摘要：太赫茲通信是未來移動通信（Beyond 5G）中極具優(yōu)勢的技術(shù)途徑，也是空間信息網(wǎng)絡(luò)高速傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段，具有軍民融合、協(xié)同發(fā)展的應用前景。中國太赫茲高速無線通信關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了重要突破，與世界技術(shù)水平基本同步。因此，進一步加大力度發(fā)展太赫茲高速通信技術(shù)，對于中國引領(lǐng)國際高速無線通信技術(shù)發(fā)展和未來移動通信標準化進程具有重要的戰(zhàn)略意義。

關(guān)鍵詞：太赫茲通信；未來移動通信；Beyond 5G

1 太赫茲通信技術(shù)是下一代高速無線通信的核心技術(shù)

太赫茲波段（THz）是指頻率在0.1～10 THz 范圍內(nèi)的電磁波，頻率介于微波和紅外波段之間，兼有微波和光波的特性，具有低量子能量、大帶寬、良好的穿透性等特點，是大容量數(shù)據(jù)實時無線傳輸最有效的技術(shù)手段。太赫茲通信與微波通信相比，帶寬大，信息傳輸容量高；載波頻率高，能夠有效穿透等離子體鞘套；波長短，易于實現(xiàn)小型化。與激光通信相比，其波束寬度適中，對平臺穩(wěn)定度和跟瞄要求較低。大氣對太赫茲波的吸收較強，有利于實現(xiàn)空間保密通信。

太赫茲通信技術(shù)在高速無線通信領(lǐng)域具備了明顯的技術(shù)優(yōu)勢：

（1）頻譜資源寬，太赫茲高速無線通信可選利用的頻率資源豐富。
（2）高速數(shù)據(jù)傳輸能力強，具備100 Gbit/s 以上高速數(shù)據(jù)傳輸能力。
（3）通信跟蹤捕獲能力強，靈活可控的多波束通信，為太赫茲通信在空間組網(wǎng)通信中提供更好的跟蹤捕獲能力。
（4）抗干擾/抗截獲能力強，太赫茲波傳播的方向性好、波束窄，偵查難度大；太赫茲信號的激勵和接收難度大，具有更好的保密性和抗干擾的能力。
（5）克服臨近空間通信黑障的能力強，能有效穿透等離子體鞘套，可以為臨近空間高速飛行器的測控提供通信手段。

近年來，無線通信正面臨有限頻譜資源和迅速增長的高速業(yè)務需求的矛盾，傳統(tǒng)頻譜資源幾乎耗盡。各種高速需求不斷涌現(xiàn)，如目前已商用的二維全高清電視信號（Full-HD）的無壓縮數(shù)據(jù)率為3.56 Gbit/s，更高分辨率的二維4K 高清電視信號速率是6 Gbit/s；而三維電視信號的速率為上述二維信號的2 倍，即3D-Full-HD 為7.12 Gbit/s，3D-4K 為12 Gbit/s。更有甚者，目前正在研發(fā)的超高清電視（S-HDTV）可能的數(shù)據(jù)率將可達到24 Gbit/s。隨著用戶對業(yè)務質(zhì)量要求越來越高，無壓縮或壓縮率低的高清電視信號的傳送也逐漸增多。如此高速率的數(shù)據(jù)傳輸目前主要依賴于光纖通信，但在一些臨時的需要移動的場合，光纖通信就不太能勝任。例如：3D-Full-HD 體育賽事直播，攝像機的位置需要經(jīng)常變動，因此需要實現(xiàn)從攝像機到電視制作中心的超高速視頻信號的機動傳送。這樣的場合很難臨時鋪設(shè)光纖線路，而傳統(tǒng)的微波點對點通信設(shè)備又不能支持幾吉比特每秒甚至幾十吉比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。在下一代的高速通信網(wǎng)中，對高速的點對點無線通信鏈路將具有極大的需求。

2 太赫茲通信技術(shù)已經(jīng)成為科技強國竟相搶占的技術(shù)制高點

隨著電磁空間競爭日趨白熱化，電磁頻譜已成為一種極重要的戰(zhàn)略資源，而太赫茲波是電磁空間唯一亟待開發(fā)利用的頻譜資源，因此世界各國高度關(guān)注重視。此外，現(xiàn)有的無線通信技術(shù)已難以滿足多功能、大容量無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，迫切需要發(fā)展新一代高速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，發(fā)展天地一體化的高速信息網(wǎng)絡(luò)。因此，太赫茲高速通信技術(shù)成為了目前世界各科技強國爭先搶占的科學技術(shù)制高點。

