高频天线技术与应用前沿报告

1、 高频天线技术与应用前沿报告 本报告分析了高频天线的全球发展态势和我国发展现状，对天线的趋向高频化与产业发展态势和技术预见进行了预测，探讨了高频天线在太赫兹通信领域的相关应用，提出了技术和产业政策建议。一、 研究概述天线作为无线电通信、卫星通信、雷达和太空探索等系统中不可缺少的装置，承担着通信系统收发信号的重要作用。作为整个系统中最前端的组成部分，所有通信数据都需要通过天线来进行传输，因此天线性能的好坏直接影响着整个无线通信系统的性能。移动通信、卫星通信和深空探测作为无线通信的重要领域，是一个国家综合实力的体现，天线在其中扮演着重要的角色。在军事方面，高质量的天线能够更好地保障军事作战任务的成

2、功。如今，信息化、数字化、大数据时代已经到来，对于天线技术的发展也提出了更高的要求。通信系统不断向更高频段、更大带宽进行发展，要求天线技术不断向高频段演进。目前，天线设计逐渐趋于系统化和复杂化，以应对多频段、多波束、高频段等需求。天线的形式也多种多样，包括贴片天线、喇叭天线、透镜天线、反射面天线等。为了应对更加复杂的应用场景，大规模 MIMO 技术、同频全双工技术、超带宽低复杂度信号处理、网络组网机构和空口的优化等技术也逐渐涌现出来。本报告通过分析天线技术在全球发展的态势和国内的发展现状，对天线技术的现状和技术预见进行了预测，探讨了高频天线技术研究过程中会遇到的工程难题，并对产业政策提出建议。

3、二、 全球发展态势(一) 系统热点分布传统微波通常被认为是频率在 300MHz 以上的电磁波，随着移动通信 5G、6G 以及空间通信技术的发展，毫米波和太赫兹波的应用已经是必然的趋势，天线与射频技术正在向更高的频段演进。其应用范围已经扩展到军事、医疗、农业、天文学、环境科学等各个方面。在众多应用方面中，移动通信由于其快速的发展和变革，被认为是最新兴和最有前景的领域之一。未来的移动网络（如 5G 和 6G，卫星网络，无线 LANS，大型数据中心以及芯片内/芯片间通信）对高容量链路的需求正在增加。这要求射频技术向能满足更大带宽的频段发展。(二) 频率分布及分析未来移动通信网络，不仅要针对点对点，还

4、要面对点到多点的数据传输。以目前最受关注的 5G 通信为例，与 4G 相比，5G 频谱效率需要提升 515 倍，能量效率和成本效率提升百倍以上，5G 的容量预计是 4G 的 1000 倍。这使得通信网络需要更宽的频谱带宽。目前情况下，6GHz 以下频率资源匮乏，很难找到连续的大带宽满足 5G 系统需求。移动通信行业的目光因此开始向高频段转移，高频段开始成为移动通信发展的重要研究方向。ITU（国际电信联盟）-RWP5D 为5G 定义了 eMBB（增强移动宽带）、uRLLC（高可靠低时延）、mMTC（海量机器类通信）三大场景，如图 1 所示。其中 eMBB 场景是速率的提升，主要应对密集城区、室内

5、热点等大流量场景；uRLLC 场景是降低网络时延，主要应用于无人驾驶、智能工厂等低时延场景；mMTC 场景是海量大连接，对应的是物联网等海量机器类通信的场景。为达到上述愿景，5G 频率将涵盖低、中、高频段：6GHz 以下的中、低频段覆盖能力强，能够实现全网覆盖，满足高可靠低时延场景和海量机器类通信场景；6GHz 以上的高频段拥有连续大带宽，满足增强的移动宽带场景，如图 2 所示1。国际来看，为抢占市场先机，美国、欧盟、韩国等全球主要国家纷纷制定 5G 频谱政策，针对高频频谱进行了分配，如表 1 所示2。(三) 高频天线关键技术发展态势1. 大规模 MIMO 技术大规模 MIMO 技术，也称为多

6、天线技术，已经在无线通信领域得到了广泛的应用，比如 4G，在人们的日常生活中，MIMO 技术主要用于通信网络和 WIFI 热点。从理论可知，天线的数量对通信系统的频率效率、传输速率和可靠性都有直接影响，为了保证未来 5G 系统的通信服务质量，5G 基站配备了大量的天线，提高了 5G 通信频谱效率。同时，采用大规模 MIMO 技术使通信波束集中在规划范围内，有效地避免了信号在不同区域（均为 5G）之间的干扰问题，可以大大降低通信的传输功率。最后，大规模 MIMO 技术的应用显著提高了网络覆盖能力和通信系统的能力，帮助电信运营商充分利用现有的基站地址和频谱资源，这为 5G 通信系统的开发和实现提供

7、了巨大的资源放大的便利4。但大规模 MIMO 技术的实施依然建立在基站的基础上，而在对该技术进行研究时，多数都忽视了导频数目缺乏带来的不良影响，即导频污染，对大规模 MIMO 技术的容量性能造成严重影响。基于对这个问题的考虑，有专家认为可以对大规模 MIMO技术服务的用户进行分类，以此达到所需的导频支出的目的。2. 同频全双工技术未来使用 5G 移动通信技术，除了要求有高水平的频谱资源支撑外，还需要对频谱资源进行全面细致的分析，这就需要使用同频全双工技术。同频全双工技术是目前最为有效的挖掘手段，性能较高，因此应用逐渐普遍。在 4G 网络中，进行频谱资源的挖掘分析主要是采用 FDD 和 TDD

