高頻天線技術(shù)與應(yīng)用前沿報(bào)告（2020年）

1、目錄 HYPERLINK l _bookmark0 一、研究概述 1 HYPERLINK l _bookmark1 二、全球發(fā)展態(tài)勢 1 HYPERLINK l _bookmark2 (一)系統(tǒng)熱點(diǎn)分布 1 HYPERLINK l _bookmark3 (二)頻率分布及分析 2 HYPERLINK l _bookmark6 (三)高頻天線關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢 4 HYPERLINK l _bookmark7 大規(guī)模 MIMO 技術(shù) 4 HYPERLINK l _bookmark8 同頻全雙工技術(shù) 5 HYPERLINK l _bookmark9 毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù) 6 HYPERLINK l

2、_bookmark10 超寬帶低復(fù)雜度信號處理 6 HYPERLINK l _bookmark11 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和空口的優(yōu)化 7 HYPERLINK l _bookmark12 三、我國發(fā)展現(xiàn)狀 7 HYPERLINK l _bookmark13 (一)系統(tǒng)熱點(diǎn)分布 7 HYPERLINK l _bookmark14 (二)頻率分布及分析 8 HYPERLINK l _bookmark15 四、技術(shù)預(yù)見 9 HYPERLINK l _bookmark16 (一)高頻天線研究現(xiàn)狀 9 HYPERLINK l _bookmark17 天線形式 9 HYPERLINK l _bookmark18 天

3、線頻段 12 HYPERLINK l _bookmark19 天線應(yīng)用場景 12 HYPERLINK l _bookmark20 (二)高頻天線應(yīng)用-太赫茲通信 15 HYPERLINK l _bookmark21 太赫茲通信概述 16 HYPERLINK l _bookmark22 太赫茲通信國內(nèi)外現(xiàn)狀 17 HYPERLINK l _bookmark23 太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù) 23 HYPERLINK l _bookmark24 太赫茲通信系統(tǒng)舉例 31 HYPERLINK l _bookmark25 五、工程難題 36 HYPERLINK l _bookmark26 (一)電大尺寸的設(shè)計(jì)和

4、計(jì)算問題 36 HYPERLINK l _bookmark27 (二)大口徑天線介質(zhì)損耗 37 HYPERLINK l _bookmark28 (三)電磁兼容問題 38 HYPERLINK l _bookmark29 (四)PCB 及工藝加工問題 38 HYPERLINK l _bookmark30 六、政策建議 40 HYPERLINK l _bookmark31 (一)加強(qiáng)高頻天線技術(shù)總體規(guī)劃部署和頂層設(shè)計(jì) 40 HYPERLINK l _bookmark32 (二)加快頒布國家高新技術(shù)有關(guān)政策 40 HYPERLINK l _bookmark33 (三)鼓勵(lì)科研人員從事相關(guān)領(lǐng)域的研究 4

5、0 HYPERLINK l _bookmark34 (四)明確職責(zé)，加強(qiáng)協(xié)作 41 HYPERLINK l _bookmark35 (五)推進(jìn)自主關(guān)鍵技術(shù)研發(fā) 41一、 研究概述天線作為無線電通信、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)都需要通過天線來進(jìn)行傳輸，因此天線性能的好壞直接影響著整個(gè)無線通信系統(tǒng)的性能。移動(dòng)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(gè)國家綜合實(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)的成功。如今，信息化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)時(shí)代已

6、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(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(jī)構(gòu)和空口的優(yōu)化等技術(shù)也逐漸涌現(xiàn)出來。本報(bào)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(jìn)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。二、 全球發(fā)展態(tài)勢(一) 系統(tǒng)熱點(diǎn)分布

7、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，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。未來的移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，不僅要針對點(diǎn)對點(diǎn)，還要面對點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。以目前最受關(guān)

8、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)的目光因此開始向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻段開始成為移動(dòng)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(qiáng)移動(dòng)寬帶）、uRLLC（高可靠低時(shí)延）、mMTC（海量機(jī)器類通信）三大場景，如 HYPERLINK l _bookmark4 圖 1 所示。圖 1 5G 關(guān)鍵場景及性能指標(biāo)其中eMBB

9、 場景是速率的提升，主要應(yīng)對密集城區(qū)、室內(nèi)熱點(diǎn)等大流量場景；uRLLC 場景是降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，主要應(yīng)用于無人駕駛、智能工廠等低時(shí)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(jī)器類通信的場景。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)延場景和海量機(jī)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(qiáng)的移動(dòng)寬帶場景，如 HYPERLINK l _bookmark5 圖 2 所示 HYPERLINK l _bookmark36 1。圖 2 5G 關(guān)鍵場景對應(yīng)頻譜國際來看，為搶占市場先機(jī)，美國、歐盟、韓國等全

