宋瑞良，李 捷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

從近些年的發(fā)展情況來看，互聯(lián)網(wǎng)和寬帶通信已成為推動(dòng)衛(wèi)星通信向網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，寬帶衛(wèi)星通信已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的趨勢(shì)[1]。低軌衛(wèi)星星座構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)能夠確保在任何時(shí)間、任何空間通信可達(dá)，相對(duì)于高軌通信衛(wèi)星具有“極地覆蓋”和“低時(shí)延”的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前發(fā)展低軌寬帶大容量衛(wèi)星通信的需求愈發(fā)迫切，因而急需一種新的超高速無線傳輸技術(shù)來支持日益增長(zhǎng)的衛(wèi)星通信流量[2]。太赫茲頻段處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡頻段，具有許多優(yōu)異的傳播特性，例如高穿透能力、頻帶寬、抗干擾、可突破“黑障”限制等，尤其是大帶寬和抗截獲的特點(diǎn)，非常適合星間高速傳輸與組網(wǎng)應(yīng)用。相比激光通信，太赫茲通信更容易實(shí)現(xiàn)波束的快速捕獲與跟蹤。隨著國(guó)內(nèi)外高通量衛(wèi)星以及低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展，太赫茲技術(shù)將成為解決空間高速傳輸與組網(wǎng)問題的重要技術(shù)手段之一。

1 太赫茲通信技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從近十年的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)看，日本已在2008年北京奧運(yùn)會(huì)首次成功采用120 GHz載波實(shí)現(xiàn)太赫茲傳輸實(shí)驗(yàn)，日本NTT公司已實(shí)現(xiàn)0.125 THz和0.3 THz的太赫茲通信系統(tǒng)，奠定了日本在國(guó)際太赫茲研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。其后，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了0.625 THz通信系統(tǒng)，德國(guó)也在0.24 THz實(shí)現(xiàn)了40 Gbit/s通信系統(tǒng)，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)采用緊湊型射頻前端在0.3 THz實(shí)現(xiàn)了20 Gbit/s傳輸演示。

國(guó)內(nèi)從2005年香山會(huì)議開始掀起了太赫茲通信技術(shù)的研究熱潮，電子科技大學(xué)、中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)工程物理研究院和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所成為早期開展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外典型太赫茲通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)如表1[3]所示。

表1 國(guó)內(nèi)外典型太赫茲通信系統(tǒng)主要指標(biāo)Tab.1 Main specifications of typical terahertz communication systems at home and abroad

在目前已發(fā)表的文章中，關(guān)于太赫茲通信的研究是以地面場(chǎng)景作為測(cè)試和應(yīng)用環(huán)境的。在太赫茲通信空間應(yīng)用方面，無論是星上驗(yàn)證還是在軌運(yùn)行的通信系統(tǒng)，未見報(bào)道。

2 低軌星間太赫茲通信需求及特點(diǎn)分析

2.1 低軌星間太赫茲通信需求

目前低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)已從僅支持話音和低速數(shù)據(jù)傳輸，向支持大容量通信和多用戶連接轉(zhuǎn)變。國(guó)際上典型的低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括OneWeb,LeoSat,Starlink,Telesat系統(tǒng)。上述各系統(tǒng)的主要指標(biāo)如表2所示。

表2 典型低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要指標(biāo)Tab.2 Main specifications of typical Leo broadband satellite communication system

我國(guó)低軌寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)起步較晚，最近相繼發(fā)射了幾顆寬帶通信試驗(yàn)衛(wèi)星，但在傳輸速率和單星容量等關(guān)鍵指標(biāo)與國(guó)際已在軌運(yùn)行的低軌寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)仍存在一定的差距。

相比傳統(tǒng)的低軌衛(wèi)星通信星座(銥星、Globalstar等)，當(dāng)前低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 星座的規(guī)模越來越大

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)更多考慮的是實(shí)現(xiàn)無縫隙覆蓋，但系統(tǒng)容量不高，僅能夠支持話音以及Mbit/s甚至kbit/s級(jí)數(shù)據(jù)通信。而當(dāng)前的寬帶衛(wèi)星星座基于全球住宅、商業(yè)、機(jī)構(gòu)和政府用戶的數(shù)據(jù)接入需求，星座規(guī)模和系統(tǒng)容量的大幅提升已成為最顯著的特征，當(dāng)前主流衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的星座規(guī)模已從幾百顆到目前的上萬顆[4]。