8、两种方式，但可挖掘的频谱资源有限，5G 时期，需要加强对同频全双工技术的应用，挖掘更多的频谱资源，为 5G 网络的搭建奠定基础。同频全双工技术不仅对于频谱资源的挖掘效率高，对于传输效率也能稳定提升，可以满足未来一段时间内的通信需求。但是目前研究中发现，同频全双工技术在使用时存在一个很大的问题就是在同频段接受时形成的干扰较大，会影响该技术性能的发挥。基于此，有研究人员提出两种解决方案：一是使用模拟域自干扰技术，该技术可以在射频电路中形成抵消信号，在自干扰信号较弱时，可以有效进行消除；但如果自干扰信号较强，会出现信息传输滞后问题。对于同频全双工技术应用来说，本技术单独使用难以满足需求。二是使用数字

9、域自干扰消除技术，是利用消除算法排除干扰，还可以与模拟域自干扰技术合用，消除干扰信号，本技术更加高效方便，但局限性也较强，会受到发射通道的影响5。3. 毫米波频段移动通信技术上文可以看出，5G 技术的实现需要系统支持更多的频谱资源，尤其是速度快和容量大的频谱资源。而利用毫米波频段移动通信技术，可以提供更多的频谱资源，实现速度快和容量大的频谱资源的传输。因此，毫米波段也是国内外对于 5G 乃至下一代移动通信的研究热点。但在毫米波频段移动通信技术应用时需要注意几个问题：一是该技术的应用不适合采用接头方式，需要实现毫米波前端天线有源和无源的一体化，以提高连接效果；二是毫米波前端波长较小，无线网络设计

10、过程和具体环节比较复杂，因此设计时需要将毫米波频段与中频子系统分离，这样可以提高通信的稳定性。这就对高频天线的设计提出了更高的要求和挑战。因此，本文接下来将对高频天线的研究现状和趋势以及技术难点进行讨论。4. 超宽带低复杂度信号处理在 B5G/6G 时代中，毫米波、太赫兹通信有望使得 100 Gbit/s 甚至 1 Tbit/s 的高速通信成为可能，这要求模拟数字转换器（ADC）的采样率随着通信带宽的增大而增大。然而，要制造出满足低功耗、小尺寸和高带宽要求的 ADC 越来越困难。为了解决这一问题，采用低分辨率 ADC 进行量化和 ADC 时间交织技术都是值得研究的方向。5. 网络组网架构和空口

11、的优化未来，随着高频毫米波、太赫兹技术在不同通信场景中的广泛应用，毫米波、太赫兹环境下的无线通信组网必将成为研究热点。根据目前的研究，与低频段相比，高频毫米波、太赫兹频段的波束相对较窄，波束的覆盖范围有限，且性能易受障碍物、路损，以及天气变化影响；因此，由全向天线实现的全向组网技术不能满足快速查找网络节点、完成全向组网和节约系统能耗的要求，网络组网架构需要进一步优化。三、 我国发展现状(一) 系统热点分布5G 时代已经来临，由于以华为、中兴为代表的公司对技术不断的探索，我国在 5G 领域向世界证明了中国技术的重要性。未来，5G技术将会应用到更多的高精尖领域当中并且同这些技术进行融合，从而进一步

12、提升整体的通信质量，使人们对于通信的需求得到最大限度的满足。2019 年 11 月 3 日，科技部会同发展改革委、教育部、工业和信息化部、中科院、自然科学基金委在北京组织召开 6G 技术研发工作启动会。这也标志着我国已将移动通信的发展着眼于下一代更高频段的通信技术。同时，相较于国外，国内高频段天线技术在军事、农业、天文学等各方面的应用仍有一定差距，因此需要投入更多力量进行研究。(二) 频率分布及分析目前，国内正处于 5G 通信持续发展阶段。2018 年 12 月初，三大运营商均已获得全国范围内 6GHz 以下 5G 中低频段试验频率的使用许可，2019 年 6 月 6 日工信部向中国电信、中国

13、移动、中国联通以及中国广电发放了 5G 商用牌照，说明目前国内 6GHz 以下 5G 系统已经从试验网向商用转变。相对于 6GHz 以下频段，5G 高频波段落地应用还有很多问题有待解决和进一步完善，如高频器件性能、电磁兼容问题、波束赋形和波束管理算法、链路特性等方面。目前，我国三大运营商已累计建设开通约 45 万座 5G 基站，国内市场用户数量也达到一定规模，5G 通信已达到规模商业阶段。而在 5G 通信基础上进一步升级和扩展，以实现更高的数据速率、更高的系统容量、更高的频谱效率的 6G 通信技术必将是下一步研究的热点，而研究也必将面向更高的频段乃至太赫兹频段进行展开。四、 技术预见(一) 高

14、频天线研究现状1. 天线形式1.1 天线特点从无源天线到有源天线系统：天线可能会实现智能化、小型化（共设计）、定制化。因为未来的网络会变得越来越细，我们需要根据周围的场景来进行定制化的设计，例如在城市区域内布站会更加精细，而不是简单的覆盖。5G 通信将会应用高频段，障碍物会对通信产生很大的影响，定制化的天线可以提供更好的网络质量。天线设计的系统化和复杂化：例如波束阵列（实现空分复用）、多波束以及多/高频段。这些都对天线提出了很高的要求，它会涉及到整个系统以及互相兼容的问题，在这种情况下天线技术已经超越了元器件的概念，逐渐进入了系统的设计。1.2 天线举例印刷或微型天线：基于贴片天线，印刷偶极子