10、球主要國家紛紛制定 5G 頻譜政策，針對高頻頻譜進(jìn)行了分配，如表 1 所示 HYPERLINK l _bookmark37 2。表 1 各國頻譜分配現(xiàn)狀與計(jì)劃國家高頻段頻譜分配情況新加坡重點(diǎn)關(guān)注 28GHz 毫米波頻段日本計(jì)劃于 2019 年 3 月分配 2729.5GHz 的 5G 毫米波頻段韓國2017 年初發(fā)布國家寬帶/頻譜計(jì)劃，高頻段 27.528.5GHz 頻段，計(jì)劃于 2019 年 3 月開始 5G 商用俄羅斯計(jì)劃于 2020 年開始部署 5G，2024 年覆蓋所有大城市，目前 5G 測試高頻段為 25.2529.5GHz 頻段德國確認(rèn) 26GHz（24.2527.5GHz）、28

11、GHz（27.529.5GHz）和 32GHz（31.833.4GHz）為 5G 毫米波頻段，并認(rèn)為 26GHz 最重要英國確定 24.2527.5 GHz 作為 5G 的高頻段美國規(guī)劃 4 大高頻段用于 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定無線：27.528.35GHz（28GHz）、3738.6GHz（37GHz）、38.640GHz（39GHz）和 64 71GHz。其中，28GHz、37GHz 以及 39GHz 為授權(quán)頻譜，6471GHz為未授權(quán)頻譜，合計(jì)約 11GHz 帶寬中國2017 年，工信部批復(fù)了 24.7527.5GHz 和 3742.5GHz 高頻段用于5G 技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)， 這樣可確保未來

12、每家運(yùn)營商平均獲得至少2000MHz 帶寬的 5G 高頻段(三) 高頻天線關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢大規(guī)模 MIMO 技術(shù)大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，也稱為多天線技術(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(diǎn)。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(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

13、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(shí)現(xiàn)提供了巨大的資源放大的便利 HYPERLINK l _bookmark38 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。基于對這個(gè)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(jìn)行分類，以此達(dá)到所需的導(dǎo)頻支出的目的。同頻全雙工技術(shù)未來使用 5G 移動(dòng)通信技術(shù)，除了要求有高水平的頻譜資源支撐 以外，還需要對頻譜

14、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 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(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)很大的問題 就是在同頻段接受時(shí)形成的干擾較大，會影響該技術(shù)性能的發(fā)揮?；?于此，有研究人員提出兩種解決方案：一是使用模

15、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(shí)，可以有效進(jìn)行消除；但如果自干擾信號較強(qiáng)，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(dú)使用難以滿足需求。二是使用數(shù)字域自干擾消除技術(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(qiáng)，會受到發(fā)射通道的影響 HYPERLINK l _bookmark39 5。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

16、輸。因此，毫米波段也是國內(nèi)外對于 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(jì)過程和具體環(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，本文接下來將對高頻天線的研究現(xiàn)狀和趨勢以及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行討論。超寬帶低復(fù)雜度信號處理在 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

17、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(jìn)行量化和 ADC 時(shí)間交織技術(shù)都是值得研究的方向。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和空口的優(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(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

18、步優(yōu)化。三、 我國發(fā)展現(xiàn)狀(一) 系統(tǒng)熱點(diǎn)分布5G 時(shí)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(jìn)行融合，從而進(jìn)一步提升整體的通信質(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(dòng)會。這也標(biāo)志著我國已將移動(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

19、更多力量進(jìn)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(yùn)營商均已獲得全國范圍內(nèi) 6GHz 以下 5G 中低頻段試驗(yàn)頻率的使用許可，2019 年 6 月 6 日工信部向中國電信、中國移動(dòng)、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(yàn)網(wǎng)向商用轉(zhuǎn)變。圖 3 三大運(yùn)營商所獲頻譜相對于 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(jìn)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(yùn)營商已累計(jì)建設(shè)開通約 45 萬座 5G 基站，國內(nèi)市

20、場用戶數(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。四、 技術(shù)預(yù)見(一) 高頻天線研究現(xiàn)狀天線形式天線特點(diǎn)從無源天線到有源天線系統(tǒng)：天線可能會實(shí)現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計(jì)）、定制化。因?yàn)槲磥淼木W(wǎng)絡(luò)會變得越來越細(xì)，我們需要根據(jù)周圍的場景來進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細(xì)，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(jì)的系統(tǒng)化和

