啟動會。這也標(biāo)志著我國已將移動通信的發(fā)展著眼于下一代更高頻段的通信技術(shù)。同時，相較于國外，國內(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行研究。(二) 頻率分布及分析目前，國內(nèi)正處于 5G 通信持續(xù)發(fā)展階段。2018 年 12 月初，三大運營商均已獲得全國范圍內(nèi) 6GHz 以下 5G 中低頻段試驗頻率的使用許可，2019 年 6 月 6 日工信部向中國電信、中國

13、移動、中國聯(lián)通以及中國廣電發(fā)放了 5G 商用牌照，說明目前國內(nèi) 6GHz 以下 5G 系統(tǒng)已經(jīng)從試驗網(wǎng)向商用轉(zhuǎn)變。相對于 6GHz 以下頻段，5G 高頻波段落地應(yīng)用還有很多問題有待解決和進一步完善，如高頻器件性能、電磁兼容問題、波束賦形和波束管理算法、鏈路特性等方面。目前，我國三大運營商已累計建設(shè)開通約 45 萬座 5G 基站，國內(nèi)市場用戶數(shù)量也達到一定規(guī)模，5G 通信已達到規(guī)模商業(yè)階段。而在 5G 通信基礎(chǔ)上進一步升級和擴展，以實現(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，而研究也必將面向更高的頻段乃至太赫茲頻段進行展開。四、 技術(shù)預(yù)見(一) 高

14、頻天線研究現(xiàn)狀1. 天線形式1.1 天線特點從無源天線到有源天線系統(tǒng)：天線可能會實現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計）、定制化。因為未來的網(wǎng)絡(luò)會變得越來越細，我們需要根據(jù)周圍的場景來進行定制化的設(shè)計，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細，而不是簡單的覆蓋。5G 通信將會應(yīng)用高頻段，障礙物會對通信產(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)計的系統(tǒng)化和復(fù)雜化：例如波束陣列（實現(xiàn)空分復(fù)用）、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及到整個系統(tǒng)以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進入了系統(tǒng)的設(shè)計。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。納米天線對于移動平臺實施尤其有用，因為它們具有尺寸小和易于集成的優(yōu)點，如 6G 超快速通信場景。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，制造過程中需要高精度的表面光潔度，這會增加成本。具有拋物面反射器的喇叭可用于固定寬帶無線接入應(yīng)用，其中可集成性不是主要關(guān)注點?；谑┑?/p>

16、等離子體天線：在基于石墨烯的等離子體天線中研究動態(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 801011。石墨烯是一種納米材料，在 2004 年通過實驗獲得，厚度是一個原子。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)可以通過材料摻雜來調(diào)整時，使用基于石墨烯的天線產(chǎn)生新的機會領(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)用平臺或者功能項目變化需要擴大或者縮小陣列天線的口徑時，除了要增加或減少 T/R 組件的數(shù)量，還需要重新設(shè)計相控陣其他分系統(tǒng)，以適應(yīng)射頻、中頻、數(shù)字信號與電源接口數(shù)量以及負荷能力的變化。因此，具有模塊化、通用化和擴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，通過封裝多個相控陣天線通道，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)實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的一門技術(shù)。它是在一個單獨基板上實現(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。出于這個原因，AIP 設(shè)計在毫米波收發(fā)器的三維集成場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時提供一個額外的自由度，用來選擇低介電常數(shù)和高電阻率的襯底。它具有模塊化設(shè)