15、和缝隙天线的纳米天线阵列在太赫兹光谱应用的太赫兹范围内得到了证明。这些天线阵列本质上是窄带，但 L 形探针馈电，U 形槽贴片和堆叠贴片等技术有助于这些天线阵列的宽带设计。纳米天线对于移动平台实施尤其有用，因为它们具有尺寸小和易于集成的优点，如 6G 超快速通信场景。金属天线：在金属天线的情况下，喇叭天线是大多数太赫兹通信应用的首选。喇叭天线可用作抛物面反射器天线的主馈源。反射器天线是一种高增益天线，人们对在太赫兹范围内使用它感兴趣。由于太赫兹区域的超窄波长，制造过程中需要高精度的表面光洁度，这会增加成本。具有抛物面反射器的喇叭可用于固定宽带无线接入应用，其中可集成性不是主要关注点。基于石墨烯的

16、等离子体天线：在基于石墨烯的等离子体天线中研究动态掺杂效应。介电谐振器天线采用芯片制造技术，效率高达 801011。石墨烯是一种纳米材料，在 2004 年通过实验获得，厚度是一个原子。碳纳米管和石墨烯纳米带是石墨烯的衍生物。基于 Yagi Uda石墨烯天线的 MIMO 天线也可以制成可重新配置的配置。与传统的微制造天线相比，基于石墨烯的纳米等离子体天线具有相对小的尺寸。这些天线的范围从几十纳米到几微米，可以很容易地集成到纳米机器和通信系统中。当这些纳米等离子体天线响应可以通过材料掺杂来调整时，使用基于石墨烯的天线产生新的机会领域。两大类新体制天线技术：包括基于耦合谐振器去耦网络的紧耦合终端天线

17、；基于超材料（超表面）的 MIMO，Massive MIMO 天线阵耦合减小及性能提升技术。衬底集成天线（substrate integrated antenna，即 SIA）、把天线设计在封装(package integrated antenna，即 PIA 或 AIP)。1.3 5G 高频天线集成技术传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化需要扩大或者缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少 T/R 组件的数量，还需要重新设计相控阵其他分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量以及负荷能力的变化。因此，具有模块化、通用化和扩展性能的天线集成技术得到迅速发展。这技术以子阵模块（单

18、元模块）为基本单元，通过封装多个相控阵天线通道，集成相控阵其他分系统（如波束形成与幅相校正网络，电源、波束控制、频率源、波形产生等）的部分功能，大幅度减少接口的类型与数量。天线集成技术可分为三种形式：1) 封装天线封装天线（Antenna in Package, AIP）是基于封装材料与工艺将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术。它是在一个单独基板上实现的，该基板可以专门用辐射元件及其馈送线，也可以起到包装收发器零件和异构集成的作用。出于这个原因，AIP 设计在毫米波收发器的三维集成场景中发挥着关键作用，同时提供一个额外的自由度，用来选择低介电常数和高电阻率的衬底。它具有模块化设

19、计，方便使用，设计自由度高的优点。2) 外部天线外部天线（Antenna on Board, AOB）技术是将天线直接做在 PCB基板上，毫米波的前端芯片集成在另外一面。其优点是节省连接器，采用成熟的 PCB 材料和 SMT 工艺降低成本。其缺点是：PCB 为多层板，存在多阶盲埋孔，加工复杂，PCB 很难做成对称板，存在翘曲风险。3) 片上天线片上天线(Antenna on Chip, AOC）技术是通过半导体材料与工艺将天线与其他电路集成在同一芯片上，可以采用 CMOS 族技术进行制造。优点是，在一个大小仅为几平方毫米的单一模块上，没有任何射频互联和所有射频与基带功能的相互集成。缺点是，硅基

20、 AOC 基板的高介电常数和低电阻率严重降低匹配带宽和辐射效率。同时考虑到成本和性能，AOC 技术更适用于太赫兹频段。2. 天线频段3. 天线应用场景5G 蜂窝网络：5G 将融合高低频技术，采用分层蜂窝网络和异构网络实现高低搭配的全场景覆盖。Sub6G 系统采用注塑模组振子、对称 PCB 振子等组成 Massive MIMO，通过主动波束赋形实现三扇区的广播单波束和多波束覆盖，同时通过用户感知和波束反向赋形技术对用户实时追踪，提供连续广域高速的业务覆盖。另外为了解决 5G 与 2/3/4G 的融合问题，采用前沿的 A+P 方案，利用智慧构造天线技术，将 5G 模组天线和 2/3/4G 偶极子天

21、线融合，满足自适应蜂窝网络的组网需求。5G 毫米波则采用多层贴片子阵与模数混合移相技术来实现对热点区域的蜂窝覆盖，提供瞬时超高速通讯。目前毫米波天线正在向 AiP 和AOC 等前沿方向演进，将天线器件化，实现与有源模块一体封装，组成 5G 毫米波通讯子细胞，为蜂窝层级网络和异构网络部署提供支撑。THz 波段通信可以用于下一代小细胞，即作为分层蜂窝网络或异构网络的一部分12。太赫兹频段将提供 10m 范围内的超高速数据。运营环境不论是静态还是移动用户，室内还是室外场景均可。太比特无线局域网（T-WLAN）：太赫兹频带通信在超高速有线网络之间实现无缝互连，例如，光纤链路和个人无线设备如笔记本电脑和

22、类似平板电脑的设备（无线和有线链路之间没有速度差异）。这将便于静态和移动用户在室内使用带宽密集型应用程序1314。太比特无线个域网（T-WPAN）：THz 频段通信可以实现近距离设备之间的 Tbps 链路。操作环境主要是室内，通常在桌面上。具体应用包括多媒体信息亭和超高速信息个人设备之间的数据传输。例如，将蓝光光盘的等效内容传输到类似平板电脑的设备可能需要不到一秒的时间15。安全太比特无线通信：太赫兹频段还可以在军事和国防领域实现超宽带安全通信链路。THz 波段频率的非常高的大气衰减和使用非常大的天线阵列来克服有限的通信距离导致非常窄，几乎是锐利的波束，极大地限制了窃听概率。扩频技术也可用于超

