太赫茲通信技術的研究與展望

孫建國

（沈陽新杉電子工程有限公司，沈陽 110168）

在信息理論的研究領域，研究專家結合以往的分析經驗提出了著名的edholm帶寬規(guī)律，這一規(guī)律揭示了帶寬發(fā)展過程中平均每十八個月無線傳輸速率就會增長兩倍以上。在實際的應用環(huán)境中，這一規(guī)律也得到了驗證。1984年無線遙測數據傳輸速率低于每秒1kb，而到了2010年，802.11n協(xié)議的無線網絡要求速率需達到每秒100Mb以上。而在未來的數據傳輸中，更高的數據傳輸量和更高的速率要求，使得通信技術必須創(chuàng)新。

1 太赫茲通信技術的研究現狀

1.1 太赫茲通信技術的優(yōu)勢

太赫茲通信技術當中所運用的太赫茲，為電磁波中十分具有代表性的波段，這一波段位于毫米波段和紅外光波段中間，其主要的覆蓋波長約為30μm至3mm之間，在頻率方面則可以達到100G赫茲標準，最高可達到10T赫茲，因此被稱為太赫茲（THz）。相比于以往所應用的通信電磁波，太赫茲在實際應用中主要具有較高的穿透能力，同時由于其所處的頻段特點和單脈沖頻帶寬特點，使得其能夠具有時間和空間干擾性優(yōu)勢，同時光子能量偏低等特征，在通信領域中獨樹一幟。

隨著通信技術的發(fā)展和通信需求的不斷提升，越來越多的研究人員希望借助太赫茲作為載波信號進行高速的無線通信傳輸，從而達到未來每秒10Gb標準的通信速率。但是在目前的研究中，這一目標尚未實現，太赫茲通信技術主要應用于以下兩個方面的技術領域之中。首先是微波通信技術領域，在目前的毫米波通信頻段技術領域之中，研究人員通過太赫茲技術進行多值調制，實現了頻譜效率利用率的提升，并拓寬了信道的容量；其次，在波分復用技術當中，應用太赫茲技術使其能夠與自由空間光技術相互協(xié)同，最終達到高速通信的目的[1]。然而這兩種太赫茲技術的應用相較于更為直接的太赫茲載波而言仍然具有著較為明顯的缺陷，其中微波段通信雖然已經相對成熟，但是其所處的波段特征和調制方式使得其窄帶寬特點顯露無遺，難以滿足更為復雜、更為巨量的數據通信；而自由空間光技術的應用也受到其自身傳播特征的制約，要求數據載波必須在光波通信的環(huán)境中完成，但是其受到環(huán)境干擾相對嚴重，進而造成了其通信速率的降低。

1.2 太赫茲通信技術所解決的通信問題

在現階段的通信技術中，人們所能夠常規(guī)接觸到的如手機通信等，都是微波頻率的無線通信系統(tǒng)。這種無線通信一般載頻不會超過20G赫茲，通常處于K波段或者Ka波段之內，受到技術制約和發(fā)展需求兩個方面的影響，這種微波頻率無線通信難以滿足更高的無線通信速率需求。太赫茲通信技術作為下一代通信技術的研究方向，是為了滿足于未來通信發(fā)展所構建的具有更高通信速率能力的通信技術。研究人員認為，太赫茲通信將與超寬帶、自由空間等通信技術一道，成為未來主流的高速率、巨量數據通信技術，并預計在2020年前后達到技術成熟標準，取代現有無線局域網通信技術。

相比于目前常見的手機通信，太赫茲的頻段特征使得其頻帶具有高出三到四個量級的優(yōu)勢，從而為無線通信提供更為巨大的帶寬。在理論研究中也以明確，通信領域中，通信所需的載波頻率與其通信速率呈正比，因此隨著載波頻率的不斷增加，其所能夠承擔的速率也會明顯上升。例如在ASK調制方式之中，通信載波一般以載波頻率的20%進行通信，經過計算，想要達到100Gb每秒的通信速率，載波頻段必須達到300-500G赫茲這一標準。

當太赫茲處于大氣層外側時，受到空間環(huán)境的影響，太赫茲的傳輸衰減率會達到最低，這使得太赫茲對于載波信號的保真率達到最高。與一般的光波段相比，太赫茲的波長較長，因此在進行通信硬件加工時也更加方便。經測算，太赫茲無線通信在具體應用中，能夠利用大氣層的環(huán)境優(yōu)勢，具有穿透等離子體的優(yōu)勢，從而借助人造衛(wèi)星保障與地面之間的通信。以往所采用的微波信號在進行無線通信的過程中，由于無法完成針對等離子層的穿越，因此在進行衛(wèi)星通信時往往會出現信號中斷現象，這一現象被稱為“黑障”。而太赫茲技術的應用下，由于其能夠完成對等離子層的穿越，從而完美地解決了通信“黑障”這一問題。

此外，在地面通信技術中，太赫茲技術還具有極強的抗干擾性和難截獲性，前者能夠保證太赫茲信號在諸如沙塵暴、暴雨等極端天氣下正常運行，而后者則能夠保證在軍事、國家機密等通信領域具有更高的安全性。

1.3 太赫茲通信技術相關器件

太赫茲應用于無線通信領域，一般需要具備太赫茲源以及太赫茲調制器兩部分器件。

1.3.1 太赫茲源

太赫茲所處的波段位置十分特殊，由于其位于毫米波與紅外光波之間，因此其代表了微博電子和光學研究的過渡區(qū)域，其所具有的價值和特性也廣為人知。但是收到其功率和穩(wěn)定性的影響，目前技術研究相對緩慢，其中太赫茲信號發(fā)生作為主要的技術難題，困擾著研究領域?，F階段利用技術條件進行太赫茲發(fā)射的功率基本停留在毫瓦這一量級之內，大功率太赫茲源的尋找依然十分艱難。