美國認為：太赫茲科學是改變未來世界的十大科學技術(shù)之一，陸?？杖帧⒛茉床俊铱茖W基金會等政府機構(gòu)給予了大力支持，設(shè)立了太赫茲高速無線通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相關(guān)計劃。美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了名為THOR 的研究計劃（該計劃包含研發(fā)和評估一系列可用于移動的Ad-Hoe 自由空間通信系統(tǒng)的技術(shù)），并投入大量經(jīng)費研制0.1～1 THz 頻段太赫茲通信關(guān)鍵器件和系統(tǒng)；2013 年提出了100 Gbit/s骨干網(wǎng)計劃，致力于開發(fā)機載通信鏈路實現(xiàn)大容量遠距離無線通信，2015年美國預計其通信衛(wèi)星將可能具備10 Gbit/s 量級的傳輸速率，2020 年將具備50 Gbit/s 以上的傳輸速率。

歐盟第5—7 框架計劃中啟動了一系列跨國太赫茲研究項目，包括以英國劍橋大學為牽頭單位的WANTED 計劃、THz-Bridge 計劃，歐洲太空總署啟動的大型太赫茲Star-Tiger 計劃。2017 年歐盟已經(jīng)正式布局6G 通信技術(shù)，目前已初步定位于進一步的增強型移動寬帶，峰值數(shù)據(jù)速率要大于100 Gbit/s，計劃采用高于0.275 THz 以上的太赫茲頻段，并且歐盟準備在2019 年的世界無線電通信大會上要求把0.275 THz 以上的太赫茲頻段確認用于移動及固定服務。

日本政府將太赫茲技術(shù)列為未來10 年科技戰(zhàn)略規(guī)劃10 項重大關(guān)鍵科學技術(shù)之首。日本電報電話公司（NTT）早在2006 年在國際上首次研制出0.12 THz 無線通信樣機，并于2008 年成功用于高清轉(zhuǎn)播，目前正在全力研究0.5～0.6 THz 高速率大容量無線通信系統(tǒng)。日本總務省規(guī)劃將在2020 年東京奧運會上采用太赫茲通信系統(tǒng)實現(xiàn)100 Gbit/s 高速無線局域網(wǎng)服務。

2013 年7 月太赫茲通信國際標準小組將802.15 IGthz 升級為SGthz，可見太赫茲科學技術(shù)的研究已在全球范圍內(nèi)全面性地展開并得到了高度重視。

3 全球太赫茲通信技術(shù)發(fā)展趨勢

自2006年日本分別實現(xiàn)120 GHz、10 Gbit/s 通信演示系統(tǒng)（被喻為“ 無線通信標志性成果”）以來，太赫茲通信得到了快速發(fā)展，已經(jīng)成為全球各國的研究熱點。已有多家機構(gòu)開展了相應研究，包括德國固態(tài)物理研究所（IAF）、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）、Braunschweig 大學、日本NTT、美國貝爾實驗室、加拿大多倫多大學、法國IEMN、美國Asyrmatos 通信系統(tǒng)公司等。縱觀近幾年來太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展歷程及成果，它正逐步向更高速率、更高大氣窗口頻率以及低功耗與小型集成化和實用化方向發(fā)展。目前，太赫茲通信技術(shù)形成了基于微波光子學的光電結(jié)合方式、全固態(tài)混頻電子學方式、直接調(diào)制方式這3 類針對不同的應用場景并行發(fā)展的態(tài)勢。

采用光電結(jié)合方式的太赫茲通信技術(shù)是較早發(fā)展的太赫茲通信系統(tǒng)方案，該方案需要2 個窄線寬的鎖模激光器，利用光學外差法并通過單行載流子光電二極管（UTC-PD）轉(zhuǎn)化成太赫茲信號，其調(diào)制方式是基于光學的馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）的高速調(diào)制器，不僅可以實現(xiàn)幅移鍵控（ASK）和二進制啟閉鍵控（OOK）二元調(diào)制，而且可以實現(xiàn)多進制正交幅度調(diào)制（MQAM）、多進制數(shù)字相位調(diào)制（MPSK）多元調(diào)制^[1-2]。

