牛中乾，張 波，周 震，樊 勇，宋軻欣，蒯震華

(1．電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；2．上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

太赫茲波是指頻率在0.1～10 THz之間的電磁波。這一段電磁頻譜處于傳統(tǒng)電子學(xué)和光子學(xué)研究頻段之間的特殊位置，過去對其研究以及開發(fā)利用都相對較少。隨著無線通信的高速發(fā)展，現(xiàn)有的頻譜資源已變得日益匱乏，開發(fā)無線通信的新頻段已逐漸成為解決此矛盾的一種共識，而在太赫茲頻段存在大量未被開發(fā)的頻譜資源，使得太赫茲頻率適于作為未來無線通信的新頻段。在眾多技術(shù)途徑中，采用固態(tài)電子學(xué)的技術(shù)途徑實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)，未來存在將系統(tǒng)進行片上集成的可能，這對太赫茲無線通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没哂兄匾饬x。

目前基于半導(dǎo)體技術(shù)的固態(tài)太赫茲通信系統(tǒng)均采用單向通信的方案，即發(fā)射前端連接單獨的天線，接收前端連接另一個單獨的天線，無法使用同一個天線進行雙向通信的功能。為了較高的增益和良好的性能，天線的尺寸往往較大，如果使用傳統(tǒng)的方案實現(xiàn)全雙工功能，通信系統(tǒng)前端的體積過于龐大，不利于系統(tǒng)的集成。

1 背景和需求

1.1 太赫茲通信技術(shù)介紹

0.1～1.0 THz的太赫茲頻段作為微波和光波的第一個過渡帶，兼顧了微波和光波的優(yōu)點，可望成為寬帶移動通信的有效手段[1-3]。事實上，太赫茲波以地面兩點之間的空氣為傳輸介質(zhì)，利用太赫茲信號通過大氣空間，而不是通過光纖傳送信號，其物理組成比光纖通信簡單，起始投資低、運營費用低，能快速裝設(shè)，且可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。由于太赫茲通信具有傳輸速率快、結(jié)構(gòu)簡單和組網(wǎng)靈活等特點，因此在跨江跨河等不具備有線接入和快速組建通信網(wǎng)絡(luò)的場合具有很高的使用價值。

太赫茲通信系統(tǒng)與微波通信、光纖通信、光無線通信相比，具有獨特優(yōu)勢。與微波通信相比，其最大優(yōu)勢就是通信的傳輸速率高、頻帶寬。當載頻為太赫茲波時，其數(shù)據(jù)速率顯著提高。與光纖通信相比，太赫茲通信是一種以大氣為媒質(zhì)的傳輸技術(shù)。其優(yōu)點是傳輸距離遠、信道容量大、發(fā)射天線小、保密性好及抗電磁干擾等。所以太赫茲波在無線通信、安全檢查、空間科學(xué)探索、環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)報以及生物醫(yī)學(xué)成像等多個領(lǐng)域具有巨大的技術(shù)創(chuàng)新突破空間和廣闊的應(yīng)用前景[4-9]。

1.2 太赫茲通信技術(shù)需求

2018年美國移動世界大會上，美國聯(lián)邦通信委員會首次在公開場合啟動6G通信技術(shù)，即第六代移動通信標準。目前最高的通信技術(shù)5G網(wǎng)絡(luò)，可達1 GB/min的網(wǎng)絡(luò)速度，帶來了遠超于3G,4G的用戶體驗。而基于太赫茲頻段理論研究6G通信技術(shù)則將徹底顛覆人們對于通信速率的認識，其理論下載速度可達1 TB/s。在網(wǎng)絡(luò)延遲方面，6G相較于之前更穩(wěn)定，延遲更低。6G并不是簡單的5G提升而已，而是更高層次的一個突破,對比如圖1所示。5G技術(shù)的應(yīng)用是對大數(shù)據(jù)的一種解放，可以體驗到延遲降到最低。而6G時代，則標志著真正物聯(lián)通信的開始，可以滿足無所不知的任意設(shè)備之間的信息傳輸，人類真正告別互聯(lián)網(wǎng)，進入物聯(lián)網(wǎng)時代。