19、計，方便使用，設(shè)計自由度高的優(yōu)點。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。其缺點是：PCB 為多層板，存在多階盲埋孔，加工復(fù)雜，PCB 很難做成對稱板，存在翹曲風(fēng)險。3) 片上天線片上天線(Antenna on Chip, AOC）技術(shù)是通過半導(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)進行制造。優(yōu)點是，在一個大小僅為幾平方毫米的單一模塊上，沒有任何射頻互聯(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)實現(xiàn)高低搭配的全場景覆蓋。Sub6G 系統(tǒng)采用注塑模組振子、對稱 PCB 振子等組成 Massive MIMO，通過主動波束賦形實現(xiàn)三扇區(qū)的廣播單波束和多波束覆蓋，同時通過用戶感知和波束反向賦形技術(shù)對用戶實時追蹤，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)來實現(xiàn)對熱點區(qū)域的蜂窩覆蓋，提供瞬時超高速通訊。目前毫米波天線正在向 AiP 和AOC 等前沿方向演進，將天線器件化，實現(xiàn)與有源模塊一體封裝，組成 5G 毫米波通訊子細胞，為蜂窩層級網(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)。運營環(huán)境不論是靜態(tài)還是移動用戶，室內(nèi)還是室外場景均可。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)之間實現(xiàn)無縫互連，例如，光纖鏈路和個人無線設(shè)備如筆記本電腦和

22、類似平板電腦的設(shè)備（無線和有線鏈路之間沒有速度差異）。這將便于靜態(tài)和移動用戶在室內(nèi)使用帶寬密集型應(yīng)用程序1314。太比特?zé)o線個域網(wǎng)（T-WPAN）：THz 頻段通信可以實現(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人設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。例如，將藍光光盤的等效內(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，極大地限制了竊聽概率。擴頻技術(shù)也可用于超

23、寬帶信道帶寬以防止和克服常見的干擾攻擊16。健康監(jiān)測系統(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納米級傳感器監(jiān)測17。幾個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（如手機或微型設(shè)備）之間的無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分子的濃度下檢測，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)點的網(wǎng)絡(luò)。通過分布式光譜學(xué)，無線納米傳感器網(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)：納米級機器與現(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對象中，以允許它們永久連接到 Internet。結(jié)果，用戶可以毫不費力地跟蹤其所有專業(yè)和個人物品。超高速片上通信：THz 頻段可以在無線片上網(wǎng)絡(luò)中提供高效且可擴展的核心間通信方式，通過使用平面納米

25、天線來創(chuàng)建超高速鏈路。這種新穎的方法通過其高帶寬和極低的面積開銷有望滿足區(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極具應(yīng)用前景的技術(shù)，THz 波有非常寬的還沒分配的頻帶，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)帶來巨大的技術(shù)進步。近幾年來，國內(nèi)外針對太赫茲技術(shù)在通信方面的應(yīng)用都取得了長足的進步。從 THz 源到 THz 傳輸、THz 調(diào)制方式、THz 探測技術(shù)等方面國內(nèi)均取得了較大的突破。為解決傳輸距離的問題，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 頻率段可以達到瓦級功率，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，對所有接收信號進行處理，在電信道上采用微弱信號檢測與處理技術(shù)，時域光譜探測技術(shù)、啁啾脈沖光譜儀探測技術(shù)、量子阱探測器( QWP)等一系列探測技術(shù)均用來解決上述問題?；谝陨霞夹g(shù)的不斷發(fā)展，目前美國、德國、日本、中國研制了從 0.12THz4.15THz 不同頻段的通信系

27、統(tǒng)，其中很多涉及到應(yīng)用的問題也在繼續(xù)研究中。1. 太赫茲通信概述太赫茲無線通信技術(shù)作為未來超高速通信的主要解決方案，近些年來一直受到發(fā)達國家的高度重視，尤其對于外層空間衛(wèi)星間高速無線通信、地面室內(nèi)短距離無線通信及局域網(wǎng)的寬帶移動通訊等領(lǐng)域給予了很大的關(guān)注。針對太赫茲無線通信的巨大應(yīng)用優(yōu)勢與前景，美國NASA 很早就已著手太赫茲通信計劃，國空軍也推出了安全短距離大氣通信計劃（Air Force Office of Scientific Research, AFOSR ）。歐盟將太赫茲星際通信列為太空計劃最主要研究內(nèi)容，英國Rutherford-Appleton 國家實驗室是主要研究單位，研究主要