日本早在2006 年，在載波頻率為0.12 THz 的單路通信系統(tǒng)中，通信速率達到10 Gbit/s ^[3]；在2010 年，日本NTT 已研發(fā)出0.25 THz 室內(nèi)通信實驗系統(tǒng)，它的通信距離是0.5 m，通信速率已實現(xiàn)8 Gbit/s。

近些年來，微波光子學中光電結(jié)合方式的太赫茲通信不斷朝著超高速率方向發(fā)展，例如：2014 年法國國家科學研究院采用微波光子學的方法研制了在400 GHz 數(shù)據(jù)速率上高達46 Gbit/s 的THz 無線傳輸系統(tǒng)^[4]；2015年都柏林城市大學和倫敦大學采用光梳狀源實現(xiàn)了微波光子學方式的多載波太赫茲通信系統(tǒng)，進行了三載波10 Gbit/s 的正交相移鍵控（QPSK）太赫茲無線通信傳輸^[5]。該系統(tǒng)優(yōu)勢在于：傳輸速率高，帶寬利用率高；但是由于發(fā)射功率僅為微瓦級，并且系統(tǒng)體積和能耗均較高，雖然在地面短距離高速通信方面有優(yōu)勢，但難以適合應用于遠距離空間信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

全固態(tài)混頻電子學方式的太赫茲通信系統(tǒng)是利用混頻器將基帶或中頻調(diào)制信號搬移到太赫茲頻段。由于采用全電子學的混頻器、倍頻器等，射頻前端易于集成和小型化。

NTT 應用該系統(tǒng)在2008 年北京奧運會上進行了Full-HD 信號的傳送，該系統(tǒng)可實現(xiàn)最大通信距離達3～4 km，其全電子系統(tǒng)可實現(xiàn)的通信距離為2 km。2009 年，系統(tǒng)中所有的光激性器件均換成了InP HEMT MMICs，該系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11.1 Gbit/s，從而實現(xiàn)了大于800 m、10 Gbit/s 信號的無誤傳輸。

2010 年，NTT 實驗室再次對該系統(tǒng)進行改進，新系統(tǒng)將抑制震蕩的電阻片替換成新型鰭線正交模態(tài)收發(fā)轉(zhuǎn)換器（OMT），并通過減小鰭線長度來實現(xiàn)對震蕩的抑制。由于鰭線OMT 的使用，新的雙向通信系統(tǒng)實現(xiàn)了10 Gbit/s 的雙向數(shù)據(jù)傳輸率以及20 Gbit/s 的單向數(shù)據(jù)傳輸率。

2011 年，德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（IAF）、卡爾斯魯厄理工學院（KIT）搭建了一套0.22 THz 無線通信演示系統(tǒng)^[7]，具體如圖1 所示。在輸出功率約為1.4 mW，采用16/64/128/256 正交幅度調(diào)制QAM、OOK 等調(diào)制方式時，實現(xiàn)12.5 Gbit/s、傳輸距離2 m 的通信演示實驗，并完成太赫茲波在純凈大氣、大雨和大霧天的衰減測試。2012 年，他們對該系統(tǒng)進行了適當?shù)南盗懈倪M，實現(xiàn)了15 Gbit/s、20 m 和25 Gbit/s、10 m 的通信演示實驗^[8-9]。2013 年，該研究所實現(xiàn)傳輸速率40 Gbit/s、通信距離1 km的無線通信世界新紀錄，并在容量上實現(xiàn)了與光纖的無縫連接^[10]。

▲圖1 德國卡爾斯魯厄理工學院研制的太赫茲通信系統(tǒng)^[14]

2015 年，加利福尼亞大學設(shè)計了一個非相干的140 GHz 收發(fā)器和一個采用65 nm 互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)的太赫茲發(fā)生器，集成了數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbit/s 的太赫茲通信系統(tǒng)^[11]。同年，加州大學伯克利分校采用65 nm CMOS 技術(shù)設(shè)計了一個240 GHz 的收發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)了10 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達16 Gbit/s ^[12]。

2015 年，圣何塞州立大學采用了40 nm CMOS 的技術(shù)集成了210 GHzOOK 調(diào)制方式的無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了無差錯的偽隨機數(shù)據(jù)在1 cm 范圍內(nèi)的傳輸，傳輸速率為10.7 Gbit/s ^[13]。2016 年，德國伍珀塔爾大學提出了一種工作在240 GHz 的、全集成式直接轉(zhuǎn)換正交發(fā)射機和接收機芯片組，該芯片組采用0.13 μm SiGe 雙極CMOS 工藝，最高通信速率可達到2.73 Gbit/s^[14]。

