高速长距离太赫兹通信系统研究现状与难点综述

姜 航，姚 远

(北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876)

0 引言

5G时代已经到来，基于5G的移动互联及物联网相交织的新型业务将产生移动数据流量爆发式增长，这促使无线通信要具备速度更快、容量更大的能力。太赫兹频段一般指频率范围在0.1～10 THz的电磁波，波长介于微波和远红外之间[1-2]。由于频率高且可用频带宽，太赫兹无线通信系统具备了超高速率通信的潜力，甚至可以提供媲美光纤的传输速率，是解决5G及后5G对超高速率无线通信需求的有效方案。

1 高速长距离太赫兹通信系统研究现状

太赫兹通信系统按照太赫兹波的产生方式，可分为全电子学太赫兹通信系统、光电子学太赫兹通信系统、量子级联太赫兹通信系统以及时域脉冲太赫兹通信系统等[3]。但有些方式如量子级联太赫兹通信系统所需的实验环境苛刻，要求在极低温环境下工作，限制了其用途[4-5]。所以本文只讨论目前实现高速长距离的2类太赫兹通信系统：全电子学太赫兹通信系统和光电子学太赫兹通信系统。

1.1 全电子学太赫兹通信系统

全电子学太赫兹通信系统是传统无线通信系统的延申，系统工作频段由微波搬移至太赫兹[6]。全电子学太赫兹通信系统的发射前端结构如图1所示，主要包括频率综合器、倍频器、混频器、功率放大器及天线等器件。太赫兹波通过倍频器或倍频器与谐波混频结合的方式产生，在基带信号调制到太赫兹频段后，由功率放大器通过天线辐射出去。

图1 全电子学太赫兹通信系统发射前端结构

全电子学太赫兹通信系统具有以下优点：① 太赫兹源输出功率较高，配合高增益天线，容易实现长距离无线传输；② 相比于光电子学方式，全电子学方式生成的太赫兹波频率偏移和相位噪声较低且稳定度高，有利于接收机的解调和基带处理；③ 全电子学太赫兹通信系统中的器件易于集成，在小型化方面占据优势。全电子学太赫兹通信系统的劣势在于由倍频方式生成的太赫兹波频率一般在1 THz以下。倍频器生成高于1 THz太赫兹波的难度较大，原因在于频率升高后，不仅设计难度加大，且当前的加工精度和装配精度都难以满足要求。

日本NTT公司一直是日本太赫兹领域的代表，对全电子学太赫兹通信和光电子学太赫兹通信都有深入的研究。在全电子学太赫兹通信方面，NTT早在2010年就搭建了120 GHz的太赫兹通信系统，通过磷化铟(InP)高电子迁移率晶体管(HEMT)单片集成电路(MMIC)生成太赫兹信号，实现了5.8 km无线传输距离下10 Gbps的传输速率[7]；德国卡尔斯鲁厄理工学院于2012年通过单片集成电路(MMIC)在220 GHz的载波频率下搭建太赫兹通信系统，采用开关键控方式，实现了25 Gbps传输速率和10 m的无线传输距离[8]。

在国内，电子科技大学在2016年采用全电子方式，对太赫兹通信的分谐波混频器和二倍频器深入研究，最终在220 GHz频段实现了数据速率为3.53 Gbps、传输距离为200 m的无线传输，误码率为1.92×10-6[9]。中国工程物理研究院2017年搭建的D波段无线传输系统采用全电子方式，通过固态功率放大器和真空电子放大器级联，达到26.3 dBm的输出功率，低噪声放大器将接收机噪声系数降低至约1 100 K，调制方式为16QAM，实现了5 Gbps的实时传输速率和21 km的传输距离[10]。