23、宽带信道带宽以防止和克服常见的干扰攻击16。健康监测系统：血液中的钠，葡萄糖和其他离子，胆固醇、癌症生物标志物或不同传染因子的存在可以通过纳米级传感器监测17。几个纳米传感器分布在身体周围，定义了人体纳米传感器网络。可用于收集有关患者健康的相关数据。这些纳米传感器与微型设备（如手机或微型设备）之间的无线接口可以使用专门的医疗设备收集所有这些数据并将其转发给医疗保健提供者。核，生物和化学防御：化学和生物纳米传感器可用于以分布式方式检测有害化学品和生物武器18。使用纳米传感器而不是传统化学传感器的主要好处之一是，化学复合物的存在可以在低至一个分子的浓度下检测，并且比传统的微量传感器快得多。然而，考

24、虑到这些传感器需要与分子直接接触，需要具有非常多纳米传感器节点的网络。通过分布式光谱学，无线纳米传感器网络将能够收敛分子的信息在非常短的时间内在宏观设备的特定位置组成空气。纳米物联网：纳米级机器与现有通信网络和最终互联网的互联定义了一个真正的网络，被称为纳米物联网（IoNT）的物理系统12。IoNT 使新的有趣应用程序能够影响我们的工作方式。 例如，在互连的办公室中，纳米收发器和纳米天线可以嵌入在每个对象中，以允许它们永久连接到 Internet。结果，用户可以毫不费力地跟踪其所有专业和个人物品。超高速片上通信：THz 频段可以在无线片上网络中提供高效且可扩展的核心间通信方式，通过使用平面纳米

25、天线来创建超高速链路。这种新颖的方法通过其高带宽和极低的面积开销有望满足区域约束和片上通信密集型的严格要求。更重要的是，使用基于石墨烯的 THz波段通信将在核心层面提供固有的多播和广播通信能力。(二) 高频天线应用-太赫兹通信太赫兹通信是一个极具应用前景的技术，THz 波有非常宽的还没分配的频带，并且具有速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好等许多特性，THz 通信将给通信系统带来巨大的技术进步。近几年来，国内外针对太赫兹技术在通信方面的应用都取得了长足的进步。从 THz 源到 THz 传输、THz 调制方式、THz 探测技术等方面国内均取得了较大的突破。为解决传输距离的问题，太赫兹源经

26、历了半导体太赫兹波辐射源、光学和光子学太赫兹辐射源、真空电子学太赫兹波辐射源，目前在 300GHz 频率段可以达到瓦级功率，基本可满足使用需求；为保证高传输速率和低误码率，出现了光子晶体、超材料、相变材料、HEMT 结构、石墨烯等类型 THz 调制器，它们都在各自方面展现了对太赫兹波调制的性能；为快速、精确地捕获目标和接收信号，对所有接收信号进行处理，在电信道上采用微弱信号检测与处理技术，时域光谱探测技术、啁啾脉冲光谱仪探测技术、量子阱探测器( QWP)等一系列探测技术均用来解决上述问题。基于以上技术的不断发展，目前美国、德国、日本、中国研制了从 0.12THz4.15THz 不同频段的通信系

27、统，其中很多涉及到应用的问题也在继续研究中。1. 太赫兹通信概述太赫兹无线通信技术作为未来超高速通信的主要解决方案，近些年来一直受到发达国家的高度重视，尤其对于外层空间卫星间高速无线通信、地面室内短距离无线通信及局域网的宽带移动通讯等领域给予了很大的关注。针对太赫兹无线通信的巨大应用优势与前景，美国NASA 很早就已着手太赫兹通信计划，国空军也推出了安全短距离大气通信计划（Air Force Office of Scientific Research, AFOSR ）。欧盟将太赫兹星际通信列为太空计划最主要研究内容，英国Rutherford-Appleton 国家实验室是主要研究单位，研究主要

28、集中在0.1-1.5THz 频 率 范 围 。 欧盟 第五研 究 开 发框 架计划 也 资 助了WANTED（Wireless Area Networking of THz Emitters and Detectors）工程，旨在研讨 Tbps 级 WAN 的可能性。相较之下我国的太赫兹通信研究还处于劣势地位。近年来，随着太赫兹辐射源和检测器的进一步发展，以及太赫兹天线、新型调制器、波导、滤波器等功能器件的不断突破，促进了太赫兹在通信领域的快速发展。虽然太赫兹通信还有许多新的技术难题需要进一步的解决，尤其是应用于太赫兹通信的核心元器件在性能和工作方式上均还需要进一步突破，但无用怀疑，随着相关技

29、术的发展，THz 通信技术未来必将会在空间通信中和近距离通信中扮演越发重要的作用。太赫兹通信技术逐步从元器件研制走向系统集成，世界各国逐步开始针对不同应用目的研究相应的太赫兹系统。元器件也向着更高频率、更高功率等高性能指标的思路逐步发展，以促进系统向更多的领域扩展。太赫兹通信技术在军事和民用上的应用逐步明确，包括：短距离保密无线通信、空间无线通信、高清电视图像传输等领域的高速大容量通信、弹道导弹成像识别、重要设施近程防护、反恐、太赫兹雷达等。高速大容量太赫兹通信系统、太赫兹医学检测、太赫兹成像系统、近程防护和反恐 THz 探测系统已经成为太赫兹技术应用的重要发展方向，并将获得各国的大力资助。2

