太赫兹无线和有线融合通信技术的研究与展望

随着5G的移动互联及物联网相交织等新型业务的蓬勃发展,对未来通信系统传输容量、传输速度以及误码率等要求愈来愈高。介于毫米波与远红外光之间的太赫兹频段兼有微波和光波的特性,具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性。近年来太赫兹通信系统成为研究热点之一,但太赫兹无线通信存在视距传播以及较大路径损耗缺点,太赫兹无线和有线融合传输则兼具两者优点。本文分析了光子太赫兹信号产生、光子太赫兹无线链路传输和光子太赫兹光纤链路传输过程中涉及的器件和技术,重点介绍了太赫兹有线传输的研究现状,并通过基于强度调制直接检测实现1.485 GBaud 350 GHz的1 m太赫兹光纤有线实时传输视频实验,展现了太赫兹有线传输巨大的发展潜力。     

一种多带非相干光子太赫兹通信系统中的SSBI抑制技术

光子太赫兹通信具有大带宽、低传输损耗等优势，故成为6G超高速无线通信的研究热点。由于极低的用户端复杂性和成本，基于非相干的包络检波太赫兹接收技术备受关注。提出了一种多带非相干光子太赫兹通信系统。通过多带自适应调制，实现高性能太赫兹点对多点覆盖传输；此外，通过光域自适应滤波，抑制非相干包络检波时多带之间的信号-信号拍频串扰，实现每个子带信号的低算法复杂度和低功耗接收。实验中，根据系统的传输响应，3个子带分别使用5.75 G Baud 64QAM、16QAM和4QAM的自适应调制方式；再通过自适应单边带光滤波，接收端仅使用最小均方均衡算法即成功实现了300 GHz频段多带太赫兹信号的2 m无线传输。     

太赫兹信道测量研究与实测结果分析

太赫兹通信技术是下一代无线通信的关键技术之一。相较于5G的毫米波频段,太赫兹频段的电磁波波长更短、波束更窄、抗捕获能力和抗干扰能力更强。但另一方面,更高的频率意味着更大的衰减。在太赫兹频段,传播距离相较于毫米波进一步缩短,需要对太赫兹频段的无线传播环境进行测量与建模,作为评估太赫兹通信技术的基础。罗德与施瓦茨公司在信道测量方面有着丰富的研究经验,为推动太赫兹频段信道测量的研究工作,介绍了太赫兹频段时域信道测量和频域信道测量的两种方法,并基于罗德与施瓦茨公司的信号源和频谱仪,分别在158、300 GHz频段对常见通信场景如城市街道峡谷、室内购物中心等进行了信道测量,并分析了信道冲激响应(Channel Impulse Response, CIR)。太赫兹技术已经在业内具有了一定研究基础,但仍有许多技术挑战亟待解决。通过对信道测量方法的介绍和对实测结果的分析,对太赫兹频段下的信道特征进行了研究与总结,为后续太赫兹相关领域的研究工作打下了基础。     

全电子的300 GHz太赫兹无线通信

太赫兹波作为一种新的高频段资源,有着更高的载波频率,可以承受更大的带宽和传输速率,成为新一代宽带通信中的研究热点。本文基于纯电子学器件成功搭建300 GHz的太赫兹无线通信系统,其发射机结构简单,复杂度相比光子辅助系统更低。进行了无线距离50 m和100 m的信号传输实验,对系统的传输性能进行了实验探究,验证了传输性能和传输速率、发送电压之间的关系。目前,在不使用功率放大器(PA)的情况下,100 m是全电子太赫兹无线传输系统能达到的最远距离。     