1.2 光电子学太赫兹通信系统

光电子学太赫兹通信系统一般是指通过光学外差法生成太赫兹波的通信系统，这种方式融合了光纤通信和无线通信的优势，是目前比较流行的一类太赫兹通信系统。光电子学太赫兹通信系统主要包括窄线宽激光器、光调制器、光放大器、偏振控制器、光耦合器及单向载流子光电二极管(UTC-PD)等器件，其中UTC-PD实现光电转换功能，是光电子学太赫兹通信系统的核心器件之一。光电子学太赫兹通信系统发射前端结构如图2所示，基带I/Q信号通过光调制器调制到光频上，偏振控制器调整光束的偏振态使信号达到较好的调制效果，然后将已调制光束和另一路未调制的光束耦合后输入到光放大器中放大，最后两路光信号在具有平方律特性的UTC-PD中拍频生成太赫兹信号。

图2 光电子学太赫兹通信系统发射前端结构

光电子学太赫兹通信系统的优点为：① 可以利用光纤通信中的光学调制方法达到很高的传输速率，如偏振复用(PDM)和波分复用(WDM)技术，这2种光学调制方法可以使通信系统在传统调制方式如QAM调制的基础上，实现系统容量多倍增长。② 利用光外差法生成频率很高的太赫兹波，且太赫兹频率可调，只需在UTC-PD的工作频率范围内适当增加两光源的波长差，就可以增加太赫兹波的频率。光电子学太赫兹通信系统的缺点在于UTC-PD的转换效率较低，导致生成的太赫兹波功率不够，最终使传输距离受限。

日本NTT于2012年搭建了光电子学太赫兹通信系统，采用ASK幅度调制，实现了10 Gbps的实时传输速率和1 km的无线传输距离[11]。速率和距离都达到了很高水平，只是ASK调制方式的频谱效率较低；德国卡尔斯鲁厄理工学院于2013年采用光电子学方式，在237.5 GHz的中心频点以16QAM调制方式实现了100 Gbps的传输速率，传输距离为20 m[12]；德国杜伊斯堡-艾森大学2017年在328 GHz中心频率通过高频谱效率的64-QAM-OFDM调制方式实现了59 Gbps的传输速率，并演示了HDTV信号1.5 m的实时传输[13]。

近些年，国内对光电子学太赫兹通信系统的研究逐渐达到国际水平前列。2017年，浙江大学采用光电子学方式，通过16QAM调制和宽带太赫兹接收机技术，在0.4 THz频段实现了106 Gbps的通信速率，传输距离为0.5 m[14]；2018年，上海复旦大学采用8QAM调制方式，通过高增益功率放大器和高增益卡塞格伦天线，在W波段首次实现了54 Gbps传输速率下大于2 km的无线传输[15]；2018年,北京邮电大学研制了光电子学太赫兹通信系统样机，无线传输距离达到1.2 km，传输速率达到7 Gbps，同时演示了速率为3 Gbps的3D视频信号的无线传输[16]。

2 高速长距离太赫兹通信系统难点问题

目前太赫兹通信系统尚处于室内、室外的演示阶段，系统的各器件性能还有待提高，其中对太赫兹源、功率放大器、太赫兹天线和分谐波混频器的研究尤为迫切。

2.1 太赫兹源

在全电子学太赫兹通信系统中，太赫兹源由倍频器生成，倍频器通过非线性电路生成高次谐波。作为太赫兹源的技术难点，要求倍频器倍数高、输出功率高、带内平坦度好[17]。目前太赫兹倍频器一般通过2倍频和3倍频级联作用，半导体器件多采用平面肖特基二极管，单片集成技术(MMIC)是研制太赫兹倍频器的主要方向[18-19]。在光电子学太赫兹通信系统中，太赫兹源由UTC-PD生成，UTC-PD通过光外差法生成太赫兹波。目前UTC-PD的难题在于光电转化效率低，需要优化设计UTC-PD各层半导体材料的参杂浓度和结构，提高UTC-PD的输出效率，并且设计宽带匹配、低插损的高效率耦合结构来提升UTC-PD器件的整体输出功率水平，进而提升通信距离[20-21]。