(2) 單星容量日益增大

系統(tǒng)容量的提高，不僅依賴于大規(guī)模的星座構(gòu)型，更依賴于單星容量的提升。隨著固定通信、移動(dòng)通信、廣播、遙感遙測(cè)導(dǎo)航定位等系統(tǒng)在單星上的綜合，星上載荷逐漸增多，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)使得星間組網(wǎng)與星地組網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用[5]，都對(duì)星上處理能力提出了更高的要求，單星數(shù)據(jù)承載量已經(jīng)達(dá)到Gbit/s甚至Tbit/s級(jí)別。

(3) 星間鏈路的頻段越來越高

隨著單星容量的增大，L,S以及Ku,Ka頻段的帶寬已成為限制大容量通信的瓶頸，無法滿足高速大容量通信的要求，因而目前發(fā)展太赫茲頻段衛(wèi)星通信已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。太赫茲通信具有更大的帶寬，可以較容易地獲得Gbit/s以上的無線傳輸速度，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)領(lǐng)先幾百至上千倍；而且在空間近似真空的狀態(tài)下，不受水分和大氣的影響；此外太赫茲對(duì)于突破“黑障”限制也有其自身的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于衛(wèi)星通信。

2.2 太赫茲通信在空間應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)

太赫茲波與微波相比，太赫茲波的頻率更高，帶寬更大，能夠解決現(xiàn)有衛(wèi)星通信微波帶寬不足的問題，實(shí)現(xiàn)星間高速通信的要求[6]。相對(duì)激光通信，太赫茲波波束更寬，在空間中的攝動(dòng)、定軌、姿態(tài)保持、遙感遙控誤差帶來的跟瞄問題較激光更小，更易實(shí)現(xiàn)星間的高速通信與組網(wǎng)應(yīng)用。但在低軌星間通信場(chǎng)景中，通信距離長(zhǎng)、數(shù)據(jù)速率大等實(shí)際問題也使太赫茲通信呈現(xiàn)出以下技術(shù)特點(diǎn)：

① 低軌衛(wèi)星間通信距離較遠(yuǎn)，射頻前端需要滿足高功率指標(biāo)要求以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸；

② 太赫茲所處的頻段較高，需要高靈敏度接收機(jī)來保證信號(hào)的完好接收；

③ 通信速率越來越高，已從幾十Gbit/s發(fā)展到幾百Gbit/s，且有向Tbit/s級(jí)別發(fā)展的趨勢(shì)，這就需要高速基帶信號(hào)處理技術(shù)來保證信息的高速傳輸；

④ 隨著星上載荷種類的增多，小型化、集成化已成為星上設(shè)備和器件的新要求。

3 針對(duì)低軌衛(wèi)星的太赫茲星間通信總體設(shè)計(jì)

太赫茲衛(wèi)星通信載荷包括用于星間接入的高速交換組網(wǎng)模塊、滿足基帶高速處理需求的調(diào)制解調(diào)模塊、高功率高靈敏度收發(fā)信機(jī)模塊以及高增益太赫茲天線。

圖1給出了一種太赫茲星間通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖，其中各部分功能如下。

圖1 太赫茲星間通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Schematic diagram of terahertz inter-satellite communication system

① 高速交換和組網(wǎng)模塊：實(shí)現(xiàn)本星其他應(yīng)用載荷信息到交換網(wǎng)絡(luò)的注入和接收，支持組網(wǎng)中為其他衛(wèi)星提供信息的橋接和轉(zhuǎn)發(fā)功能；

② 高速調(diào)制解調(diào)模塊：利用高效多流傳輸技術(shù)、超可靠高速編譯碼技術(shù)、高速FPGA實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)等基帶高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多流、并行高速傳輸，實(shí)現(xiàn)頻譜利用率的有效提升；

③ 高集成度收發(fā)信機(jī)模塊：基于太赫茲頻段集成電路芯片技術(shù)，在保證高功率輸出和高靈敏度接收的前提下，滿足太赫茲收發(fā)信機(jī)載荷的高度集成化，大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜度；

④ 太赫茲天線：采用大口徑高增益太赫茲透鏡陣列天線，支撐空口多流高速傳輸。

基于此通信系統(tǒng)，以220 GHz頻點(diǎn)為例，假設(shè)采用0.6 m口徑的高增益太赫茲天線、行波管功放實(shí)現(xiàn)5 W輸出功率[7]，高靈敏度接收機(jī)噪聲系數(shù)為7 dB，在傳輸距離為150 km、帶寬為5 GHz的條件下可實(shí)現(xiàn) 25 Gbit/s傳輸。在傳輸距離50 km、帶寬5 GHz條件下可實(shí)現(xiàn)大于50 Gbit/s傳輸。基于64QAM調(diào)制、10-6誤碼率等條件，對(duì)50,150,500,2 000 km傳輸距離的鏈路預(yù)算如表3所示。

