太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其軍事應(yīng)用分析

趙鵬 劉丹 邱楚楚

摘要：隨著無線頻譜資源日益枯竭，向更高頻段擴(kuò)展成為高速無線通信的必然趨勢(shì)。太赫茲通信技術(shù)具有高速寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)未來高速無線通信的重要途徑。文章在分析太赫茲頻譜特性和傳播特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了太赫茲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)空天地海一體化作戰(zhàn)中的太赫茲通信技術(shù)的軍事應(yīng)用進(jìn)行了探討，旨在為太赫茲通信技術(shù)在軍事中的推廣應(yīng)用提供論證依據(jù)和支撐。

關(guān)鍵詞：太赫茲;通信技術(shù);軍事應(yīng)用中圖法分類號(hào)：0441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

無論是民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域，不斷追求更大的通信容量、更快的通信速率，一直都是無線通信新技術(shù)發(fā)展的方向。香農(nóng)通信定律已經(jīng)揭示：若要實(shí)現(xiàn)高容量、快速率，需要更大的通信頻率帶寬。因此，在復(fù)雜、稀缺的電磁頻譜中，人類開始關(guān)注太赫茲頻段，太赫茲通信技術(shù)也被公認(rèn)為未來實(shí)現(xiàn)6G 通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。太赫茲無線通信是在無線電通信的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，同時(shí)結(jié)合了激光無線通信的部分思想[1]。與微波通信、激光通信相比，太赫茲通信具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于空天地海一體化通信、安全保密通信及無人平臺(tái)通信組網(wǎng)等場(chǎng)景。太赫茲通信技術(shù)也將結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用，軍事應(yīng)用前景廣闊。

2太赫茲頻譜特性及傳播特點(diǎn)

2.1太赫茲頻譜特性

太赫茲波是指頻率介于0.1～10THz 之間的電磁波，在整個(gè)電磁波譜中位于微波和紅外波頻段之間，如圖1所示。由于在電磁波譜的特殊位置，太赫茲波既具有微波頻段的穿透性和吸收性，又具有光譜分辨特性[2]。

對(duì)太赫茲通信技術(shù)的應(yīng)用，主要利用的是太赫茲頻譜的寬帶特性，太赫茲頻段的頻譜資源很豐富，可用頻譜帶寬比微波高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。太赫茲頻段電磁波在外層空間可以進(jìn)行無損傳輸，用較小發(fā)射功率就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，還可以避免地球輻射噪聲的影響，穿透通信黑障，因此太赫茲在未來可重點(diǎn)應(yīng)用于空間通信和無線寬帶通信領(lǐng)域。

2.2太赫茲傳播特點(diǎn)

太赫茲頻段的頻率比毫米波更高，依據(jù)電磁波的傳播特性，該頻段的傳播與穿透損耗也很大?？筛鶕?jù)弗里斯自由空間損耗計(jì)算公式進(jìn)行損耗估算：

式（1）中，LFSdB/km 為路徑損耗，fMHz 為頻率，dkm 為傳播距離，GTxdBi 和 GRxdBi 分別表示發(fā)射天線和接收天線增益。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，一般情況下，1THz 以下太赫茲頻段電磁波相對(duì)于26GHz 毫米波的路徑損耗增加10～35dB 。因此，在發(fā)射天線和接收天線增益受限的情況下，太赫茲頻段的通信距離將大幅度縮短。

圖2為0.01～1THz 的太赫茲波在晴天條件下的頻率衰減譜。分析可知，隨著頻率的增高，大氣中的太赫茲波傳播呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)衰減，在太赫茲低頻段（如0.3THz以下），太赫茲波的大氣衰減低于10dB/km，適合作為無線通信載波，而超過1THz 的太赫茲頻段的衰減極大，無線通信傳輸距離急劇下降。圖2中 A ～ J 各個(gè)頻點(diǎn)處都出現(xiàn)了較明顯的波峰，這是因?yàn)樘掌澆ㄔ陂L(zhǎng)距離傳輸時(shí)容易受到水蒸氣、氧氣分子的影響，產(chǎn)生分子共振效應(yīng)，使得傳輸損耗急劇增大。因此，在設(shè)計(jì)太赫茲遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇合適的頻率窗口進(jìn)行通信，以獲得較高的通信效率。

