太赫兹通信技术的发展现状及其军事应用分析

赵鹏 刘丹 邱楚楚

摘要：随着无线频谱资源日益枯竭，向更高频段扩展成为高速无线通信的必然趋势。太赫兹通信技术具有高速宽带、结构紧凑、抗干扰能力强等优点，是实现未来高速无线通信的重要途径。文章在分析太赫兹频谱特性和传播特点的基础上，研究了太赫兹通信技术发展现状及太赫兹通信关键技术，重点对空天地海一体化作战中的太赫兹通信技术的军事应用进行了探讨，旨在为太赫兹通信技术在军事中的推广应用提供论证依据和支撑。

关键词：太赫兹;通信技术;军事应用中图法分类号：0441 文献标识码：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

無论是民用领域还是军用领域，不断追求更大的通信容量、更快的通信速率，一直都是无线通信新技术发展的方向。香农通信定律已经揭示：若要实现高容量、快速率，需要更大的通信频率带宽。因此，在复杂、稀缺的电磁频谱中，人类开始关注太赫兹频段，太赫兹通信技术也被公认为未来实现6G 通信的关键技术之一。太赫兹无线通信是在无线电通信的基础上发展而来的，同时结合了激光无线通信的部分思想[1]。与微波通信、激光通信相比，太赫兹通信具有独特的性能优势，可以应用于空天地海一体化通信、安全保密通信及无人平台通信组网等场景。太赫兹通信技术也将结合人工智能和大数据技术实现智能化应用，军事应用前景广阔。

2太赫兹频谱特性及传播特点

2.1太赫兹频谱特性

太赫兹波是指频率介于0.1～10THz 之间的电磁波，在整个电磁波谱中位于微波和红外波频段之间，如图1所示。由于在电磁波谱的特殊位置，太赫兹波既具有微波频段的穿透性和吸收性，又具有光谱分辨特性[2]。

对太赫兹通信技术的应用，主要利用的是太赫兹频谱的宽带特性，太赫兹频段的频谱资源很丰富，可用频谱带宽比微波高几个数量级。太赫兹频段电磁波在外层空间可以进行无损传输，用较小发射功率就可实现远距离通信，还可以避免地球辐射噪声的影响，穿透通信黑障，因此太赫兹在未来可重点应用于空间通信和无线宽带通信领域。

2.2太赫兹传播特点

太赫兹频段的频率比毫米波更高，依据电磁波的传播特性，该频段的传播与穿透损耗也很大。可根据弗里斯自由空间损耗计算公式进行损耗估算：

式（1）中，LFSdB/km 为路径损耗，fMHz 为频率，dkm 为传播距离，GTxdBi 和 GRxdBi 分别表示发射天线和接收天线增益。通过计算发现，一般情况下，1THz 以下太赫兹频段电磁波相对于26GHz 毫米波的路径损耗增加10～35dB 。因此，在发射天线和接收天线增益受限的情况下，太赫兹频段的通信距离将大幅度缩短。

图2为0.01～1THz 的太赫兹波在晴天条件下的频率衰减谱。分析可知，随着频率的增高，大气中的太赫兹波传播呈现指数级衰减，在太赫兹低频段（如0.3THz以下），太赫兹波的大气衰减低于10dB/km，适合作为无线通信载波，而超过1THz 的太赫兹频段的衰减极大，无线通信传输距离急剧下降。图2中 A ～ J 各个频点处都出现了较明显的波峰，这是因为太赫兹波在长距离传输时容易受到水蒸气、氧气分子的影响，产生分子共振效应，使得传输损耗急剧增大。因此，在设计太赫兹远距离通信系统时，应选择合适的频率窗口进行通信，以获得较高的通信效率。

3太赫兹通信技术的发展现状及关键技术分析

3.1太赫兹通信技术的发展现状

因其具有丰富的频谱资源和独有特性，太赫兹波段受到各个国家的高度重视，并获得了国际电信联盟（ITU）的大力支持，成为极具潜力的6G 关键候选频谱技术。基于通信网络技术平滑演进的考虑，太赫兹通信也是目前全球热议和关注较多的技术方向，开展太赫兹通信技术研究既符合通信网络技术的演进需求，也具备较高可行性。

