趙鵬 劉丹 邱楚楚

摘要：隨著無線頻譜資源日益枯竭，向更高頻段擴展成為高速無線通信的必然趨勢。太赫茲通信技術具有高速寬帶、結構緊湊、抗干擾能力強等優(yōu)點，是實現(xiàn)未來高速無線通信的重要途徑。文章在分析太赫茲頻譜特性和傳播特點的基礎上，研究了太赫茲通信技術發(fā)展現(xiàn)狀及太赫茲通信關鍵技術，重點對空天地海一體化作戰(zhàn)中的太赫茲通信技術的軍事應用進行了探討，旨在為太赫茲通信技術在軍事中的推廣應用提供論證依據和支撐。

關鍵詞：太赫茲;通信技術;軍事應用中圖法分類號：0441 文獻標識碼：A

Development status of terahertz communication technology andits military application analysis

ZHAO Peng'， LIU Dan？， QIU Chuchu'

（1. PLA Dalian Naval Academy， Dalian， Liaoning 116018， China; 2.PLA Unit 31401， Dalian， Liaoning 116018， China）

Abstract： With the increasing congestion of wireless spectrum resources， expanding to higher frequency band has become an inevitable trend of high-speed wireless communication. Terahertz communication technology has the advantages of high-speed broadband， compact structure and strong anti-jamming ability， it is an important way to realize high-speed wireless communication in the future. Based on the analysis of terahertz spectrum characteristics and propagation characteristics， the thesis studied the development status and key technologies of terahertz communication， and discussed the military application of terahertz communication technology in air， space， ground and sea integrated operations， to provide demonstration basis and support for the popularization and application of terahertz communication technology in military.

Key words： terahertz，communication technology， military application

1引言

無論是民用領域還是軍用領域，不斷追求更大的通信容量、更快的通信速率，一直都是無線通信新技術發(fā)展的方向。香農通信定律已經揭示：若要實現(xiàn)高容量、快速率，需要更大的通信頻率帶寬。因此，在復雜、稀缺的電磁頻譜中，人類開始關注太赫茲頻段，太赫茲通信技術也被公認為未來實現(xiàn)6G 通信的關鍵技術之一。太赫茲無線通信是在無線電通信的基礎上發(fā)展而來的，同時結合了激光無線通信的部分思想[1]。與微波通信、激光通信相比，太赫茲通信具有獨特的性能優(yōu)勢，可以應用于空天地海一體化通信、安全保密通信及無人平臺通信組網等場景。太赫茲通信技術也將結合人工智能和大數(shù)據技術實現(xiàn)智能化應用，軍事應用前景廣闊。

2太赫茲頻譜特性及傳播特點

2.1太赫茲頻譜特性

太赫茲波是指頻率介于0.1～10THz 之間的電磁波，在整個電磁波譜中位于微波和紅外波頻段之間，如圖1所示。由于在電磁波譜的特殊位置，太赫茲波既具有微波頻段的穿透性和吸收性，又具有光譜分辨特性[2]。

對太赫茲通信技術的應用，主要利用的是太赫茲頻譜的寬帶特性，太赫茲頻段的頻譜資源很豐富，可用頻譜帶寬比微波高幾個數(shù)量級。太赫茲頻段電磁波在外層空間可以進行無損傳輸，用較小發(fā)射功率就可實現(xiàn)遠距離通信，還可以避免地球輻射噪聲的影響，穿透通信黑障，因此太赫茲在未來可重點應用于空間通信和無線寬帶通信領域。

2.2太赫茲傳播特點

太赫茲頻段的頻率比毫米波更高，依據電磁波的傳播特性，該頻段的傳播與穿透損耗也很大?？筛鶕ダ锼棺杂煽臻g損耗計算公式進行損耗估算：

式（1）中，LFSdB/km 為路徑損耗，fMHz 為頻率，dkm 為傳播距離，GTxdBi 和 GRxdBi 分別表示發(fā)射天線和接收天線增益。通過計算發(fā)現(xiàn)，一般情況下，1THz 以下太赫茲頻段電磁波相對于26GHz 毫米波的路徑損耗增加10～35dB 。因此，在發(fā)射天線和接收天線增益受限的情況下，太赫茲頻段的通信距離將大幅度縮短。