在“5G盛宴”即將實現(xiàn)商用的階段，針對萬物互聯(lián)進一步開展高速無線通信技術(shù)研究，啟動了6G相關(guān)工作。2019年，科技部發(fā)布《國家重點研發(fā)計劃“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò)”重點專項2019年度項目申報指南建議》征求意見，提出“專項總體目標”之一是“開展新型網(wǎng)絡(luò)與高效傳輸全技術(shù)鏈研發(fā)，使我國成為6G無線移動通信技術(shù)和標準研發(fā)的全球引領(lǐng)者，在未來無線移動通信方面取得一批突破性成果”。2019年專項中，至少有6個6G研究項目，其中5G/6G融合的衛(wèi)星通信技術(shù)研究與原理驗證(共性技術(shù)類、部省聯(lián)動)，明確了面向空間組網(wǎng)的多粒度微波光電混合信號交換等核心關(guān)鍵技術(shù)，完成面向5G/6G的衛(wèi)星通信地面原型系統(tǒng)試驗驗證及系統(tǒng)集成的任務(wù)目標。

圖1 6G與5G的對比圖

美國、韓國、歐盟和俄羅斯等也已開展6G工作。美國科技網(wǎng)站CNET報道，2019年3月15日，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)一致投票通過開放“太赫茲波”頻譜的決定，以期其有朝一日被用于6G服務(wù)。報道稱，頻率范圍為95 GHz～3 THz的“太赫茲波”頻譜將被開放供實驗使用，讓工程師們開始擁抱下一代無線網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)夢想。韓國SK集團信息通信技術(shù)中心曾在2018年提出了“太赫茲+去蜂窩化結(jié)構(gòu)+高空無線平臺(如衛(wèi)星等)”的6G技術(shù)方案，不僅應(yīng)用太赫茲通信技術(shù)，還要徹底變革現(xiàn)有的移動通信蜂窩架構(gòu)，并建立空天地一體的通信網(wǎng)絡(luò)。世界各國競相開展關(guān)于新一代通信標準的研究，力爭在未來能夠“大展拳腳”，可見太赫茲高速無線通信技術(shù)在世界各國未來戰(zhàn)略規(guī)劃中的重要地位。同時，太赫茲技術(shù)給未來民眾生活所帶來的便捷超乎想象，人類必將進入6G高速無線通信的新紀元。

1.3 傳統(tǒng)太赫茲通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前基于半導(dǎo)體技術(shù)的固態(tài)太赫茲通信系統(tǒng)均采用收發(fā)端分離的方案，即發(fā)射前端連接發(fā)射天線，接收前端連接接收天線，收發(fā)前端必須連接不同的天線。傳統(tǒng)的太赫茲通信系統(tǒng)均基于超外差結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

發(fā)射機工作原理如圖2(a)所示。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生的已調(diào)制信號輸入到中頻電路，經(jīng)過濾波器對無用信號進行濾除，輸入到太赫茲射頻前端部分。中頻寬帶信號經(jīng)過太赫茲分諧波混頻器將信號搬移至太赫茲波段，經(jīng)由太赫茲天線發(fā)射至太赫茲信道內(nèi)。其中50 MHz晶振信號經(jīng)過鎖相介質(zhì)振蕩器(PDRO)與太赫茲倍頻鏈路，產(chǎn)生太赫茲信號為太赫茲分諧波混頻器提供本振驅(qū)動。類似的，接收機工作原理如圖2(b)所示。太赫茲天線將信號接收至混頻器中，混頻后的中頻進入接收機中頻電路，經(jīng)過中頻低噪放將信號進行放大，再通過濾波器濾掉無用信號進入ADC進行解調(diào)和信號處理。

圖2 太赫茲通信系統(tǒng)工作原理

2 需解決的問題

傳統(tǒng)太赫茲通信系統(tǒng)方案可以滿足太赫茲高速通信的需求，但這種方案實現(xiàn)的是單向傳輸，若采用這種方案實現(xiàn)雙向通信，需要2套天線和射頻前端。為了較高的增益和良好的性能，天線的尺寸往往比較大，如果使用傳統(tǒng)方案實現(xiàn)全雙工通信功能，通信系統(tǒng)前端的體積過于龐大，不利于系統(tǒng)的集成。所以，太赫茲全雙工無線通信系統(tǒng)需要解決如下幾個核心問題：