28、集中在0.1-1.5THz 頻 率 范 圍 。 歐盟 第五研 究 開 發(fā)框 架計劃 也 資 助了WANTED（Wireless Area Networking of THz Emitters and Detectors）工程，旨在研討 Tbps 級 WAN 的可能性。相較之下我國的太赫茲通信研究還處于劣勢地位。近年來，隨著太赫茲輻射源和檢測器的進一步發(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一步突破，但無用懷疑，隨著相關(guān)技

29、術(shù)的發(fā)展，THz 通信技術(shù)未來必將會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，世界各國逐步開始針對不同應(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，以促進系統(tǒng)向更多的領(lǐng)域擴展。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：短距離保密無線通信、空間無線通信、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)彈成像識別、重要設(shè)施近程防護、反恐、太赫茲雷達等。高速大容量太赫茲通信系統(tǒng)、太赫茲醫(yī)學(xué)檢測、太赫茲成像系統(tǒng)、近程防護和反恐 THz 探測系統(tǒng)已經(jīng)成為太赫茲技術(shù)應(yīng)用的重要發(fā)展方向，并將獲得各國的大力資助。2

30、. 太赫茲通信國內(nèi)外現(xiàn)狀2.1 國外研究現(xiàn)狀美國的防御遠景研究規(guī)劃局（Defense Advanced Research ProjectsAgency，縮寫為 DARPA）開展了名為 THOR（Tera-Hertz OperationalReachback）的研究計劃。該計劃包含研發(fā)和評估一系列可用于移動的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自于高速 ad-hoc 移動光網(wǎng)絡(luò)物理層的有源終端和無源終端，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）探測器和高功率（50W）調(diào)制激光源的大小和重量。美國的JPL 實驗室（Jet Propulsion Laboratory）的亞毫米波先進技術(shù)團隊側(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)功率可以達到 0.110m W，采用雷達結(jié)構(gòu)可以達到 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技術(shù)具有寬帶、高靈敏度特性，可以探測整個0.130THz 頻段；采用窄帶、中-高級靈敏

32、度的外差探測技術(shù)，可以探測 0.1THz5THz 頻段。布克海文國家實驗室（Brookhaven NationalLaboratory）也開展了名為 Terahertz Lightbeams 的研究。德國的布倫瑞克工業(yè)大學(xué)（Technical University of Braunschweig）建立了 THz 通信實驗室，針對下一代 THz 寬帶無線接入、THz 室內(nèi)無線通信的應(yīng)用背景，對 THz 波傳輸信道特性進行研究，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，對貼片天線陣列作了初步仿真，得到未來室內(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 通信的實現(xiàn)需要高增益天線。此外，由于室內(nèi)無線視距通信容易被移動物體中斷，可采用介質(zhì)反射鏡，建立發(fā)射機和接收機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 時域光譜結(jié)合起來，利用 THz 寬脈沖，以 75MHz 的重復(fù)率來傳輸頻率高于 25KHz 的音頻信號。2008年，在 0.3THz 頻率成功傳輸一個無線電信號，實驗距離超過 22 米，這證明了采用 THz 波進行數(shù)據(jù)傳送的可能性23。日本 NTT 微波系統(tǒng)2425集成實驗室建立了工作在 120GHz 頻段的 THz 波無線通信實驗系統(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，已于 2005年 8 月獲得日本國際事務(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，將數(shù)字信號輸入到光強度調(diào)制器（ASK），對光副載波信號進行調(diào)制，被調(diào)制的光副載波信號通過光放大器放大，輸入到光子 THz 波發(fā)射機。在發(fā)射機中，一個光電二極管(UTC-PD)將光信號轉(zhuǎn)換成 THz 信號，放大后通過高增益的卡賽格倫天線發(fā)送到接收機上。接收的 THz 信號經(jīng)過放大后，用簡單的包絡(luò)檢波法解調(diào)。系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機已制作成毫米波集成電路芯片。接收機