圖2為0.01～1THz 的太赫茲波在晴天條件下的頻率衰減譜。分析可知，隨著頻率的增高，大氣中的太赫茲波傳播呈現(xiàn)指數(shù)級衰減，在太赫茲低頻段（如0.3THz以下），太赫茲波的大氣衰減低于10dB/km，適合作為無線通信載波，而超過1THz 的太赫茲頻段的衰減極大，無線通信傳輸距離急劇下降。圖2中 A ～ J 各個頻點處都出現(xiàn)了較明顯的波峰，這是因為太赫茲波在長距離傳輸時容易受到水蒸氣、氧氣分子的影響，產生分子共振效應，使得傳輸損耗急劇增大。因此，在設計太赫茲遠距離通信系統(tǒng)時，應選擇合適的頻率窗口進行通信，以獲得較高的通信效率。

3太赫茲通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術分析

3.1太赫茲通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀

因其具有豐富的頻譜資源和獨有特性，太赫茲波段受到各個國家的高度重視，并獲得了國際電信聯(lián)盟（ITU）的大力支持，成為極具潛力的6G 關鍵候選頻譜技術?；谕ㄐ啪W絡技術平滑演進的考慮，太赫茲通信也是目前全球熱議和關注較多的技術方向，開展太赫茲通信技術研究既符合通信網絡技術的演進需求，也具備較高可行性。

太赫茲波的研究最早可追溯到1897年，美國從20世紀90年代率先加大了對太赫茲頻段的研究。自2002年以來，美國 DARPA 實施了一系列太赫茲技術研發(fā)計劃，積極推進以國防應用為主要目標的尖端技術和超高速電子技術的相關項目研究，包括太赫茲電子學計劃，有效推動了太赫茲核心器件的開發(fā)及其在太赫茲通信中的應用關鍵技術研究。國際電聯(lián)已經指定0.12THz 和0.22THz兩個頻段分別用于下一代地面無線通信與衛(wèi)星間通信。美國 NASA 著手太赫茲通信計劃，美國空軍也于2020年8月發(fā)布“太赫茲通信”公告，探索100GHz 以上的未來視距“空?空”通信和聯(lián)網技術。歐盟將太赫茲星際通信列為太空計劃的主要研究領域，主要研究0.1～1.5THz 波段的星際通信。

當前，已經構建的太赫茲無線通信驗證系統(tǒng)主要包括三類，即光電混合、全電子和時域脈沖太赫茲通信驗證系統(tǒng)。國際上的典型系統(tǒng)主要有：德國固態(tài)物理研究所構建的0.22THz 和0.24THz 通信系統(tǒng)、日本電報電話公司構建的0.12THz 和0.3THz 通信系統(tǒng)以及美國貝爾實驗室構建的0.625THz 通信系統(tǒng)等。國內方面，自2005年以來，電子科技大學、復旦大學、浙江大學、中國工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心等高校和院所，都陸續(xù)開展了太赫茲無線通信技術的相關研究。2018年，中國工程物理研究院突破太赫茲20Gbps 調制解調信號處理相關核心算法，其0.22THz太赫茲通信系統(tǒng)具備速率20Gbps、大氣通信距離大于10km 的能力，將逐步開展星地1000km 地面等效驗證。2022年，中國的安全紫金山實驗室聯(lián)合東南大學、復旦大學和中國移動等團隊，搭建出首個0.36～0.43THz 頻段無線傳輸通信實驗系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了單波長、凈速率為103.125Gbps 和雙波長、凈速率為206.25Gbps 的太赫茲實時無線傳輸，創(chuàng)造出目前世界上公開報道的太赫茲實時無線通信的最高實時傳輸紀錄?？傊延械奶掌潫o線通信驗證系統(tǒng)還集中在太赫茲波的低頻段。