表3 對(duì)于不同傳輸距離的鏈路預(yù)算Tab.3 Link budget for different transmission distances

4 低軌星間太赫茲通信中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 集成化、陣列化太赫茲射頻前端技術(shù)

用于星上的太赫茲射頻前端，由于星上搭載的載荷重量和空間有限，主要考慮小型化的問題。而小型化的星上太赫茲射頻前端，主要分為集成化和陣列化兩個(gè)方向。

在太赫茲射頻集成化技術(shù)方面，通過高精密的集成封裝工藝將多種太赫茲射頻器件一體化封裝，實(shí)現(xiàn)模塊封裝集成。此外，太赫茲射頻技術(shù)還需要突破新型半導(dǎo)體材料外延技術(shù)、異質(zhì)半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)以及先進(jìn)微納米3D打印和制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)射頻前端的芯片一體化設(shè)計(jì)，將模塊集成向芯片集成轉(zhuǎn)化。

在太赫茲射頻陣列化方面，由于頻率的不斷提升，芯片的尺寸不斷縮小，在空間環(huán)境應(yīng)用時(shí)，通信衛(wèi)星載荷系統(tǒng)對(duì)輸出功率、射頻增益的要求不斷提升，射頻前端逐漸從單芯片單通道向多芯片陣列化發(fā)展。例如：太赫茲相控陣天線將采用射頻與天線的一體化芯片加工方式，并通過低損耗的陣列連接方式實(shí)現(xiàn)太赫茲波的波束調(diào)控，這種方式將解決太赫茲射頻前端多模塊混合封裝損耗大、單芯片輸出功率不足的問題。目前，美國(guó)已研發(fā)出一款太赫茲相控陣天線芯片，如圖2和圖3[8]所示。

圖2 太赫茲相控陣原理圖Fig.2 Schematic diagram of terahertz phased array

圖3 太赫茲相控陣前端樣片和片上相控陣天線Fig.3 Terahertz phased array front-end sample and on-chip phased array antenna

4.2 高增益太赫茲功放技術(shù)

星間傳輸由于距離較遠(yuǎn)，因而相比地面?zhèn)鬏?，需要更高功率來保證接收端對(duì)發(fā)射信號(hào)的完好接收。高增益太赫茲功放按照其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑可分為固態(tài)功放和行波管功放兩大類。

采用固態(tài)功率放大和固態(tài)功率合成技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段mW到百mW量級(jí)的功率輸出。固態(tài)功率放大器一般采用晶體管TMIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如工作頻率在0.34 THz的InP基HEMT功放，目前輸出功率可達(dá)10 mW，功率密度可達(dá)62 mW/mm[9]。采用第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料，目前已實(shí)現(xiàn)0.1 THz、1 W的輸出功率，功率密度超過2 W/mm。在此基礎(chǔ)之上，采用空間輻射陣列功率合成將能進(jìn)一步提升功放模塊整體的輸出功率。在太赫茲頻段，采用空間輻射陣列功率合成技術(shù)需要每個(gè)通道的幅相保持高度的一致性，同時(shí)減少多路合成帶來的合成損耗，并解決合成過程中的散熱問題，因此對(duì)于設(shè)計(jì)者和工藝加工精度都提出了更高的要求。

行波管通過電子束和電磁波進(jìn)行能量交換來實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，一般用于發(fā)射機(jī)的最后一級(jí)，用以獲得10 W以上的連續(xù)波輸出功率[10]。但是由于行波管功放帶寬小、所需高壓設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，因此對(duì)于高速大帶寬多通道太赫茲通信系統(tǒng)仍需進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。從目前的低軌衛(wèi)星通信需求分析，行波管更適合于低軌星間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路，而固態(tài)功放更適合于星間點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信與組網(wǎng)應(yīng)用。

此外在空間應(yīng)用的功率放大器，需要考慮器件的抗輻照性能。來自于地球輻射帶和太陽(銀河)宇宙射線的粒子輻射，會(huì)對(duì)固態(tài)功放的半導(dǎo)體材料性能、行波管功放的使用壽命帶來影響[11]。復(fù)雜的空間環(huán)境也是導(dǎo)致功放封裝材料性能退化的主要原因之一，因此，對(duì)于功放器件的材料和工藝選擇是太赫茲功放在空間應(yīng)用需要重點(diǎn)突破的技術(shù)問題。

