姜 航，姚 遠(yuǎn)

(北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，基于5G的移動(dòng)互聯(lián)及物聯(lián)網(wǎng)相交織的新型業(yè)務(wù)將產(chǎn)生移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長(zhǎng)，這促使無(wú)線通信要具備速度更快、容量更大的能力。太赫茲頻段一般指頻率范圍在0.1～10 THz的電磁波，波長(zhǎng)介于微波和遠(yuǎn)紅外之間[1-2]。由于頻率高且可用頻帶寬，太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)具備了超高速率通信的潛力，甚至可以提供媲美光纖的傳輸速率，是解決5G及后5G對(duì)超高速率無(wú)線通信需求的有效方案。

1 高速長(zhǎng)距離太赫茲通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

太赫茲通信系統(tǒng)按照太赫茲波的產(chǎn)生方式，可分為全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)、光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)、量子級(jí)聯(lián)太赫茲通信系統(tǒng)以及時(shí)域脈沖太赫茲通信系統(tǒng)等[3]。但有些方式如量子級(jí)聯(lián)太赫茲通信系統(tǒng)所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境苛刻，要求在極低溫環(huán)境下工作，限制了其用途[4-5]。所以本文只討論目前實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離的2類太赫茲通信系統(tǒng)：全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)和光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)。

1.1 全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)

全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)是傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的延申，系統(tǒng)工作頻段由微波搬移至太赫茲[6]。全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)的發(fā)射前端結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括頻率綜合器、倍頻器、混頻器、功率放大器及天線等器件。太赫茲波通過(guò)倍頻器或倍頻器與諧波混頻結(jié)合的方式產(chǎn)生，在基帶信號(hào)調(diào)制到太赫茲頻段后，由功率放大器通過(guò)天線輻射出去。

圖1 全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)發(fā)射前端結(jié)構(gòu)

全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 太赫茲源輸出功率較高，配合高增益天線，容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸；② 相比于光電子學(xué)方式，全電子學(xué)方式生成的太赫茲波頻率偏移和相位噪聲較低且穩(wěn)定度高，有利于接收機(jī)的解調(diào)和基帶處理；③ 全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)中的器件易于集成，在小型化方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)的劣勢(shì)在于由倍頻方式生成的太赫茲波頻率一般在1 THz以下。倍頻器生成高于1 THz太赫茲波的難度較大，原因在于頻率升高后，不僅設(shè)計(jì)難度加大，且當(dāng)前的加工精度和裝配精度都難以滿足要求。

日本NTT公司一直是日本太赫茲領(lǐng)域的代表，對(duì)全電子學(xué)太赫茲通信和光電子學(xué)太赫茲通信都有深入的研究。在全電子學(xué)太赫茲通信方面，NTT早在2010年就搭建了120 GHz的太赫茲通信系統(tǒng)，通過(guò)磷化銦(InP)高電子遷移率晶體管(HEMT)單片集成電路(MMIC)生成太赫茲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了5.8 km無(wú)線傳輸距離下10 Gbps的傳輸速率[7]；德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院于2012年通過(guò)單片集成電路(MMIC)在220 GHz的載波頻率下搭建太赫茲通信系統(tǒng)，采用開(kāi)關(guān)鍵控方式，實(shí)現(xiàn)了25 Gbps傳輸速率和10 m的無(wú)線傳輸距離[8]。

在國(guó)內(nèi)，電子科技大學(xué)在2016年采用全電子方式，對(duì)太赫茲通信的分諧波混頻器和二倍頻器深入研究，最終在220 GHz頻段實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率為3.53 Gbps、傳輸距離為200 m的無(wú)線傳輸，誤碼率為1.92×10-6[9]。中國(guó)工程物理研究院2017年搭建的D波段無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用全電子方式，通過(guò)固態(tài)功率放大器和真空電子放大器級(jí)聯(lián)，達(dá)到26.3 dBm的輸出功率，低噪聲放大器將接收機(jī)噪聲系數(shù)降低至約1 100 K，調(diào)制方式為16QAM，實(shí)現(xiàn)了5 Gbps的實(shí)時(shí)傳輸速率和21 km的傳輸距離[10]。

1.2 光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)

光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)一般是指通過(guò)光學(xué)外差法生成太赫茲波的通信系統(tǒng)，這種方式融合了光纖通信和無(wú)線通信的優(yōu)勢(shì)，是目前比較流行的一類太赫茲通信系統(tǒng)。光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)主要包括窄線寬激光器、光調(diào)制器、光放大器、偏振控制器、光耦合器及單向載流子光電二極管(UTC-PD)等器件，其中UTC-PD實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能，是光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)的核心器件之一。光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)發(fā)射前端結(jié)構(gòu)如圖2所示，基帶I/Q信號(hào)通過(guò)光調(diào)制器調(diào)制到光頻上，偏振控制器調(diào)整光束的偏振態(tài)使信號(hào)達(dá)到較好的調(diào)制效果，然后將已調(diào)制光束和另一路未調(diào)制的光束耦合后輸入到光放大器中放大，最后兩路光信號(hào)在具有平方律特性的UTC-PD中拍頻生成太赫茲信號(hào)。

