摘要：太赫茲通信是未來移動通信（Beyond 5G）中極具優勢的技術途徑，也是空間信息網絡高速傳輸的重要技術手段，具有軍民融合、協同發展的應用前景。中國太赫茲高速無線通信關鍵技術已經取得了重要突破，與世界技術水平基本同步。因此，進一步加大力度發展太赫茲高速通信技術，對于中國引領國際高速無線通信技術發展和未來移動通信標準化進程具有重要的戰略意義。

關鍵詞：太赫茲通信；未來移動通信；Beyond 5G

1 太赫茲通信技術是下一代高速無線通信的核心技術

太赫茲波段（THz）是指頻率在0.1～10 THz 范圍內的電磁波，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，是大容量數據實時無線傳輸最有效的技術手段。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，易于實現小型化。與激光通信相比，其波束寬度適中，對平臺穩定度和跟瞄要求較低。大氣對太赫茲波的吸收較強，有利于實現空間保密通信。

太赫茲通信技術在高速無線通信領域具備了明顯的技術優勢：

（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）高速數據傳輸能力強，具備100 Gbit/s 以上高速數據傳輸能力。
（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務需求的矛盾，傳統頻譜資源幾乎耗盡。各種高速需求不斷涌現，如目前已商用的二維全高清電視信號（Full-HD）的無壓縮數據率為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，目前正在研發的超高清電視（S-HDTV）可能的數據率將可達到24 Gbit/s。隨著用戶對業務質量要求越來越高，無壓縮或壓縮率低的高清電視信號的傳送也逐漸增多。如此高速率的數據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常變動，因此需要實現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光纖線路，而傳統的微波點對點通信設備又不能支持幾吉比特每秒甚至幾十吉比特每秒的數據傳輸速率。在下一代的高速通信網中，對高速的點對點無線通信鏈路將具有極大的需求。

2 太赫茲通信技術已經成為科技強國竟相搶占的技術制高點

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略資源，而太赫茲波是電磁空間唯一亟待開發利用的頻譜資源，因此世界各國高度關注重視。此外，現有的無線通信技術已難以滿足多功能、大容量無線傳輸網絡的發展需求，迫切需要發展新一代高速傳輸的無線通信技術，發展天地一體化的高速信息網絡。因此，太赫茲高速通信技術成為了目前世界各科技強國爭先搶占的科學技術制高點。

美國認為：太赫茲科學是改變未來世界的十大科學技術之一，陸海空三局、能源部、國家科學基金會等政府機構給予了大力支持，設立了太赫茲高速無線通信骨干網絡建設相關計劃。美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了名為THOR 的研究計劃（該計劃包含研發和評估一系列可用于移動的Ad-Hoe 自由空間通信系統的技術），并投入大量經費研制0.1～1 THz 頻段太赫茲通信關鍵器件和系統；2013 年提出了100 Gbit/s骨干網計劃，致力于開發機載通信鏈路實現大容量遠距離無線通信，2015年美國預計其通信衛星將可能具備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 年歐盟已經正式布局6G 通信技術，目前已初步定位于進一步的增強型移動寬帶，峰值數據速率要大于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列為未來10 年科技戰略規劃10 項重大關鍵科學技術之首。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。日本總務省規劃將在2020 年東京奧運會上采用太赫茲通信系統實現100 Gbit/s 高速無線局域網服務。

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的研究已在全球范圍內全面性地展開并得到了高度重視。

3 全球太赫茲通信技術發展趨勢

自2006年日本分別實現120 GHz、10 Gbit/s 通信演示系統（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展，已經成為全球各國的研究熱點。已有多家機構開展了相應研究，包括德國固態物理研究所（IAF）、德國聯邦物理技術研究院（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 通信系統公司等。縱觀近幾年來太赫茲通信技術的發展歷程及成果，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展。目前，太赫茲通信技術形成了基于微波光子學的光電結合方式、全固態混頻電子學方式、直接調制方式這3 類針對不同的應用場景并行發展的態勢。

采用光電結合方式的太赫茲通信技術是較早發展的太赫茲通信系統方案，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）轉化成太赫茲信號，其調制方式是基于光學的馬赫曾德爾調制器（MZM）的高速調制器，不僅可以實現幅移鍵控（ASK）和二進制啟閉鍵控（OOK）二元調制，而且可以實現多進制正交幅度調制（MQAM）、多進制數字相位調制（MPSK）多元調制^[1-2]。

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

近些年來，微波光子學中光電結合方式的太赫茲通信不斷朝著超高速率方向發展，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 數據速率上高達46 Gbit/s 的THz 無線傳輸系統^[4]；2015年都柏林城市大學和倫敦大學采用光梳狀源實現了微波光子學方式的多載波太赫茲通信系統，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]。該系統優勢在于：傳輸速率高，帶寬利用率高；但是由于發射功率僅為微瓦級，并且系統體積和能耗均較高，雖然在地面短距離高速通信方面有優勢，但難以適合應用于遠距離空間信息網絡系統。

全固態混頻電子學方式的太赫茲通信系統是利用混頻器將基帶或中頻調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 應用該系統在2008 年北京奧運會上進行了Full-HD 信號的傳送，該系統可實現最大通信距離達3～4 km，其全電子系統可實現的通信距離為2 km。2009 年，系統中所有的光激性器件均換成了InP HEMT MMICs，該系統最大數據傳輸速率為11.1 Gbit/s，從而實現了大于800 m、10 Gbit/s 信號的無誤傳輸。

