第一章 簡介

太赫茲波是介于微波和光波之間的光譜區(qū)域，頻率從 0.1THz ~ 10THz 之間，波長在 3mm ~ 30μm 之間。提供大塊連續(xù)的頻帶范圍以滿足對 Tbit/s 內極高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，使該區(qū)域成為下一代無線通信（6G）的重點研究領域。預計在 2030年 左右實現(xiàn)商業(yè)部署，太赫茲區(qū)域在 成像、光譜學 和 傳感 等許多應用領域顯示出巨大的前景。

這一頻率范圍的解密涉及到跨學科的研究，射頻電子與高頻半導體技術密切結合，但也包括使用光子技術的替代方法。本白皮書重點介紹 6G 通信，簡述太赫茲波的基本原理、應用特性。

第二章 介紹了關鍵的 6G 性能要求和研究領域。

第三章 討論了潛在的應用，如基于太赫茲的通信和傳感。這些應用需要將頻譜擴展到 100GHz 以上，太赫茲波與空間物質發(fā)生的相互作用以及影響。

第四章 重點介紹了發(fā)射太赫茲波的各種方法。除了使用電子 MMIC 外，基于光子技術的替代方案將在未來發(fā)揮關鍵作用。特別是隨著今天的實驗室裝置小型化為光子集成電路（PIC），這些方案可能成為主流。

憑借其既定的生產工藝和高水平的集成，通過電子產生太赫茲仍然是目前的主要技術。頻率限制正不斷得到突破。

第五章 總結了高頻半導體技術的現(xiàn)狀。

2023年國際電聯(lián)世界無線電大會（WRC23）上，預計將討論在隨后的 WRC27 中分配 100GHz 以上的額外頻率范圍。目前正在討論的話題是太赫茲的應用潛力。

為了充分挖掘太赫茲的潛力用于未來通信標準（6G），定義測量指標、研究不同半導體材料的特性至關重要，這是標準化流程的第一步。

第六章 描述了信道傳播測量的概念，并介紹了在慕尼黑羅德與施瓦茨總部進行 158GHz 和 300GHz 信道測試的一些初步結果。

第二章 走向下一個無線通信標準 —— 6G

2.1 從 5G 走向 6G —— 愿景與關鍵技術

建立全國性的 5G 網絡，并不斷提供新的通信能力和服務，全行業(yè)為此忙碌多年。 5G 為工業(yè)4.0 等新的應用場景打開了大門，具有代表性的服務包括：增強型移動寬帶（eMBB）、 超可靠低延遲通信（URLLC）、大規(guī)模物聯(lián)網（mMTC）。雖然 5G 服務將進一步向 3GPP Release18 演進階段繼續(xù)發(fā)展，但學術界和工業(yè)界已經啟動了對下一代無線通信（6G）基礎的研究。計劃在 2030年 左右落地商用，預計商用發(fā)布會可能提前一年進行。在這里，我們對 6G 愿景和不同技術方案做些簡單闡述。

WP 5D 是國際電信聯(lián)盟 ITU（ITU-R）的 5D工作組，于 2021年 開始制定新的建議文件草案《IMT 2030年及以后的愿景》，以確定 IMT2030+（最終將被稱為 “6G”）未來發(fā)展的框架和總體目標。預計第一批 3GPP 標準化工作將于 2023/2024 年 展開，首先定義的是技術性能要求。標準的定義工作將從 2026/2027 年 開始。

很難預測哪些應用和場景最終成為下一代無線標準的主要驅動力，而這些應用和場景又將塑造 6G 的技術目標（KPI）。潛在的應用場景包括：全息應用、擴展現(xiàn)實 XR（AR、VR、混合現(xiàn)實 MR）或數(shù)字孿生，這些應用對數(shù)據(jù)傳輸速率和延遲提出了極其嚴格的要求。其愿景是，在 6G 時代，數(shù)字、設備 和 人類世界 將 無縫融合（Cyber-Physical Fusion），從而形成一個互聯(lián)世界，在這個世界中，通信將 人、設備 和 服務 與我們日常生活的所有必要部分組合起來。部署的 傳感器 和 執(zhí)行設備 需要以 極高的速率 安全地 傳輸 和 處理 數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)這種“沉浸式通信”。

表1 對 6G 的目標（KPI）定義了一個嚴格的范圍。比 5G 高 10倍 ~ 100倍，這將對無線通信和傳輸網絡提出新的挑戰(zhàn)。

在某些時間敏感的同步控制應用中（例如在工廠自動化等工業(yè)應用環(huán)境中），端到端 的 一致性 和 確定性 非常重要，即 低抖動，而不只是 凈延遲。這是作為一個新的 KPI 引入的。通過無線技術實現(xiàn) 時間同步 和 相互定位，使遠程設備協(xié)同工作。

表中1 第三行：User plane latency (in ms) 是為此新增的延遲波動指標。

新的 6G 通信標準會成為 以人為本、可持續(xù)影響全社會 的重要基礎。將會覆蓋人類的 生活、通信領域。 例如，聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的指導方針，以能源和資源向偏遠地區(qū)提供 平等、負擔得起 和 可擴展 的服務。目前的網絡能源已經引起了人們的廣泛關注 —— 包括對 環(huán)境的影響、以及 網絡運營商 OPEX 的重大影響。為了應對數(shù)據(jù)通信的指數(shù)級增長，必須降低傳輸信息所消耗的能量。

2.2 6G 研究領域

圖1 概述了已確定的主要 6G 研究領域（盡管不全面），以及實現(xiàn)愿景 和 未來無線通信的用例。

盡管部分技術只是在前幾代基礎上做了迭代，但仍有很多技術具有顛覆性，可能會釋放出 超出香農極限 的潛力。

前幾代已經使用的技術的演進

一些演進的技術步伐，如替代 OFDM 或 全雙工操作 的新波形，此前曾針對 5G 進行過討論，但并未包含在標準中。

超高速信道編碼

信道編碼是無線通信中 糾正傳輸錯誤 的基本組成部分，是可靠性的關鍵。同時，它也是基帶處理的一個復雜部分，為實現(xiàn)在極高的 吞吐量、可靠性、低功耗 等方面的新 KPI，要求對現(xiàn)有信道編碼方案進行增強，如 Turbo、 LDPC 和 極碼 等。

新的波形和多址接入

波形設計對無線系統(tǒng)的高效運行至關重要。雖然 OFDM 是 6G 波形的有力候選方案，但仍需要探索備選的特定波形或統(tǒng)一可擴展波形，例如 通感一體化。

此外，還必須考慮到不同的頻譜范圍、設備特性（相位噪聲、 PA功率效率）和 系統(tǒng)特性（信號帶寬）。目前正在考慮許多新的波形，包括用于具有 多普勒擴展的高遷移率場景的正交時頻空間調制（OTFS）。此外，單載波波形可能在滿足未來設備對功率的要求發(fā)揮更大主導作用。為了允許更靈活地使用無線信道，可能參考 非正交多址（NOMA）放寬正交性約束。

超大數(shù)量的 MIMO

5G 引入了大規(guī)模 MIMO。目前的趨勢是更高頻率和更短波長，需要在小片區(qū)域內增加天線數(shù)量，以提供更多定向波束來彌補高頻損耗。

另一種提高頻譜效率的方法是自干擾消除技術，用于 帶內雙向通信和中繼 的全雙工通信。

全新的網絡拓撲結構

當前網絡架構中使用的蜂窩布局旨在最大限度地減少區(qū)域邊界處的干擾。然而，為了實現(xiàn)超高速、高容量（特別是連接“云AI大腦”）和高可靠性通信，理想的方式是低損耗的短距離通信，并在多個通信路徑上增加冗余。

這種空間分布式拓撲可能涉及 Cell-Free Networks，其中基站（分布在大面積上）協(xié)調相關聯(lián)合傳輸向每個用戶提供獨立服務。這種方法為不同位置的用戶帶來更高的信噪比和增益，以及更一致的體驗質量。然而，落地需要高度復雜的計算和基站之間的嚴格同步，以及站點之間大量數(shù)據(jù)的交換。

為了向 無人機、飛機、船舶 和 空間站/衛(wèi)星 提供新的服務，從而將覆蓋范圍擴大到 偏遠地區(qū)、海洋 和 太空，有必要對網絡覆蓋范圍進行三維擴展。因此，除了水平部署外，還包括垂直方向的部署。例如，利用無人機（位于 20公里高度平流層的高空平臺站或HAPS）和 低軌道（LEO）衛(wèi)星作為空中移動基站 建立非地面網絡（NTN）來實現(xiàn)這種無處不在的通信。

太赫茲通信和感知

6G 的關鍵技術概念之一 —— 盡管只是 6G 的促成因素之一（使用太赫茲波進行通信和感知）。這些太赫茲應用和技術將在以下章節(jié)中詳細討論。 釋放亞太赫茲和太赫茲頻率范圍（100GHz ~ 3THz）幾個GHz的極高帶寬潛力，是目前研究的方向。除了無線通信中的超高數(shù)據(jù)速率外，這也將有利于感知和成像應用以及未來可能的醫(yī)療診斷程序。

聯(lián)合通信和感知（JCS）的概念 —— 有時被稱為集成通信和感知（ICAS），作為物理層設計的一部分，即聯(lián)合使用的波形和網絡架構，在本地支持這兩種應用。它不僅限于太赫茲率，而且還包括毫米波（mmWave）范圍。寬頻帶也將有利于高精度感知應用。這些應用不僅包括 定位、目標檢測 或 高分辨率雷達，還包括對環(huán)境感知特別敏感的光譜型分析。

光子技術和可見光通信（VLC）

目前光學無線通信作為一種補充技術已經應用于部分領域，它結合了 高速、高保真度 和 低部署成本 等特點，未來會更加普及。與基于射頻的接入網相比，主要優(yōu)點是在可見光和紅外波長上可獲得約 300THz 的免授權帶寬，抗干擾能力強，通信安全，例如在射頻輻射不能穿透墻壁的室內環(huán)境中。具有紅外波長的自由空間光通信（FSO）使用調制激光二極管通過自由空間傳輸信息，作為回程解決方案或用于衛(wèi)星之間的天基通信。然而，它會受到 天氣條件、大氣湍流，尤其是 霧 的影響。

在可見光通信（VLC）中，也被稱為“光保真度 ”（LiFi），數(shù)據(jù)通過商用照明LED的高帶寬強度調制來傳輸。光電二極管充當接收器，這是一種經濟高效的方法，可以輕松集成到現(xiàn)有的基礎設施中，主要用于可視的室內應用。

