太赫兹通信解决黑障问题的探讨与分析*

钟育民，李艳华

（1 北京遥测技术研究所 北京 100094；2 中国航天电子技术研究院 北京 100094）

引 言

在神舟飞船等高超音速飞行器再入的过程中，随着大气密度的增加，飞行器头部前方将产生激波。由于激波压缩和大气的粘度作用，飞行器的动能大量转化为热能，使激波和飞行器之间的大气被加热到数千摄氏度，导致气体发生电离，于是在飞行器周围形成等离子体鞘套。等离子体和无线电波相互作用，使用于测控和通信的无线电波衰减或反射，导致通信严重恶化，甚至完全中断[1]，这种通信中断现象称为“黑障”。在黑障区，飞行器将无法被测量、无法被遥控。黑障甚至成为影响任务成败的关键问题之一。为了削弱黑障问题的影响，数十年来国内外学者提出的方法包括：改变飞行器的气动外形[1,2]、释放亲电子物质降低电子密度[2]、采用交叉电磁场降低电子密度[3]、利用磁场形成透波磁窗[2,4]、将天线放置于等离子体鞘套密度较低的背风面[5-7]、提高通信频率[3,7-9]等。综合对比各种方法，提高通信频率是解决黑障问题有效的技术手段之一，美国、欧洲均开展过相关的飞行试验验证。本文考虑采用太赫兹（THz）通信解决黑障问题。为了解决太赫兹波在大气传输中损耗过大的问题，提出一种基于中继转发的太赫兹通信系统方案，并给出系统设计、关键技术及解决方法，为系统工程实现奠定基础。

1 电磁波在等离子体鞘套中的传输机理

解决黑障问题，首先要了解电磁波在等离子体中传输的机理。等离子体主要有三个电特性参数，即电子密度、等离子体频率和碰撞频率。等离子体电子密度Ne通常用每立方厘米中的电子数来表示，与大气密度和等离子体的温度有关。等离子体频率ωp一般指等离子体内部的电子振荡频率ωpe，碰撞频率v表示等离子体内部电子与中性粒子和离子的碰撞程度。等离子体频率ωp正比于电子密度Ne的平方根，两者关系如下[10]：

其中，e为电子电荷，0ε为真空介电常数，me为电子质量。

为了便于分析，首先假定电磁波垂直入射到各向同性、均匀的等离子体，该等离子体为厚度为d的无限大平板结构，利用Maxwell方程可以求得衰减常数α和相位常数β[10,11]

其中，σ为电导率，μ为磁导率，μ=μ0μr，对于各项同性的等离子体，相对磁导率μr=1，故μ等于真空磁导率μ0，ε为介电常数，ε=ε0εr，εr是相对介电常数，ω为电磁波的角频率。

根据等离子体的初等理论，介电常数ε和电导率σ有如下关系[12]：

由式（2）～式（5）求得衰减常数为

其中c为光速。

图1 通信频率与等离子体电子密度的截止关系[8]Fig.1 Relationship between communication frequency and plasma electron density

2 电磁波在等离子体中传输的衰减分析

根据式（6）可以计算得到电磁波在等离子体中传输后的衰减。图1给出了通信频率与等离子体电子密度的截止关系。由图1可见，目前微波频率中最高的Ka频段，只能工作于等离子体电子密度略大于1013/cm3条件下。

文献[13]给出了我国载人飞船再入过程中飞船的前部和尾部电子密度峰值分布情况，如表1所示。可以看到飞船再入过程中，前部电子密度最高可达6×1013/cm3。

根据前部电子密度6×1013/cm3，结合式（6）中等离子体频率和碰撞频率对电磁波衰减的影响，可以计算得到电磁波频率大于100GHz以上时，等离子体对电磁波的衰减才能控制在3dB以下。因此，本文考虑将通信频段提高到太赫兹，以解决黑障问题。

表1 神舟飞船上2个特殊点电子密度峰值Table 1 Peak electron density at two special points on Shenzhou spacecraft

3 基于中继转发的太赫兹测控通信系统设计

太赫兹波介于微波与远红外光之间，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段[14]。太赫兹通信集成了微波通信与光通信的优点，相比较于微波通信而言，太赫兹通信具有传输容量更大、波束更窄、探测精度更高、保密性和抗干扰能力更强以及天线尺寸更小等优点。太赫兹通信理论上可以减轻甚至消除黑障的影响，然而使用太赫兹波也存在固有缺点，主要是太赫兹波在大气中损耗过大，因此目前太赫兹波难以实现地面站至再入航天器的直接通信。为了解决这一问题，文献[15]提出了一种使用空天平台在对流层以上的空间中进行中继的方案。然而，该方案仅仅停留于设想层面，并未展开分析。本文提出一种基于中继转发的太赫兹通信系统，并对该系统进行了详细的分析与设计。