21、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。這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及到整個(gè)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(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。天線舉例印刷或微型天線：基于貼片天線，印刷偶極子和縫隙天線的納米 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)。納米天線對于移動(dòng)平臺實(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

22、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(diǎn)?；谑┑牡入x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) 80 HYPERLINK l _bookmark40 10 HYPERLINK l _bookmark40 11。石墨烯是一種納米材料，在 2004 年通過實(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

23、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(jī)器 和通信系統(tǒng)中。當(dāng)這些納米等離子體天線響應(yīng)可以通過材料摻雜來調(diào) 整時(shí)，使用基于石墨烯的天線產(chǎn)生新的機(jī)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；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 ant

24、enna，即 PIA 或 AIP)。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(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（單元模塊）為基本單元，通過封裝多個(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：封裝天線封裝天線（Antenna in Pack

25、age, 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)級無線功能的一門技術(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，用來選擇低介電常數(shù)和高電阻率的襯底。它具有模塊化設(shè)計(jì)，方便使用，設(shè)計(jì)自由度高的優(yōu)點(diǎn)。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

26、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(xiǎn)。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(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 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。天線頻段表 2 天線各頻段劃分波段代號頻率（GHz）L1-2S2-4C4-8X8-12Ku12-18K18-26.5Ka26.5-40Q30-50U4

27、0-60V50-75E60-90W75-110F90-140D110-170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(shí)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(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)通過用戶感知和波束反向賦形技術(shù)對用戶實(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

28、貼片子陣與模數(shù)混合移相技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對熱點(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，為蜂窩層級網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署提供支撐。室外覆蓋（低頻）室內(nèi)覆蓋（高頻）Hsite1Hsite2Hsite3說明：這里都以站點(diǎn)為單位來說明Lcell1Lcell2UE2在高頻覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)保證無縫銜接圖 4 5G 高低頻融合組網(wǎng)中的寬松協(xié)作模式和緊耦合模式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 HYPERLINK l _bookmark41 12。太赫茲頻段將提供

29、 10m 范圍內(nèi)的超高速數(shù)據(jù)。運(yùn)營環(huán)境不論是靜態(tài)還是移動(dòng)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(shí)現(xiàn)無縫互連，例如，光纖鏈路和個(gè)人無線設(shè)備如筆記本電腦和類似平板電腦的設(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(dòng)用戶在室內(nèi)使用帶寬密集型應(yīng)用程序 HYPERLINK l _bookmark42 13 HYPERLINK l _bookmark42 14。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)

30、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 HYPERLINK l _bookmark43 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(kuò)頻技術(shù)也可用于超寬帶信道帶寬以防止和 克服常見的干擾攻擊 HYPERLINK l _bookmark44 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 HYPERLINK l _bo

31、okmark45 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 HYPERLINK l _bookmark46 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，并且比傳統(tǒng)的微量傳感器快得多。然而，考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)。通過分布式光譜學(xué)

32、，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(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) HYPERLINK l _bookmark41 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，通過使用平面納米天線來創(chuàng)建超高速鏈路。這種新穎的方

33、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(gè)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(jìn)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(jìn)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)歷了半導(dǎo)體 太赫茲波輻射源

34、、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(jìn)行處理，在電信道上采用微弱信號檢測與處理技術(shù)，時(shí)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 不同頻段的通信系統(tǒng)，其中很多涉及

35、到應(yīng)用的問題也在繼續(xù)研究中。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(dá)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(dòng)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(jì)劃，國空軍也推出了安全短距離大氣通信計(jì)劃（AirForceOfficeofScientificResearch, AFOSR ）。歐盟將太赫茲星際通信列為太空計(jì)劃最主要研究內(nèi)容， 英國 Rutherford-Appleton 國家實(shí)驗(yàn)室是主要研究單位，研究主要集中在 0.1-1.5TH

36、z 頻率范圍。歐盟第五研究開發(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 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(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，但無用懷疑，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展， THz 通信技術(shù)未來必將會在空間通信

37、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(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(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、太赫茲成像系統(tǒng)、近程防護(hù)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。太赫茲通信國內(nèi)外現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀美國的防御遠(yuǎn)景研

38、究規(guī)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，縮寫為 DARPA）開展了名為 THOR（Tera-Hertz Operational Reachback）的研究計(jì)劃。該計(jì)劃包含研發(fā)和評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自于高速 ad-hoc 移動(dòng)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-光束操控的設(shè)備，試圖減小光終端、高速高靈敏度（- 4