嚴苛的 6G KPI 也將推動未來交通網絡的發(fā)展 。例如，創(chuàng)新性光與無線網絡全球論壇（IOWN GF）旨在為計算和通信網絡架構研發(fā)各種技術，以同時實現(xiàn)可擴展性、零星的負載波動、能源效率和延遲可管理性。 光子技術 為應對這些挑戰(zhàn)提供幫助：提出的開放式全光子網絡（APN）有助于簡化數(shù)據(jù)傳輸和處理，實現(xiàn)大容量、低延遲和低能耗的基礎設施。例如，它以最小的光電轉換實現(xiàn)跨 域/層次 的直接端到端光路連接，以提供低延遲服務。集成光器件（光子集成電路， PIC）可以提供路由和終端連接功能來實現(xiàn)這樣的端到端全光鏈路。

此外，推測 2030年 信容量需求增加至 Pbit/s 級，長途傳輸將需要 Pbit/s 級通信容量。目前單模光纖（SMF）的極限在 100tbit/s 左右。使用多芯光纖傳輸技術（將多個芯嵌入到單個玻璃光纖中）的超寬帶光傳輸，以及通過復用和添加新的光帶進一步增加波長數(shù)量，可以進一步提升容量極限。

另一種光子技術是量子通信（和量子網絡）概念在25年前首次得到證實，最近引起了廣泛關注。這可以作為 6G 技術的補充，作為確保 超安全和可靠通信 的一種可行方案。量子通信通過交換糾纏光子提供了一種固有安全的 量子密鑰分發(fā)（QKD）方式。這些數(shù)字密鑰隨后將用于傳統(tǒng)的加密傳輸。這些技術可以通過光纖進行集成和傳輸。然而，衛(wèi)星和地球之間的自由空間 量子秘鑰分發(fā)（QKD）也得到了驗證，這為實現(xiàn)未來量子通信網絡提供基礎。

可重構智能表面（RIS）和超材料

當安裝在建筑立面或室內環(huán)境時，使用 可重構智能表面（RIS）可以將無線信號的能量引導到某一點，從而在非視線環(huán)境中提供更好的覆蓋并減少能耗。

從無線通信的早期開始，傳播信道就被認為是發(fā)射器和接收器之間 隨機的、根據(jù)場景而動態(tài)變化的實體。由于周圍環(huán)境和物體以及接收器的移動性，它會以一種不可控的方式降低接收信號的質量。通信理論中的一個基本假設是：傳播信道是通信系統(tǒng)既定條件，不受影響?？芍貥嬛悄鼙砻?#xff08;RIS）的使用可以改變傳播通道，從而在無線通信網絡中引入一種新的可編程實體，并有望將邊界擴展到香農極限之外。

可重構智能表面（也稱為智能反射表面 IRS）是一種平面結構，其設計具有能夠動態(tài)控制電磁波的特性。 IRS 由大量低成本的無源（因此低能量）元件組成，每個元件都以一定的相移反射入射信號協(xié)同實現(xiàn)波束賦形，并抑制一個或多個指定接收器的干擾。這種 RIS 的構建模塊是所謂的超材料，與基于原子成分特性的材料相反，超材料是一種工程構，以所需的方式與電磁輻射相互作用，并具有特殊性能。它們通常由一組小于目標波長的結構組成。

RIS 場景是主要在室內環(huán)境（商場、機場、體育場或工業(yè)/工廠環(huán)境）中部署超密集網絡。

2021年10月，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）在可重構智能表面（ISG RIS）上啟動了一個新的行業(yè)規(guī)范組（ISG），用于評審和建立 RIS 技術的全球標準化。正如目前在 3GPP R18 中討論的那樣，智能中繼器可能是通向反射智能表面的基石。

分布式計算和人工智能（AI）通信系統(tǒng)

雖然未來的 6G 應用場景仍需定義，與 5G 相比很顯然，在 數(shù)據(jù)速率、延遲、頻譜效率、安全性、可靠性 和 能耗 等方面的性能要求將更加苛刻。這也將影響 處理架構：信息技術和通信技術將進一步融合，即大量的數(shù)據(jù)處理將在分布式網絡系統(tǒng)中進行，而不一定在最終的用戶設備中進行。這將導致具有挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)速率和延遲要求。計算能力可以脫離到與設備分離的云或邊緣網絡（從而降低終端成本）。

在傳統(tǒng)的 “馮·諾伊曼” 計算體系結構中，計算單元（CPU）和存儲器是分開的。能耗和延遲成為 在CPU和內存之間傳輸大量數(shù)據(jù)的瓶頸。從人類大腦中獲得靈感的 神經形態(tài)計算（Neuromorphic Computing）等架構實現(xiàn)低延遲的高能效處理，計算任務是在存儲器內部執(zhí)行的。以人類大腦為例，它的計算能力相對于功耗是非常理想的（總共為 20w ~ 30w）。

與人工智能相關的任務嚴重依賴于計算處理能力。圖形處理單元（GPU）性能的進一步提升最終將受到可用能量的限制。對于這樣的任務，內存計算的模擬AI內核特別合適。 各種新的概念，如模擬3D交叉點電阻器陣列，用作非易失性存儲器來存儲權重（例如用于卷積神經網絡），可用于矩陣向量并行計算（神經網絡的流行計算類型）。

AI與機器學習

今天，人工智能（AI）和機器學習（ML）已經被用于許多網絡應用程序的自我管理和控制操作。其中包括初始網絡規(guī)劃階段、網絡控制和優(yōu)化（如流量管理）、動態(tài)頻譜管理以及預測和自適應資源分配。

預計在未來，AI將成為無線通信系統(tǒng)各個領域不可或缺的一部分。這可能包括適應特定傳播信道和環(huán)境條件的物理層設計，并具有端到端優(yōu)化的可能性 —— 而不是優(yōu)化無線傳輸鏈的每個組件。為了應對未來 6G 網絡在 設備類型、頻譜范圍擴展 和 靈活網絡拓撲（如協(xié)作網狀網絡）方面的復雜性增加， AI和機器學習將在 6G 的部署和運營中發(fā)揮重要作用。最大限度提升用戶體驗和成本效率，最少能耗地提升系統(tǒng)性能。

最近，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）也開始在在監(jiān)管角度關注 AI的測試 和 AI系統(tǒng)測試。相關工作組是 ETSI 技術委員會（TC）核心網絡和互操作性測試（INT）工作組 和 ETSI技術委員會（TC）測試和規(guī)范方法（MTS）工作組。

第三章 太赫茲波的性質與應用

3.1 毫米波和太赫茲頻率的新6G頻譜

在通往太赫茲頻譜的路上

5G 率先使用每個組件載波高達 400MHz 的大帶寬毫米波頻率，以實現(xiàn)無線工廠自動化等要求苛刻的實時應用所需的傳輸速率，而新興的 6G 技術旨在實現(xiàn)更高的傳輸速率和更低的延遲。

然而，帶寬為幾GHz的超高數(shù)據(jù)速率的大連續(xù)頻率范圍只能在亞太赫茲和太赫茲范圍內使用，即 100GHz 以上（圖2）。

香農-哈特利定理給出了最大可實現(xiàn)信道容量（在噪聲影響下）的邊界為 C = B·log2 (1 + S/N)，其中 C為容量（bit/s）， B為帶寬（Hz）， S/N為信噪比，該定理指出最大可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率與帶寬B 成正比。因為低于 6GHz 的頻率已經大量使用，所以 5G 將頻率范圍擴展到毫米波范圍。為了進一步提高未來的無線標準（如6G）的數(shù)據(jù)速率，將挖掘太赫茲頻率范圍幾個GHz的大連續(xù)帶寬。圖2 顯示了為未來無線通信分配或考慮的不同頻率范圍。

圖2： 5G 和 6G 的新頻譜

在毫米波和太赫茲頻率范圍內有充足的頻譜資源，其中包含了可用于無線通信的頻帶。FR1 和 FR2 中的 5G 頻段分布在 71GHz 以下的范圍內。6G 的研究主要集中在 D頻段 和 H頻段。

在 4G（LTE）之前，只有 6GHz 以下的頻率范圍被用于無線通信。由于其有利的傳播條件和可以實現(xiàn)的區(qū)域面積，該頻率范圍至今仍發(fā)揮著關鍵作用。

在 3GPP 5G NR 命名法中，該頻率范圍稱為 5G FR1（410MHz ~ 7.125GHz）。該范圍還包括 LTE 和 Wi-Fi，如 Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）和 Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）。

在 3GPP R17 中，5G FR2（深藍色部分）被分配到最高 71GHz（24.25GHz ~ 71GHz）。

對于 5G 的演進（圖2 中的 “Beyond 5G”），正在考慮 71GHz ~ 100GHz 的更高頻率：淺藍色頻率范圍是國際電信聯(lián)盟（ITU）2019年世界無線電大會考慮的未來無線通信的頻率范圍（例如 81GHz ~ 86GHz）。雖然最初考慮了 80GHz 頻段，但沒有批準用于 IMT-Advanced（5G）。該頻率范圍還包含 60GHz 未授權頻段（E頻段從 60GHz 延伸到 90GHz）。

亞太赫茲波段

為了實現(xiàn) 6G 的 TB級 數(shù)據(jù)速率甚至更高的帶寬，我們只能使用超過 100GHz 的頻率范圍。已經確定的新頻段：D頻段（110GHz ~ 170GHz）、 G頻段（140GHz ~ 220GHz）和 H/J頻段（220GHz ~ 330GHz）。

ITU 無線電規(guī)則文件總結了 1995年 世界無線電通信大會（WRC-95）通過并由隨后的世界無線電通信大會（WRC-97、 WRC-2000、 WRC-03、 WRC-07、 WRC-12、 WRC-15、WRC-19）審議的無線電規(guī)則。正如引用附件[22]中第 185頁所述，275GHz ~ 3THz 的區(qū)域目前尚未正式分配。275GHz ~ 450GHz 頻率范圍固定和地面無線服務的操作：確定 275GHz ~ 296GHz、306GHz ~ 313GHz、318GHz ~ 333GHz、356GHz ~ 450GHz 歸管理部門使用，用于實施各種地面無線和固定服務應用，其中地球探測衛(wèi)星應用無需采用特定條件進行保護。

IEEE 的標準化活動目前正在進行中，其中一個小組正在討論這些頻率范圍下 100Gbps 的標準。該標準專門針對 252GHz ~ 325GHz 的頻率范圍，信號帶寬高達 69.12GHz。在 95GHz 左右的 W頻段（75GHz ~ 110GHz）中，已經開始開發(fā)用于無線回程/接入太赫茲頻率范圍。下一個極高的候選頻段，即 110GHz ~ 170GHz 的 D頻段，正被基站基礎設施供應商所關注。 6G 的研究工作目前集中在 300GHz 左右的 D頻段 和 H/J頻段。由于 WRC27 的議程將在 WRC23上確定，因此在 2023年 WRC23之前，通過可行性研究和信道傳播測量（第六章）來展示太赫茲通信的全部潛在價值。

7GHz 以上（7GHz ~ 24GHz）

盡管人們對亞太赫茲頻率范圍有著濃厚的興趣，但位于 FR1 和 FR2 之間的 7GHz ~ 24GHz 頻率范圍仍然提供了潛在的大量可用頻譜（圖2），它可以提供一個 “最佳點” —— 與 FR1 的頻率范圍相比，在更小的封裝中提供更高階 MIMO，與 FR2 頻率范圍相比，它具備更好的傳播特性。因此，該頻率范圍可能是 6G 的候選區(qū)域。

