太赫兹科学技术与高速通信

兰浩波

一．绪论

1.1研究背景

在如今这个日新月异的5G时代，无线通信领域中的数据传输业务需求始终呈爆炸式增长，而越来越稀缺的频谱资源显然已经无法满足人们对数据传输业务的需求。寻找更多可用的频谱资源，将会是未来通信发展方面亟待解决的问题。而太赫兹频段，因其丰富的频谱资源,受到了研究者的广泛关注。太赫兹通信具备100Gbps以上的数据传输能力，能轻易满足未来在通信业务方面的需求。

太赫兹波是波长为3mm~ 30μum的电磁波，其属于微波和光波的过渡带;所属频段为0.1THz~10THzl9.10。与毫米波通信技术不同，太赫兹通信技术因其具有丰富的频谱带宽，具备实现几十Gbps乃至Tbps超高速率通信的发展潜力，其数据传输能力甚至可与光纤通信相媲美。除了民用通信领域的巨大前景外，太赫兹波波束相比传统电磁波更窄，其方向性也更好，因此满足保密通信和抗干扰通信需求,在军事应用中前景广泛。除此之外，其波长更短，利于器件的小型化，更易于集成，使得其在卫星通信和片上通信中具有显著优势。

1.2太赫兹通信技术的国内研究现状

中国政府高度重视太赫兹相关技术的国际研究和应用发展，并设立了多个太赫兹相关的研究计划。2005年，我国在北京香山举行的“香山科技会议”，就太赫兹技术未来发展的方向做出了明确的战略规划。在国家的大力支持下，各个高校和科研院积极攻关，通过10余年的发展，取得了较为突出的研究成果。由国家高新技术研发计划(又称“863计划”)资助的太赫兹研究项目于2011年启动。

1.3太赫兹通信技术的国外研究现状

太赫兹通信技术自出现以来，--直受到各国政府和研究人员的关注。2019年国际电信联盟(ITU-R) 在WRC-19大会上设置议题，对0.275~ 0.450THz频段内的太赫兹传输模型进行了讨论和研究;并最终批准了共137GHz带宽资源的使用。

太赫兹技术被美国列为“改变未来世界的十大科技之- -”,并将其作为重点研究技术之一，在陆海空军以及多个国家部门支持下，进行了重点部署。早在1990年，美国国家航空航天局便开始实施太赫兹通信技术计划。美国国防部高级研究计划局更是积极开展了“THOR计划”，投入大量资源研制0.1~1THz频段下的太赫兹通信系统和关键器件.

为了保持在太赫兹通信领域的竞争力，欧盟从2000年至2003年开始实施由剑桥大学牵头的“WANTED计划”。除此之外，欧盟还在第5-7框架合作计划中首次正式启动了“THz-Bridge计划”，欧盟太空总署则启动了大型太赫兹“Star-Tiger计划”。2017年，欧盟正式提出考虑部署6G (6th Generation MobileNetworks)通信技术，初步目标定位于实现频段在0.275THz以上，峰值速率大于100Gbps的高速增强型移动宽带系统。

2013年，德国KIT学院利用高电子迁移率晶体管形成的集成硬件电路，实现了0.24THz 全固态无线通信系统1241。该系统体积小，并能保持较高的数据传输速率，最高传输速度为40Gbps，传输距离为1000m。

二．太赫兹无线通信系统

2.1太赫兹无线通信系统的基本结构

太赫兹无线通信系统的基本结构与光载射频(Radio-over-Fiber)的技术相类似。整个通信系统的模型可以简化为激光器、任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator, 即AWG)、光调制器、UTC-PD、高增益天线、棱镜以及接收机。其中AWG产生的基带信号经由光调制器调制到激光器1所产生的连续波上，与激光器2产生的另一路连续波共同输入到UTC-PD，把由拍频产生的太赫兹波段的电信号作为无线通信系统的载波。太赫兹波在空间中传播产生的自由空间路径损耗通过两面棱镜以及高增益天线来进行补偿。最后将天线接收到的信号传入混频器中，在电域中进行向下变频，使得信号的波段下降至低中频波段。接下来将得到的中频信号进行解调即可得到原始的数据。

2.2太赫兹信号的产生

太赫兹信号的产生具有两种方式。从电子学的理论出发，太赫兹信号的产生可以通过多步倍频技术实现。但是这种方法极大地提高了太赫兹系统的成本和复杂度，同时会带来较高的配电线路损耗，所以其实际应用价值并不高。而从光子学的理论来看，光通信产生的信号不受带宽限制、灵活度较高，且传输过程中产生的损耗很低。因此，实际系统中我们可以考虑通过光外差、光调制、光域整形、频时映射等光学处理技术对信号进行处理，以产生特定的太赫兹波。

三．太赫兹通信在传输中会遇到的问题

3.1大气衰减

电磁波在传输过程中会引发大气气体或者水分子的震荡，而这些分子是大气中的基本组成部分，这就导致了太赫兹在大气中的衰减是完全无法避免的，即使在干净的大气中，电磁波也会衰减。电磁波在干净的大气中进行传输时，其衰减程度取决于电磁波频率与大气分子谐振频率的差值，差值越小，衰减越明显。这种由于空气水分子以及氧气分子谐振导致的衰减可以利用ITU-R{18]模型进行分析评估。该模型能够分析的频率范围达到1 THz，其中外部环境因素比如气温、湿度、压强均可设定为任意合理的值。

3.2自由空间路径损耗

在实际的太赫兹无线通信中，即使在传输路径中没有任何附加衰减，接收机端接收到的功率依然比发射机端的输出功率要小。这是因为信号的发射与接收都依赖天线，而天线的波束宽度永远是一个大于零的值。电磁波通过天线发射之后，其能量会在一个锥形区域中传播。随着传输距离增大，同样一块面积的区域能够接收到的功率就会减小，这种仅由于空间传输造成的链路中的功率损失被称为自由空间路径损耗(Free space path loss, FSPL)。

3.3链路其他部分功率损耗

太赫兹波的自由空间路径损耗比微波大的多，而过高的损耗将导致接收机端信号功率过小，大幅降低系统的信噪比。所以对于太赫兹通信系统而言，在发射端与接收端使用高增益、高方向性的天线来弥补巨大的自由空间路径损耗是非常有必要的。天线增益描述了该天线相对于全向天线的功率汇聚能力，一般来说天线增益的提升会使得信号的方向性变好，并且可以得到较窄的波束宽度。

四．结语

太赫兹通信技术有着巨大的发展前景和潜力，也是我国反超其他大国科技垄断的一个有利的科研重点，希望我国可以达成并一直维持在太赫兹通信领域的领先地位，就像我们在5G等领域一样。

参考文献：

[1]牛中乾,张波,周震,樊勇,宋轲欣,蒯震华.220 GHz太赫兹全双工高速通信系统[J].无线电通信技术,2019,45(06):643-647.

[2]樊勇,陈哲,张波.太赫兹高速通信系统前端关键技术[J].中兴通讯技术,2018,24(03):15-20.

[3]雷于露,曹浩一,曾泓鑫,董亚洲,冯伟,丁科森,郝晓林,王正,张雅鑫.面向未来大容量通信的太赫兹无线通信技术[J].遥测遥控,2021,42(06):14-37.

[4]刘可心. 基于数字信号处理的高速光子太赫兹无线通信[D].浙江大学,2019.

[5]姚建军. 太赫兹高速通信基带系统的设计与实现[D].电子科技大学,2021

作者简介：兰浩波（2000.12-），男，蒙古族，内蒙古呼和浩特市，本科在读，研究方向：电子信息技术。