3.1 系统总体设计

为了实现对再入飞行器的太赫兹频段测控通信，首先要解决的是太赫兹波在大气中损耗过大的问题。为此，本文提出的基于中继转发的太赫兹通信系统可以划分为两个通信链路：在临近空间以上区域，再入飞行器与高轨卫星、中低轨卫星以及临近空间飞行器平台之间使用太赫兹波段，从而避开太赫兹波大气损耗过大的不利因素；在近地空间区域，再入飞行器与地面接收站、中低轨卫星与临近空间飞行器平台、临近空间飞行器平台与地面接收站之间，可采用传统的微波频段，以保证信号在大气层内的远距离传输。

3.2 频率选择

频率选择主要考虑等离子体鞘套衰减和大气衰减两个因素。

根据前文论述，考虑神舟飞船前部电子密度最高处，若要求等离子体对电磁波的衰减控制在3dB以下，则通信频率要大于100GHz。

图2给出了在晴空、云、雾、小雨、大雨天气环境下，毫米波和太赫兹波的大气窗口[16]。从图2可知，在较低的太赫兹波段区域有两个大气窗口，其频率分别是0.14THz和0.22THz。0.14THz的大气衰减约为0.5dB/km，0.22THz的大气衰减约为1.5dB/km。

综合以上两个因素，从同时满足等离子体鞘套衰减小和大气衰减小的角度，通信频率宜选择为0.14THz。

图2 不同天气下毫米波和太赫兹波的大气窗口Fig.2 Atmospheric window of millimeter wave and terahertz wave in different weather

3.3 通视距离计算

测控站对飞行目标进行跟踪测量时，其视距范围的近似计算公式[17]（仅考虑地球曲率）为

式中，RL为测控站视距，单位为km；R为等效地球半径系数，取值1.334；H1和H2分别为测控站和目标的高度，单位为m。

对于不同类型的再入飞行器，其再入过程中等离子体鞘套的电子密度最大值出现的高度一般不同，但通常在30km～50km高度。

以再入飞行器高度为30 km计算，若将临近空间飞行器平台置于20km高度，则计算得到此时临近空间飞行器平台的通视距离为1300km，远大于一般地面测控站的400km左右通视距离。

因此，采用临近空间飞行器平台，测控通信时系统受视距限制小，可实现长距离连续覆盖，减少远距离测控的接力要求。

4 关键技术及解决方法

从原理上来说，太赫兹通信系统与微波通信系统是一致的，只是太赫兹通信系统频率更高。为了实现太赫兹通信，首先要解决高灵敏度探测问题，这是信号能够正常检测的前提；其次要解决系统的捕获跟踪问题，通信频率越高，天线波束越窄。下面重点分析本系统涉及到的两个关键技术及相应的解决方法。

4.1 高灵敏度太赫兹探测技术

高灵敏度探测是太赫兹频段理论研究与应用开发的一个瓶颈。对于太赫兹探测，研究人员提出了很多方案。

① 传统太赫兹波探测技术

传统的探测器主要包括超导隧道结混频器（SIS）和超导热电子混频器（HEB）。其中SIS混频技术以光子辅助隧穿机制为理论基础，探测频率范围约为0.1THz ～1.2THz，且需在液氦温度下工作。但是太赫兹通信系统通常需要在室温或大温度范围内工作，因此SIS混频技术的应用受到很大限制。HEB与SIS混频技术相比，在探测1THz以上频率的辐射时有更好的性能表现，其响应频率更快。目前HEB可探测的最高频率约达5THz，噪声温度约为量子极限的10倍左右。HEB混频器使用方便，但是只能测出强度，不能提供相位信息，因此只能用于非相干测量场合，且其灵敏度也受背景辐射的限制。超高码率通信一般采用相干体制，因此HEB混频器在太赫兹通信领域的应用受到限制[14]。

② 太赫兹通信探测器

为了寻找适合太赫兹通信的探测器，研究人员做了大量的研究。目前报道比较成功的探测器主要有基于氮化铝镓/氮化镓（AlGaN/GaN）的空间肖特基光电二极管（HDSD）太赫兹探测器以及基于抛物带有效质量近似和三维漂移-扩散器件模拟方法设计的THz量子阱红外探测器QWIP（Quantum Well Infrared Photodetector）[14]。