3.2 太赫茲應用

3.2.1 大量的應用有待探索

太赫茲（THz）波位于光學和微波領域之間的頻譜部分。太赫茲光譜學早期用于天體物理觀測和環(huán)境監(jiān)測的高靈敏度儀器。然而，隨著光子學和納米技術的迭代使太赫茲能夠應用于更多的領域。

**光譜學和成像：**由于許多形式的凝聚態(tài)物質、分子化合物、水蒸汽和大氣具有與太赫茲波共振的不同物理特征，太赫茲波顯示出巨大的前景，并已用于光譜學和高分辨率成像的許多領域。利用太赫茲光譜技術可以很容易地識別許多物質和復雜分子，如 藥物、生物分子、蛋白質。圖3 顯示了一個常見藥物分子示例，其中太赫茲頻率的吸收光譜可以用來區(qū)分兩種主要的分子變體。基于太赫茲光譜技術的傳感器還能用于安全保障，因為常見的爆炸物或麻醉品可以通過它們的 “光譜指紋” 來識別。太赫茲波可以對產品進行無損檢測，并可以 “看到” 塑料、紡織品、紙張 等。與 X-Ray 不同，太赫茲波沒有任何電離效應，普遍被認為在生物學上是無害的。因此，它們在使用時不需要任何額外的安全措施。

**通信：**數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長，互聯(lián)網流量在 2017年 已經超過 每月 100EB(10^18 Byte)。預計到 2022年，這一數(shù)字將增至三倍。 由于數(shù)據(jù)流量增長最快的部分與無線信道有關，因此這種網絡容量的增長需要更高的無線傳輸鏈路。提供大規(guī)模連續(xù)頻段以滿足對 Tbit/s 范圍內低延遲的極高數(shù)據(jù)傳輸速率需求，使其成為 6G 無線通信的關鍵研究領域。

**感知和定位：**還有一個概念正在出現(xiàn)，它將無線頻率用于通信和感知能力，即聯(lián)合通信和感知（JCS，第2.2章）。太赫茲頻率不僅可以承載通信數(shù)據(jù)，還可以像高精度雷達系統(tǒng)一樣探測物體。通過這種方式，太赫茲傳感可以提供高分辨率的環(huán)境地圖和厘米/亞厘米級精度的定位信息。例如：工業(yè)控制、監(jiān)控應用、機器人、虛擬現(xiàn)實。

圖3：太赫茲波在通信和感知、光譜學和成像中的應用

左圖：萊布尼茨高性能微電子研究所（IHP）的 D波段 雷達芯片。中間圖：對雙氯芬酸樣品的太赫茲光譜進行分析，可以區(qū)分藥物的兩種主要形式，或多晶型。右圖：使用 R&S?QPS100（70GHz ~ 80GHz）拍攝的微波成像。

3.2.2 用于大氣遙感和天體物理學應用的太赫茲波

根據(jù)普朗克黑體輻射定律，太赫茲光子的能量對應于 幾個開爾文到幾十開爾文 的溫度。因此，太赫茲天文學研究探索了寒冷的宇宙，如星際物質的分子云。新恒星誕生的區(qū)域引發(fā)廣泛關注。 1970年 一氧化碳（CO）因在 115GHz 的太赫茲范圍內發(fā)生躍遷而成為人類從星際云中檢測到的第一種分子，開始了太赫茲天文學時代。

Radiometer Physics GmbH（RPG，羅德與施瓦茨公司）起源于 馬克斯·普朗克 射電天文學研究所 和 美國宇航局噴氣推進實驗室，早期就參與了這項科學研究。該公司一直研發(fā) 太赫茲遙感、毫米波、亞毫米、太赫茲儀器 等尖端儀器。

對于使用毫米波和亞毫米波儀器研究行星（地球、木星、金星、火星等）大氣動力學的科學家和氣象學家來說，他們對分子物種的吸收和發(fā)射特性（參見 圖7 中的地球大氣示例）特別感興趣 。根據(jù)應用和科學目標， 使用各種類型的無源儀器，常見的有 18GHz ~ 664GHz 范圍內工作的輻射儀，0.3THz ~ 1.2THz 范圍內工作的光譜儀， 以及在 35GHz ~ 94GHz 范圍內工作的 FMCW雷達 和 在 166GHz 范圍內工作的閃爍輻射儀。這些儀器可以從地面站操作，也可以從太空衛(wèi)星操作。圖4 顯示了用于 大氣遙感、行星科學 和 天體物理學 的 無源輻射儀、主動輻射源 和 有源雷達儀器 的示例。

在過去的十年中，RPG公司 已經為冰云成像儀（ICI）開發(fā)了 183GHz ~ 664GHz 范圍的太赫茲外差接收機，這是一種由 空客（Airbus-ASE）公司為 歐洲航天局/歐洲氣象衛(wèi)星組織（ESA/EUMETSAT）開發(fā)的第二代多通道掃描輻射儀（MetOp-SG，圖4 左）。它是歐洲提供天氣數(shù)據(jù)服務（例如 海面風矢量和地表土壤濕度）的一項設備，以監(jiān)測并改善 2023年 ~ 2043年 氣象預報的準確性。水蒸氣以潛熱的形式攜帶能量、破壞性風暴、加速氣候變化。自 2000年 以來，隨著海洋和大氣溫度的升高，全球大氣中的水蒸氣量增加了約 4%，導致風暴迅速地加劇，密切監(jiān)測溫度、蒸汽和風對于預測天氣模式是非常有價值的。

對于 ESA 木星冰月探測器（JUICE）計劃（圖4 中間），RPG公司 為亞毫米波儀器（SWI）開發(fā)了 132GHz ~ 158GHz 范圍的大功率源，這是一個由 馬克斯·普朗克 研究所為太陽系研究（MPS）開發(fā)的雙通道 0.6THz ~ 1.2THz 光譜儀。 JUICE 任務計劃于 2023年 發(fā)射。它將花費至少三年的時間對巨大的氣態(tài)行星 —— 木星，以及三個最大且富含水的衛(wèi)星（木衛(wèi)三 蓋尼米得、 木衛(wèi)四 卡里斯托、木衛(wèi)二 歐羅巴）進行詳細觀察。同樣令人感興趣的是 木星大氣和磁層的特征。

這兩種儀器（用于 MetOp-SG 和 JUICE任務）的基礎技術在很大程度上依賴于 GaAs 半導體器件（放大器、乘法器、混頻器）、高精度制造和組裝技術（喇叭天線、射頻模塊），這些技術符合太空任務所需的最嚴格要求。

圖4：太赫茲波在大氣遙感和天體物理學領域的應用示例 左圖：空間被動輻射儀冰云成像儀（ICI）多通道接收器（RX），工作在 183GHz ~ 664GHz 范圍內（交付的飛行模型）（圖片由 RPG / 空中客車 / ESA / EUMETSAT 提供）。中圖：ESA JUICE 任務用于行星科學的亞毫米波儀器（SWI）光譜儀開發(fā)的 132GHz ~ 158GHz LO源（TX）示例。右圖：用于云傳感的 94GHz FMCW 雷達儀器和用于現(xiàn)場蒸發(fā)傳感的 166GHz 閃爍輻射計儀器。

3.3 用于通信的太赫茲波：有哪些潛在的用例場景?

使用吸收窗、功率和天線陣列來實現(xiàn)指向性

毫米波的技術挑戰(zhàn)在太赫茲范圍內更為明顯。這包括更高的路徑損耗和更短的適用范圍。與 5G 中的毫米波類似，這些問題可以通過波束賦形 波聚焦來緩解。更短的波長還有一個優(yōu)點，就是可以在更小的空間中封裝更多的天線，從而產生高度精確的波束。

太赫茲頻率超高速通信的主要用例之一涉及高容量前端和回程點對點（準靜態(tài)）通信鏈路，也適用于偏遠地區(qū)的基礎設施（使用高增益天線或天線陣列）或 “最后一英里” 連接。期望在幾公里的距離內可以支持高達 100Gbps 的容量。此外，窄波束還可以實現(xiàn)非常密集的設備部署。另一種應用包括短距離通信，如超高速自助亭（kiosk）下載，或芯片對芯片通信（圖5）。

如今數(shù)據(jù)中心已成為企業(yè)不可或缺的計算基礎。當代數(shù)據(jù)中心網絡主要依靠銅纜或光纖進行機架內或機架間的網絡連接，這涉及到布線的復雜性。太赫茲無線鏈路可以大幅提升設計的靈活性，并降低部署成本。

雖然室外和室內都可適用太赫茲，但室內場景很可能成為太赫茲應用的主流。在室內環(huán)境中，太赫茲頻譜的短距離和弱穿透能力將成為優(yōu)勢。例如，太赫茲通信可以高度安全，因為它可以被限制在特定的室內空間。

圖5：太赫茲通信用例

3.4 電磁波譜和相關應用

圖6 展示了電磁波譜和各種應用，從低頻端的廣播、蜂窩通信到最高能量（以及頻率）的 X-Ray 成像 和 γ-Ray 治療。太赫茲頻譜位于 電子學 和 光子學 兩個領域的交界處。各文獻對太赫茲頻率范圍的定義有所不同，但 IEEE 和 ITU 的定義是 300GHz ~ 3THz（THF或極高頻率），剛好高于毫米波頻率范圍（30GHz ~ 300GHz，EHF或極高頻） 和 微波頻率范圍（3GHz ~ 30GHz；SHF或超高頻）。然而，在出版物中，100GHz ~ 10THz 的頻率范圍通常被表示為太赫茲頻率。從 100GHz ~ 300GHz 的頻率范圍也通常被稱為 亞太赫茲（sub-THz）頻率。

圖6：太赫茲頻譜在電子和光子學之間電磁波譜和應用

3.5 太赫茲波與物質的相互作用

太赫茲波的能量相對較低（低至光波能量的 1/100 至 1/1000），不會引發(fā)任何化學結構變化。它位于氣體的分子旋轉躍遷 和 弱鍵的振動躍遷區(qū)域。因此，太赫茲波可以通過衰減低的 干燥、非金屬 和 非極性材料傳播。 這種能力，加上它的波長小（相對于微波） 和 光子能量低（相對于 X-Ray），也使太赫茲波成為非電離醫(yī)學成像的理想選擇，如燒傷評估或皮膚癌診斷。

圖7 展示了 毫米波 和 太赫茲頻譜 內的特定大氣衰減情況。共振頻率反映了大氣中存在的各種分子的旋轉激發(fā)光譜。大氣衰減隨工作頻率的增加而穩(wěn)定增加。在這些諧振頻率之間，存在著許多 “大氣窗口”，可用于各種應用。此外 183GHz（G波段）用于水汽探測；140GHz ~ 220GHz 用于遠程濕度傳感（探測冰）。M87星系中心黑洞的第一張直接照片是亞太赫茲波段射電天文觀測的一個案例。在 230GHz 頻率上，事件視界望遠鏡（EHT）陣列通過協(xié)同分布在地球不同位置的射電望遠鏡探測信號。