3太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

因其具有豐富的頻譜資源和獨(dú)有特性，太赫茲波段受到各個(gè)國(guó)家的高度重視，并獲得了國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的大力支持，成為極具潛力的6G 關(guān)鍵候選頻譜技術(shù)。基于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平滑演進(jìn)的考慮，太赫茲通信也是目前全球熱議和關(guān)注較多的技術(shù)方向，開展太赫茲通信技術(shù)研究既符合通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)需求，也具備較高可行性。

太赫茲波的研究最早可追溯到1897年，美國(guó)從20世紀(jì)90年代率先加大了對(duì)太赫茲頻段的研究。自2002年以來，美國(guó) DARPA 實(shí)施了一系列太赫茲技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，積極推進(jìn)以國(guó)防應(yīng)用為主要目標(biāo)的尖端技術(shù)和超高速電子技術(shù)的相關(guān)項(xiàng)目研究，包括太赫茲電子學(xué)計(jì)劃，有效推動(dòng)了太赫茲核心器件的開發(fā)及其在太赫茲通信中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。國(guó)際電聯(lián)已經(jīng)指定0.12THz 和0.22THz兩個(gè)頻段分別用于下一代地面無線通信與衛(wèi)星間通信。美國(guó) NASA 著手太赫茲通信計(jì)劃，美國(guó)空軍也于2020年8月發(fā)布“太赫茲通信”公告，探索100GHz 以上的未來視距“空?空”通信和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。歐盟將太赫茲星際通信列為太空計(jì)劃的主要研究領(lǐng)域，主要研究0.1～1.5THz 波段的星際通信。

當(dāng)前，已經(jīng)構(gòu)建的太赫茲無線通信驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括三類，即光電混合、全電子和時(shí)域脈沖太赫茲通信驗(yàn)證系統(tǒng)。國(guó)際上的典型系統(tǒng)主要有：德國(guó)固態(tài)物理研究所構(gòu)建的0.22THz 和0.24THz 通信系統(tǒng)、日本電報(bào)電話公司構(gòu)建的0.12THz 和0.3THz 通信系統(tǒng)以及美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的0.625THz 通信系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)方面，自2005年以來，電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心等高校和院所，都陸續(xù)開展了太赫茲無線通信技術(shù)的相關(guān)研究。2018年，中國(guó)工程物理研究院突破太赫茲20Gbps 調(diào)制解調(diào)信號(hào)處理相關(guān)核心算法，其0.22THz太赫茲通信系統(tǒng)具備速率20Gbps、大氣通信距離大于10km 的能力，將逐步開展星地1000km 地面等效驗(yàn)證。2022年，中國(guó)的安全紫金山實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合東南大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和中國(guó)移動(dòng)等團(tuán)隊(duì)，搭建出首個(gè)0.36～0.43THz 頻段無線傳輸通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)、凈速率為103.125Gbps 和雙波長(zhǎng)、凈速率為206.25Gbps 的太赫茲實(shí)時(shí)無線傳輸，創(chuàng)造出目前世界上公開報(bào)道的太赫茲實(shí)時(shí)無線通信的最高實(shí)時(shí)傳輸紀(jì)錄。總之，已有的太赫茲無線通信驗(yàn)證系統(tǒng)還集中在太赫茲波的低頻段。

3.2太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)分析

從太赫茲通信技術(shù)發(fā)展歷程和已有成果分析，太赫茲通信正往更高頻段、更高通信速率、更高頻段利用率方向發(fā)展，并逐步向工程化、實(shí)用化方向轉(zhuǎn)變。太赫茲通信廣泛應(yīng)用取決于太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)的突破，主要包括太赫茲通信鏈路調(diào)制、太赫茲關(guān)鍵器件、太赫茲傳播信道建模等技術(shù)。