35、內(nèi)包括一個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 的研究團隊報道了一個基于 80nm InP 工藝的HEMT(High Electron Mobility Transistor)的 300GHz 無線通信系統(tǒng)，通過如圖所示的方案，在 2.22 米的通信距離下，利用 16QAM 的調(diào)制方式，實現(xiàn)了 100Gbit/s 的通信速率。2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，十一五期間，中國工程物理研究院、浙江大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國計量學(xué)院、電子科技大學(xué)等一批國內(nèi)單位進行了太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)和功能器件的研究并取得了一定的

36、成果。十二五開始，863 成立了太赫茲技術(shù)專家組，重點開展太赫茲通信技術(shù)研究，極大促進了我國太赫茲通信的發(fā)展。十三五期間國家立項了太赫茲通信的重點研發(fā)計劃，在國家支持和引導(dǎo)下，以高校和研究院所為代表的科研機構(gòu)紛紛投入太赫茲研究中，并以不同形式進行了互通協(xié)作，共同推動國內(nèi)太赫茲技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進展。浙江大學(xué)采用電控 ZnTe 晶體加壓方式，實現(xiàn)了對 THz 波進行調(diào)制，還利用高阻硅與空氣構(gòu)建了一維的光子晶體實現(xiàn)了太赫茲波窄帶濾波。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所研究團隊研究提出了基于太赫茲量子級聯(lián)激光器的偏壓特性，實現(xiàn)對于太赫茲輻射輸出的實時調(diào)控技術(shù)。天津大學(xué)和南開大學(xué)利用液晶填充的光子晶體，實現(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)與中國計量學(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)制深度達到 50%的太赫茲調(diào)制器26。對于通信系統(tǒng)研究上，與 2007 年法國 S.Barbieri 等人采用的方式類似，2008 年底我國中科院上海微系統(tǒng)所，以曹俊誠教授為核心的THz 研究組在 4.1THz 頻率實現(xiàn)了基于太赫茲量子級聯(lián)激光器（THz?QCL）和太赫茲量子探測器（THz

38、-QWP）的無線通信演示，并利用該通信系統(tǒng)成功演示了文件傳輸，并與 2012 年進一步實現(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，只能實現(xiàn)非常近距離的無線通信。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 頻段進行的 0.2Kb/s 的光控太赫茲通信實驗。更進一步，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 無線通信系統(tǒng)設(shè)計與測試，采用載波 0.11THz 的太赫茲波，

39、實現(xiàn)了 11Gb/s 的通信速率，為今后的太赫茲無線通信研究開辟了良好道路27。2011 年，中國工程物理研究院在 0.14THz 頻段實現(xiàn)了 10 Gbit/s的 16 QAM 信號無線通信，同時進行 4 路 HDTV 信號的實時傳輸與解調(diào)，傳輸距離達到 500 m。2014 年，中國工程物理研究院使用純電子器件方式實現(xiàn)了國內(nèi)首個 50 m 視距信道下的 0.34 THz 數(shù)據(jù)鏈路，能實時調(diào)制和解調(diào) 3 Gbit/s 的數(shù)據(jù)。研究人員同時基于該鏈路提出了基于 IEEE 802.11b/g 協(xié)議的 0.34 THz 無線局域網(wǎng)的通信協(xié)議，是 THz 波用在 WLAN 中可行性的初步驗證。中國工

40、程物理研究院實現(xiàn)了 0.14 THz OOK 通信系統(tǒng)，達到 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，可用先進數(shù)字信號處理技術(shù)進行信道估計與均衡。2017 年，電子科技大學(xué)陳哲博士報道了一個 220GHz 無線通信系統(tǒng)。其通過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展。在信號源的產(chǎn)生方面，2017 年，實現(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馬赫曾德爾調(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 年實現(xiàn)了首個多載波 22 MIMO THz 鏈路，能傳輸 6 路 20 Gbit/s 的 PDM?QPSK 信號，在多載波 MIMO 太赫茲通信的領(lǐng)域有了新的進展，在高速通信方面，使用概率整形、奈奎