30、. 太赫兹通信国内外现状2.1 国外研究现状美国的防御远景研究规划局（Defense Advanced Research ProjectsAgency，缩写为 DARPA）开展了名为 THOR（Tera-Hertz OperationalReachback）的研究计划。该计划包含研发和评估一系列可用于移动的Ad-Hoc 自由空间光通信系统的技术。THOR 系统包括空间和地面的双向的来自于高速 ad-hoc 移动光网络物理层的有源终端和无源终端，空间终端网络构成传输和接收 2.5Gbps 的通信中枢，无源光终端以200Mbps 的速率连接高速的电子数据采集设备。DARPA 集中资金研究紧凑的电-

31、光束操控的设备，试图减小光终端、高速高灵敏度（-47dBm）探测器和高功率（50W）调制激光源的大小和重量。美国的JPL 实验室（Jet Propulsion Laboratory）的亚毫米波先进技术团队侧重于研究 THz 器件在太空中的应用。他们研发 THz 源辐射频率为0.1THz5THz，采用外差结构功率可以达到 0.110m W，采用雷达结构可以达到 101000m W，源的体积为 111m3，质量为 550kg，天线尺寸为 50cm30m。该器件可以在太空中使用 215 年。此外，他们采用的直接探测技术具有宽带、高灵敏度特性，可以探测整个0.130THz 频段；采用窄带、中-高级灵敏

32、度的外差探测技术，可以探测 0.1THz5THz 频段。布克海文国家实验室（Brookhaven NationalLaboratory）也开展了名为 Terahertz Lightbeams 的研究。德国的布伦瑞克工业大学（Technical University of Braunschweig）建立了 THz 通信实验室，针对下一代 THz 宽带无线接入、THz 室内无线通信的应用背景，对 THz 波传输信道特性进行研究，采用射线跟踪技术仿真、链路耦合预算分析的方法，得出室内 THz 通信链路的系统参数估计，对贴片天线阵列作了初步仿真，得到未来室内 THz通信系统中天线增益的性能。研究表明，

33、室内环境的 THz 通信的实现需要高增益天线。此外，由于室内无线视距通信容易被移动物体中断，可采用介质反射镜，建立发射机和接收机之间的间接传输路径，使通讯信道更能抵抗阴影衰落。2005 年，他们已成功的将一套在室温下工作的半导体 THz 调制器与 THz 时域光谱结合起来，利用 THz 宽脉冲，以 75MHz 的重复率来传输频率高于 25KHz 的音频信号。2008年，在 0.3THz 频率成功传输一个无线电信号，实验距离超过 22 米，这证明了采用 THz 波进行数据传送的可能性23。日本 NTT 微波系统2425集成实验室建立了工作在 120GHz 频段的 THz 波无线通信实验系统，数据

34、传输速率为 10Gbps，发射功率为10dBm。该系统能传输路未压缩的高清晰度数字电视信号，已于 2005年 8 月获得日本国际事务与通信部的许可证。该系统中，采用光外差式的低相位噪声可调 THz 源，产生 125GHz 的光副载波信号，将数字信号输入到光强度调制器（ASK），对光副载波信号进行调制，被调制的光副载波信号通过光放大器放大，输入到光子 THz 波发射机。在发射机中，一个光电二极管(UTC-PD)将光信号转换成 THz 信号，放大后通过高增益的卡赛格伦天线发送到接收机上。接收的 THz 信号经过放大后，用简单的包络检波法解调。系统中的发射机和接收机已制作成毫米波集成电路芯片。接收机

35、内包括一个单位电流增益频率为 170GHz、最大振荡频率为 350GHz 的 InP-HEMT。在 2018 年，NTT 的研究团队报道了一个基于 80nm InP 工艺的HEMT(High Electron Mobility Transistor)的 300GHz 无线通信系统，通过如图所示的方案，在 2.22 米的通信距离下，利用 16QAM 的调制方式，实现了 100Gbit/s 的通信速率。2.2 国内研究现状在国内，十一五期间，中国工程物理研究院、浙江大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、中国计量学院、电子科技大学等一批国内单位进行了太赫兹通信关键技术和功能器件的研究并取得了一定的

36、成果。十二五开始，863 成立了太赫兹技术专家组，重点开展太赫兹通信技术研究，极大促进了我国太赫兹通信的发展。十三五期间国家立项了太赫兹通信的重点研发计划，在国家支持和引导下，以高校和研究院所为代表的科研机构纷纷投入太赫兹研究中，并以不同形式进行了互通协作，共同推动国内太赫兹技术和产业进展。浙江大学采用电控 ZnTe 晶体加压方式，实现了对 THz 波进行调制，还利用高阻硅与空气构建了一维的光子晶体实现了太赫兹波窄带滤波。中国科学院上海微系统所研究团队研究提出了基于太赫兹量子级联激光器的偏压特性，实现对于太赫兹辐射输出的实时调控技术。天津大学和南开大学利用液晶填充的光子晶体，实现了磁控太赫兹频

37、段的滤波和调制的原理器件。2009 年，电子科技大学与中国计量学院基于硅基光子晶体和磁光子晶体，提出了调制速率可以达到几十 Kb/s 的 THz 波调制器，以及太赫兹功分器、滤波器等功能器件。2009 年 12 月电子科技大学在 0.1-1THz 频率范围内的大调制深度太赫兹调制技术研究方面取得了突破，获得调制深度达到 50%的太赫兹调制器26。对于通信系统研究上，与 2007 年法国 S.Barbieri 等人采用的方式类似，2008 年底我国中科院上海微系统所，以曹俊诚教授为核心的THz 研究组在 4.1THz 频率实现了基于太赫兹量子级联激光器（THz?QCL）和太赫兹量子探测器（THz