4.3 高增益太赫茲天線技術(shù)

用于空間環(huán)境的太赫茲天線，需要較高的天線增益來彌補(bǔ)接收端檢測(cè)靈敏度的不足和較高的空間傳輸損耗。比較有代表性的太赫茲天線包括喇叭天線、透鏡天線、相控陣天線等，這些不同類型的太赫茲天線在實(shí)際空間應(yīng)用中有不同的特點(diǎn)。

喇叭天線相對(duì)增益較小，一般不適用于空間環(huán)境。對(duì)于高增益天線，常采用卡塞格倫天線來實(shí)現(xiàn)，但其對(duì)加工的精度要求較高。相控陣天線目前廣泛應(yīng)用于毫米波頻段[12]，但在太赫茲頻段，其加工和實(shí)現(xiàn)的難度很大，目前常采用CMOS等芯片工藝實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的波束控制。太赫茲片上天線可應(yīng)用于小型化太赫茲通信載荷。透鏡天線由于無饋源遮擋、無表面波效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，已成為太赫茲星載天線的主要形式。對(duì)于低軌衛(wèi)星通信的應(yīng)用場(chǎng)景，采用卡塞格倫天線和透鏡天線可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離空間傳輸，采用片上陣列天線有望實(shí)現(xiàn)星間的波束控制與切換，為太赫茲地軌衛(wèi)星組網(wǎng)及交換提供技術(shù)可能性。

此外太赫茲天線由于頻率高、波長(zhǎng)短，因而天線加工精度以及在軌過程中的外形精度相比低頻段天線都會(huì)有較高的要求；而空間中背景輻射以及微觀粒子環(huán)境較為復(fù)雜，都會(huì)對(duì)天線外形產(chǎn)生影響；在有些場(chǎng)合從發(fā)射機(jī)到天線還要考慮模式變換問題[13]，這都是太赫茲天線在空間應(yīng)用需要突破的相關(guān)技術(shù)。

4.4 高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)

太赫茲的高速調(diào)制分為模擬直接調(diào)制與基于數(shù)字調(diào)制的次諧波混頻兩種方式。模擬直接調(diào)制一般采用太赫茲調(diào)制器件，如石墨烯調(diào)制器和共振隧穿二極管等，當(dāng)給器件施加合適的工作偏壓后，將高速模擬信號(hào)直接加載到器件上，器件輻射的太赫茲波將攜帶模擬信號(hào)并完成調(diào)制。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低，便于實(shí)現(xiàn)小型化，但是受限于器件的工作方式，多以O(shè)OK等低階調(diào)制方式為主，雖然太赫茲頻段帶寬很寬，但實(shí)現(xiàn)百Gbit/s到Tbit/s將會(huì)遇到技術(shù)瓶頸。同時(shí)由于此類器件工藝加工難度大，目前尚處于技術(shù)研發(fā)階段。

基于數(shù)字調(diào)制的次諧波混頻，通常先在基帶采用16QAM，64QAM等高階調(diào)制方式完成數(shù)字信號(hào)調(diào)制，再通過太赫茲混頻器與本振信號(hào)混頻，上變頻到太赫茲頻段，經(jīng)由發(fā)射機(jī)發(fā)射。接收端先經(jīng)過太赫茲混頻器下變頻到基帶，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是采用了目前較為成熟的信號(hào)并行處理技術(shù)，對(duì)于太赫茲上下變頻等過程帶來的信號(hào)惡化可以通過信道均衡、預(yù)失真等處理技術(shù)改善[14]。未來對(duì)于數(shù)字基帶調(diào)制重點(diǎn)需要提升FPGA的處理能力、AD/DA的采樣率[15]，并通過多路并行等方式有望突破Tbit/s系統(tǒng)傳輸能力。

5 結(jié)論

太赫茲通信技術(shù)作為解決高速星間通信的一種重要技術(shù)手段，由于其頻段高、可用帶寬大，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。隨著當(dāng)前低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出星座規(guī)模大、單星容量高和通信頻段高的特點(diǎn)，太赫茲通信技術(shù)因其能夠?qū)崿F(xiàn)高增益低功耗高速傳輸，且易于實(shí)現(xiàn)器件的集成化和小型化，尤其適用于空間應(yīng)用。此外，太赫茲通信技術(shù)不僅在發(fā)展低軌寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中能夠發(fā)揮重要作用，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)6G地面移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。