42、斯特整形、查找表等先進數(shù)字信號處理技術(shù)，能顯著提升系統(tǒng)性能。實現(xiàn) D 波段光子輔助矢量毫米波信號的無線傳輸，能夠在 3.1 m 的無線距離上同時傳輸兩路 PS-64QAM調(diào)制的毫米波信號，凈速率達到 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)典機制傳輸理論到量子機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)域的過渡區(qū)，太赫茲波在無線通信應(yīng)用方面有著很多獨特的性質(zhì)，然而由于缺乏穩(wěn)定的大功率太赫茲信號發(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。較為常見的有 Impatt、Gun 振蕩器、共振隧道二極管(RTD) 及量子級聯(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，是正在研究的重點器件。1994 年，F(xiàn)ederico Capasso等人率先發(fā)明 QCL。2000 年，中國率先研制出 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，美國研制的 QCL 達到了 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 等人研制出基于對角躍遷的 186 K、3.9 THz 的 QCL，峰值功率達 5 mw。2010年 8 月，美國和英國利用一種“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、英國利茲大學(xué)開發(fā)出了世界上功率最大的太赫茲激光器芯片 QCL，輸出功率超過了 1 W，比 2013 年維也納團隊的記錄高出一倍以上。共振隧道二極管(RTD) 是通過量子共振隧穿效應(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超短激光脈沖、紅外光泵浦、非線性差頻及參量過程等幾種方式產(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，主要有兩種方式：利用瞬時光電導(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，會瞬時在表面產(chǎn)生大量電子空穴對，形成光電流，進而產(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)，使超快激光脈沖進行二階非線性光學(xué)過程或者高階非線性光學(xué)過程來產(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 有兩個突出特點：首先，作為一種能級間的單極器件，它利用了電子在不同能級躍遷來輻射太赫茲

47、波；其次，QCL 采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，通常具有幾十到幾百個級聯(lián)重復(fù)單元組成，激發(fā)出的電子在每個周期內(nèi)重復(fù)躍遷釋放能量，以此來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，在 300GHz 頻率段可以達到瓦級功率。太赫茲真空電子放大器的主要研制難點在于微細關(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械加工技術(shù)相結(jié)合的制造方法。此外，還應(yīng)解決微細電子注的產(chǎn)生與傳輸、太赫茲信號的高效率輸入/輸出、放大器內(nèi)部真空環(huán)境的維持等一系列技術(shù)問題。真空電子學(xué)太赫茲波輻射源主要包括:相對論電子器件、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) 相對論電子器件。主要包括:自由電子激光器(FEL)、等離子體尾場契倫科夫輻射和儲存環(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。儲存環(huán)太赫茲輻射源，可產(chǎn)生 0.0330THz 的太赫茲波，亮度超過現(xiàn)有輻射源 9 個數(shù)量級。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)生毫瓦級的輸出功率，電壓低，不需要磁場，具

49、有低色散、長工作壽命等特點。目前，美國研制出頻率為 0.33.0 THz，當(dāng)工作電壓為 500 V 時，連續(xù)波輸出功率可高達50 m W 的納米速調(diào)管。3) 太赫茲回旋管?；匦苁强觳ㄆ骷?，能在很高的頻率下產(chǎn)生高脈沖功率，可達到千瓦級，平均功率也較高。美國海軍研制出具有超高磁場（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，輸出功率達數(shù)萬瓦的太赫茲回旋管。俄羅斯正在研制 1 THz 的回旋管，脈寬 100s，脈沖磁場 40 T，電流 5 A，電壓 30 k V，輸出功率可達 10 k W。我國成都電子

50、科技大學(xué)分別于 2008 年和 2009 年在國內(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 NASA 正在開發(fā)工作頻率 300 GHz1.5 THz 的 BWO。5) 擴展互作用振蕩器(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%的機械調(diào)諧