常規(guī)的太赫茲信號源研究一般集中在電子方法獲取，通過靠近紅外波段的光學手段來完成，例如QCL（量子激光器）通過利用單級器件使電子能夠在不同能級之間完成躍遷，從而獲取太赫茲波。此外，也有研究人員希望借助光電二極管設備，進行太赫茲信號源的獲取。光電二極管設備需要具備兩個層級，其中一個層級為P型中性光吸收層級，而另一個層級則為N型寬帶隙集結層級，這種結構能夠利用有源載流的方式生產出具有太赫茲波特性的光生載流子，而N型層的遷移速度則逐漸增快，最終達到產生太赫茲波的目的。

1.3.2 太赫茲調制器

由于現階段光波段通信所采用的調制技術無法直接應用于太赫茲波段，因此在太赫茲通信技術的應用要求下，必須進行全新的調制器設計，從而滿足太赫茲通信所必要的高速傳輸結構。隨著技術發(fā)展，越來越多的研制材料投入到調制器的研發(fā)和制作當中，其中，石墨烯材料、相變材料、光子晶體等，成為現階段常見的調制器生產材料，各種材料也在不同程度上保障了太赫茲信號的調制性能。

2 太赫茲通信技術的發(fā)展與展望

2.1 太赫茲通信系統(tǒng)平臺建設

系統(tǒng)化的發(fā)展是太赫茲通信技術近年來的發(fā)展方向，在國內外的研究中，已經出現了部分能夠實際應用于巨量數據傳輸和高速傳輸速率條件的太赫茲通信平臺。例如在有線通信平臺設計和構建當中，研究人員就通過有線誤碼率測量模塊和有線通信視頻傳輸模塊共同構建了太赫茲有線傳輸平臺[2]。其中有線誤碼率測量模塊主要通過基帶測試的方式，通過發(fā)射機生成的幀頭數據遞增包的方式，對相同發(fā)射機的數據包和接收數據解碼進行對比，從而判斷其誤碼情況；而在視頻傳輸模塊當中，則利用PC設備與基帶發(fā)射機相互連接，從而形成擁有了信源編碼能力的發(fā)射設備，同時通過建設信源解碼模塊，將發(fā)射機與接收機之間運用同軸電纜完成連接，最終實現太赫茲信號數據的實時視頻傳輸能力。

而在無線平臺的建設設計中，研究人員則充分利用太赫茲信號的衰減頻率，設計了不加裝天線設備的近場通信平臺系統(tǒng)。在系統(tǒng)當中，硬件設備至包含基帶發(fā)射機、PC終端、放大電路、調制器以及太赫茲源等，其中，PC終端主要任務在于對信號源進行編碼，再由發(fā)射機進行編碼新到設置。此時調制器通過驅動裝置，對電流進行模擬信號設置，從而實現電流0偏壓。系統(tǒng)平臺在實際通信應用中效果明顯，載波標準為330G赫茲，調制器速率最高達到500M赫茲，完成高速的近場通信。

2.2 固態(tài)太赫茲電路技術

在無線通信領域的技術研究中，太赫茲技術主要的應用場景集中在地面無線通信和雷達成像兩個領域。而在這兩個領域中，外差接收是二者共同需要具備的信息接收機制，因此外差接收機制中的頻率變換電路、信號放大電路等成為主要的技術革新方向。但在太赫茲電路中，III-V族的化合物半導體技術尚不成熟，因此利用這一化合物所進行的半導體晶體管設計無法滿足應用需求，使得固態(tài)放大器相對缺乏。而在太赫茲技術領域，利用固態(tài)電路進行放大器設置已經成為未來發(fā)展的主要方向，研究領域開始將固態(tài)混頻器和固態(tài)倍頻器作為研究創(chuàng)新的目標。

基于設計和太赫茲通信技術的要求，固態(tài)混頻器要求具備極高的噪聲性能，同時在進行信號接收時，信號接收端需要能夠快速實現低噪聲接收能力，從而完成對微弱信號的接收工作。而固態(tài)倍頻器主要能力應當體現在運行效率等方面，從而利用肖特基勢壘二極管進行半導體設備的工藝生產。通過這類生產項目能夠保證太赫茲通信能夠擁有更加廣泛的應用場景，在射電天文甚至是空間探索等高精尖科技領域得到應用。

2.3 石墨烯調制器研究

在太赫茲調制器的研究方面，研究領域開始傾向尋找更具性能優(yōu)勢的新材料，其中石墨烯材料的應用價值被研究人員所發(fā)現?；谝酝雽w硅的研究，研究人員開始將石墨烯與硅材料相互融合，通過硅基片轉移的方式，加入石墨烯材料，從而提升太赫茲的調制功能。例如某研究機構采用石墨烯CVD法進行合成，通過高電阻硅片覆膜的方式，實現了高電阻率的調制器性能提升，效果十分顯著。

3 結束語

綜上所述，作為面向未來通信需求的新型通信技術，太赫茲通信技術借助獨特的電磁波波段，使通信速率和巨量通信傳輸的大幅度提升成為可能。隨著技術的不斷研發(fā)和創(chuàng)新，太赫茲技術將逐漸取代現階段的無線局域網技術，利用其優(yōu)勢成為具有主導型的通信技術手段。