38、-QWP）的无线通信演示，并利用该通信系统成功演示了文件传输，并与 2012 年进一步实现了视频的传输，但同样 THz-QCL 需要工作在低温，载频 4.1THz 也不是太赫兹的大气窗口，在大气中的传输衰减率很大，只能实现非常近距离的无线通信。电子科技大学基于电磁超材料制备出电控和光控的太赫兹调制器件，调制幅度达到 50%，并成功演示了利用返波管 BWO 系统在0.1-0.15THz 频段进行的 0.2Kb/s 的光控太赫兹通信实验。更进一步，2012 年 6 月，电子科技大学与湖南大学联合，基于光控和电控结合的方式完成了 THz 无线通信系统设计与测试，采用载波 0.11THz 的太赫兹波，

39、实现了 11Gb/s 的通信速率，为今后的太赫兹无线通信研究开辟了良好道路27。2011 年，中国工程物理研究院在 0.14THz 频段实现了 10 Gbit/s的 16 QAM 信号无线通信，同时进行 4 路 HDTV 信号的实时传输与解调，传输距离达到 500 m。2014 年，中国工程物理研究院使用纯电子器件方式实现了国内首个 50 m 视距信道下的 0.34 THz 数据链路，能实时调制和解调 3 Gbit/s 的数据。研究人员同时基于该链路提出了基于 IEEE 802.11b/g 协议的 0.34 THz 无线局域网的通信协议，是 THz 波用在 WLAN 中可行性的初步验证。中国工

40、程物理研究院实现了 0.14 THz OOK 通信系统，达到 15 Gbit/s 的传输速率，系统调制解调可用模拟器件直接完成，并结合高阶 QAM 调制、谐波混频以及级联放大技术。同 OOK 调制方式相比，频谱利用率高，可用先进数字信号处理技术进行信道估计与均衡。2017 年，电子科技大学陈哲博士报道了一个 220GHz 无线通信系统。其通过突破太赫兹分谐波混频器和倍频器的关键性技术，在室外200 米的传输距离下，利用 QPSK 的调制方式，实现了 3.52Gbit/s 的通信速率。复旦大学课题组在太赫兹通信方面也取得了许多进展。在信号源的产生方面，2017 年，实现了基于平衡预编码光学四倍频

41、技术的 D波段矢量 QPSK 毫米波产生，这是首次在不使用光学滤波器的情况下使用一个马赫曾德尔调制器产生 D 波段矢量毫米波。在调制格式方面，于 2017 年研究了在太赫兹系统中使用概率整形调制的 16 QAM信号传输，结果显示，与传统的等概率分布 16 QAM 相比，概率整形能带来较大的误比特率改善，提升系统性能。使用 MIMO 系统、多载波以及偏振复用等技术都能使系统速率大幅提升。于 2017 年实现了首个多载波 22 MIMO THz 链路，能传输 6 路 20 Gbit/s 的 PDM?QPSK 信号，在多载波 MIMO 太赫兹通信的领域有了新的进展，在高速通信方面，使用概率整形、奈奎

42、斯特整形、查找表等先进数字信号处理技术，能显著提升系统性能。实现 D 波段光子辅助矢量毫米波信号的无线传输，能够在 3.1 m 的无线距离上同时传输两路 PS-64QAM调制的毫米波信号，净速率达到 1.056 Tbit/s，该成果是目前世界上THz 通信系统的最高速率3. 太赫兹通信关键技术3.1 太赫兹源太赫兹波位于毫米波波段与红外光波段之间，代表了从经典机制传输理论到量子机制体传输理论的重要转变。作为微波电子学和光学领域的过渡区，太赫兹波在无线通信应用方面有着很多独特的性质，然而由于缺乏稳定的大功率太赫兹信号发射源，太赫兹领域的发展至今一直很缓慢。大功率 THz 波发射源依旧相当缺乏33

43、。（1）半导体太赫兹波辐射源半导体太赫兹波辐射源一般体积小、可调谐、使用方便。较为常见的有 Impatt、Gun 振荡器、共振隧道二极管(RTD) 及量子级联激光器( QCL) 等。其中，QCL 以异结构半导体(Ga As/AIGa As) 的导带中的次能级间的跃迁为基础，利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转的一种激光器，是正在研究的重点器件。1994 年，Federico Capasso等人率先发明 QCL。2000 年，中国率先研制出 5 至 8 微米波段半导体 QCL。2002 年，意大利和英国研制出了 4.4 THz、2 mW(温度 8 K)的 QCL。此后，逐渐降低频率，提升了脉冲的

44、功率。2004 年，美国研制的 QCL 达到了 2.1 THz、连续波功率 1 m W ( 温 度 93K) 、脉冲功率 20 m W。2005 年，美国研制出 137 K、200 m W 的 QCL。2007年，哈佛研发出 170 K、3 THz 的 QCL。2009 年，Kumar 等人研制出基于对角跃迁的 186 K、3.9 THz 的 QCL，峰值功率达 5 mw。2010年 8 月，美国和英国利用一种“超材料”研制成功新型太赫兹半导体激光器，使光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。中国科学院在“十五”期间研制了激射频率为 3.2 THz 的 QCL。2014 年 2 月17 日，

45、英国利兹大学开发出了世界上功率最大的太赫兹激光器芯片 QCL，输出功率超过了 1 W，比 2013 年维也纳团队的记录高出一倍以上。共振隧道二极管(RTD) 是通过量子共振隧穿效应工作的纳米器件，也是目前正在研究的关键器件之一。2013 年 12 月 16 日，日本开发出了可在室温下工作、基本振荡频率为 1.42 THz 的共振隧道二极管。（2）光学和光子学太赫兹辐射源该类辐射源主要是通过超短激光脉冲、红外光泵浦、非线性差频及参量过程等几种方式产生的。其中，利用超短激光脉冲产生辐射波是当前研究的重点，主要有两种方式：利用瞬时光电导。即在光电导的表面淀积金属，制成偶极天线电极，再利用飞秒激光照射