3.2太赫茲通信關鍵技術分析

從太赫茲通信技術發(fā)展歷程和已有成果分析，太赫茲通信正往更高頻段、更高通信速率、更高頻段利用率方向發(fā)展，并逐步向工程化、實用化方向轉變。太赫茲通信廣泛應用取決于太赫茲通信關鍵技術的突破，主要包括太赫茲通信鏈路調制、太赫茲關鍵器件、太赫茲傳播信道建模等技術。

（1）太赫茲通信鏈路調制

對應于不同的太赫茲無線通信驗證系統(tǒng)，太赫茲通信鏈路調制方式主要有兩種架構：一是光電結合應用架構，即利用光學外差法產生太赫茲信號。該應用方案的優(yōu)點是傳輸速率高，不足是發(fā)射功率較低，容易造成系統(tǒng)體積大，且功耗高，對于自由空間中的短距離高速通信較為適用;二是全固態(tài)電子應用架構，即利用混頻器將基帶或中頻調制信號變頻搬移到太赫茲頻段[3]。該方案的優(yōu)點是射頻前端易集成、可實現(xiàn)小型化設計且功耗較低，不足是本振源多次倍頻后信號惡化，變頻損耗大，載波信號的輸出功率較小。全固態(tài)電子系統(tǒng)還可以采用外部高速調制器直接對太赫茲信號進行調制，該方案的應用優(yōu)勢在于易集成，體積小，發(fā)射功率較高，可用于實現(xiàn)遠距離通信，但是受限于太赫茲高速調制器件能力，目前能實現(xiàn)的通信速率相對較低。

（2）太赫茲關鍵器件

太赫茲通信關鍵器件是推動太赫茲通信技術實用化的基礎條件，其發(fā)展水平是制約太赫茲通信發(fā)展的核心。按照通信功能模塊功能劃分，太赫茲全電子鏈路的關鍵器件主要有：太赫茲發(fā)射源、調制解調器、功放、倍頻器、混頻器等器件。在上述多個通信驗證系統(tǒng)中，全固態(tài)電子鏈路各類型關鍵器件都已經得到充分應用，系統(tǒng)的數(shù)據傳輸能力也得到了有效驗證。但不可否認的是，驗證系統(tǒng)中所使用的關鍵器件仍存在功率和效率低下，變頻損耗過大等諸多不足。太赫茲關鍵器件需要向高功率和高效率的方向突破瓶頸，需要向小型化和集成化轉變。太赫茲關鍵器件的高性能研發(fā)能力和低成本產業(yè)化能力對太赫茲通信技術未來應用落地具有決定性影響，也是太赫茲通信最關鍵的技術發(fā)展方向。

（3）太赫茲傳播信道建模

對無線電波傳播特性的分析以及信道精準建模是提高太赫茲頻譜利用效率，實現(xiàn)太赫茲通信技術有效應用和無線通信網絡優(yōu)化的前提。由于太赫茲波傳播損耗大，多徑效應弱，呈現(xiàn)一定程度的光學特性，信道傳播路徑單一性強，確定性信道建模、參數(shù)化半確定性信道建模等方法更適用于太赫茲頻段，如射線追蹤方法以及結合確定性和統(tǒng)計特性的數(shù)字地圖混合建模方法等。信道建模的準確性建立在大量信道實測試驗的基礎之上。未來太赫茲通信可能會用于空天地海多維度、宏觀到微觀多尺度的多樣化應用場景，太赫茲通信信道建模需要分析研究多種應用場景下的信道模型，用于指導未來實際的應用方案部署。

4太赫茲通信技術軍事應用分析

人類科技發(fā)展歷史上，軍事通信往往會遠遠領先于民用通信。大部分前端的通信技術也都是從軍用領域延伸發(fā)展到民用領域的。但從20世紀70年代中期開始，人類逐步開始了信息化、智能化的新興技術革命，也開啟了商業(yè)革命逐步先于軍事革命的歷史。尤其是在相對和平的狀態(tài)下，呈現(xiàn)出民用科技在產品上領先，軍用科技在概念上領先的特點。太赫茲通信技術的興起也呈現(xiàn)出這一特點，盡管太赫茲通信還未進入實際應用階段，但其在空天地海一體化作戰(zhàn)、無人作戰(zhàn)平臺組網、安全保密通信等軍事領域，應用前景廣闊[4]。其中，對于空天地海一體化作戰(zhàn)中的空間通信，將是太赫茲高速無線通信最主要的軍事應用方向之一。