51、，重量不超過 3 kg。德國 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的調(diào)制技術(shù)；采用的調(diào)制信號的旁瓣應(yīng)較小，以減少相鄰?fù)ǖ乐g的干擾.同時在太赫茲通信系統(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，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。近年來隨著越來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 量子阱實現(xiàn)低溫環(huán)境下的太赫茲波信號的相位調(diào)制；2005 年 Liu 等人通過低溫生長的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)，實現(xiàn)電

54、壓幅度調(diào)制，幅度調(diào)制率達到 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，在 0.81 THz 頻點處，材料透射系數(shù)由無外加偏壓時的 0.56 下降到0.25，透射振幅下降了 50% ，在 0.89 THz 頻點處，可實現(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，美國正嘗試?yán)秒姶挪ù骐娏餍盘栔圃煨滦吞掌澆ㄐ盘栒{(diào)制器，期望傳輸速率達到每秒萬億字節(jié)，比目前的電流調(diào)制系統(tǒng)快 100 倍。2000 年美國 Renss

55、elaer 大學(xué)R.Kersting 等人利用 Ga As/Al Ga As 設(shè)計太赫茲波相位調(diào)制器，但該調(diào)制器調(diào)制速率低，并且需要在 10K 低溫下運行。2004 年，德國Braunschweig 大學(xué)進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 公司對半導(dǎo)體太赫茲波調(diào)制器進行了深入的研究，該調(diào)制器具有低電壓、小尺寸、快速工作的特點，該研究成果已經(jīng)申請了美國專利（PatentNo.：US7355778B2）。2008 年美國的 MIT 對半導(dǎo)體基的寬帶調(diào)制器進行了研究，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 Los Alamos 國家實驗室 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 年實現(xiàn)了用電場控制亞波長金屬孔陣列結(jié)構(gòu)來調(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)申請了美國的發(fā)明專利（專利號：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，離實用還有一定的距離。20

57、08 年，丹麥 D.G.Cooke 利用光激勵鍍膜硅平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)觀測到了對太赫茲波的調(diào)制，調(diào)制深度達到 70%。2009年德國 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 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，實現(xiàn)了調(diào)制速率高達 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，另一方面實現(xiàn)的調(diào)制深度不超過30%，且只能在 0.46THz 頻點工作，大大限制了其實際應(yīng)用。3.3 太赫茲波信號探測技術(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比較微弱，又加之在高背景噪聲場的干擾情況下，會導(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，通常采取兩方面的措施，一是提高接收端的靈敏度，達到 n W p W 量級；其次是對所有接收信號進行處理，在電信道上采用微弱信號檢測與處理技術(shù)。1) 傳統(tǒng)探測技術(shù)基于傳統(tǒng)手段的探測技術(shù)主要有超導(dǎo)混頻技術(shù)(SIS)、熱電子測熱電阻(HEB)混頻技術(shù)和肖特基勢壘二極管(SBD)技術(shù)。SI 探測頻率約為 0.11.2 THz，需在液氦溫度下工作。HEB 主要用于探測 1 THz以上的輻射信號，最高探測頻率達 5 THz，噪聲溫

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

60、太赫茲波在電光晶體上引起的折射率變化轉(zhuǎn)變成探測光強的變化，再用平衡二極管接收并輸入鎖相放大器，然后再經(jīng)計算機進行處理和顯示。3) 啁啾脈沖光譜儀探測技術(shù)該技術(shù)產(chǎn)生自傳統(tǒng)的太赫茲互相關(guān)探測技術(shù)，克服了互相關(guān)技術(shù)中測量速度較慢的缺點，時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，在時間分辨率上有限制，使太赫茲時間波形發(fā)生了畸變。4) 量子阱探測器( 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，具有較強的光譜分辨率，是一種窄帶探測器。5) 光電導(dǎo)取樣技術(shù)光