46、电极之间的光电导半导体材料，会瞬时在表面产生大量电子空穴对，形成光电流，进而产生太赫兹辐射；利用光整流。即利用电光晶体作为非线性介质，使超快激光脉冲进行二阶非线性光学过程或者高阶非线性光学过程来产生太赫兹电磁脉冲。目前已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的太赫兹激光源。如太赫兹光导天线、非线性差频、光整流、太赫兹参量振荡器和光学 Cherenkov 辐射和放大器( TPG，TPO，TPA) 等等。在采用光学技术获得的太赫兹源中，量子级联激光器（QCL）是被认为最有前途的固态太赫兹源。THz-QCL 有两个突出特点：首先，作为一种能级间的单极器件，它利用了电子在不同能级跃迁来辐射太赫兹

47、波；其次，QCL 采用级联结构，通常具有几十到几百个级联重复单元组成，激发出的电子在每个周期内重复跃迁释放能量，以此来提高器件整体输出功率。（3）真空电子学太赫兹波辐射源真空电子放大器具有大功率的特点，在 300GHz 频率段可以达到瓦级功率。太赫兹真空电子放大器的主要研制难点在于微细关键尺寸的精密加工，为此将创新性地采用微电子工艺和机械加工技术相结合的制造方法。此外，还应解决微细电子注的产生与传输、太赫兹信号的高效率输入/输出、放大器内部真空环境的维持等一系列技术问题。真空电子学太赫兹波辐射源主要包括:相对论电子器件、太赫兹纳米速调管、太赫兹回旋管、太赫兹返波振荡器(BWO)、扩展互作用振荡

48、器(EIO)以及单行载流子光电二极管(UTCPD)。1) 相对论电子器件。主要包括:自由电子激光器(FEL)、等离子体尾场契伦科夫辐射和储存环太赫兹辐射源。其中，FEL 的频谱连续可调、范围广、峰值功率及平均功率较大、相干性好。2012 年 1 月，美国利用 l MeV 静电加速器的 FEL，在 2 mm 到 500 微米，0.156 THz，产生 1kw 的准连续波。储存环太赫兹辐射源，可产生 0.0330THz 的太赫兹波，亮度超过现有辐射源 9 个数量级。2) 太赫兹波纳米速调管。该器件将微电子加工技术、纳米技术和真空电子器件技术融合在一起，能产生毫瓦级的输出功率，电压低，不需要磁场，具

49、有低色散、长工作寿命等特点。目前，美国研制出频率为 0.33.0 THz，当工作电压为 500 V 时，连续波输出功率可高达50 m W 的纳米速调管。3) 太赫兹回旋管。回旋管是快波器件，能在很高的频率下产生高脉冲功率，可达到千瓦级，平均功率也较高。美国海军研制出具有超高磁场（16.6T）的太赫兹回旋管振荡器，工作频率为 5001 000 GHz，输出功率数百瓦。日本 Fukui 大学研制出了 0.889 THz，输出功率达数万瓦的太赫兹回旋管。俄罗斯正在研制 1 THz 的回旋管，脉宽 100s，脉冲磁场 40 T，电流 5 A，电压 30 k V，输出功率可达 10 k W。我国成都电子

50、科技大学分别于 2008 年和 2009 年在国内首次成功研制了 0.22 THz 脉冲功率大于 2 k W 的一次谐波和 0.42 THz 脉冲功率千瓦级二次谐波 THz 回旋管。4) 太赫兹返波振荡器( BWO)。BWO 是一种经典电真空微波源慢波器件。俄罗斯研制的 BWO 可以产生 1801 110 GHz、输出功率 350 m W 的电磁辐射。美国 NASA 正在开发工作频率 300 GHz1.5 THz 的 BWO。5) 扩展互作用振荡器(EIO)。CPI 公司于 2007 年研制出 220 GHz的 EIO，电压 1 k V，电流 105 A，平均功率 6 W，具有 2%的机械调谐

51、，重量不超过 3 kg。德国 FGAN 公司研制出了 220 GHz、脉冲功率35 W、占空比 0.005%的 EIO。6) 单行载流子光电二极管 (UTC-PD)。2004 年，研制成功以单行电子作为活性载流子的新型光电二极管，具有高速度和高饱和输出特性，输出功率为 2.6W，频率 1.04 THz，适合在 10 Gb /s 的 THz无线通信中应用。3.2 太赫兹调制技术高效、可靠的调制技术是高传输速率和低误码率的保证。THz 波用于通信可以获得 10GB/s 的无线传输速度，这比当前的超宽带技术还要快几百到一千倍。如此高的传输速度对调制技术要求很高。由于通信系统位于外层空间，因此信道的自

52、由空间部分无起伏衰落现象。只引入白高斯噪声，呈现恒参信道的特征。因此，在空间通信系统中，根据调制方式的不同，对模拟调制和数字调制分别有如下要求：模拟调制要求可以增加系统的传输带宽。提高系统的传输容量，同时有利于改善传输质量。数字调制应选择尽可能少地占用频带，而又能高效利用有限频带资源，抗衰落和干扰性能强的调制技术；采用的调制信号的旁瓣应较小，以减少相邻通道之间的干扰.同时在太赫兹通信系统中，调制器作为关键器件之一备受关注。由于太赫兹频段的特殊性，现有的微波段调制技术在太赫兹波段都无法发挥作用，应用于光波段的调制技术和调制器也不能应用于 THz波段。因而采用新型电子材料及结构设计，研制出高速宽带