序 言——加强太赫兹科学技术基础和应用研究

太赫兹(Tera-Hertz,THz)波是指频率在0.1 THz~10 THz(波长在3 mm～30 μm)范围内的电磁波,该频段介于毫米波与远红外光之间,是一个人类尚未充分认知和利用的频段。同微波相比,亚太赫兹和太赫兹波具有高出l~4个数量级的带宽,同光波相比,太赫兹波具有更高的能量转换效率和烟雾穿透能力,因此太赫兹波作为通信和雷达的新手段,可以极大地提高通信系统的容量和雷达的分辨率,以及保密性和抗干扰抗截获性能等。太赫兹波具有比X射线更低的能级和对非金属材料的穿透性,可以广泛应用于医学成像、安检、材料检测与结构分析、特殊过程测量等领域。     

光子太赫兹通信技术

随着无线数据传输速率需求的爆炸式增长,太赫兹频段(0.1~10 THz)以其丰富的频谱资源备受关注。太赫兹光子学的通信技术因具有超宽带、调制效率高、谐波干扰小等技术优势,被公认可以极大地促进数据传输速率向Tbit/s发展。本文以光子太赫兹通信3个方面关键技术的综述分析为基础,包括光子太赫兹通信的收发器件、基带信号处理技术、系统架构与实验验证等,探讨光子太赫兹通信技术的发展趋势,并从宏观与微观尺度展望光子太赫兹通信的潜在应用场景。     

太赫兹频段星地通信信道建模与仿真

太赫兹频段作为至今尚未被完全开发的超高通信频段,具有超大带宽等优点,将其应用于第五代（the 5th Generation,5G）、后五代（Beyond 5G,B5G）移动通信系统,除实现更高速率传输外,还可实现地面移动网络与卫星网络频谱资源的共享,有利于推动新一代空天地一体化通信网络建设.文章提出了一种适用于星地通信系统的太赫兹信道建模与仿真方法,分析了自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、雨衰减及多普勒频移等太赫兹信道的影响因素,构建了星地太赫兹通信信道建模流程,并给出了分步骤信道参数的生成方法.通过数值仿真,对不同天气状况下传输距离和频率对传输信号的影响进行了分析,并基于所生成的信道响应对误码率进行评估,从而验证了所提出模型和方法的可用性.所提建模方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道响应数据,从而为今后太赫兹频段无线通信系统的设计与开发提供评估与测试依据.     

E波段倍频放大模块设计

E波段是毫米波中非常重要的频段,也是较为缺乏研究的频段.E波段可三倍频至亚毫米波频段,其中220 GHz是大气吸收窗口,具有非常重要的研究价值.基于此,文中设计了一款E波段倍频放大模块,为220 GHz太赫兹发射机提供三倍频源信号,该模块输入频率为11.1～13.34 GHz,输出频率为66.6～80 GHz,输入功率...     

序言——加强太赫兹科学技术基础和应用研究

太赫兹（Tera—Hertz,THz）波是指频率在0．1THz～10THz（波长在3mm～30μm）范同内的电磁波,该频段介于毫米波与远红外光之间,是一个人类尚未充分认知和利用的频段。同微波相比,亚太赫兹和太赫兹波具有高出1～4个数量级的带宽,同光波相比,太赫兹波具有更高的能量转换效率和炯雾穿透能力,因此太赫兹波作为通信和雷达的新手段,可以极大地提高通信系统的容量和雷达的分辨率,以及保密性和抗干扰抗截获性能等。太赫兹波具有比X射线更低的能级和对非金属材料的穿透性,可以广泛应用于医学成像、安检、材料检测与结构分析、特殊过程测量等领域。     

InP基RTD太赫兹振荡源及其应用研究进展

紧凑和相干的太赫兹源是太赫兹应用的关键组成,共振隧穿二极管(RTD)是目前振荡频率最高的电子学器件,RTD太赫兹振荡源具有结构紧凑、功耗低、室温工作、有一定输出功率、易集成、覆盖频率较宽等优点。InP基RTD太赫兹振荡源在600 GHz左右的频段内输出功率可达百微瓦量级,可见报道的最高振荡频率为1.92 THz,输出功率0.4 μW。RTD振荡源的输出功率可以通过偏置电压进行直接调制,使得其在高容量短距离的太赫兹通信系统中具有很大的优势。目前,InP基RTD太赫兹振荡源成为太赫兹源领域的研究热点。     