2010 年，NTT 實驗室再次對該系統進行改進，新系統將抑制震蕩的電阻片替換成新型鰭線正交模態收發轉換器（OMT），并通過減小鰭線長度來實現對震蕩的抑制。由于鰭線OMT 的使用，新的雙向通信系統實現了10 Gbit/s 的雙向數據傳輸率以及20 Gbit/s 的單向數據傳輸率。

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^[7]，具體如圖1 所示。在輸出功率約為1.4 mW，采用16/64/128/256 正交幅度調制QAM、OOK 等調制方式時，實現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，他們對該系統進行了適當的系列改進，實現了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^[14]

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

2015 年，圣何塞州立大學采用了40 nm CMOS 的技術集成了210 GHzOOK 調制方式的無線通信系統，該系統能夠實現了無差錯的偽隨機數據在1 cm 范圍內的傳輸，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、全集成式直接轉換正交發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具有體積小、易集成、功耗低的特點，不足之處在于本振源經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，因此該類系統需要進一步發展高增益寬頻帶功率放大器以提高發射功率。

基于直接調制方式的太赫茲通信系統是近年來隨著太赫茲調制器速率突破衍生發展的新一類通信系統^[15-18]。這種通信方案的核心關鍵技術為高速調制器，需要實現太赫茲波幅度或相位德直接調制，其優勢在于易于集成、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10 mW以上功率輸出的通信系統，可實現中遠距離無線通信；不足之處在于目前太赫茲直接調制器還在研究中，還未突破10 Gbit/s 以上的太赫茲直接調制器。目前中國的電子科技大學已經掌握了該技術的核心方案，在國際上首次突破1 Gbit/s 的太赫茲直接調制器。

4 中國太赫茲通信技術發展現狀

中國政府各級部門十分重視太赫茲科學技術的發展，多個部委設立了太赫茲的相關研究計劃。在國家的支持下，通過10 余年的發展，中國已經形成了一支以高校、科研院所為主體的太赫茲技術創新研發隊伍。在太赫茲通信技術的方向上，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 業務的太赫茲通信系統，該系統工作頻率為0.22 THz，并基于QPSK直接調制解調的方式，調制解調器采用0.22 THz 分諧波混頻器，基帶信號由碼型發生器產生，經混頻器中頻端口饋入，調制到0.22 THz 載波頻率后通過喇叭天線發射，已調信號經接收端混頻器相干解調后送至誤碼分析儀進行誤碼分析。該系統可以實現10 Gbit/s 實時高速數據通信，有較好的誤碼性能^[19]，平均誤碼率小于10^-6 。該系統目前采用相干接收技術和大口徑天線已實現了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。

2016 年，電子科技大學率先在國際上研制出了首套直接調制方式的太赫茲通信系統，并實現了千米級高清視頻傳輸。該系統采用外部高速調制器直接對空間傳輸太赫茲信號進行調制，這種調制方式較現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遠距離通信的優點，有效突破了目前太赫茲通信系統中承載發射功率過低的問題。目前，該系統實現了0.34 THz 工作頻率吉比特每秒的高清視頻業務數據傳輸。

另外，湖南大學在100 GHz 頻段，用基于光電結合的方式實現高速實時數據通信。發射端采用光電二極管產生100 GHz 高頻載波，接收端通過分諧波混頻器進行相干解調，實現了速率達6 Gbit/s 的通信。上海微系統所采用量子級聯激光器已實現了3.1 THz、傳輸速率為100 Mbit/s 的演示系統。

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

隨著其他各國對太赫茲技術的加大投入，使得中國太赫茲通信技術發展面臨著嚴峻的挑戰，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，明確提出研發超高速太赫茲創新無線通信技術。

5 發展具有自主知識產權太赫茲通信技術建議及思考

（1）大力發展高性能太赫茲核心芯片和器件

太赫茲通信技術是一個跨學科、跨專業的復合型技術領域，不僅需要通信技術的發展和突破，還需要高性能器件做支撐。因此，發展太赫茲通信技術必須要突破高性能器件技術，這亟需政府在研發上加大支持力度。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，解決當前發展瓶頸。建議設立太赫茲通信關鍵器件的研究專項，重點支持高性能太赫茲固態電子學信號源、太赫茲放大器、太赫茲調制器、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核心元器件的研究水平，確保太赫茲高速無線通信系統元器件的自在可控。

（2）構建全國開放的高性能太赫茲通信技術測試平臺和大型全國性研究發展計劃

高性能太赫茲通信技術測試平臺對于太赫茲通信用器件的測試、聯試，對于發展太赫茲通信技術至關重要。然而，太赫茲測試設備價格昂貴，太赫茲通信系統的集成和聯試又需要多臺設備并行使用，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測試平臺，形成完整的測試設備鏈路，為太赫茲通信技術的發展提供保障。

（3）立項國家重大科研計劃支持太赫茲通信技術和系統研究

中國多個部委都設立了與太赫茲通信技術相關的項目，但是支持力度仍遠低于發達國家。針對目前中國太赫茲通信技術現有的發展水平與能力，建議由國家科技部門牽頭設立一個大型的全國性太赫茲通信技術研究計劃，進一步加大投入力度，中國將極有可能在該領域實現彎道超車，趕超國際先進水平。

6 結束語

太赫茲通信具有高速數據無線傳輸能力、強通信跟蹤捕獲能力、高保密性等優點，是發展未來Beyond 5G 大容量數據最重要技術手段，是推動、發展新一代高速大容量無線通信的重要基礎，對于發展中國先進科學技術，提升中國科技創新能力具有重大的戰略意義。

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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

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，通信抗干擾技術國家重點實驗室主任，國家新一代寬帶無線移動通信網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，國家通信與網絡重點研發計劃專家組成員，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；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50 余項，發表論文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；主要從事太赫茲調制和射頻器件的研究工作。