圖2 光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)發(fā)射前端結(jié)構(gòu)

光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：① 可以利用光纖通信中的光學(xué)調(diào)制方法達(dá)到很高的傳輸速率，如偏振復(fù)用(PDM)和波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，這2種光學(xué)調(diào)制方法可以使通信系統(tǒng)在傳統(tǒng)調(diào)制方式如QAM調(diào)制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量多倍增長(zhǎng)。② 利用光外差法生成頻率很高的太赫茲波，且太赫茲頻率可調(diào)，只需在UTC-PD的工作頻率范圍內(nèi)適當(dāng)增加兩光源的波長(zhǎng)差，就可以增加太赫茲波的頻率。光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于UTC-PD的轉(zhuǎn)換效率較低，導(dǎo)致生成的太赫茲波功率不夠，最終使傳輸距離受限。

日本NTT于2012年搭建了光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)，采用ASK幅度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了10 Gbps的實(shí)時(shí)傳輸速率和1 km的無(wú)線傳輸距離[11]。速率和距離都達(dá)到了很高水平，只是ASK調(diào)制方式的頻譜效率較低；德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院于2013年采用光電子學(xué)方式，在237.5 GHz的中心頻點(diǎn)以16QAM調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了100 Gbps的傳輸速率，傳輸距離為20 m[12]；德國(guó)杜伊斯堡-艾森大學(xué)2017年在328 GHz中心頻率通過(guò)高頻譜效率的64-QAM-OFDM調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了59 Gbps的傳輸速率，并演示了HDTV信號(hào)1.5 m的實(shí)時(shí)傳輸[13]。

近些年，國(guó)內(nèi)對(duì)光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)的研究逐漸達(dá)到國(guó)際水平前列。2017年，浙江大學(xué)采用光電子學(xué)方式，通過(guò)16QAM調(diào)制和寬帶太赫茲接收機(jī)技術(shù)，在0.4 THz頻段實(shí)現(xiàn)了106 Gbps的通信速率，傳輸距離為0.5 m[14]；2018年，上海復(fù)旦大學(xué)采用8QAM調(diào)制方式，通過(guò)高增益功率放大器和高增益卡塞格倫天線，在W波段首次實(shí)現(xiàn)了54 Gbps傳輸速率下大于2 km的無(wú)線傳輸[15]；2018年,北京郵電大學(xué)研制了光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)樣機(jī)，無(wú)線傳輸距離達(dá)到1.2 km，傳輸速率達(dá)到7 Gbps，同時(shí)演示了速率為3 Gbps的3D視頻信號(hào)的無(wú)線傳輸[16]。

2 高速長(zhǎng)距離太赫茲通信系統(tǒng)難點(diǎn)問(wèn)題

目前太赫茲通信系統(tǒng)尚處于室內(nèi)、室外的演示階段，系統(tǒng)的各器件性能還有待提高，其中對(duì)太赫茲源、功率放大器、太赫茲天線和分諧波混頻器的研究尤為迫切。

2.1 太赫茲源

在全電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)中，太赫茲源由倍頻器生成，倍頻器通過(guò)非線性電路生成高次諧波。作為太赫茲源的技術(shù)難點(diǎn)，要求倍頻器倍數(shù)高、輸出功率高、帶內(nèi)平坦度好[17]。目前太赫茲倍頻器一般通過(guò)2倍頻和3倍頻級(jí)聯(lián)作用，半導(dǎo)體器件多采用平面肖特基二極管，單片集成技術(shù)(MMIC)是研制太赫茲倍頻器的主要方向[18-19]。在光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)中，太赫茲源由UTC-PD生成，UTC-PD通過(guò)光外差法生成太赫茲波。目前UTC-PD的難題在于光電轉(zhuǎn)化效率低，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)UTC-PD各層半導(dǎo)體材料的參雜濃度和結(jié)構(gòu)，提高UTC-PD的輸出效率，并且設(shè)計(jì)寬帶匹配、低插損的高效率耦合結(jié)構(gòu)來(lái)提升UTC-PD器件的整體輸出功率水平，進(jìn)而提升通信距離[20-21]。

