太赫兹技术在低轨星间通信中的应用与分析

宋瑞良，李 捷

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

从近些年的发展情况来看，互联网和宽带通信已成为推动卫星通信向网络化、宽带化发展的主要动力，宽带卫星通信已成为卫星通信发展的趋势[1]。低轨卫星星座构成的通信网络能够确保在任何时间、任何空间通信可达，相对于高轨通信卫星具有“极地覆盖”和“低时延”的优势。当前发展低轨宽带大容量卫星通信的需求愈发迫切，因而急需一种新的超高速无线传输技术来支持日益增长的卫星通信流量[2]。太赫兹频段处于宏观电子学向微观光子学的过渡频段，具有许多优异的传播特性，例如高穿透能力、频带宽、抗干扰、可突破“黑障”限制等，尤其是大带宽和抗截获的特点，非常适合星间高速传输与组网应用。相比激光通信，太赫兹通信更容易实现波束的快速捕获与跟踪。随着国内外高通量卫星以及低轨卫星互联网星座的发展，太赫兹技术将成为解决空间高速传输与组网问题的重要技术手段之一。

1 太赫兹通信技术国内外发展现状

从近十年的国际发展趋势看，日本已在2008年北京奥运会首次成功采用120 GHz载波实现太赫兹传输实验，日本NTT公司已实现0.125 THz和0.3 THz的太赫兹通信系统，奠定了日本在国际太赫兹研究领域的领先地位。其后，美国Bell实验室实现了0.625 THz通信系统，德国也在0.24 THz实现了40 Gbit/s通信系统，英国格拉斯哥大学采用紧凑型射频前端在0.3 THz实现了20 Gbit/s传输演示。

国内从2005年香山会议开始掀起了太赫兹通信技术的研究热潮，电子科技大学、中科院微系统与信息技术研究所、中国工程物理研究院和中国电子科技集团公司第五十四研究所成为早期开展相关研究的机构。国内外典型太赫兹通信系统的主要指标如表1[3]所示。

表1 国内外典型太赫兹通信系统主要指标Tab.1 Main specifications of typical terahertz communication systems at home and abroad

在目前已发表的文章中，关于太赫兹通信的研究是以地面场景作为测试和应用环境的。在太赫兹通信空间应用方面，无论是星上验证还是在轨运行的通信系统，未见报道。

2 低轨星间太赫兹通信需求及特点分析

2.1 低轨星间太赫兹通信需求

目前低轨通信卫星系统已从仅支持话音和低速数据传输，向支持大容量通信和多用户连接转变。国际上典型的低轨宽带卫星通信系统主要包括OneWeb,LeoSat,Starlink,Telesat系统。上述各系统的主要指标如表2所示。

表2 典型低轨宽带卫星通信系统主要指标Tab.2 Main specifications of typical Leo broadband satellite communication system

我国低轨宽带卫星系统建设起步较晚，最近相继发射了几颗宽带通信试验卫星，但在传输速率和单星容量等关键指标与国际已在轨运行的低轨宽带卫星系统仍存在一定的差距。

相比传统的低轨卫星通信星座(铱星、Globalstar等)，当前低轨卫星通信系统呈现以下几个特点：

(1) 星座的规模越来越大

传统的卫星通信系统更多考虑的是实现无缝隙覆盖，但系统容量不高，仅能够支持话音以及Mbit/s甚至kbit/s级数据通信。而当前的宽带卫星星座基于全球住宅、商业、机构和政府用户的数据接入需求，星座规模和系统容量的大幅提升已成为最显著的特征，当前主流卫星互联网的星座规模已从几百颗到目前的上万颗[4]。

(2) 单星容量日益增大

系统容量的提高，不仅依赖于大规模的星座构型，更依赖于单星容量的提升。随着固定通信、移动通信、广播、遥感遥测导航定位等系统在单星上的综合，星上载荷逐渐增多，同时网络化架构使得星间组网与星地组网技术被广泛应用[5]，都对星上处理能力提出了更高的要求，单星数据承载量已经达到Gbit/s甚至Tbit/s级别。

(3) 星间链路的频段越来越高

随着单星容量的增大，L,S以及Ku,Ka频段的带宽已成为限制大容量通信的瓶颈，无法满足高速大容量通信的要求，因而目前发展太赫兹频段卫星通信已成为国内外研究热点。太赫兹通信具有更大的带宽，可以较容易地获得Gbit/s以上的无线传输速度，这比当前的超宽带技术领先几百至上千倍；而且在空间近似真空的状态下，不受水分和大气的影响；此外太赫兹对于突破“黑障”限制也有其自身的优势，尤其适用于卫星通信。