太赫兹波的研究最早可追溯到1897年，美国从20世纪90年代率先加大了对太赫兹频段的研究。自2002年以来，美国 DARPA 实施了一系列太赫兹技术研发计划，积极推进以国防应用为主要目标的尖端技术和超高速电子技术的相关项目研究，包括太赫兹电子学计划，有效推动了太赫兹核心器件的开发及其在太赫兹通信中的应用关键技术研究。国际电联已经指定0.12THz 和0.22THz两个频段分别用于下一代地面无线通信与卫星间通信。美国 NASA 着手太赫兹通信计划，美国空军也于2020年8月发布“太赫兹通信”公告，探索100GHz 以上的未来视距“空?空”通信和联网技术。欧盟将太赫兹星际通信列为太空计划的主要研究领域，主要研究0.1～1.5THz 波段的星际通信。

当前，已经构建的太赫兹无线通信验证系统主要包括三类，即光电混合、全电子和时域脉冲太赫兹通信验证系统。国际上的典型系统主要有：德国固态物理研究所构建的0.22THz 和0.24THz 通信系统、日本电报电话公司构建的0.12THz 和0.3THz 通信系统以及美国贝尔实验室构建的0.625THz 通信系统等。国内方面，自2005年以来，电子科技大学、复旦大学、浙江大学、中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心等高校和院所，都陆续开展了太赫兹无线通信技术的相关研究。2018年，中国工程物理研究院突破太赫兹20Gbps 调制解调信号处理相关核心算法，其0.22THz太赫兹通信系统具备速率20Gbps、大气通信距离大于10km 的能力，将逐步开展星地1000km 地面等效验证。2022年，中国的安全紫金山实验室联合东南大学、复旦大学和中国移动等团队，搭建出首个0.36～0.43THz 频段无线传输通信实验系统，首次实现了单波长、净速率为103.125Gbps 和双波长、净速率为206.25Gbps 的太赫兹实时无线传输，创造出目前世界上公开报道的太赫兹实时无线通信的最高实时传输纪录。总之，已有的太赫兹无线通信验证系统还集中在太赫兹波的低频段。

3.2太赫兹通信关键技术分析

从太赫兹通信技术发展历程和已有成果分析，太赫兹通信正往更高频段、更高通信速率、更高频段利用率方向发展，并逐步向工程化、实用化方向转变。太赫兹通信广泛应用取决于太赫兹通信关键技术的突破，主要包括太赫兹通信链路调制、太赫兹关键器件、太赫兹传播信道建模等技术。

（1）太赫兹通信链路调制

对应于不同的太赫兹无线通信验证系统，太赫兹通信链路调制方式主要有两种架构：一是光电结合应用架构，即利用光学外差法产生太赫兹信号。该应用方案的优点是传输速率高，不足是发射功率较低，容易造成系统体积大，且功耗高，对于自由空间中的短距离高速通信较为适用;二是全固态电子应用架构，即利用混频器将基带或中频调制信号变频搬移到太赫兹频段[3]。该方案的优点是射频前端易集成、可实现小型化设计且功耗较低，不足是本振源多次倍频后信号恶化，变频损耗大，载波信号的输出功率较小。全固态电子系统还可以采用外部高速调制器直接对太赫兹信号进行调制，该方案的应用优势在于易集成，体积小，发射功率较高，可用于实现远距离通信，但是受限于太赫兹高速调制器件能力，目前能实现的通信速率相对较低。

（2）太赫兹关键器件

太赫兹通信关键器件是推动太赫兹通信技术实用化的基础条件，其发展水平是制约太赫兹通信发展的核心。按照通信功能模块功能划分，太赫兹全电子链路的关键器件主要有：太赫兹发射源、调制解调器、功放、倍频器、混频器等器件。在上述多个通信验证系统中，全固态电子链路各类型关键器件都已经得到充分应用，系统的数据传输能力也得到了有效验证。但不可否认的是，验证系统中所使用的关键器件仍存在功率和效率低下，变频损耗过大等诸多不足。太赫兹关键器件需要向高功率和高效率的方向突破瓶颈，需要向小型化和集成化转变。太赫兹关键器件的高性能研发能力和低成本产业化能力对太赫兹通信技术未来应用落地具有决定性影响，也是太赫兹通信最关键的技术发展方向。