（1）太赫茲通信鏈路調(diào)制

對(duì)應(yīng)于不同的太赫茲無線通信驗(yàn)證系統(tǒng)，太赫茲通信鏈路調(diào)制方式主要有兩種架構(gòu)：一是光電結(jié)合應(yīng)用架構(gòu)，即利用光學(xué)外差法產(chǎn)生太赫茲信號(hào)。該應(yīng)用方案的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率高，不足是發(fā)射功率較低，容易造成系統(tǒng)體積大，且功耗高，對(duì)于自由空間中的短距離高速通信較為適用;二是全固態(tài)電子應(yīng)用架構(gòu)，即利用混頻器將基帶或中頻調(diào)制信號(hào)變頻搬移到太赫茲頻段[3]。該方案的優(yōu)點(diǎn)是射頻前端易集成、可實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)且功耗較低，不足是本振源多次倍頻后信號(hào)惡化，變頻損耗大，載波信號(hào)的輸出功率較小。全固態(tài)電子系統(tǒng)還可以采用外部高速調(diào)制器直接對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，該方案的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于易集成，體積小，發(fā)射功率較高，可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，但是受限于太赫茲高速調(diào)制器件能力，目前能實(shí)現(xiàn)的通信速率相對(duì)較低。

（2）太赫茲關(guān)鍵器件

太赫茲通信關(guān)鍵器件是推動(dòng)太赫茲通信技術(shù)實(shí)用化的基礎(chǔ)條件，其發(fā)展水平是制約太赫茲通信發(fā)展的核心。按照通信功能模塊功能劃分，太赫茲全電子鏈路的關(guān)鍵器件主要有：太赫茲發(fā)射源、調(diào)制解調(diào)器、功放、倍頻器、混頻器等器件。在上述多個(gè)通信驗(yàn)證系統(tǒng)中，全固態(tài)電子鏈路各類型關(guān)鍵器件都已經(jīng)得到充分應(yīng)用，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力也得到了有效驗(yàn)證。但不可否認(rèn)的是，驗(yàn)證系統(tǒng)中所使用的關(guān)鍵器件仍存在功率和效率低下，變頻損耗過大等諸多不足。太赫茲關(guān)鍵器件需要向高功率和高效率的方向突破瓶頸，需要向小型化和集成化轉(zhuǎn)變。太赫茲關(guān)鍵器件的高性能研發(fā)能力和低成本產(chǎn)業(yè)化能力對(duì)太赫茲通信技術(shù)未來應(yīng)用落地具有決定性影響，也是太赫茲通信最關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展方向。

（3）太赫茲傳播信道建模

對(duì)無線電波傳播特性的分析以及信道精準(zhǔn)建模是提高太赫茲頻譜利用效率，實(shí)現(xiàn)太赫茲通信技術(shù)有效應(yīng)用和無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的前提。由于太赫茲波傳播損耗大，多徑效應(yīng)弱，呈現(xiàn)一定程度的光學(xué)特性，信道傳播路徑單一性強(qiáng)，確定性信道建模、參數(shù)化半確定性信道建模等方法更適用于太赫茲頻段，如射線追蹤方法以及結(jié)合確定性和統(tǒng)計(jì)特性的數(shù)字地圖混合建模方法等。信道建模的準(zhǔn)確性建立在大量信道實(shí)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。未來太赫茲通信可能會(huì)用于空天地海多維度、宏觀到微觀多尺度的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景，太赫茲通信信道建模需要分析研究多種應(yīng)用場(chǎng)景下的信道模型，用于指導(dǎo)未來實(shí)際的應(yīng)用方案部署。

