220 GHz太赫兹全双工高速通信系统

牛中乾，张 波，周 震，樊 勇，宋轲欣，蒯震华

(1．电子科技大学，四川 成都 611731；2．上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

太赫兹波是指频率在0.1～10 THz之间的电磁波。这一段电磁频谱处于传统电子学和光子学研究频段之间的特殊位置，过去对其研究以及开发利用都相对较少。随着无线通信的高速发展，现有的频谱资源已变得日益匮乏，开发无线通信的新频段已逐渐成为解决此矛盾的一种共识，而在太赫兹频段存在大量未被开发的频谱资源，使得太赫兹频率适于作为未来无线通信的新频段。在众多技术途径中，采用固态电子学的技术途径实现无线通信系统，未来存在将系统进行片上集成的可能，这对太赫兹无线通信系统走向实用化具有重要意义。

目前基于半导体技术的固态太赫兹通信系统均采用单向通信的方案，即发射前端连接单独的天线，接收前端连接另一个单独的天线，无法使用同一个天线进行双向通信的功能。为了较高的增益和良好的性能，天线的尺寸往往较大，如果使用传统的方案实现全双工功能，通信系统前端的体积过于庞大，不利于系统的集成。

1 背景和需求

1.1 太赫兹通信技术介绍

0.1～1.0 THz的太赫兹频段作为微波和光波的第一个过渡带，兼顾了微波和光波的优点，可望成为宽带移动通信的有效手段[1-3]。事实上，太赫兹波以地面两点之间的空气为传输介质，利用太赫兹信号通过大气空间，而不是通过光纤传送信号，其物理组成比光纤通信简单，起始投资低、运营费用低，能快速装设，且可提供与光纤系统相似的传送带宽。由于太赫兹通信具有传输速率快、结构简单和组网灵活等特点，因此在跨江跨河等不具备有线接入和快速组建通信网络的场合具有很高的使用价值。

太赫兹通信系统与微波通信、光纤通信、光无线通信相比，具有独特优势。与微波通信相比，其最大优势就是通信的传输速率高、频带宽。当载频为太赫兹波时，其数据速率显著提高。与光纤通信相比，太赫兹通信是一种以大气为媒质的传输技术。其优点是传输距离远、信道容量大、发射天线小、保密性好及抗电磁干扰等。所以太赫兹波在无线通信、安全检查、空间科学探索、环境监测、气象预报以及生物医学成像等多个领域具有巨大的技术创新突破空间和广阔的应用前景[4-9]。

1.2 太赫兹通信技术需求

2018年美国移动世界大会上，美国联邦通信委员会首次在公开场合启动6G通信技术，即第六代移动通信标准。目前最高的通信技术5G网络，可达1 GB/min的网络速度，带来了远超于3G,4G的用户体验。而基于太赫兹频段理论研究6G通信技术则将彻底颠覆人们对于通信速率的认识，其理论下载速度可达1 TB/s。在网络延迟方面，6G相较于之前更稳定，延迟更低。6G并不是简单的5G提升而已，而是更高层次的一个突破,对比如图1所示。5G技术的应用是对大数据的一种解放，可以体验到延迟降到最低。而6G时代，则标志着真正物联通信的开始，可以满足无所不知的任意设备之间的信息传输，人类真正告别互联网，进入物联网时代。

在“5G盛宴”即将实现商用的阶段，针对万物互联进一步开展高速无线通信技术研究，启动了6G相关工作。2019年，科技部发布《国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项2019年度项目申报指南建议》征求意见，提出“专项总体目标”之一是“开展新型网络与高效传输全技术链研发，使我国成为6G无线移动通信技术和标准研发的全球引领者，在未来无线移动通信方面取得一批突破性成果”。2019年专项中，至少有6个6G研究项目，其中5G/6G融合的卫星通信技术研究与原理验证(共性技术类、部省联动)，明确了面向空间组网的多粒度微波光电混合信号交换等核心关键技术，完成面向5G/6G的卫星通信地面原型系统试验验证及系统集成的任务目标。