2.2 功率放大器

太赫兹频段的功率放大器是大幅提升太赫兹无线通信系统传输距离的关键技术之一，同时也是一个世界范围内的技术难点。对于太赫兹通信系统的长距离传输需求，要求功率放大器有较高的增益和饱和输出功率，以克服太赫兹链路较高的路径损耗[22]；此外，在超高速率的太赫兹通信系统中，不仅需要功率放大器有较大的带宽，还要求功率放大器在整个频带内有较好的增益平坦度，以保证信号进行高阶调制情况下不发生畸变或失真，使接收端可以成功解调以保证通信系统较低的误码率。太赫兹频段的功率放大器主要分为2种：基于电真空器件和基于半导体器件。虽然行波管等电真空放大器输出功率大，但是体积大、功耗高、寿命短的缺点限制了其用途。基于半导体工艺的功率放大器，InP作为III-V族半导体材料，是继Si和GaAs之后又一种发展较成熟的半导体材料。InP具有较高的击穿电场、饱和电子迁移速率及热导率等，其在晶体管应用中具有增益高及噪声低等特点[23-24]，因此多用于太赫兹频段的功率放大器设计中。

2.3 太赫兹天线

太赫兹天线的性能对整个无线通信系统起到重要作用，是太赫兹通信系统能够实现远距离传输的一个保障。高速率长距离的太赫兹通信系统需要天线具有高增益、工作频带宽的特性。由于太赫兹频段的电磁波路径损耗较大[25]，在长距离通信系统场景下，通常使用高增益卡塞格伦天线。高增益带来了极窄的波束宽度，太赫兹频段的高增益卡塞格伦天线的波束角度一般不大于1°。这使得搭建通信系统过程中，天线对准工作对研究人员或工程师有着极大的考验。不仅如此，当设备受环境影响而产生震动时，波束偏移会严重影响通信质量，所以天线波束对齐是太赫兹通信系统的又一技术难题。传统微波频段的天线对准技术主要分为2类：机械式调节和电子式调节。机械式调节一般指自动或人工改变天线物理位置实现对准，电子式调节一般指不改变天线物理位置情况下通过波束赋形技术实现对准[26-27]。目前对太赫兹频段的天线对准技术研究很少，可以参考微波频段的天线对准技术对太赫兹频段的天线对准进行设计，以实现太赫兹通信的高速远距离传输。

2.4 分谐波混频器

分谐波混频器是高灵敏度太赫兹频段接收机的核心部件，实现太赫兹信号的频谱搬移。和基波混频器相比，分谐波混频器的优势在于可以利用本振频率的二倍频做混频，这降低了本振源的技术难度和成本要求[28]。在超外差太赫兹接收机中，分谐波混频器的难点是兼顾宽带特性和高转换效率特性。目前太赫兹频段的分谐波混频器大多采用肖特基二极管进行设计，相对于需要超低温工作环境的超导-绝缘-超导(Superconductor Insulator Superconductor，SIS)混频管和热电子辐射(Hot Electron Bolometer，HEB)混频管，肖特基二极管混频器可以工作在室温环境，相对于加工工艺和成本较高的三极管混频器，肖特基二极管结构简单易于加工且噪声系数更好[29]。在分谐波混频器的设计和加工过程中，精准的肖特基二极管模型研究和高精度装配是影响太赫兹分谐波混频器的关键因素[30]。所以需要进一步对肖特基二极管进行精准建模，使准确表征太赫兹频段的物理特性。对于高精度装配，一方面提升加工精度，另一方面需要在电路设计过程中需要充分考虑容差性能。

3 结束语

由于太赫兹通信具有超大带宽、超高传输速率、方向性强的特点，近些年在国内外都有了一定发展。全电子学和光电子学太赫兹通信系统特点不同，二者都有不可替代的优势。本文总结了太赫兹通信急需解决的技术难题，随着这些射频前端难题的解决和高速基带的发展，太赫兹通信在未来高速率视距通信、基站无线回传及空间通信等应用中必将发挥重要作用。