39、7dBm）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(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技術(shù)具有寬帶、高靈敏度特性，可以探測整個(gè) 0.130THz 頻段；采用窄帶、中-高級靈敏度的外差探測技術(shù)，可以探測 0.1THz5T

40、Hz 頻段。布克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）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(shí)驗(yàn)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(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，室內(nèi)環(huán)境的 THz 通信的實(shí)現(xiàn)需要高增益天線

41、。此外，由于室內(nèi)無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，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(gè)無線電信號，實(shí)驗(yàn)距離超過 22 米，這證明了采用 THz 波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的可能性 HYPERLINK l _bookmark50 23。日本 NTT 微波系統(tǒng) HYPERLINK l _bookmark51 24 HYPERLINK l

42、_bookmark51 25集成實(shí)驗(yàn)室建立了工作在 120GHz 頻段的 THz 波無線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)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(qiáng)度調(diào)制器（ASK），對光副載波信號進(jìn)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(jī)。在發(fā)射機(jī)中，一個(gè)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(jī)上。接收

43、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(jī)和接收機(jī)已制作成毫米波集成電路芯片。接收機(jī)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(shí)現(xiàn)了 100Gbit/s 的通信速率。圖 5 日本 300GHz 無線通信系統(tǒng)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

44、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(jì)量學(xué)院、電子科技大學(xué)等一批國內(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成果。十二五開始，863 成立了太赫茲技術(shù)專家組，重點(diǎn)開展太赫茲通信技術(shù)研究，極大促進(jìn)了我國太赫茲通信的發(fā)展。十三五期間國家立項(xiàng)了太赫茲通信的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(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 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。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所研究團(tuán)隊(duì)研究

45、提出了基于太赫茲量子級聯(lián)激光器的偏壓特性，實(shí)現(xiàn)對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(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 HYPERLINK l _bookmark52 26。對于通信系統(tǒng)研究上，與 2007 年法國 S.Barbieri

46、 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(shí)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-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(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.

47、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 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試，采用載波 0.11THz 的太赫茲波，實(shí)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 HYPERLINK l _bookmark53 27。2011 年，中國工程物理研究院在 0.14THz 頻段實(shí)現(xiàn)了 10 Gbit/s的 16 QAM 信號無線通信，同時(shí)進(jìn)行 4 路 HDTV 信號的實(shí)時(shí)傳輸與解調(diào)，傳輸距離達(dá)到 500 m。2014 年，中國工程物理研究院使用純電子器件方式實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首個(gè) 50 m 視距信道

48、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。中國工程物理研究院實(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 無線通信系統(tǒng)。其通過突破太赫茲

49、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

50、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，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、奈奎斯特整形、查找表等先進(jìn)數(shù)字信號處理技術(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的無線傳輸，能夠在 3.1 m 的無線距離上同時(shí)傳輸兩路 PS-64QAM調(diào)制的毫米波信號，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)的最高速率太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)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)

51、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)域的過渡區(qū)，太赫茲波在無線通信應(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 HYPERLINK l _bookmark54 33。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

52、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，提升了脈沖的功率。2004 年，美國研制的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

53、K、3.9 THz 的 QCL，峰值功率達(dá) 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，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(tuán)隊(duì)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

54、 的共振隧道二極管。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(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電極之間的光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料，會瞬時(shí)在表面產(chǎn)生大量電子空穴對，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

55、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(gè)突出特點(diǎn)：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波；其次，QCL 采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，通常具有幾十到幾百個(gè)級聯(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，以此來提高器件整體輸出功率。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

56、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(kuò)展互作用振蕩器(EIO)以及單行載流子光電二極管(UTCPD)。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 T

57、Hz，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(gè)數(shù)量級。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，具有低色散、長工作壽命等特點(diǎn)。目前，美國研制出頻率為 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。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(dá)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

58、，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)萬瓦的太赫茲回旋管。俄羅斯正在研制 1 THz 的回旋管，脈寬 100 s，脈沖磁場 40 T，電流 5 A，電壓 30 k V，輸出功率可達(dá) 10 k W。我國成都電子科技大學(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。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。

59、美國 NASA 正在開發(fā)工作頻率 300 GHz1.5 THz 的 BWO。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，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。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。 太赫茲

60、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(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)制信號的旁瓣應(yīng)較小，以減少相鄰?fù)ǖ乐g的干擾.