太赫兹 InP HEMTs 的神经网络建模方法

包含新技术、新材料的非传统器件的不断涌现使现有的模型已不能完全表征THz 器件的特性。而采用神经网络 建模的方法,可极大地提高建模的效率和精确度,解决一系列传统模型所无法解决的问题,是一种新型的CAD 建模方法。 本文采用神经网络空间映射的方法,在传统的粗模型的基础上对输入信号进行有效地修正,从而得到适合太赫兹器件的 精确模型,器件的截止频率Ft 和最高振荡频率Fmax 分别为220GHz 和310GHz。模型在直流IV 和1-110GHz 范围内的S 参数与测试结果吻合较好,比传统粗模型的精度有了较大的提高。     

太赫兹雷达直升机旋翼目标微动特性研究

直升机旋翼微动形成的微多普勒特征对于战场环境下直升机目标探测识别具有重要意义,掌握直升机旋翼的微动特性是雷达目标辨识的前提。太赫兹雷达波长短,多普勒效应显著,迫切需要掌握太赫兹频段旋翼目标微动特性。首先对偶数叶片和奇数叶片的螺旋桨目标进行建模,分别使用微波波段(3 GHz)与太赫兹波段(120 GHz,220 GHz)雷达对目标进行仿真分析,并从目标的回波信号特征出发提取多普勒频移信息,利用短时傅里叶变换进行时频分析,对比分析目标与雷达参数对其多普勒效应的影响及调制关系。仿真结果表明：在转速、视角以及直升机叶片长度均相同的情况下,太赫兹频段下的微多普勒效应比微波频段显著增强,多普勒曲线也更加清晰,叶片细节更加丰富。应用太赫兹雷达提取微多普勒信息能够为直升机目标识别提供重要特征。     

基于脊波导结构的太赫兹超宽带双工器设计

在射电天文领域,为了实现更宽频带内多谱线同时观测任务,要求太赫兹超导相干接收机向更宽带方向发展。针对下一代太赫兹超宽带接收机的应用需求,提出了一种频段覆盖180~ 420 GHz(相对带宽达87%)的超宽带脊波导双工器设计,主要包括：180~300 GHz频段和320~420 GHz频段宽带脊波导滤波器设计与变换;超宽带太赫兹多级耦合型脊波导双工器优化设计。仿真结果表明该结构能够在180~300 GHz和320~420 GHz频段双工工作,回波损耗整体优于15 dB,通道间隔离度达20 dB以上。     

基于方开环谐振器的双陷波超宽带滤波器

针对超宽带系统易受窄带信号干扰的问题,设计了一种可以抑制无线局域网络(WLAN)和卫星通信信号干扰的双陷波超宽带带通滤波器。该滤波器的主要谐振结构由T型枝节加载的多模谐振器组成,改进的T型枝节增加了两个传输零点,同时减小了滤波器尺寸;通过耦合方开环谐振器,实现了两个陷波特性,调节谐振器尺寸,可以得到所需的陷波频率。测试结果表明,该滤波器的尺寸仅16.7mm×8.5mm,中心频率为6.9GHz,通带为3.0~10.8GHz,陷波中心频率在5.8GHz和8.04GHz,衰减最低点分别为-27dB和-18dB,仿真与测量结果有较好的一致性。     

340GHz 四次谐波混频器的研制

太赫兹波是电磁波谱中最后一个未被全面研究开发的频率窗口,它的开发和利用具有重大的科学价值。介绍了一种太赫兹频段内340GHz基于肖特基势垒二极管的四次谐波混频器设计。应用高频场仿真软件(HFSS)以及谐波平衡仿真软件(ADS),对反向并联二极管对进行3D建模及阻抗频率特性分析,并在此基础上对混频器进行优化。最后,对该混频器进行加工和测试,结果表明,在327~343GHz频带范围内,变频损耗小于15dB,最优值为12.7dB。     