（3）太赫兹传播信道建模

对无线电波传播特性的分析以及信道精准建模是提高太赫兹频谱利用效率，实现太赫兹通信技术有效应用和无线通信网络优化的前提。由于太赫兹波传播损耗大，多径效应弱，呈现一定程度的光学特性，信道传播路径单一性强，确定性信道建模、参数化半确定性信道建模等方法更适用于太赫兹频段，如射线追踪方法以及结合确定性和统计特性的数字地图混合建模方法等。信道建模的准确性建立在大量信道实测试验的基础之上。未来太赫兹通信可能会用于空天地海多维度、宏观到微观多尺度的多样化应用场景，太赫兹通信信道建模需要分析研究多种应用场景下的信道模型，用于指导未来实际的应用方案部署。

4太赫兹通信技术军事应用分析

人类科技发展历史上，军事通信往往会远远领先于民用通信。大部分前端的通信技术也都是从军用领域延伸发展到民用领域的。但从20世纪70年代中期开始，人类逐步开始了信息化、智能化的新兴技术革命，也开启了商业革命逐步先于军事革命的历史。尤其是在相对和平的状态下，呈现出民用科技在产品上领先，军用科技在概念上领先的特点。太赫兹通信技术的兴起也呈现出这一特点，尽管太赫兹通信还未进入实际应用阶段，但其在空天地海一體化作战、无人作战平台组网、安全保密通信等军事领域，应用前景广阔[4]。其中，对于空天地海一体化作战中的空间通信，将是太赫兹高速无线通信最主要的军事应用方向之一。

空天地海一体化通信是以地面网络为依托，拓展了天基网络和空基网络，构成了立体分层、协同融合的网络，空中和地面、水下有人/无人平台共同形成多重覆盖，实现通信全球全域覆盖、随遇接入、按需保障。空天地海一体化通信应用场景如图3所示。空间通信是实现空天地海一体化通信的关键环节之一，随着大容量通信卫星技术的发展，空间信息高速传输需求日益迫切。航天器上的海量侦察数据传输至地面观测终端的速率需求剧增，海量数据的中继和落地问题正愈发突出。与此同时，建立星间链路成为突破星地链路瓶颈、扩大系统容量、降低通信时延的必由之路;使用星间链路可以建立完全独立于地面的卫星网络，有利于提高卫星系统的抗毁性、自主性和机动性。

当前，星间链路已经得到广泛的应用，如在“先进极高频 AEHF”卫星系统中，每颗卫星可提供2条通信链路，星间链路采用60GHz 的毫米波波束，具有很强的抗干扰性和抗截收能力;铱星系统则采用 Ka 频段，每颗卫星具有4条15MHz 的星间链路。星间链路属于无线链路，可以采用微波频段、毫米波频段或激光。然而，在传统的微波通信领域，由于受频谱和轨道资源等限制，难以通过增加空间节点数量和提高单节点能力来提高整个系统的传输能力。太赫兹频段电磁波在外层空间可以进行无损传输，用较小发射功率就实现远距离通信，还可以避免地球辐射噪声的影响。鉴于太赫兹通信技术具有传输容量大、终端体积小、传输安全性好以及頻率资源丰富等明显优势，非常适合空间大容量高速信息传输，成为解决空间信息高速传输的重要手段，可广泛应用于星间高速通信、星地间高速通信、空间飞行器通信等空间通信场景。除此之外，太赫兹可用的物理带宽宽，基于宽带扩频、跳频、跳时的太赫兹通信技术可用于战术级区域保密通信与组网、航空编队和无人作战平台通信及指挥控制信息传输。由于太赫兹通信具有高度定向性，加之大气对太赫兹波具有严重吸收特性，实际上也形成了一道天然屏障，地面侦收和干扰难度大，因此抗干扰、抗截获、保密性好，能够满足军事安全保密的通信需求。

参考文献：

[1]张健.太赫兹雷达与通信技术[ M].上海：华东理工大学出版社，2021：7?9.

[2]冯伟，韦舒婷，曹俊诚.6G 技术发展愿景与太赫兹通信[J].物理学报，2021，70（24）：175?189.

[3]马静艳，李福昌，张忠皓.太赫兹通信关键技术及挑战分析[J].电子设计工程，2021，15（5）：39?45.

[4]张剑，杨悦.太赫兹技术在未来陆海空天的军事应用[J].舰船电子工程，2020，40（8）：9?11+23.

作者简介：

赵鹏（1984—），硕士，助教，研究方向：通信装备。