① 全雙工方案設(shè)計：現(xiàn)有技術(shù)的全雙工通信系統(tǒng)通常采用FDD或TDD模式，F(xiàn)DD模式具有2個獨立的通道，能夠減少收發(fā)鏈路之間的串擾，但FDD模式會占用較大的頻譜資源。而TDD模式在上下行同頻時，需要采用環(huán)形器實現(xiàn)接收和發(fā)射的分離，但太赫茲頻段目前尚未出現(xiàn)合適的環(huán)形器。目前，基于波導(dǎo)波正交模耦合器(Orthomode Transducer,OMT)的模式隔離方案非常適合太赫茲全雙工通信系統(tǒng)，所以高性能的OMT是全雙工通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。

② OMT加工要求較高：由于OMT的特殊結(jié)構(gòu)，無法從E面進行剖分，需要從H面中間剖分，如果剖分的2部分加工精度較低，無法緊密連接，就會切斷表明壁電流，極大降低了OMT的性能。

③ 收發(fā)前端的高性能：收發(fā)前端的性能影響了整個通信系統(tǒng)的可靠性，而對于超外差體制的收發(fā)前端，混頻器的性能是其核心，所以高性能的太赫茲混頻器是系統(tǒng)設(shè)計的另一個核心問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計

太赫茲全雙工通信系統(tǒng)收發(fā)機可雙向通信的功能，系統(tǒng)組成包括太赫茲天線、太赫茲射頻前端部分、中頻電路部分和基帶部分。其中太赫茲射頻前端部分包括太赫茲帶通濾波器、太赫茲OMT、太赫茲分諧波混頻器以及太赫茲倍頻鏈路，工作原理如圖3所示。

圖3 太赫茲全雙工通信系統(tǒng)收發(fā)機框圖

發(fā)射電路信號由基帶DAC產(chǎn)生，經(jīng)由中頻電路的低通濾波器(LPF)濾除雜散信號，信號進入太赫茲分諧波混頻器搬移至太赫茲頻段，經(jīng)過太赫茲OMT與接收信號形成模式隔離，防止收發(fā)信號相互干擾，再經(jīng)過太赫茲帶通濾波器進行邊帶抑制，最后經(jīng)過太赫茲天線將發(fā)射信號傳輸至太赫茲信道；接收電路由太赫茲天線接收太赫茲信道的有用信號，經(jīng)過太赫茲帶通濾波器對無用信號進行抑制，經(jīng)過太赫茲OMT進入太赫茲分諧波混頻器將信號搬移至中頻頻段，再經(jīng)過中頻低噪放和中頻LPF濾除雜散信號，最后輸入到基帶ADC進行解調(diào)。

這種模式隔離的全雙工方案在實現(xiàn)太赫茲信號可同時發(fā)射和接收功能的基礎(chǔ)上，發(fā)射通道和接收通道在同一頻段，僅采用一個天線，極大減小了通信系統(tǒng)前端的體積，利于通信系統(tǒng)的小型化。

3.1 太赫茲OMT設(shè)計

太赫茲OMT的作用是將模式相互正交的發(fā)射信號和接收信號進行合路，并產(chǎn)生模式隔離，防止發(fā)射信號和接收信號相互干擾；其中太赫茲帶通濾波器將混頻器產(chǎn)生的雙邊帶信號的無用邊帶進行濾除，進行邊帶抑制，防止另一邊帶信號對通信系統(tǒng)造成影響[10-11]。

波導(dǎo)OMT的結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，包括1個輸入部分(端口1)、2個輸出部分(端口2和端口3)和正交分離部分。來自端口1的2個正交的極化模式波(水平極化和垂直極化)，通過偏振分離結(jié)構(gòu)和過渡結(jié)構(gòu)，從端口2輸出垂直極化波，從端口3輸出水平極化波，如圖2所示。當然，反向使用也可以，端口2和端口3是互不影響的。端口1為正方形波導(dǎo)口，端口2和端口3為標準矩形波導(dǎo)口，WR-4，尺寸為1.092 mm×0.546 mm。