图1 6G与5G的对比图

美国、韩国、欧盟和俄罗斯等也已开展6G工作。美国科技网站CNET报道，2019年3月15日，美国联邦通信委员会(FCC)一致投票通过开放“太赫兹波”频谱的决定，以期其有朝一日被用于6G服务。报道称，频率范围为95 GHz～3 THz的“太赫兹波”频谱将被开放供实验使用，让工程师们开始拥抱下一代无线网络的研发梦想。韩国SK集团信息通信技术中心曾在2018年提出了“太赫兹+去蜂窝化结构+高空无线平台(如卫星等)”的6G技术方案，不仅应用太赫兹通信技术，还要彻底变革现有的移动通信蜂窝架构，并建立空天地一体的通信网络。世界各国竞相开展关于新一代通信标准的研究，力争在未来能够“大展拳脚”，可见太赫兹高速无线通信技术在世界各国未来战略规划中的重要地位。同时，太赫兹技术给未来民众生活所带来的便捷超乎想象，人类必将进入6G高速无线通信的新纪元。

1.3 传统太赫兹通信系统结构

目前基于半导体技术的固态太赫兹通信系统均采用收发端分离的方案，即发射前端连接发射天线，接收前端连接接收天线，收发前端必须连接不同的天线。传统的太赫兹通信系统均基于超外差结构，系统框图如图2所示。

发射机工作原理如图2(a)所示。数模转换器(DAC)产生的已调制信号输入到中频电路，经过滤波器对无用信号进行滤除，输入到太赫兹射频前端部分。中频宽带信号经过太赫兹分谐波混频器将信号搬移至太赫兹波段，经由太赫兹天线发射至太赫兹信道内。其中50 MHz晶振信号经过锁相介质振荡器(PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。类似的，接收机工作原理如图2(b)所示。太赫兹天线将信号接收至混频器中，混频后的中频进入接收机中频电路，经过中频低噪放将信号进行放大，再通过滤波器滤掉无用信号进入ADC进行解调和信号处理。

图2 太赫兹通信系统工作原理

2 需解决的问题

传统太赫兹通信系统方案可以满足太赫兹高速通信的需求，但这种方案实现的是单向传输，若采用这种方案实现双向通信，需要2套天线和射频前端。为了较高的增益和良好的性能，天线的尺寸往往比较大，如果使用传统方案实现全双工通信功能，通信系统前端的体积过于庞大，不利于系统的集成。所以，太赫兹全双工无线通信系统需要解决如下几个核心问题：

① 全双工方案设计：现有技术的全双工通信系统通常采用FDD或TDD模式，FDD模式具有2个独立的通道，能够减少收发链路之间的串扰，但FDD模式会占用较大的频谱资源。而TDD模式在上下行同频时，需要采用环形器实现接收和发射的分离，但太赫兹频段目前尚未出现合适的环形器。目前，基于波导波正交模耦合器(Orthomode Transducer,OMT)的模式隔离方案非常适合太赫兹全双工通信系统，所以高性能的OMT是全双工通信系统的关键。

② OMT加工要求较高：由于OMT的特殊结构，无法从E面进行剖分，需要从H面中间剖分，如果剖分的2部分加工精度较低，无法紧密连接，就会切断表明壁电流，极大降低了OMT的性能。

③ 收发前端的高性能：收发前端的性能影响了整个通信系统的可靠性，而对于超外差体制的收发前端，混频器的性能是其核心，所以高性能的太赫兹混频器是系统设计的另一个核心问题。

3 系统设计

太赫兹全双工通信系统收发机可双向通信的功能，系统组成包括太赫兹天线、太赫兹射频前端部分、中频电路部分和基带部分。其中太赫兹射频前端部分包括太赫兹带通滤波器、太赫兹OMT、太赫兹分谐波混频器以及太赫兹倍频链路，工作原理如图3所示。

图3 太赫兹全双工通信系统收发机框图

发射电路信号由基带DAC产生，经由中频电路的低通滤波器(LPF)滤除杂散信号，信号进入太赫兹分谐波混频器搬移至太赫兹频段，经过太赫兹OMT与接收信号形成模式隔离，防止收发信号相互干扰，再经过太赫兹带通滤波器进行边带抑制，最后经过太赫兹天线将发射信号传输至太赫兹信道；接收电路由太赫兹天线接收太赫兹信道的有用信号，经过太赫兹带通滤波器对无用信号进行抑制，经过太赫兹OMT进入太赫兹分谐波混频器将信号搬移至中频频段，再经过中频低噪放和中频LPF滤除杂散信号，最后输入到基带ADC进行解调。