圖7：毫米波和太赫茲頻譜內的大氣衰減比

在氣壓為 1013hPa，溫度為 +15℃，水蒸氣密度為 7.5g/立方米 時。大氣中存在的不同分子（即 水、氧）的旋轉激發(fā)在吸收光譜中得到反射。

毫米波和太赫茲波用于無線通信鏈路

如 圖2 所示， 24GHz ~ 30GHz 和 37GHz ~ 40GHz 頻率范圍是 5G 蜂窩網絡的毫米波區(qū)域。此外， 43GHz ~ 50GHz 和 60GHz 左右的頻率用于衛(wèi)星通信鏈路。由于氧分子的共振，在 60GHz 以下的傳播損耗增加，為室內應用（WLAN）建立高數(shù)據(jù)吞吐量的安全無線鏈路提供了可能性。

太赫茲挑戰(zhàn)：100GHz 以上頻率的路徑損耗

下一代通信標準 6G 預計也將嚴重依賴于 100GHz 以上的組件，例如 D頻段（110GHz ~ 170GHz）或 H/J頻段（220GHz ~ 330GHz）。

自由空間路徑損耗與信號頻率 ν的平方 成正比。例如 280GHz 的鏈路 與 28GHz 的鏈路相比，有 20dB 的額外路徑損耗。

然而，有一種常見的誤解，即增加無線鏈路的載波頻率將不可避免地導致更高的信道損耗。這只有在發(fā)射機（TX）和 接收機（RX）都是全向天線的假設下才成立。太赫茲波段的路徑損耗可以通過在基站中使用非常大的天線陣列來克服，即超大規(guī)模 MIMO （圖1）。

無線鏈路的 **自由空間路徑損耗（FSPL）**由弗里斯方程描述

其中，d 為 TX天線 與 RX天線 間的距離，λ 為 工作波長，GRX、GTX 分別為發(fā)射機和接收機的天線增益。假設 TX 和 RX 之間的距離以及它們的天線增益是固定的，FSPL值 隨著頻率 ν = c/λ 的增加呈二次增長。 圖8（左）說明了這種關系，即在全向天線（GRX = GTX = 1）的情況下，TX 和 RX 在三種不同頻率下的 FSPL 和 距離。

圖8：毫米波無線鏈路的理論 弗里斯自由空間路徑損耗

左圖：TX 和 RX都是全向天線的場景。右圖：TX 和 RX 都有固定有效孔徑為 1平方厘米 的定向天線場景。

天線增益 G ant 取決于天線的有效孔徑 A eff，它與天線的物理尺寸成正比，也與波長成正比：

工作頻率為 35GHz、70GHz 和 140GHz 時，一個固定有效孔徑為 1平方厘米 的定向天線理論上增益分別為 12.3dBi、 18.4dBi 和 24.4dBi。因為天線的物理尺寸不變，所以天線增益隨頻率的增加呈二次增長。

我們結合最后兩個方程可以得出結論，通過在發(fā)射端或接收端使用具有固定有效孔徑的定向天線，FSPL 與 載波頻率 無關。因此，與較低載波頻率的系統(tǒng)相比，采用高度定向和可操縱的天線應該能夠使無線通信鏈路在更高頻率（具有更高的帶寬和吞吐量）下工作，且不會因大氣衰減而引起信噪比的顯著降低。

第四章 太赫茲產生的電子與光子技術分析

4.1 從電子學到光子學

在過去的二十年中，太赫茲（THz）學科 填補了微波電子學和光子學之間的頻率空缺，在傳感、成像和數(shù)據(jù)通信領域擁有巨大潛力而吸引了越來越多的廣泛關注。自從 100年前 開創(chuàng)了 電氣 和 光學/紅外區(qū)域 之間的工作以來，人們一直積極追求高效、穩(wěn)定和緊湊的太赫茲源和接收器，并使太赫茲科學成為現(xiàn)實。

4.2 消除 “太赫茲間隙 ”

在通信中，0.1THz ~ 10THz 的頻率范圍仍然是一個待開發(fā)領域。然而，這一領域的研究最近引起了越來越多的關注，因為這些高載波頻率與前所未有的信道容量有關。

在過去很長一段時間里，很難產生密集的、定向的太赫茲輻射，太赫茲范圍被認為是電磁頻譜的最終的前沿領域。主要的技術限制即所謂的 “太赫茲間隙” ，如 圖9 所示，繪制了各種電子和光子器件的太赫茲發(fā)射功率與頻率的函數(shù)關系，將在后面篇幅進行更詳細的討論。顯然，太赫茲頻譜在 0.1THz ~ 10THz 的范圍內，功率呈下降趨勢。

主要是由于損耗過大和載流子速度有限，對于電子設備來說太赫茲頻率太高了。另一方面，由于缺乏具有足夠小的帶隙材料，它們對于光子器件來說太低了（見第 4.4章）。

盡管在電子器件（例如 高遷移率半導體材料） 和 光學元件（例如 具有低溫冷卻的量子級聯(lián)激光器）方面已經做出了重大努力，但太赫茲區(qū)域周圍的可用功率仍然遠低于其他頻譜區(qū)域。類似的趨勢也發(fā)生在信號檢測中，這樣的差距使最近二十年的頻譜發(fā)展難以滿足當今世界與日俱增的需求。

圖9：太赫茲發(fā)射功率與頻率的關系

實線表示傳統(tǒng)的太赫茲源：IMPATT（碰撞電離雪崩渡越時間二極管），MMIC（微波單片集成電路），TUNNET（隧穿渡越時間二極管）。

橢圓表示最近開發(fā)的太赫茲源：THz-QCL（量子級聯(lián)激光器），RTD（諧振隧穿二極管），UTC-PD（單行載流子光電二極管）。

4.3 電子學和光子學交界的太赫茲輻射源

產生太赫茲（THz）輻射有三種主要方法（圖10）。下面幾節(jié)將更詳細地舉例說明。

電子源

隨著各種半導體材料組件的改進（參見 第5章），使用電子源的“經典”方法在過去幾年中發(fā)生了巨大的變化。

這些源包括 倍頻鏈（上變頻）、諧振隧穿二極管（RTD）、晶體管、二極管。其優(yōu)點是元件非常緊湊、可以在室溫下工作，但在帶寬和效率上有一定的限制。然而，電子源在太赫茲頻率下相對低效，提供的頻率調諧相當有限。

直接生成太赫茲波：QCL

用光源直接產生太赫茲波的方法包括：非常優(yōu)雅的 量子級聯(lián)激光器（QCL）方法、非線性光學方法（光學參量過程）、分子激光器方法（低效且笨重）。雖然利用 量子級聯(lián)激光器（QCL）可以達到相當合理的功率水平，但效率仍然有限，并且通常必須在低溫下工作。

間接產生太赫茲波：光電子器件

近年來，0.5THz ~10THz 之間的頻率也被列入激光技術的領域。光電子（光子）方法要么使用 可調諧二極管激光器，要么使用 飛秒激光器。光混合器、光導開關或非線性晶體把近紅外激光轉換成 光譜分辨太赫茲波 或 寬帶太赫茲波。

在過去幾年中，使用超快光電二極管和光電導體從光頻區(qū)進行“下變頻”引起廣泛關注。主要優(yōu)點是可在大范圍內調諧、可在室溫操作，可以重復使用為光纖通信已有的成熟技術。在功率上有較大突破，但能效上有諸多限制。

圖10：產生太赫茲輻射的三種主要方法

請注意，1THz 的能量當量對應于 49k，由于在較高溫度下的弛豫過程，某些技術（如：量子級聯(lián)激光器 QCL）必須使用低溫冷卻。

4.4上變頻：電子太赫茲波的產生與分析

自 1933年 成立以來，羅德與施瓦茨公司的核心競爭力一直是為 所有相關電子/微電子領域 開發(fā)和制造先進的射頻測試和測量設備。

為了支持多種 6G 研究活動，包括半導體行業(yè)在 毫米波、太赫茲區(qū)域器件、電路特性的研究，羅德與施瓦茨 提供了廣泛的開發(fā)和分析測量工具。以下各節(jié)給出了一些示例 :

使用 變頻器 支持高達 1.1THz 頻率的矢量網絡分析儀。

使用 外部諧波混頻器（R&S?FS-Zxx 系列）為信號和頻譜分析儀提供擴展頻率范圍支持，例如 D頻段（110GHz ~ 170GHz）和 其他高達 500GHz 的頻段 。

使用 倍頻器（R&S?SMZ系列）為信號發(fā)生器提供擴展頻率高達 170GHz 的支持 。

使用 發(fā)射和接收轉換器，生成和分析 D波段（110GHz ~ 170GHz）的信號。

使用 電波暗室在 D波段（110GHz ~ 170GHz）測量天線輻射性能。

4.4.1 具有計量級精度的基于矢量網絡分析儀的太赫茲測量

業(yè)界對毫米波和太赫茲范圍內進行測量的 矢量網絡分析儀（VNA）的需求與日俱增。在 E波段（60GHz ~ 90GHz）除其他應用外，矢量網絡分析儀（VNA）可表征晶圓探頭系統(tǒng)和波導組件中的有源和無源組件。即使在更高的頻率下，網絡分析儀在 測試集成電路、傳感器和天線、成像系統(tǒng)、射電天文系統(tǒng)和材料 中也有廣泛的應用場景。 5G無線通信標準和汽車雷達傳感器的生產也為它創(chuàng)造了巨大的測試需求。

幾GHz ~ 67GHz 頻率的測量是網絡分析儀標準的一部分，但毫米波和太赫茲范圍的測試要求更高，它們需要外部頻率轉換器（R&S?ZC1100 示波器可以覆蓋高達 1.1THz）。這類擴頻器上變頻刺激信號，下變頻相應信號，以表征在頻率下操作的設備在太赫茲范圍內。

有源元件的晶圓上表征

為了表征線性和非線性范圍內的有源器件，需要在探頭尖端定義輸入功率。由于無法在晶圓上進行功率校準，因此需要校準波導輸出處的功率，并在校準過程中考慮 額外波導、1mm 電纜和探頭尖端的損耗。對于功率掃描和壓縮點測量， R&S?ZNA 集成的校準程序能夠補償毫米波轉換器的非線性，以實現(xiàn)最大的動態(tài)測量范圍和復現(xiàn)性。通常使用 R&S?ZNA 在較低頻率測量有源組件，與高頻下使用系統(tǒng)集成的毫米波轉換器進行計量級精度測量同樣方便。