低维材料太赫兹探测器研究进展（特邀）

太赫兹技术在无损检测、生物医学、工业检查、环境监测、局域通信和国防安全等领域具有广阔的应用前景。太赫兹系统中太赫兹探测器是其核心器件,其性能决定了太赫兹系统的应用市场,是推动太赫兹技术进一步发展的重要研究方向之一。但是,太赫兹波段较低的光子能量使得实现高速、灵敏的太赫兹探测颇有挑战。随着纳米技术和新材料制备技术的进步,低维材料的高迁移率、宽响应频带等性能为太赫兹探测器提供了新的机遇,低维材料太赫兹探测器得到广泛关注,其主要优势是高灵敏度、宽频带和低噪声,在近年来取得了显著的研究进展。虽然太赫兹探测器已经取得突破性发展,但各类太赫兹探测器仍然存在一些问题。在此背景下,文中从太赫兹探测器的分类出发,简要介绍了测辐射热计、热释电探测器、等离子体共振探测器和热载流子调控探测器的物理机制以及最新研究进展,并展望了未来低维材料太赫兹探测器的发展方向。     

SiGe heterojunction bipolar transistors and circuits toward terahertz communication applications

The relatively less exploited terahertz band possesses great potential for a variety of important applications, including communication applications that would benefit from the enormous bandwidth within the terahertz spectrum. This paper overviews an approach toward terahertz applications based on SiGe heterojunction bipolar transistor (HBT) technology, focusing on broad-band communication applications. The design, characteristics, and reliability of SiGe HBTs exhibiting record f/sub T/ of 375 GHz and associated f/sub max/ of 210 GHz are presented. The impact of device optimization on noise characteristics is described for both low-frequency and broad-band noise. Circuit implementations of SiGe technologies are demonstrated with selected circuit blocks for broad-band communication systems, including a 3.9-ps emitter coupled logic ring oscillator, a 100-GHz frequency divider, 40-GHz voltage-controlled oscillator, and a 70-Gb/s 4:1 multiplexer. With no visible limitation for further enhancement of device speed at hand, the march toward terahertz band with Si-based technology will continue for the foreseeable future.     

5G高低频协同组网方案研究

3.5 GHz频段是目前全球5G部署的主流频段,也是国内两大运营商的主要部署频段,它具有带宽大、传播损耗高、穿透性能差等特点.2.1 GHz NR是运营商最早可重耕的低频FDD频段,可弥补3.5 GHz频段上行覆盖的不足,但在容量方面存在短板,与3.5 GHz NR差距比较大.因此,要综合2个频段各自的优点,合理利用下...     

330 GHz太赫兹次谐波混频器设计

为了缓解微波频段频谱资源的日益紧张,对太赫兹频段进行探索,介绍了一款基于GaAs肖特基二极管的330 GHz次谐波混频器。设计采用了整体综合设计的方法,进行高频结构模拟器(HFSS)与先进设计系统(ADS)联合仿真。优化过程中,电路不连续性通过HFSS仿真结果表征,电路传输特性和二极管非线性特性由ADS仿真结果表征,通过优化传输线参数,实现优化电路的目的。此方法增大了仿真优化空间,降低了设计难度。仿真结果显示,在300~350 GHz频段内,混频器的变频损耗小于8 dB。     

光激发LT—GaAs共面微带传输线THz色散与衰减特性

彩和半经验色散公式分析了ＬＴ－ＧａＡｓ衬底共面微带传输线的ＴＨｚ模式色散与切伦柯夫辐射损耗特性,同时计算了导体欧姆损耗和衬底介电损耗,结果表明,较小的横向尺寸有利于改善ＬＴ－ＧａＡｓ共面微带传输线模式色散和辐射损耗特性。较大的横向尺寸比可降低导体欧姆损耗。