53、太赫兹波调制器，成为了 THz 调制器的必备途径。近年来随着越来越多的材料被投入到 THz 调制器件研发中，THz 调制器也快速发展着，出现了光子晶体、超材料、相变材料、HEMT 结构、石墨烯等类型 THz 调制器，它们都在各自方面展现了对太赫兹波调制的性能。2003 年，Kersting 等人利用 AIGa As / Ga As 量子阱实现低温环境下的太赫兹波信号的相位调制；2005 年 Liu 等人通过低温生长的Ga As 制成偶极子天线制成中心频率在 0.30.4 THz、100 cm、系统带宽 20 k Hz 的调制解调器。2006 年 Chen 等人利用周期结构的人工复合媒质，实现电

54、压幅度调制，幅度调制率达到 50%。2009 年，H.T.Chen 等提出了线性电控超材料相位调制器，外加 16 V 偏压时，在 0.81 THz 频点处，材料透射系数由无外加偏压时的 0.56 下降到0.25，透射振幅下降了 50% ，在 0.89 THz 频点处，可实现/6 的相移。2012 年 11 月，诺特丹大学研发了用石墨烯设计的宽带太赫兹波调制器，可以在很大的频率范围内调制太赫兹波，处理能力是之前的太赫兹宽带调制器的两倍多。目前，美国正尝试利用电磁波代替电流信号制造新型太赫兹波信号调制器，期望传输速率达到每秒万亿字节，比目前的电流调制系统快 100 倍。2000 年美国 Renss

55、elaer 大学R.Kersting 等人利用 Ga As/Al Ga As 设计太赫兹波相位调制器，但该调制器调制速率低，并且需要在 10K 低温下运行。2004 年，德国Braunschweig 大学进行了可以在室温下工作的新型半导体太赫兹波调制器研究。该调制器调制深度约为 3%。2004 年日本的 NTT 公司对半导体太赫兹波调制器进行了深入的研究，该调制器具有低电压、小尺寸、快速工作的特点，该研究成果已经申请了美国专利（PatentNo.：US7355778B2）。2008 年美国的 MIT 对半导体基的宽带调制器进行了研究，该调制器能在高电压条件下工作，其研究成果已经申请了专利（Pa

56、tent No.：US7680383B1）。2007 年，捷克 L.Fekete 采用光控一维光子晶体实现了太赫兹波调制器，响应速率接近 330ps，但是只有很小的调制深度。美国 Los Alamos 国家实验室 H.T.Chen 等人于 2006 年提出的基于超材料的太赫兹波调制器构想，2008 年实现了用电场控制亚波长金属孔阵列结构来调制太赫兹波，获得调制深度为52%的太赫兹波调制器，该有源超材料的太赫兹波调制器已经申请了美国的发明专利（专利号：US7826504B2，US7826504B2）。但是该调制器受到自身电极结构电容的影响，最大调制速率只有几 Kbps，离实用还有一定的距离。20

57、08 年，丹麦 D.G.Cooke 利用光激励镀膜硅平板波导结构观测到了对太赫兹波的调制，调制深度达到 70%。2009年德国 Kaiserslautern 大学 O.Paul 等人采用电压控制超材料阵列获得调制速率100kbps太赫兹波调制器，但是调制深度仅为36%。2011年，美国 Willie J.padilla 教授采用高电子迁移率晶体管（HEMT）和电磁超材料结合，实现了调制速率高达 10MHz 的 HEMT 型 THz 调制器，但该调制器一方面工艺复杂成本高，另一方面实现的调制深度不超过30%，且只能在 0.46THz 频点工作，大大限制了其实际应用。3.3 太赫兹波信号探测技术T

58、Hz 空间通信系统中，特别是高频段，由于波束较小，接收端接收到的信号比较微弱，又加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端信噪比 S/N 1。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面的措施，一是提高接收端的灵敏度，达到 n W p W 量级；其次是对所有接收信号进行处理，在电信道上采用微弱信号检测与处理技术。1) 传统探测技术基于传统手段的探测技术主要有超导混频技术(SIS)、热电子测热电阻(HEB)混频技术和肖特基势垒二极管(SBD)技术。SI 探测频率约为 0.11.2 THz，需在液氦温度下工作。HEB 主要用于探测 1 THz以上的辐射信号，最高探测频率达 5 THz，噪声温

59、度约为量子极限的10 倍。目前，SBD 技术运用的比较广泛，可用在 4300 K 温度内的直接式探测器，也可用作外差式接收单元混频器的非线性元件。2012年11月，中国研制出截止频率达到3.37 THz的太赫兹肖特基二极管。2) 时域光谱探测技术目前研究的时域光谱探测技术主要包括：光电导相干探测技术，使用光电导半导体天线进行接收，利用探测光在半导体上产生的光电流与太赫兹驱动电场成正比的特性，测量太赫兹波的瞬间电场；电光探测技术；即将钛宝石激光器提供的飞秒脉宽激光脉冲分成两束，一束较强的激光束通过延迟成为泵浦光，激发发射器产生电磁波，另一束激光束作为探测光与太赫兹波脉冲汇合后同步通过电光晶体，把

60、太赫兹波在电光晶体上引起的折射率变化转变成探测光强的变化，再用平衡二极管接收并输入锁相放大器，然后再经计算机进行处理和显示。3) 啁啾脉冲光谱仪探测技术该技术产生自传统的太赫兹互相关探测技术，克服了互相关技术中测量速度较慢的缺点，时间分辨率与信噪比较高。但是，由于该技术中的光谱仪引入了傅立叶变换，在时间分辨率上有限制，使太赫兹时间波形发生了畸变。4) 量子阱探测器( QWP)QWP 是应用在太赫兹波段的一种新型量子阱红外光电探测器，是基于带内光致激发，将导带阱内的束缚态电子激发到连续态。它一般采用 Ga As/AIGa As 材料，具有较强的光谱分辨率，是一种窄带探测器。5) 光电导取样技术光