圖11：太赫茲范圍內的測量

使用 R&S?ZNA 矢量網絡分析儀，在太赫茲范圍內使用 毫米波轉換器進行測量的配置與在較低頻率范圍內一樣方便（左圖）。 MPI TS150-THZ 集成探針系統(tǒng)，R&S?ZNA 配置了顯微鏡，用于高達 330GHz 的晶圓級測量， GGB Industries Inc. 波導探頭直接安裝在毫米波 R&S?ZC330 轉換器的輸出端（右圖）。

為了演示系統(tǒng)性能，測量了德國的 弗勞恩霍夫應用固體物理研究所 IAF 的四級 325GHz MMIC 低噪聲放大器（LNA）（見 圖12）。標量增益 |S21| 以 ±95% 置信區(qū)間顯示。

4.4.2 D波段寬帶信號的產生和分析

可以使用更寬的頻率范圍來實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)速率，6G 研究的重點頻段之一是 D頻段（110GHz ~ 170GHz）。圖13 展示了支持該頻率區(qū)域的組件和收發(fā)器的測試測量設備。

左圖所示為 R&S?FE170ST 發(fā)射機（TX）前端，它將 R&S?SMW200A 矢量信號發(fā)生器的調制信號（例如 潛在的 6G 波形）上變頻到 110GHz ~ 170GHz 的范圍。右邊是對應的 R&S?FE170SR 接收器（RX）前端，它將信號下變頻并將中頻（IF）傳輸?shù)?R&S?FSW 信號和頻譜分析儀。解調后的信號表現(xiàn)出優(yōu)異的 矢量幅度誤差（EVM）性能，并強展示出生成信號極低相位噪聲。

MMIC 設計

下圖展示了由 羅德與施瓦茨公司 及其合作伙伴設計的兩個用于測試與測量設備的 MMIC 示例。

所示的 40GHz ~ 70GHz 放大器約為 4mm × 3mm，反映了 羅德與施瓦茨公司 最新 R&S?SMA100B 模擬信號發(fā)生器中這種電路的標準尺寸。該儀器在微波范圍內提供最高的商用輸出功率。

Radiometer Physics GmbH（RPG）也開發(fā)了太赫茲源，它組合了 W波段 的大功率放大器 GaAs MMIC 和 基于 GaAs 肖特基二極管 的大功率高頻乘法器。圖15 展示了在 赫歇爾太空望遠鏡（左圖）上 遠紅外外差儀（HIFI）的頻率可調諧源，頻率高達 1100GHz ，覆蓋了從遠紅外到亞毫米波長的光譜范圍。右圖 展示了歐洲航天局（ESA）JUICE衛(wèi)星 的 亞毫米波儀器（SWI）的 捷變頻率和功率源，最高可達 158GHz 。

4.4.3 D波段 天線輻射性能測量

在 空口（OTA）測試概念發(fā)展方面，5G 率先將毫米波頻率用于無線通信。這是由于大規(guī)模和高度小型化天線陣列不再適用于傳導測試。 OTA 天線測試概念可以擴展到 D波段 乃至更高范圍，用于探索太赫茲通信和傳感。未來的設備將納入更高集成度的有源天線系統(tǒng)，用于超大規(guī)模 MIMO 和 傳感應用。在可重構智能表面應用程序（RIS）特性的研究領域，OTA 測試同樣重要。

使用 R&S?ATS1000 進行空口測試（OTA）

現(xiàn)在把 6G 研究的重點放在 100GHz 以上的頻率，找到大量可用頻譜是實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的關鍵。不僅需要新的寬帶高增益天線概念，還需要在天線測量程序方面取得進展。

從傳統(tǒng)的 6GHz 以下 蜂窩服務轉向 5G 新空口（NR）頻率范圍2（FR2）已經是一個重大的技術飛躍（圖2）。由于路徑損耗隨頻率的平方增加而增加，因此在用戶設備和網絡基礎設施中引入了具有電子波束指向能力的 高增益天線，以確保無線鏈路的質量。由于集成電路復雜性隨頻率函數(shù)增加而急劇增加，現(xiàn)在大多數(shù)開發(fā)都針對一種新的波導 D波段（110GHz ~ 170GHz）和 G波段（140GHz ~ 220GHz）。

在接下來的討論中，我們將考慮一種球面掃描解決方案來測量 D波段 的輻射性能，該解決方案在 R&S?ATS1000 中實現(xiàn)了前所未有的動態(tài)范圍。該解決方案采用直接 下變頻 的新型探頭設計，在 170GHz 下提供大于 50dB 的動態(tài)范圍。

在 110GHz ~ 170GHz 頻率范圍內測量 被測設備（DUT）的振幅和相位相干響應時，不需要機械修改或額外的射頻布線，R&S?ATS1000 簡化了測試要求。

被測設備（DUT）是 IMST 新設計的 D波段 透鏡的漏波饋電天線（圖16）。它可用于 6G 前傳 點對多點場景。簡化的饋電結構由低介電常數(shù) εr= 2.34 和 直徑 35 mm（20λ 170 GHz）的低損耗高密度聚乙烯（HPDE）制成的橢圓透鏡組成，該設計具備較高的成本效益。饋源由一個 λ/2 漏波空腔組成，由 WR6 波導激發(fā)?？梢匝赝哥R焦平面移動饋源來操縱輻射方向圖。

該天線既進行了數(shù)值建模，又使用緊湊型系統(tǒng)進行了球面近場掃描天線的實驗評估。輻射模式測量是在 R&S?ATS1000 移動球形掃描范圍內進行的（圖17）。該全電波暗室包括一個分布式軸定位器。

DUT 饋電組件用于相位相干和時間穩(wěn)定測量。如 圖17 中鏡頭天線下方所示，該倍頻鏈由一個 D波段 亞諧波混頻器組成，與探頭處使用的混頻器相同， D波段 隔離器連接到 被測設備（DUT）的 WR6 分裂塊。使用 R&S?ZNA43 4端口矢量網絡分析儀（VNA）進行測量，其中前端的一個端口將中頻信號饋送到 被測設備（DUT）。

圖17 展示了測量探頭的概念。 正交換能器（OMT）連接到 20dBi 方形喇叭天線，在整個 D波段 頻率范圍內，3dB 波束寬度為 16° ，交叉極化隔離為 25dB。當 DUT設置為接收（RX）或發(fā)送（TX）時，該組件可以相互工作，并且能夠發(fā)送或接收兩個正交極化場。直接在探頭處實現(xiàn)下變頻或上變頻，從而消除了 RF 頻率下的全部電纜損耗。兩種極化可以同時測量。

圖18 展示了 DUT 全波模擬與測量結果之間的出色一致性。這證實了新探頭測量系統(tǒng)具備高精度。無源天線測量可以成功實現(xiàn)近場到遠場（NF2FF）變換等相位相干數(shù)據(jù)據(jù)采集。未轉換的測量結果顯示為紅色，表明輻射方向圖的主光束已經接近遠場漸近行為。

總之，這樣一種高效的 D波段 透鏡天線設計，在 42% 的帶寬下實現(xiàn)增益大于 30dB。通過球面掃描測試系統(tǒng)對該天線進行了精確表征，該系統(tǒng)能夠進行穩(wěn)定的相位相干測量，并在 DUT 輸入端和測試探頭輸出端進行了直接變頻。相位相干性是支持精確應用近場到遠場轉換算法的必要條件，這對于精確確定輻射方向 圖零位 和 旁瓣電平 至關重要。

4.5 直接產生太赫茲光子：量子級聯(lián)激光器（QCL）

4.5.1 帶間二極管激光器

光譜與太赫茲頻率：帶間躍遷與帶內躍遷

多年來，在激光中產生相位相干輻射（通過受激輻射進行光放大）一直是一個既定的概念。它已經貢獻了許多應用，包括與光纖技術結合的光通信，也是當今互聯(lián)網的技術基礎。激光器由有源介質（可在具有粒子數(shù)反轉的能級之間發(fā)生激光躍遷）、用于反饋腔和額外的頻率選擇元件組成。

帶間二極管激光器

半導體激光二極管是最重要的光電元件之一，它們可以將電流直接轉換成相干光。對于光電學來說，直接帶隙 III-V族半導體材料 GaAs 和 GaN 最為重要。來自導帶的電子（e–）與價帶的空穴（e+）復合，發(fā)射頻率與能級間能量差相對應的光子（圖19）。帶間二極管激光器價格低廉，能高效的產生從紫外線到可見光到紅外頻率區(qū)域的光子。然而，太赫茲光子的能量比可見光光子小 100 ~ 1000 倍，并且沒有材料具有如此小的帶隙和粒子數(shù)反轉。

圖19：帶間二極管激光器與量子級聯(lián)激光器（QCL）

在帶間二極管激光器中，激發(fā)態(tài)能級 |e? 和基態(tài) |g? 之間的激光躍遷發(fā)生在導帶和價帶之間，在 量子級聯(lián)激光器（QCL）中，光子躍遷發(fā)生在導帶 hv 內設計的 量子阱能級（“波函數(shù)工程 ”）之間。

4.5.2 太赫茲 QCL：異質結構設計的子帶間激光躍遷

與帶間二極管激光器相比，激光發(fā)射是在 量子級聯(lián)激光器（QCL）中 通過使用在周期性堆疊半導體量子阱異質結構中的帶間躍遷實現(xiàn)的（“超晶格” 圖19）。這個概念最早在 1994年 由貝爾實驗室的一個研究小組通過 Jér?me Faist et al 進行了演示。

圖20 顯示了周期性量子阱異質結構（外延生長的 GaAs 或 InP 結構，厚度為 幾納米）和由此產生的量子阱能級結構。在制造過程中，可以通過控制層深 來設計量子阱深。因此，激光躍遷的波長取決于器件的物理結構（“電子波函數(shù)工程”）。這個概念允許產生低能量的太赫茲光子，這是帶間二極管激光器無法達到的。

工作原理（圖20）：頻率 ν 的光子通過電子從激發(fā)態(tài) |e? 到基態(tài) |g? 的子帶間躍遷發(fā)射，其中 E = hν 是基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能量差。這個概念的一個優(yōu)點是：負責發(fā)射光子的電子可隧穿到下一個量子阱（有源區(qū)），隨后發(fā)射一個光子。因此，單個電子可以產生多個光子，從而使這一過程變得極其高效。從一個阱到另一個阱的隧穿就是 “量子級聯(lián)” 這個術語的起源。

圖20：QCL：半導體異質結構設計的子帶間激光躍遷 “帶結構與電子波形工程”，光以電子 “級聯(lián)” 的形式通過多個量子阱發(fā)射，形成 “超晶格”。

作為參考，850nm 的光波長對應的能量差為 1.4 eV。太赫茲頻率下成功運行的 量子級聯(lián)激光器（QCL）在 2002年 首次被證實。從那時起，QCL 在頻率覆蓋、功率輸出和工作溫度提高方面取得了迅速發(fā)展。通過精心設計量子阱，激光的波長短至 2.75μm（109THz），長至 161μm（1.9THz）。波長較長的器件仍然需要低溫冷卻，但常溫作業(yè)最長已達到 16μm。關注點已經 集中在中紅外（3.5μm ~ 13μm）和太赫茲光譜（2THz ~ 5THz ≈60μm ~ 150μm）。使用具有腔內非線性混頻的長波太赫茲 QCL源 的方法 甚至可以做到低于 1THz 的頻率。