这种模式隔离的全双工方案在实现太赫兹信号可同时发射和接收功能的基础上，发射通道和接收通道在同一频段，仅采用一个天线，极大减小了通信系统前端的体积，利于通信系统的小型化。

3.1 太赫兹OMT设计

太赫兹OMT的作用是将模式相互正交的发射信号和接收信号进行合路，并产生模式隔离，防止发射信号和接收信号相互干扰；其中太赫兹带通滤波器将混频器产生的双边带信号的无用边带进行滤除，进行边带抑制，防止另一边带信号对通信系统造成影响[10-11]。

波导OMT的结构如图4和图5所示，包括1个输入部分(端口1)、2个输出部分(端口2和端口3)和正交分离部分。来自端口1的2个正交的极化模式波(水平极化和垂直极化)，通过偏振分离结构和过渡结构，从端口2输出垂直极化波，从端口3输出水平极化波，如图2所示。当然，反向使用也可以，端口2和端口3是互不影响的。端口1为正方形波导口，端口2和端口3为标准矩形波导口，WR-4，尺寸为1.092 mm×0.546 mm。

图4 太赫兹波导OMT设计图

图5 太赫兹OMT结构框图

主模TE10波的传播电场与波导的宽边有关，与窄边无关。为了减小插入损耗，保持了波导长边与相应偏振模的连续性。通过减小窄边的宽度，增强了与正交模的隔离，如图6所示。圆波导的1/4用来调节垂直偏振波的传播方向。由于端口1到端口3的距离大于到端口2，所以能量损失也较大。故从端口1到端口3的过渡设计比较缓慢，不是一个标准的等腰梯形。

图6 具体设计细节

仿真结果如图7所示。在180～220 GHz频段具有良好的仿真性能。整个频带每个端口的回波损耗小于-17 dB；正交模式波的隔离度大于51 dB，端口2与端口3的隔离度优于50 dB。

图7 太赫兹波导OMT仿真结果

3.2 太赫兹分谐波混频器设计

220 GHz分谐波混频器的电路结构如图8所示，其主要部分包括射频输入端口、射频输入端口至悬置微带线过渡、本振输入端口、本振输入端口至悬置微带线过渡、CMRC结构本振低通滤波器、中频CMRC结构中频低通滤波器、射频匹配结构和本振匹配结构及微带-同轴过渡结构[12]。其中射频输入端波导结构采用标准WR4型，本振输入端波导采用标准WR8型，中频输出端口的微带线设置为50 Ω匹配结构，通过K接头与外部器件连接。

图8 太赫兹分谐波混频器结构

在太赫兹电路仿真与传统微波电路不同，由于电路尺寸较小，应进行各无源结构仿真，同时确定微带线屏蔽腔的尺寸，确保波导内单模传输，避免波导高次模的激励和腔体的谐振。

混频器各无源结构部分仿真结束后，由于二极管非线性结构的特殊性，应使用ADS电路仿真软件对分谐波混频器整体电路结构进行联合仿真。利用HFSS软件将各无源结构的SNP数据包导出，并建立无源结构与二极管之间匹配电路的模型，结合肖特基二极管的完整电路模型，利用谐波平衡法对混频器整体电路进行仿真，最终仿真优化结果如图9所示。

图9 太赫兹分谐波混频器变频损耗仿真结果

当本振驱动功率为6 dBm，工作频带200～240 GHz时，变频损耗均低于8 dB，其中变频损耗最优值为7.4 dB。

4 结束语

太赫兹通信系统经过近几年的技术攻关和积累，在国内已经开始进行产业化，太赫兹通信技术具有相对带宽大、通信速率高、可靠性好以及抗干扰能力强等巨大优势，相比于其他通信技术，更适合未来大容量无线通信领域和6G的应用。

而太赫兹全双工通信系统的研究，更使得太赫兹通信系统的技术积累趋于完善，未来还可以多工大容量多媒体集群调度业务，从而实现全业务综合承载。一旦相关技术成熟，基于全固态电子学方式的太赫兹通信系统技术就芯片化和集成化，不但可以小型化整机系统，还可以降低系统的功耗，有利于运营商的规划建设投资和降低成本。相信在不久的将来，在国内无线通信应用领域内，全固态太赫兹通信技术一定会大放异彩。