2.2 功率放大器

太赫茲頻段的功率放大器是大幅提升太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸距離的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)也是一個(gè)世界范圍內(nèi)的技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)于太赫茲通信系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸需求，要求功率放大器有較高的增益和飽和輸出功率，以克服太赫茲鏈路較高的路徑損耗[22]；此外，在超高速率的太赫茲通信系統(tǒng)中，不僅需要功率放大器有較大的帶寬，還要求功率放大器在整個(gè)頻帶內(nèi)有較好的增益平坦度，以保證信號(hào)進(jìn)行高階調(diào)制情況下不發(fā)生畸變或失真，使接收端可以成功解調(diào)以保證通信系統(tǒng)較低的誤碼率。太赫茲頻段的功率放大器主要分為2種：基于電真空器件和基于半導(dǎo)體器件。雖然行波管等電真空放大器輸出功率大，但是體積大、功耗高、壽命短的缺點(diǎn)限制了其用途?；诎雽?dǎo)體工藝的功率放大器，InP作為III-V族半導(dǎo)體材料，是繼Si和GaAs之后又一種發(fā)展較成熟的半導(dǎo)體材料。InP具有較高的擊穿電場(chǎng)、飽和電子遷移速率及熱導(dǎo)率等，其在晶體管應(yīng)用中具有增益高及噪聲低等特點(diǎn)[23-24]，因此多用于太赫茲頻段的功率放大器設(shè)計(jì)中。

2.3 太赫茲天線

太赫茲天線的性能對(duì)整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)起到重要作用，是太赫茲通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊粋€(gè)保障。高速率長(zhǎng)距離的太赫茲通信系統(tǒng)需要天線具有高增益、工作頻帶寬的特性。由于太赫茲頻段的電磁波路徑損耗較大[25]，在長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)場(chǎng)景下，通常使用高增益卡塞格倫天線。高增益帶來(lái)了極窄的波束寬度，太赫茲頻段的高增益卡塞格倫天線的波束角度一般不大于1°。這使得搭建通信系統(tǒng)過(guò)程中，天線對(duì)準(zhǔn)工作對(duì)研究人員或工程師有著極大的考驗(yàn)。不僅如此，當(dāng)設(shè)備受環(huán)境影響而產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，波束偏移會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，所以天線波束對(duì)齊是太赫茲通信系統(tǒng)的又一技術(shù)難題。傳統(tǒng)微波頻段的天線對(duì)準(zhǔn)技術(shù)主要分為2類：機(jī)械式調(diào)節(jié)和電子式調(diào)節(jié)。機(jī)械式調(diào)節(jié)一般指自動(dòng)或人工改變天線物理位置實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，電子式調(diào)節(jié)一般指不改變天線物理位置情況下通過(guò)波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)[26-27]。目前對(duì)太赫茲頻段的天線對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究很少，可以參考微波頻段的天線對(duì)準(zhǔn)技術(shù)對(duì)太赫茲頻段的天線對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)太赫茲通信的高速遠(yuǎn)距離傳輸。

2.4 分諧波混頻器

分諧波混頻器是高靈敏度太赫茲頻段接收機(jī)的核心部件，實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)的頻譜搬移。和基波混頻器相比，分諧波混頻器的優(yōu)勢(shì)在于可以利用本振頻率的二倍頻做混頻，這降低了本振源的技術(shù)難度和成本要求[28]。在超外差太赫茲接收機(jī)中，分諧波混頻器的難點(diǎn)是兼顧寬帶特性和高轉(zhuǎn)換效率特性。目前太赫茲頻段的分諧波混頻器大多采用肖特基二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)，相對(duì)于需要超低溫工作環(huán)境的超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)(Superconductor Insulator Superconductor，SIS)混頻管和熱電子輻射(Hot Electron Bolometer，HEB)混頻管，肖特基二極管混頻器可以工作在室溫環(huán)境，相對(duì)于加工工藝和成本較高的三極管混頻器，肖特基二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工且噪聲系數(shù)更好[29]。在分諧波混頻器的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中，精準(zhǔn)的肖特基二極管模型研究和高精度裝配是影響太赫茲分諧波混頻器的關(guān)鍵因素[30]。所以需要進(jìn)一步對(duì)肖特基二極管進(jìn)行精準(zhǔn)建模，使準(zhǔn)確表征太赫茲頻段的物理特性。對(duì)于高精度裝配，一方面提升加工精度，另一方面需要在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮容差性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于太赫茲通信具有超大帶寬、超高傳輸速率、方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，近些年在國(guó)內(nèi)外都有了一定發(fā)展。全電子學(xué)和光電子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)特點(diǎn)不同，二者都有不可替代的優(yōu)勢(shì)。本文總結(jié)了太赫茲通信急需解決的技術(shù)難題，隨著這些射頻前端難題的解決和高速基帶的發(fā)展，太赫茲通信在未來(lái)高速率視距通信、基站無(wú)線回傳及空間通信等應(yīng)用中必將發(fā)揮重要作用。