實現(xiàn)在室溫下工作的太赫茲量子級聯(lián)激光器的旅程已經向前邁出了一步，最近發(fā)表了一種在珀爾帖冷卻器范圍內 -23°C 的工作設備。

4.6 下變頻光子方法：通過光混合從光學到太赫茲

光電頻域產生太赫茲：單行載流子光電二極管（UTC-PD）和 作為光合成器 PIN 光電二極管

最近，一種間接產生連續(xù)太赫茲波的方法引起了廣泛關注：光電二極管可以通過 “光混合” 過程在高帶寬光電導體中通過光外差有效地將光信號轉換為電信號。它涉及 激光器/紅外激光器 在半導體或有機晶體中產生自由電荷載流子。這些載流子被內部或外部電場加速，產生的光電流成為太赫茲波的源。

如 圖21 所示，在這種方法中，兩個連續(xù)波（CW）單模激光器（通常在 1.55μm “光纖通信波長”）的輸出，發(fā)射頻率分別為 ν1 和 ν2，在超快 III–V型 化合物半導體光電探測器（InGaAs/InP）中 “混合” ，在太赫茲區(qū)域產生光脈沖頻率 νTHz = ν1 – ν2 誘導光電流調制。環(huán)繞在光電探測器周圍的天線結構將振蕩的光電流轉換成太赫茲波。最先進的光電合成器基于 GaAs 或 InGaAs/InP，并且要求激光波長低于半導體帶隙（即分別約 0.8μm 或 1.5μm）。

光混合技術的優(yōu)點是，通過調諧激光器，拍頻可以在很寬的光譜范圍內變化，這直接轉化為可廣泛調諧的太赫茲輻射。

圖21：光混合工藝

在兩個稍微失諧的單模激光器拍頻 νTHz = ν1 – ν2 處產生太赫茲輻射的光混合過程。從光學頻率梳中獲得的兩個頻率可以導出極值頻率和相位穩(wěn)定度。 對于數(shù)據(jù)傳輸，其中一個激光器由 馬赫-曾德爾調制器（MZM）調制：它由一個干涉儀組成，可將光束被分成兩束。在其中一個干涉儀臂中，通過電光調制器（EOM）將激光的相位相對于另一條路徑進行偏移，從而在兩束光束重組后產生建設性或破壞性調制激光束。拍頻信號撞擊到光電混合器單行載波光電二極管（UTC-PD）上，集成天線發(fā)出太赫茲輻射。

常用兩種類型的光電二極管：PIN 光電二極管（PIN-PD）和單行程載流子光電二極管（UTC-PD）。這兩種最初都是作為光纖通信網絡的檢波器開發(fā)的，但后來進行了修改以滿足太赫茲發(fā)射的要求。 UTC-PD 最初由日本 NTT公司 開發(fā)，用于 40Gbps 的多級光接收，但這些光電二極管已經增強到能夠產生高達 4.5THz 的信號。

在適用于通信應用的頻段，如 300GHz 頻段，已經實現(xiàn)了毫瓦量級的功率水平。

將激光束的可調諧特性與光混合技術相結合，可以將用于為光通信開發(fā)的光矢量場生成技術（例如調制帶寬 > 100Gbps 的 馬赫-曾德爾調制器）應用到太赫茲范圍內，從而使技術進步。此外，如果增加額外的頻率，這些技術使得實現(xiàn)多頻通信相對容易（圖21）。這種組合還可以輕松地將這些無線鏈路集成到光纖基礎設施中。此外，片上通信和未來的高速設備間通信也將需要太赫茲波導。這種波導最近已經利用具有接近零彎曲損耗和零反向散射的拓撲谷光子晶體實現(xiàn)。如 圖21 所示，將兩個頻率引入到相同的頻率梳發(fā)生器，可以將光學梳獨特的相位和頻率穩(wěn)定性以寬帶和可調諧的方式傳輸?shù)教掌澐秶?。與 圖21 所示的發(fā)射機對應的接收機側，可以是肖特基二極管或與發(fā)射器側對稱的設置。這項技術也為測試和測量儀器帶來了希望，因為它可以通過光電子技術將頻譜分析和矢量網絡分析的頻率范圍擴展到太赫茲區(qū)域。

通信用太赫茲波：300GHz 點對點傳輸

圖22 顯示了在實驗室和室外進行的太赫茲數(shù)據(jù)傳輸試驗（SISO，即一個發(fā)射天線和一個接收天線）。在 200GHz ~ 300GHz 之間有一個低大氣損耗的傳輸窗口（圖7）。與自由空間光鏈路相比，毫米波或太赫茲傳輸受 雨、霧 等惡劣天氣的影響要小得多。圖22 的左側顯示了實驗室中 100Gbps 的示例，而右側的照片顯示了法國敦刻爾克港中 300GHz 的傳輸鏈路，距離為 850米（具有非常聚焦的波束）。

在 圖22 的左側，IEMN 制造的 UTC-PD InGaAs/InP 芯片，以及光電二極管輸出與光電流的響應曲線（來源：IEMN UMR CNRS 8520/法國 Lille-Renatech 大學網絡實驗室）。該光電二極管采用帶有亞波長孔徑的半透明頂部接觸，以增強光電二極管的光學傳輸和正面照明（1.55μm 波長）。通過晶圓鍵合在二極管臺面下方使用金屬鏡，進一步提高了器件的響應度。

在 200GHz ~ 300GHz 之間的太赫茲窗口中實現(xiàn) 100Gbps 傳輸。

4.7 時域產生太赫茲：基于飛秒激光器的光譜學和成像

另一種覆蓋大范圍頻率（0.1THz ~ 6THz）的替代方法涉及光譜學（TDS）和成像的時域（TD）系統(tǒng)。在這種方案中，脈沖太赫茲輻射是通過飛秒激光器產生的。 激光脈沖用分束器分成兩部分：一部分到達太赫茲發(fā)射機，另一部分到達探測器。超短激光脈沖在發(fā)射器（光電導天線）中產生瞬態(tài)電流，從而產生在太赫茲范圍內具有寬頻譜的電磁波包。

太赫茲脈沖與光譜樣本相互作用并到達接收器，接收器以 “Pump-Probe” 的方式工作：入射太赫茲脈沖改變材料的某些特性（例如電導率或雙折射），分離的激光脈沖探測這種效應?？勺冄舆t用短得多的 “探頭” 脈沖掃描太赫茲波包。然后太赫茲幅度進行傅里葉變換再現(xiàn)頻譜。

時域光譜學的優(yōu)點是光譜范圍非常大，測量速度快。商用系統(tǒng)產生的光譜高達 6THz。太赫茲時域系統(tǒng)用于各種工業(yè)應用，例如質量保證中的無損檢測，特別是聚合物和陶瓷等合成材料。在太赫茲測量中，可以推導出復雜的折射率（介電常數(shù)）和幾何結構。例如通過到達時間來測量厚度，在紙張生產中，將寬光譜轉化為微米厚度分辨率。

圖23 顯示了由時域光譜儀（TeraFlash pro, TOPTICA Photonics AG）記錄的公交卡的太赫茲圖像，該樣品的探測頻率從 100GHz ~ 6THz。

圖23：一張日本預付公共交通卡的照片（左圖）和處理過的太赫茲圖像（右圖），揭示了底層電子設備的內部視圖（由 TOPTICA Photonics AG 提供）

第五章 毫米波和太赫茲電子的半導體技術

當今社會迫切需要更高速率的無線連接、更高分辨率的雷達成像系統(tǒng)，這會推動微波系統(tǒng)工作頻率的不斷增加。雖然 5G 已經為 毫米波頻率應用在無線網絡奠定了基礎，但 6G 以及衛(wèi)星通信的研究仍在進一步推動毫米波系統(tǒng)的發(fā)展，使其達到 100GHz 以上的范圍。

這一趨勢為半導體行業(yè)在極高頻率下提供高輸出功率的組件帶來了越來越大的挑戰(zhàn)。功率放大器通常以單片微波集成電路（MMIC）來實現(xiàn)，是無線通信和成像系統(tǒng)中最重要的組件之一。它們在輸出功率、效率、帶寬、線性度和噪聲等方面對整個系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。

在這里，我們重點介紹了高頻應用相關半導體材料的一些關鍵特性，以及最先進的功率放大器發(fā)展現(xiàn)狀。

5.1 高頻應用半導體的材料特性

高頻高功率：III-V族半導體（GaAs，GaN，InP）與 鍺化硅（SiGe）

直接帶隙的 III-V族半導體 是光電子（激光）和高頻應用的理想材料，硅技術具有最先進的大規(guī)模制造工藝，可為商業(yè)應用提供經濟高效的解決方案。

下面的雷達圖對不同的高速半導體材料特性進行了總結和比較（圖24）。

我們提供以下關鍵參數(shù)的簡要說明:

電子遷移率

單位電場強度下所產生的載流子平均漂移速度被稱為遷移率。由于電子比帶正電的空穴表現(xiàn)出更高的遷移率，所以高速半導體器件都是基于電子轉移電流的。關于 “電子遷移率” 這個參數(shù)的單位是 [ m2 / (Vs) ]。

飽和速度

該參數(shù)描述了當電荷被高電子場強度驅動時，半導體器件中電子的最大速度。該參數(shù)的單位簡單來說就是速度單位 [m/s]。在高場強下運行的器件的運行狀態(tài)也稱為 “速度飽和”。

擊穿場強

該參數(shù)描述了材料在變得導電之前承受高電壓的能力（在沒有電流限制的情況下，這通常對器件具有破壞性），單位為 [V/m]。這個參數(shù)定義了器件的最大工作電壓。有一些技術，如場板的應用，可以改善和均衡半導體器件中的場強分布，以提高其擊穿電壓。

能隙

能隙或帶隙以 [eV] 為測量單位，基于量子物理學的特性，描述了在無雜質半導體中沒有能態(tài)可用的傳導帶和價帶之間的能差。對于異質結器件，通過在半導體合金中添加額外的材料來形成帶隙結構，以提高器件性能（例如 SiGe HBTs 或 基于 III-V 的 HEMT 器件）。

熱導率

該參數(shù)描述了襯底材料傳導熱能的能力，單位為 [ W / (mK) ] 。特別是對于功率放大器等功率應用，由于這些器件輸出功率經常受到熱限制，所以這是一個必不可少的參數(shù)。由于熱限制，氮化鎵 HEMT 需在遠低于擊穿電壓的情況下工作。特別注意，因為這個問題，導致高端氮化鎵 GaN 器件是在具有高導熱性的晶格匹配襯底上制造的，例如 SiC 甚至 金剛石。