2.2 太赫兹通信在空间应用的技术特点

太赫兹波与微波相比，太赫兹波的频率更高，带宽更大，能够解决现有卫星通信微波带宽不足的问题，实现星间高速通信的要求[6]。相对激光通信，太赫兹波波束更宽，在空间中的摄动、定轨、姿态保持、遥感遥控误差带来的跟瞄问题较激光更小，更易实现星间的高速通信与组网应用。但在低轨星间通信场景中，通信距离长、数据速率大等实际问题也使太赫兹通信呈现出以下技术特点：

① 低轨卫星间通信距离较远，射频前端需要满足高功率指标要求以实现长距离传输；

② 太赫兹所处的频段较高，需要高灵敏度接收机来保证信号的完好接收；

③ 通信速率越来越高，已从几十Gbit/s发展到几百Gbit/s，且有向Tbit/s级别发展的趋势，这就需要高速基带信号处理技术来保证信息的高速传输；

④ 随着星上载荷种类的增多，小型化、集成化已成为星上设备和器件的新要求。

3 针对低轨卫星的太赫兹星间通信总体设计

太赫兹卫星通信载荷包括用于星间接入的高速交换组网模块、满足基带高速处理需求的调制解调模块、高功率高灵敏度收发信机模块以及高增益太赫兹天线。

图1给出了一种太赫兹星间通信系统总体设计图，其中各部分功能如下。

图1 太赫兹星间通信系统总体设计图Fig.1 Schematic diagram of terahertz inter-satellite communication system

① 高速交换和组网模块：实现本星其他应用载荷信息到交换网络的注入和接收，支持组网中为其他卫星提供信息的桥接和转发功能；

② 高速调制解调模块：利用高效多流传输技术、超可靠高速编译码技术、高速FPGA实时信号处理技术等基带高速调制解调技术，实现多流、并行高速传输，实现频谱利用率的有效提升；

③ 高集成度收发信机模块：基于太赫兹频段集成电路芯片技术，在保证高功率输出和高灵敏度接收的前提下，满足太赫兹收发信机载荷的高度集成化，大幅降低系统的复杂度；

④ 太赫兹天线：采用大口径高增益太赫兹透镜阵列天线，支撑空口多流高速传输。

基于此通信系统，以220 GHz频点为例，假设采用0.6 m口径的高增益太赫兹天线、行波管功放实现5 W输出功率[7]，高灵敏度接收机噪声系数为7 dB，在传输距离为150 km、带宽为5 GHz的条件下可实现 25 Gbit/s传输。在传输距离50 km、带宽5 GHz条件下可实现大于50 Gbit/s传输。基于64QAM调制、10-6误码率等条件，对50,150,500,2 000 km传输距离的链路预算如表3所示。

表3 对于不同传输距离的链路预算Tab.3 Link budget for different transmission distances

4 低轨星间太赫兹通信中的关键技术

4.1 集成化、阵列化太赫兹射频前端技术

用于星上的太赫兹射频前端，由于星上搭载的载荷重量和空间有限，主要考虑小型化的问题。而小型化的星上太赫兹射频前端，主要分为集成化和阵列化两个方向。

在太赫兹射频集成化技术方面，通过高精密的集成封装工艺将多种太赫兹射频器件一体化封装，实现模块封装集成。此外，太赫兹射频技术还需要突破新型半导体材料外延技术、异质半导体器件工艺技术以及先进微纳米3D打印和制造技术，实现射频前端的芯片一体化设计，将模块集成向芯片集成转化。

在太赫兹射频阵列化方面，由于频率的不断提升，芯片的尺寸不断缩小，在空间环境应用时，通信卫星载荷系统对输出功率、射频增益的要求不断提升，射频前端逐渐从单芯片单通道向多芯片阵列化发展。例如：太赫兹相控阵天线将采用射频与天线的一体化芯片加工方式，并通过低损耗的阵列连接方式实现太赫兹波的波束调控，这种方式将解决太赫兹射频前端多模块混合封装损耗大、单芯片输出功率不足的问题。目前，美国已研发出一款太赫兹相控阵天线芯片，如图2和图3[8]所示。

图2 太赫兹相控阵原理图Fig.2 Schematic diagram of terahertz phased array

图3 太赫兹相控阵前端样片和片上相控阵天线Fig.3 Terahertz phased array front-end sample and on-chip phased array antenna

4.2 高增益太赫兹功放技术

星间传输由于距离较远，因而相比地面传输，需要更高功率来保证接收端对发射信号的完好接收。高增益太赫兹功放按照其实现的技术路径可分为固态功放和行波管功放两大类。

采用固态功率放大和固态功率合成技术，可以实现太赫兹频段mW到百mW量级的功率输出。固态功率放大器一般采用晶体管TMIC技术实现，例如工作频率在0.34 THz的InP基HEMT功放，目前输出功率可达10 mW，功率密度可达62 mW/mm[9]。采用第三代宽禁带半导体GaN材料，目前已实现0.1 THz、1 W的输出功率，功率密度超过2 W/mm。在此基础之上，采用空间辐射阵列功率合成将能进一步提升功放模块整体的输出功率。在太赫兹频段，采用空间辐射阵列功率合成技术需要每个通道的幅相保持高度的一致性，同时减少多路合成带来的合成损耗，并解决合成过程中的散热问题，因此对于设计者和工艺加工精度都提出了更高的要求。