圖4 太赫茲波導(dǎo)OMT設(shè)計圖

圖5 太赫茲OMT結(jié)構(gòu)框圖

主模TE10波的傳播電場與波導(dǎo)的寬邊有關(guān)，與窄邊無關(guān)。為了減小插入損耗，保持了波導(dǎo)長邊與相應(yīng)偏振模的連續(xù)性。通過減小窄邊的寬度，增強了與正交模的隔離，如圖6所示。圓波導(dǎo)的1/4用來調(diào)節(jié)垂直偏振波的傳播方向。由于端口1到端口3的距離大于到端口2，所以能量損失也較大。故從端口1到端口3的過渡設(shè)計比較緩慢，不是一個標準的等腰梯形。

圖6 具體設(shè)計細節(jié)

仿真結(jié)果如圖7所示。在180～220 GHz頻段具有良好的仿真性能。整個頻帶每個端口的回波損耗小于-17 dB；正交模式波的隔離度大于51 dB，端口2與端口3的隔離度優(yōu)于50 dB。

圖7 太赫茲波導(dǎo)OMT仿真結(jié)果

3.2 太赫茲分諧波混頻器設(shè)計

220 GHz分諧波混頻器的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，其主要部分包括射頻輸入端口、射頻輸入端口至懸置微帶線過渡、本振輸入端口、本振輸入端口至懸置微帶線過渡、CMRC結(jié)構(gòu)本振低通濾波器、中頻CMRC結(jié)構(gòu)中頻低通濾波器、射頻匹配結(jié)構(gòu)和本振匹配結(jié)構(gòu)及微帶-同軸過渡結(jié)構(gòu)[12]。其中射頻輸入端波導(dǎo)結(jié)構(gòu)采用標準WR4型，本振輸入端波導(dǎo)采用標準WR8型，中頻輸出端口的微帶線設(shè)置為50 Ω匹配結(jié)構(gòu)，通過K接頭與外部器件連接。

圖8 太赫茲分諧波混頻器結(jié)構(gòu)

在太赫茲電路仿真與傳統(tǒng)微波電路不同，由于電路尺寸較小，應(yīng)進行各無源結(jié)構(gòu)仿真，同時確定微帶線屏蔽腔的尺寸，確保波導(dǎo)內(nèi)單模傳輸，避免波導(dǎo)高次模的激勵和腔體的諧振。

混頻器各無源結(jié)構(gòu)部分仿真結(jié)束后，由于二極管非線性結(jié)構(gòu)的特殊性，應(yīng)使用ADS電路仿真軟件對分諧波混頻器整體電路結(jié)構(gòu)進行聯(lián)合仿真。利用HFSS軟件將各無源結(jié)構(gòu)的SNP數(shù)據(jù)包導(dǎo)出，并建立無源結(jié)構(gòu)與二極管之間匹配電路的模型，結(jié)合肖特基二極管的完整電路模型，利用諧波平衡法對混頻器整體電路進行仿真，最終仿真優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。

圖9 太赫茲分諧波混頻器變頻損耗仿真結(jié)果

當本振驅(qū)動功率為6 dBm，工作頻帶200～240 GHz時，變頻損耗均低于8 dB，其中變頻損耗最優(yōu)值為7.4 dB。

4 結(jié)束語

太赫茲通信系統(tǒng)經(jīng)過近幾年的技術(shù)攻關(guān)和積累，在國內(nèi)已經(jīng)開始進行產(chǎn)業(yè)化，太赫茲通信技術(shù)具有相對帶寬大、通信速率高、可靠性好以及抗干擾能力強等巨大優(yōu)勢，相比于其他通信技術(shù)，更適合未來大容量無線通信領(lǐng)域和6G的應(yīng)用。

而太赫茲全雙工通信系統(tǒng)的研究，更使得太赫茲通信系統(tǒng)的技術(shù)積累趨于完善，未來還可以多工大容量多媒體集群調(diào)度業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)全業(yè)務(wù)綜合承載。一旦相關(guān)技術(shù)成熟，基于全固態(tài)電子學(xué)方式的太赫茲通信系統(tǒng)技術(shù)就芯片化和集成化，不但可以小型化整機系統(tǒng)，還可以降低系統(tǒng)的功耗，有利于運營商的規(guī)劃建設(shè)投資和降低成本。相信在不久的將來，在國內(nèi)無線通信應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，全固態(tài)太赫茲通信技術(shù)一定會大放異彩。