在給定的半導體材料中，上述參數(shù)強烈影響其應用領域。

砷化鎵（GaAs）

根據(jù)摻雜濃度的不同，砷化鎵 具有相對較高的電子遷移率和飽和速度（圖24），因此，可以實現(xiàn)極高的頻率。雖然材料成本昂貴，但發(fā)展歷史悠久，工業(yè)界積累了大量的經驗。

目前，砷化鎵技術可用于肖特基二極管、偽晶高電子遷移率晶體管（pHEMT）和異質結雙極晶體管（HBT）。砷化鎵 pHEMT 技術在高頻段具有良好的寬帶噪聲。 HBT 特別適用于低 1/f 噪聲和高擊穿電壓的情況。砷化鎵肖特基二極管可用于生產高達 4.7THz 的極低噪聲接收器。它還可以用于高達幾個太赫茲的高效率倍頻，使其成為一種非常通用的毫米波技術。

砷化鎵混頻器和倍頻器既可以作為 MMIC 集成到模塊中，也可以將倒裝芯片轉移到主機基板上，以改善介電負載、散熱。

磷化銦（InP）

磷化銦（InP）具有最高的電子遷移率、飽和速度。因此，可以實現(xiàn)極高的頻率。然而，材料成本高，晶圓/芯片 處理困難。

磷化銦（InP）技術的使用場景主要有 異質結雙極晶體管（HBT）和 高電子遷移率晶體管（HEMT）。雙極型晶體管通常用于最先進的鍺化硅 HBT 速度 和/或 擊穿不足的模擬集成電路。InP HEMTs 的應用領域超過 400GHz，主要用于頻率高達 700GHz 的超低噪聲放大器。

從應用的角度來看，銦砷化鎵（InGaAs）變形異質 HEMT（mHEMT）技術與 InP HEMT 技術相當，只是它們使用砷化鎵襯底。

氮化鎵（GaN）

當?shù)壉蛔C明能夠實現(xiàn) 藍色LED（InGaN）以及隨后的藍色激光器后，它受到了相當大的關注。這產生了 2014年 的諾貝爾物理學獎。氮化鎵還為高功率應用提供了某些有利的材料特性，即高能隙，高擊穿場強，并且與 碳化硅（SiC）襯底結合，具有良好的導熱性，用于散熱。這允許氮化鎵晶體管在高偏置電壓下工作，從而提供高輸出功率。由于缺乏成熟的塊狀氮化鎵源材料和氮化鎵的導熱性不足，導致需要在 碳化硅（SiC）、硅（Si）以及最近的金剛石等載體襯底上生長氮化鎵異質結構。SiC 因其優(yōu)異的導熱性、與氮化鎵的低晶格失配性能優(yōu)異 而成為大功率、高頻應用的主流襯底材料。硅基氮化鎵（GaN-on-Si）是一種更具成本效益的解決方案，對于與 CMOS 的單片集成非常有意義。與 碳化硅（SiC）相比，硅（Si）襯底具有更高的介電損耗，這對毫米波 MMIC 產生了顯著的影響。另外，室溫下的導熱系數(shù)也不同，碳化硅（SiC）的性能提高了三倍（400 W / (m ? K) 對比 130 W / (m ? K)）。由于 氮化鎵（GaN） HEMT 晶體管的安全工作區(qū)域受到熱邊界條件的限制，為了實現(xiàn)高輸出功率和合理的平均故障時間 (MTTF)，襯底的導熱性至關重要。

由于效率優(yōu)勢和在更高通道溫度下工作的可行性，氮化鎵（GaN）幾乎完全取代了硅基 LDMOS 技術，廣泛用于低于 10GHz 的基站。最近，氮化鎵（GaN）也被用于微波回程應用。

上述氮化鎵（GaN）的高帶隙，外加最高通道溫度高達 +200°C ，使該技術成為惡劣環(huán)境的絕佳選擇。特別是星載應用，因為受益于該技術的輻射硬度，所以該技術具有高帶隙和在巨大溫度范圍（“晝夜”）下工作的能力。與其他半導體技術相比，氮化鎵（GaN）放大器系統(tǒng)具有非常低的質量輸出功率和體積輸出功率比。

鍺化硅（SiGe）HBT 和 互補金屬氧化物半導體（CMOS）

鍺化硅（SiGe）異質結雙極晶體管（HBT）也提供了相當好的電子遷移率，允許它們用于高速模擬應用。如果與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術相結合，可以充分利用該技術的優(yōu)勢，以中等成本實現(xiàn)包含高速模擬和數(shù)字功能的混合信號專用集成電路（ASIC）。 CMOS 和 SiGe HBT 的結合通常被稱為 “BiCMOS” 工藝。利用成熟的 CMOS 制造工藝，并將高頻元件與 模擬/數(shù)字 信號處理電路集成在同一芯片上，實現(xiàn)了前所未有的集成度和靈活性。

SiGe HBT 本身是一種廣泛用于汽車雷達應用或短程通信的材料。該技術的擊穿電壓足以提供必要的輸出功率。最近，人們也對這種材料用于微波回程產生了興趣，在 高體積、高集成密度 下獲得更低的每片生產成本。

異構集成作為 6G 研究課題

與毫米波應用相關的不僅有一種半導體技術，6G 最近的研究領域是各種半導體技術的異質集成，以優(yōu)化性能和能耗，例如 InP（速度）、CMOS（集成密度）和 GaN（輸出功率）組合。

表2：半導體材料特性和應用

5.2 最新毫米波功率放大器概述

5G 和 6G 的應用正在突破頻率的界限。相關的數(shù)據(jù)點 “扎堆” 圍繞著驅動應用場景。基于文獻的數(shù)據(jù)，最新毫米波放大器的概述如 圖25 所示。每個數(shù)據(jù)點代表了多年來發(fā)表于論文的測量值。左圖 包括截至 2016年 的測量值，而 右圖 圖表總結了截至 2020年 的工作情況。

圖25：截至 2016年9月（左）和 2020年10月（右）的最先進高頻功率放大器概述

很明顯，不同的半導體技術以不同的顏色表示的數(shù)據(jù)點在頻率范圍內不是均勻分布的，而是聚集在某些頻帶周圍。這顯然是應用圍繞某些頻率分配導致的。例如，在 28GHz 附近發(fā)表有大批成果，這些成果與 5G 新空口（NR）毫米波頻段的基礎設施和終端電路有關，如：n258（24GHz ~ 28GHz）、 n257（26GHz ~ 30GHz）和 n260（37GHz ~ 40GHz）。另一組結果集中在 60GHz 左右，用于 無線千兆網（WiGig），其中大量基于 CMOS 的電路。

70GHz ~ 95GHz 之間的數(shù)據(jù)點聚集各種應用。 77GHz 用于汽車雷達，而一些成像雷達系統(tǒng)在 94GHz 左右。此外，這里也可以找到 E波段 回程和點對點高速率通信鏈路的示例。

值得注意的是，在 2016年 之前，100GHz 以上只有少數(shù)成果發(fā)表。然而，近年來在基于 InP 的設計，以及在較小程度上基于 SiGe 和 InGaAs mHEMT 系統(tǒng)的設計，使得更高的毫米波波段取得了巨大的進展。這背后驅動的力量顯然是下一代通信技術 —— 6G。

功率放大器的頻譜包絡甚至已經超過 300GHz，盡管功率水平較低：500GHz 功率為幾毫瓦（mW），1THz 功率為亞毫瓦（sub-mW）。

第六章 100GHz 以上的信道傳播測量

6.1 從信道探測到信道模型

毫米波和太赫茲頻率傳播特性作為新物理層的基礎 只有在對尚未充分研究的頻率范圍內的電磁波傳播特性有深入了解的基礎上，才能開發(fā) 6G 所設想的亞太赫茲通信。

本章解釋了時域信道探測的概念，并介紹了在具有代表性的室外和室內場景，在 300GHz 左右的 H/J波段 和 D波段（110GHz ~ 170GHz）的信道測量結果。這項研究目的是更好地了解毫米波和亞毫米波（亞太赫茲和太赫茲）無線信道，以及目前在 ITU-R WP5D 中討論的 “100GHz 以上頻段 IMT 的技術可行性”。

信道模型作為利用新頻率范圍的基礎

在開發(fā)新的通信標準之前，必須理解并表征指定頻段內的傳播特性，然后導出信道模型，以實現(xiàn)新標準的系統(tǒng)級仿真。物理層參數(shù)包括導頻信號在時頻域中的分布，這使得接收機能夠均衡并補償信道對傳輸信號的影響。開發(fā)、驗證、編碼、糾錯 需要考慮這種特性。

基礎測量數(shù)據(jù)必須能準確無誤復現(xiàn)所調查的環(huán)境特征。基于幾何學的隨機信道模型（GSCM），例如 3GPP TR 38.901 有效頻率高達 100GHz，是基于不同環(huán)境場景下的大量信道測量。

4G 及之前的 3GPP 信道模型開發(fā)和規(guī)范僅限于 6GHz 以下的頻率范圍和準靜態(tài)環(huán)境。隨著 5G 的發(fā)展，頻率范圍擴展到毫米波區(qū)域，應用于 汽車、高速列車、工業(yè)環(huán)境等新用例對應的動態(tài)場景和其他類型的環(huán)境場景。然而，由此產生的信道模型并不能簡單地擴展到 6G 預期的 100GHz 以上的范圍。它們必須經過驗證和微調，以正確反映環(huán)境的影響。與毫米波范圍相比，在這個頻率范圍內的傳播受到人體、車輛和降雨等環(huán)境條件的強烈影響。

從信道測深到信道模型

“信道測深” 一詞來自聲納技術，即從艦船或潛艇發(fā)出短聲脈沖，并將反射記錄在時域中，這就提供了周圍環(huán)境的可行圖像。通過信道探測進行的信道測量提供了電磁波在特定頻率下傳播特性的圖像。聲納的發(fā)射器和接收器都集成在相同位置，電磁波信道測深時的發(fā)射機和接收機是分開的。在時域信道探測中，具有良好自相關特性的調制脈沖信號，如 Frank-Zadoff-Chu (FZC) 序列，可作為 “ping”，記錄為 信道脈沖響應（CIR）。這種傳播時間測量與 GPS衛(wèi)星 的接收機中執(zhí)行的時間延遲測量非常相似（參照 GPS定位衛(wèi)星，推斷位置信息），其中每顆衛(wèi)星傳輸其單獨的序列。信道脈沖響應（CIR）包括環(huán)境中物體的直接傳播分量（視距 LOS）、所有反射和散射分量（非視距 NLOS）、通道模型參數(shù)及其值可以從結果中推導和確定。

圖26：時域信道測深工作原理：通道脈沖響應（CIR）是通過在感興趣的頻率發(fā)射電磁 “ping”并捕獲所有返回信號分量來測量的。

通常，只有當物體至少與入射波的波長一樣大時，它們才會對電磁波 “物理可見”，并充當反射器或散射器。這意味著在更高的頻率 如 30GHz 的尺寸在厘米范圍內的物體上已經起到反射器的作用。