空天地海一體化通信是以地面網絡為依托，拓展了天基網絡和空基網絡，構成了立體分層、協(xié)同融合的網絡，空中和地面、水下有人/無人平臺共同形成多重覆蓋，實現(xiàn)通信全球全域覆蓋、隨遇接入、按需保障?？仗斓睾Ｒ惑w化通信應用場景如圖3所示?？臻g通信是實現(xiàn)空天地海一體化通信的關鍵環(huán)節(jié)之一，隨著大容量通信衛(wèi)星技術的發(fā)展，空間信息高速傳輸需求日益迫切。航天器上的海量偵察數(shù)據傳輸至地面觀測終端的速率需求劇增，海量數(shù)據的中繼和落地問題正愈發(fā)突出。與此同時，建立星間鏈路成為突破星地鏈路瓶頸、擴大系統(tǒng)容量、降低通信時延的必由之路;使用星間鏈路可以建立完全獨立于地面的衛(wèi)星網絡，有利于提高衛(wèi)星系統(tǒng)的抗毀性、自主性和機動性。

當前，星間鏈路已經得到廣泛的應用，如在“先進極高頻 AEHF”衛(wèi)星系統(tǒng)中，每顆衛(wèi)星可提供2條通信鏈路，星間鏈路采用60GHz 的毫米波波束，具有很強的抗干擾性和抗截收能力;銥星系統(tǒng)則采用 Ka 頻段，每顆衛(wèi)星具有4條15MHz 的星間鏈路。星間鏈路屬于無線鏈路，可以采用微波頻段、毫米波頻段或激光。然而，在傳統(tǒng)的微波通信領域，由于受頻譜和軌道資源等限制，難以通過增加空間節(jié)點數(shù)量和提高單節(jié)點能力來提高整個系統(tǒng)的傳輸能力。太赫茲頻段電磁波在外層空間可以進行無損傳輸，用較小發(fā)射功率就實現(xiàn)遠距離通信，還可以避免地球輻射噪聲的影響。鑒于太赫茲通信技術具有傳輸容量大、終端體積小、傳輸安全性好以及頻率資源豐富等明顯優(yōu)勢，非常適合空間大容量高速信息傳輸，成為解決空間信息高速傳輸?shù)闹匾侄?，可廣泛應用于星間高速通信、星地間高速通信、空間飛行器通信等空間通信場景。除此之外，太赫茲可用的物理帶寬寬，基于寬帶擴頻、跳頻、跳時的太赫茲通信技術可用于戰(zhàn)術級區(qū)域保密通信與組網、航空編隊和無人作戰(zhàn)平臺通信及指揮控制信息傳輸。由于太赫茲通信具有高度定向性，加之大氣對太赫茲波具有嚴重吸收特性，實際上也形成了一道天然屏障，地面?zhèn)墒蘸透蓴_難度大，因此抗干擾、抗截獲、保密性好，能夠滿足軍事安全保密的通信需求。

參考文獻：

[1]張健.太赫茲雷達與通信技術[ M].上海：華東理工大學出版社，2021：7?9.

[2]馮偉，韋舒婷，曹俊誠.6G 技術發(fā)展愿景與太赫茲通信[J].物理學報，2021，70（24）：175?189.

[3]馬靜艷，李福昌，張忠皓.太赫茲通信關鍵技術及挑戰(zhàn)分析[J].電子設計工程，2021，15（5）：39?45.

[4]張劍，楊悅.太赫茲技術在未來陸?？仗斓能娛聭肹J].艦船電子工程，2020，40（8）：9?11+23.

作者簡介：

趙鵬（1984—），碩士，助教，研究方向：通信裝備。