行波管通过电子束和电磁波进行能量交换来实现信号放大，一般用于发射机的最后一级，用以获得10 W以上的连续波输出功率[10]。但是由于行波管功放带宽小、所需高压设备相对复杂，因此对于高速大带宽多通道太赫兹通信系统仍需进行系统级设计与优化。从目前的低轨卫星通信需求分析，行波管更适合于低轨星间点对点通信链路，而固态功放更适合于星间点对多点通信与组网应用。

此外在空间应用的功率放大器，需要考虑器件的抗辐照性能。来自于地球辐射带和太阳(银河)宇宙射线的粒子辐射，会对固态功放的半导体材料性能、行波管功放的使用寿命带来影响[11]。复杂的空间环境也是导致功放封装材料性能退化的主要原因之一，因此，对于功放器件的材料和工艺选择是太赫兹功放在空间应用需要重点突破的技术问题。

4.3 高增益太赫兹天线技术

用于空间环境的太赫兹天线，需要较高的天线增益来弥补接收端检测灵敏度的不足和较高的空间传输损耗。比较有代表性的太赫兹天线包括喇叭天线、透镜天线、相控阵天线等，这些不同类型的太赫兹天线在实际空间应用中有不同的特点。

喇叭天线相对增益较小，一般不适用于空间环境。对于高增益天线，常采用卡塞格伦天线来实现，但其对加工的精度要求较高。相控阵天线目前广泛应用于毫米波频段[12]，但在太赫兹频段，其加工和实现的难度很大，目前常采用CMOS等芯片工艺实现太赫兹频段的波束控制。太赫兹片上天线可应用于小型化太赫兹通信载荷。透镜天线由于无馈源遮挡、无表面波效应等优势，已成为太赫兹星载天线的主要形式。对于低轨卫星通信的应用场景，采用卡塞格伦天线和透镜天线可实现长距离空间传输，采用片上阵列天线有望实现星间的波束控制与切换，为太赫兹地轨卫星组网及交换提供技术可能性。

此外太赫兹天线由于频率高、波长短，因而天线加工精度以及在轨过程中的外形精度相比低频段天线都会有较高的要求；而空间中背景辐射以及微观粒子环境较为复杂，都会对天线外形产生影响；在有些场合从发射机到天线还要考虑模式变换问题[13]，这都是太赫兹天线在空间应用需要突破的相关技术。

4.4 高速调制解调技术

太赫兹的高速调制分为模拟直接调制与基于数字调制的次谐波混频两种方式。模拟直接调制一般采用太赫兹调制器件，如石墨烯调制器和共振隧穿二极管等，当给器件施加合适的工作偏压后，将高速模拟信号直接加载到器件上，器件辐射的太赫兹波将携带模拟信号并完成调制。该方法结构简单、功耗低，便于实现小型化，但是受限于器件的工作方式，多以OOK等低阶调制方式为主，虽然太赫兹频段带宽很宽，但实现百Gbit/s到Tbit/s将会遇到技术瓶颈。同时由于此类器件工艺加工难度大，目前尚处于技术研发阶段。

基于数字调制的次谐波混频，通常先在基带采用16QAM，64QAM等高阶调制方式完成数字信号调制，再通过太赫兹混频器与本振信号混频，上变频到太赫兹频段，经由发射机发射。接收端先经过太赫兹混频器下变频到基带，进行数字解调。这种方式的优点是采用了目前较为成熟的信号并行处理技术，对于太赫兹上下变频等过程带来的信号恶化可以通过信道均衡、预失真等处理技术改善[14]。未来对于数字基带调制重点需要提升FPGA的处理能力、AD/DA的采样率[15]，并通过多路并行等方式有望突破Tbit/s系统传输能力。

5 结论

太赫兹通信技术作为解决高速星间通信的一种重要技术手段，由于其频段高、可用带宽大，能够实现较高的数据传输速率。随着当前低轨卫星通信系统呈现出星座规模大、单星容量高和通信频段高的特点，太赫兹通信技术因其能够实现高增益低功耗高速传输，且易于实现器件的集成化和小型化，尤其适用于空间应用。此外，太赫兹通信技术不仅在发展低轨宽带卫星网络中能够发挥重要作用，同时也是实现6G地面移动通信的关键技术。