目前，該方式太赫茲通信系統(tǒng)具有體積小、易集成、功耗低的特點，不足之處在于本振源經(jīng)過多次倍頻后相噪惡化，且變頻損耗大，載波信號的輸出功率在微瓦級，因此該類系統(tǒng)需要進一步發(fā)展高增益寬頻帶功率放大器以提高發(fā)射功率。

基于直接調(diào)制方式的太赫茲通信系統(tǒng)是近年來隨著太赫茲調(diào)制器速率突破衍生發(fā)展的新一類通信系統(tǒng)^[15-18]。這種通信方案的核心關(guān)鍵技術(shù)為高速調(diào)制器，需要實現(xiàn)太赫茲波幅度或相位德直接調(diào)制，其優(yōu)勢在于易于集成、體積小、靈活性大，可隨意選擇載波頻率、太赫茲源功率，是可搭配中高功率太赫茲源實現(xiàn)10 mW以上功率輸出的通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)中遠距離無線通信；不足之處在于目前太赫茲直接調(diào)制器還在研究中，還未突破10 Gbit/s 以上的太赫茲直接調(diào)制器。目前中國的電子科技大學已經(jīng)掌握了該技術(shù)的核心方案，在國際上首次突破1 Gbit/s 的太赫茲直接調(diào)制器。

4 中國太赫茲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

中國政府各級部門十分重視太赫茲科學技術(shù)的發(fā)展，多個部委設(shè)立了太赫茲的相關(guān)研究計劃。在國家的支持下，通過10 余年的發(fā)展，中國已經(jīng)形成了一支以高校、科研院所為主體的太赫茲技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)隊伍。在太赫茲通信技術(shù)的方向上，電子科技大學等多家單位取得了較為突出的成果。

2015—2016 年間，電子科技大學研制出了中國首套地面實時傳輸裸眼3D 業(yè)務的太赫茲通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作頻率為0.22 THz，并基于QPSK直接調(diào)制解調(diào)的方式，調(diào)制解調(diào)器采用0.22 THz 分諧波混頻器，基帶信號由碼型發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)混頻器中頻端口饋入，調(diào)制到0.22 THz 載波頻率后通過喇叭天線發(fā)射，已調(diào)信號經(jīng)接收端混頻器相干解調(diào)后送至誤碼分析儀進行誤碼分析。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)10 Gbit/s 實時高速數(shù)據(jù)通信，有較好的誤碼性能^[19]，平均誤碼率小于10^-6 。該系統(tǒng)目前采用相干接收技術(shù)和大口徑天線已實現(xiàn)了0.2 km 距離傳輸，為高速中遠距離無線通信打下了重要基礎(chǔ)。

2016 年，電子科技大學率先在國際上研制出了首套直接調(diào)制方式的太赫茲通信系統(tǒng)，并實現(xiàn)了千米級高清視頻傳輸。該系統(tǒng)采用外部高速調(diào)制器直接對空間傳輸太赫茲信號進行調(diào)制，這種調(diào)制方式較現(xiàn)有的太赫茲通信方式，具有可靈活搭配中高功率太赫茲輻射源實現(xiàn)遠距離通信的優(yōu)點，有效突破了目前太赫茲通信系統(tǒng)中承載發(fā)射功率過低的問題。目前，該系統(tǒng)實現(xiàn)了0.34 THz 工作頻率吉比特每秒的高清視頻業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸。

另外，湖南大學在100 GHz 頻段，用基于光電結(jié)合的方式實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)通信。發(fā)射端采用光電二極管產(chǎn)生100 GHz 高頻載波，接收端通過分諧波混頻器進行相干解調(diào)，實現(xiàn)了速率達6 Gbit/s 的通信。上海微系統(tǒng)所采用量子級聯(lián)激光器已實現(xiàn)了3.1 THz、傳輸速率為100 Mbit/s 的演示系統(tǒng)。

系列性的成果為中國太赫茲通信技術(shù)積累了良好的核心元器件技術(shù)和系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也為空間太赫茲測控技術(shù)的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