目前报道的基于AlGN/GaN的HDSD太赫兹探测器探测频率可达2.24THz，该结构的半导体太赫兹探测器通过基于AlGaN/GaN的二维电子气（Two-Dimensional Electron Gas）获得很低的晶体管电容，因此对比传统的肖特基二极管，其截止频率得到了极大提高，可以响应THz信号。该探测器在日本电报电话公司（NTT）的120GHz太赫兹通信系统演示接收机模块中得到了应用。

基于抛物带有效质量近似和三维漂移-扩散器件模拟方法设计的THz QWIP是中国科学院上海微系统所的研究成果，首次实现了一种能工作在光子能量小于34meV的THz QWIP，其峰值探测频率为7THz（波长42μm）。该探测器在我国首个太赫兹无线通信演示上得到了应用。中国科学院上海微系统所曹俊诚太赫兹研究团队实现了基于太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）和太赫兹量子阱探测器（THz-QWP）的无线通信演示，利用该通信系统成功实现了文件的传输，通信频点为4.1THz。

根据太赫兹通信的应用场景，以及设备国产化的考虑，本系统拟选择THz量子阱红外探测器。

4.2 APT技术

微波通信系统的天线波束相对较宽，一般是将天线波束对准目标可能出现的空域，直接实现对目标的捕获跟踪。考虑到THz频段比较接近光频，波束窄，需要采用光通信系统中的APT（Acquisition Pointing Tracking）技术。APT技术用于实现对信号的捕获、跟踪和瞄准，当跟瞄精度满足系统正常工作的精度要求时，才启动通信子系统，从而建立通信链路，完成数据传输。

采用APT技术的APT子系统工作原理是：首先由发射端发出波束较宽的信标光，在接收端探测该信标光，并对之进行捕获、跟踪。然后接收端返回信标光到发射端，以此完成点到点的锁定，并在两端建立通信链接。在整个通信过程中，这一链接需要一直保持。为此，在建立通信链接之后，用通信光束代替信标光束，继续维持跟踪，直到通信结束。如果因为某种原因（如雷电、大气湍流或粒子流），链接断开，则APT子系统还要保证尽快地重新进行捕获、跟踪和瞄准。

APT子系统需要较大的捕获范围，同时又需要较高的控制精度，可以采用粗精复合轴控制结构来实现。粗跟踪CCD成像单元和常平架构成粗跟踪环，它具有大的动态范围和窄的控制带宽，跟踪精度低于最终要求的指标，它主要用于初始定向、开环捕获和粗跟踪过程；精跟踪环的主要部件是快速倾斜镜和精跟踪探测器，它具有很宽的控制带宽和很高的伺服增益，对宽功率谱振动具有很强的抑制能力，以保证快速、高精度的对准和跟踪[18]。

5 工程应用主要难点

太赫兹通信技术目前还处在高性能核心器件的研究开发及通信系统实验室演示阶段[19]，为了实现工程化应用，还需在THz源和超高码率信道均衡技术等方面开展研究，下面作简要介绍。

① THz源发射功率受限

太赫兹波辐射功率较低，很难达到通信对载波功率的要求，缺少室温连续工作的高功率太赫兹源。因而，需要研究太赫兹频段载波信号放大技术，研制新型全固态室温大功率太赫兹源，解决目前太赫兹源输出功率低、能量转换效率低等问题。然而，目前太赫兹功率器件特别是固态功率器件发展缓慢，高于100GHz以上的功率放大器无法突破50mW，高于170GHz的功率放大器无法突破10mW，高于200GHz的真空管器件虽然发射功率可以达到瓦级，但是对于输入驱动功率有一定的要求，目前还没有固态功率器件能够满足[20]。

② 超高码率信道均衡技术

太赫兹频段非常宽，速率可达10Gb/s以上，非常适合超高速率信号传输。然而，传统无线通信电调制技术已不适用于太赫兹超高码率传输。针对太赫兹超高码率传输已有大量的研究，但是太赫兹宽带信道的幅相均衡技术、宽带非线性预失真技术以及其他信道校正补偿技术等还有待进一步深入研究与实现，以满足更大容量、更高码率信号传输需求。

6 结束语

针对再入飞行器的黑障问题以及太赫兹波段在大气中损耗过大问题，本文提出了一种基于中继转发的太赫兹/微波混合通信系统方案，并对系统总体方案、频率选择和通视距离进行了设计和分析。此外，本文还探讨了系统的关键技术及解决方法，以及工程应用的主要难点，为系统的工程实现奠定基础。