4太赫茲通信技術(shù)軍事應(yīng)用分析

人類科技發(fā)展歷史上，軍事通信往往會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于民用通信。大部分前端的通信技術(shù)也都是從軍用領(lǐng)域延伸發(fā)展到民用領(lǐng)域的。但從20世紀(jì)70年代中期開始，人類逐步開始了信息化、智能化的新興技術(shù)革命，也開啟了商業(yè)革命逐步先于軍事革命的歷史。尤其是在相對(duì)和平的狀態(tài)下，呈現(xiàn)出民用科技在產(chǎn)品上領(lǐng)先，軍用科技在概念上領(lǐng)先的特點(diǎn)。太赫茲通信技術(shù)的興起也呈現(xiàn)出這一特點(diǎn)，盡管太赫茲通信還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，但其在空天地海一體化作戰(zhàn)、無人作戰(zhàn)平臺(tái)組網(wǎng)、安全保密通信等軍事領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊[4]。其中，對(duì)于空天地海一體化作戰(zhàn)中的空間通信，將是太赫茲高速無線通信最主要的軍事應(yīng)用方向之一。

空天地海一體化通信是以地面網(wǎng)絡(luò)為依托，拓展了天基網(wǎng)絡(luò)和空基網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了立體分層、協(xié)同融合的網(wǎng)絡(luò)，空中和地面、水下有人/無人平臺(tái)共同形成多重覆蓋，實(shí)現(xiàn)通信全球全域覆蓋、隨遇接入、按需保障?？仗斓睾Ｒ惑w化通信應(yīng)用場(chǎng)景如圖3所示?？臻g通信是實(shí)現(xiàn)空天地海一體化通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，隨著大容量通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，空間信息高速傳輸需求日益迫切。航天器上的海量偵察數(shù)據(jù)傳輸至地面觀測(cè)終端的速率需求劇增，海量數(shù)據(jù)的中繼和落地問題正愈發(fā)突出。與此同時(shí)，建立星間鏈路成為突破星地鏈路瓶頸、擴(kuò)大系統(tǒng)容量、降低通信時(shí)延的必由之路;使用星間鏈路可以建立完全獨(dú)立于地面的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，有利于提高衛(wèi)星系統(tǒng)的抗毀性、自主性和機(jī)動(dòng)性。

當(dāng)前，星間鏈路已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如在“先進(jìn)極高頻 AEHF”衛(wèi)星系統(tǒng)中，每顆衛(wèi)星可提供2條通信鏈路，星間鏈路采用60GHz 的毫米波波束，具有很強(qiáng)的抗干擾性和抗截收能力;銥星系統(tǒng)則采用 Ka 頻段，每顆衛(wèi)星具有4條15MHz 的星間鏈路。星間鏈路屬于無線鏈路，可以采用微波頻段、毫米波頻段或激光。然而，在傳統(tǒng)的微波通信領(lǐng)域，由于受頻譜和軌道資源等限制，難以通過增加空間節(jié)點(diǎn)數(shù)量和提高單節(jié)點(diǎn)能力來提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸能力。太赫茲頻段電磁波在外層空間可以進(jìn)行無損傳輸，用較小發(fā)射功率就實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，還可以避免地球輻射噪聲的影響。鑒于太赫茲通信技術(shù)具有傳輸容量大、終端體積小、傳輸安全性好以及頻率資源豐富等明顯優(yōu)勢(shì)，非常適合空間大容量高速信息傳輸，成為解決空間信息高速傳輸?shù)闹匾侄?，可廣泛應(yīng)用于星間高速通信、星地間高速通信、空間飛行器通信等空間通信場(chǎng)景。除此之外，太赫茲可用的物理帶寬寬，基于寬帶擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)的太赫茲通信技術(shù)可用于戰(zhàn)術(shù)級(jí)區(qū)域保密通信與組網(wǎng)、航空編隊(duì)和無人作戰(zhàn)平臺(tái)通信及指揮控制信息傳輸。由于太赫茲通信具有高度定向性，加之大氣對(duì)太赫茲波具有嚴(yán)重吸收特性，實(shí)際上也形成了一道天然屏障，地面?zhèn)墒蘸透蓴_難度大，因此抗干擾、抗截獲、保密性好，能夠滿足軍事安全保密的通信需求。

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作者簡(jiǎn)介：

趙鵬（1984—），碩士，助教，研究方向：通信裝備。