隨著其他各國對太赫茲技術(shù)的加大投入，使得中國太赫茲通信技術(shù)發(fā)展面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，例如：歐盟2017 年成立的由德國、希臘、芬蘭、葡萄牙、英國等跨國TERRANOVA 計劃，明確提出研發(fā)超高速太赫茲創(chuàng)新無線通信技術(shù)。

5 發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)太赫茲通信技術(shù)建議及思考

（1）大力發(fā)展高性能太赫茲核心芯片和器件

太赫茲通信技術(shù)是一個跨學科、跨專業(yè)的復合型技術(shù)領(lǐng)域，不僅需要通信技術(shù)的發(fā)展和突破，還需要高性能器件做支撐。因此，發(fā)展太赫茲通信技術(shù)必須要突破高性能器件技術(shù)，這亟需政府在研發(fā)上加大支持力度。特別是要在大功率GaN 太赫茲二極管的制備、大功率太赫茲固態(tài)電子放大器、高效率太赫茲倍頻器、混頻器、高速高效太赫茲調(diào)制器、高增益太赫茲天線、高靈敏太赫茲相干接收器件以及太赫茲高速基帶等研究方向上加大投入，爭取盡快取得突破，解決當前發(fā)展瓶頸。建議設(shè)立太赫茲通信關(guān)鍵器件的研究專項，重點支持高性能太赫茲固態(tài)電子學信號源、太赫茲放大器、太赫茲調(diào)制器、太赫茲接收器件等的研制，以盡快提高中國太赫茲通信技術(shù)核心元器件的研究水平，確保太赫茲高速無線通信系統(tǒng)元器件的自在可控。

（2）構(gòu)建全國開放的高性能太赫茲通信技術(shù)測試平臺和大型全國性研究發(fā)展計劃

高性能太赫茲通信技術(shù)測試平臺對于太赫茲通信用器件的測試、聯(lián)試，對于發(fā)展太赫茲通信技術(shù)至關(guān)重要。然而，太赫茲測試設(shè)備價格昂貴，太赫茲通信系統(tǒng)的集成和聯(lián)試又需要多臺設(shè)備并行使用，單一研究單位難以搭建全面、高性能的測試平臺。建議建立全國性的、開放的高性能太赫茲通信技術(shù)測試平臺，形成完整的測試設(shè)備鏈路，為太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展提供保障。

（3）立項國家重大科研計劃支持太赫茲通信技術(shù)和系統(tǒng)研究

中國多個部委都設(shè)立了與太赫茲通信技術(shù)相關(guān)的項目，但是支持力度仍遠低于發(fā)達國家。針對目前中國太赫茲通信技術(shù)現(xiàn)有的發(fā)展水平與能力，建議由國家科技部門牽頭設(shè)立一個大型的全國性太赫茲通信技術(shù)研究計劃，進一步加大投入力度，中國將極有可能在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，趕超國際先進水平。

6 結(jié)束語

太赫茲通信具有高速數(shù)據(jù)無線傳輸能力、強通信跟蹤捕獲能力、高保密性等優(yōu)點，是發(fā)展未來Beyond 5G 大容量數(shù)據(jù)最重要技術(shù)手段，是推動、發(fā)展新一代高速大容量無線通信的重要基礎(chǔ)，對于發(fā)展中國先進科學技術(shù)，提升中國科技創(chuàng)新能力具有重大的戰(zhàn)略意義。

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作者：陳智、張雅鑫、李少謙，電子科技大學

來源：中興通訊技術(shù)

作者簡介

陳智，電子科技大學教授、博士生導師；主要從事太赫茲通信、無線與移動通信的研究工作。

李少謙，電子科技大學教授、博導，IEEE Fellow，通信抗干擾技術(shù)國家重點實驗室主任，國家新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)重大專項總體組成員，國家“863”計劃5G 重大項目總體組成員，國家“973”計劃咨詢專家組成員，國家通信與網(wǎng)絡(luò)重點研發(fā)計劃專家組成員，工信部通信科技委委員；主要研究方向為無線與移動通信技術(shù)；主持完成了30 余項國家級科研項目，獲國家、國防和省部級科技獎7 次；獲專利授權(quán)50 余項，發(fā)表論文100 余篇，出版專著多部。

張雅鑫，電子科技大學教授、博士生導師；主要從事太赫茲調(diào)制和射頻器件的研究工作。