合作研究

羅德與施瓦茨公司 在信道探測項目方面擁有多年的經驗，包括在日本東京的街道峽谷中進行的 67GHz 高分辨率信道測量活動。2019年 3GPP 研究計劃的重點是在生產環(huán)境等工業(yè)場景中開發(fā)新的 5G 信道模型。為了支持 3GPP 的工作，羅德與施瓦茨公司 與 弗勞恩霍夫·海因里希·赫茲研究所（HHI）合作，不僅在其 Memmingen 和 Teisnach 工廠進行了 28GHz 和 66GHz 毫米波頻段的測量，還在 3.7GHz ~ 3.8GHz 頻段進行了測量，該頻段指定用于德國的專用校園網。

6.2 300GHz 時域信道探測

6G 重點放在更高頻率的信道上。在弗勞恩霍夫HHI和弗勞恩霍夫應用固態(tài)物理研究所（IAF）的合作努力下，開發(fā)了一種在 275GHz ~ 325GHz 范圍內產生并分析信號的設備，帶寬為 2GHz 。該信號可用于信道測量，也可以用于新型波形調制或傳輸實驗，圖27 和 圖28 顯示了測試方案。室溫下極低噪聲和寬帶應用的 InGaAs mHEMT MMIC 是 IAF 的關鍵技術之一（見第 5.1章）。

發(fā)射機和接收機之間傳播延遲的測量

如 圖27 所示，測量結果使用基于時域信道的探測儀捕獲。在發(fā)射端（TX），R&S?SMW200A 寬帶矢量信號發(fā)生器 在中頻（IF）下產生帶寬為 2GHz 的數(shù)字基帶 “ping序列”。 單邊帶上變頻器（結合來自弗勞恩霍夫IAF的太赫茲收發(fā)器）將中頻信號提高到所需的發(fā)射頻率，由 R&S?SGS100A 作為本地振蕩器（LO）源。在接收端（RX）天線信號被放大，并通過 下變頻器 和 LO發(fā)生器 混合到中頻域（IF domain）。 中頻域（IF domain）信號由 R&S?FSW 信號和頻譜分析儀采樣，I/Q采樣 被存儲以供進一步處理。 發(fā)射機 和 接收機 與兩個基于 銣rú 的基準時鐘觸發(fā)單元同步（Synchronomat）實現(xiàn)相干測量，并允許相位評估和相干平均，以及確定絕對飛行時間。

該測試系統(tǒng)在 300GHz 頻率下的初始測量結果表明，其動態(tài)范圍很寬，在該頻率范圍內是無與倫比的。為了系統(tǒng)地表征亞太赫茲頻率范圍，以下各節(jié)討論弗勞恩霍夫HHI在各種環(huán)境情景中進行的聯(lián)合測量。

圖27：300GHz 信道測深系統(tǒng)線框圖

圖28：300GHz 室內環(huán)境的信道脈沖響應（CIR）

使用 R&S?SMW200A 矢量信號發(fā)生器、R&S?SGS100A 信號發(fā)生器 和 R&S?FSW43 信號和頻譜分析儀進行 300GHz 信道測量的測試。圖片頂部顯示了一個集成喇叭天線的收發(fā)器。該裝置可用于信道探測以進行信道表征，也可用于新波形的傳輸實驗（左圖）。右圖是 300GHz 的室內環(huán)境中多重反射的信道脈沖響應（CIR）。發(fā)射機和接收機之間的距離約為 4米。非常狹小的室內環(huán)境具有一些反射特征。電磁波在 1ns 內傳播約 30cm。

6.3 羅德與施瓦茨公司慕尼黑總部的太赫茲通道測量

弗勞恩霍夫·海因里?！ず掌澭芯克?#xff08;HHI）做了上述 300GHz 通道探測系統(tǒng)的表征。

最近，在慕尼黑的羅德與施瓦茨公司總部 對亞太赫茲頻率（158GHz ~ 300GHz）信道的傳播特性進行了更系統(tǒng)的研究。頻率的選擇參照未來的 6G 網絡討論。該研究側重于兩個代表性場景：兩個研發(fā)大樓之間走廊的街道峽谷式（ 城市微蜂窩 UMi ）戶外場景，以及 類似于購物中心或機場的中庭室內活動的測量。

與 300GHz（圖27）相似，圖29 展示了 158GHz 相關信道測深儀的線框圖。使用時域信道測深儀后，測量消耗時間變短，可以在多個位置執(zhí)行多次測量，完成覆蓋 360° 的空間角度。

圖29：158GHz 通道測深測量線框圖

在發(fā)射機（TX），該設備包括 單邊帶上變頻器 和 放大器 連接到具有 7dBi 增益的開放波導。 R&S?SMW200A 矢量信號發(fā)生器在 14GHz 中頻（IF）處提供一個預先計算的中頻探測序列。使用 Frank-Zadoff-Chu 測深序列長度為 100μs，帶寬為 B = 2 GHz（相應的時間分辨率 τ = 1/B = 0.5ns）。

接收機（RX）由 R&S?FSW43 信號 和 頻譜分析儀 以及由 12.24GHz 頻率的 LO 發(fā)生器饋電的下變頻器組成。水平極化E平面喇叭天線，天線增益為 20dBi ，方位角約為 15° 作為接收天線。 D波段 前端將接收到的信號下變頻為 11.12GHz 的中頻（IF）。信號分析儀對頻率為 2.5GHz 的中頻（IF）信號進行采樣，其中一次測量涵蓋序列的 250個 周期。接收天線和下變頻器安裝在精密旋轉臺上，以允許相對于方位角進行角度分辨測量。接收機安裝在攝像小車上，方便精確地移動到不同的接收機位置（圖31）。由于所用天線的波束寬度約為 15°，無線電信道在接收機的方位角域中以 15° 的步長采樣。

為確保發(fā)射器和接收器之間的相干采樣，所有儀器都連接到一個時間基準（弗勞恩霍夫HHI同步器）。除了來自高精度 銣rú原子鐘的 10MHz 參考信號外，同步器還可以在發(fā)射機和接收機上實現(xiàn)同步和相干觸發(fā)。

測量完成后，將接收到的 I/Q 時域樣本作為原始測量數(shù)據(jù)從信號分析儀傳輸?shù)接嬎銠C。數(shù)據(jù)的后處理包括重新采樣和濾波，評估每個序列周期的公共相位漂移和補償相位漂移，所有序列周期的相干平均，使用背靠背校準測量數(shù)據(jù)對振幅和相位校正進行關聯(lián)和應用。結果返回 通用校準信道脈沖響應（CIR），以奈奎斯特速率采樣，其幅度對應通信信道（包括天線）的增益，延遲對應飛行時間。

表3：158GHz 和 300GHz 下的信道探測參數(shù)

表3 總結了時域信道測深儀的基本技術參數(shù)。使用理想的復雜相關序列（ Frank-Zadoff-Chu 序列 ）的配置，并評估和補償相位噪聲引起的漂移后進行額外相干平均，可以實現(xiàn)較大的處理增益和非常寬廣的動態(tài)范圍。

下一節(jié)描述了一些初步結果，更詳細的定量分析正在準備中。

6.4 測量場景和結果

在德國慕尼黑的羅德與施瓦茨公司總部進行了測量，它們代表了 城市微街道峽谷場景 和 室內購物中心/機場場景（圖30）。室外測量是在左邊兩座灰色陰影建筑之間進行的，街道的寬度為 15.5米，周圍建筑的高度約為 20米。

6.4.1 室外街道峽谷場景（城市微蜂窩 UMi）

第一個測量場景位于兩個研發(fā)大樓之間的走廊中，類似于街道峽谷場景（ 城市微蜂窩 UMi 如 圖30 和 圖31 所示 ）。固定發(fā)射機（TX）放置在走廊盡頭的自行停放架上（圖30 左側紅星處）1.5米 的高度。 在那里有一個更開放的空間，有一個小廣場和孤立的樹木（圖31）。包括測試與測量設備在內的接收機（RX）安裝在 1.5米 高的無線平臺（攝像小車）上，放置在離發(fā)射機不同距離的測量位置，最大距離為 170米（圖32）。大多數(shù)測量都是在視線范圍內（LOS）下進行的。

圖31 中的測量示例顯示了 158GHz 和 300GHz 時距離為 30米 的對準天線的 信道脈沖響應（CIR）。LOS路徑下，30米距離的第一個延遲（飛行時間）為 0.1μs 。 多徑分量在 158GHz 下也很明顯，并且比在 300GHz 下更明顯。

圖31：室外 158GHz 和 300GHz（D波段）下的角度分辨 信道脈沖響應（CIR）太赫茲信道測量，在慕尼黑 Rohde&Schwarz 總部的街道峽谷環(huán)境

左圖 展示了街道峽谷盡頭的 發(fā)射器（TX）視角（另見 圖30）。右圖展示 接收器（RX）安裝在無線平臺（相機推車）的裝置，用于在不同位置進行測量。測量示例如下所示，在距離發(fā)射機 30米 處的信道脈沖響應為 158GHz（左圖）和 在相同位置的 300GHz（右圖）。 1μs 的延遲對應于 300米 的距離。

圖32 展示了在 158GHz 的室外場景中，在 10米 ~ 170米 的不同距離上的瞬時 CIRs 組合成一個圖。這些測量覆蓋了兩座建筑物之間的完整街道長度，天線始終是對齊的。從這組大規(guī)模測量中，可以推導出路徑損耗指數(shù)。在延遲較大的多徑分量幾乎存在于整個測量計劃中。

圖32：大規(guī)模戶外街道峽谷場景測量

該圖顯示了158GHz 的 CIRs，在 10米 ~ 170米 距離內，天線排列整齊。

角分辨 Angle-resolved 測量

對測量數(shù)據(jù)集的進一步評估涉及對角度信息的分析。在每個測量點，將接收機旋轉到 24個 等距的角度位置，從而在方位角平面上以 15° 角對無線電信道進行空間掃描。

圖33 顯示了在同一測量點（室外 30米）對兩個頻率（ 158GHz 和 300GHz ）的路徑評估結果。角軸表示循環(huán)維度，意味著這些圖中的第一行和最后一行是相同的，這也反映在顏色上。針對這些評估，為了從噪音中清晰地區(qū)分信號路徑，需要適當?shù)乜刂圃肼曢撝?。對?圖33 中給出的示例，將 158GHz 絕對噪聲閾值被設置為 -120dB ， 300GHz 時設置為 -118dB 。

圖33：158GHz（上圖）和 300GHz（下圖）在 30米距離處（室外）延遲角域的評估路徑

基于此路徑估計，可以將所有路徑的總接收功率（即有效總路徑增益）求和，圖中也顯示了這一點。雖然 300GHz 的信道比 158GHz 的信道稀疏得多，但我們可以清楚地看到，總體功率沒有太大的差異。與 158GHz 相比，我們預計 300GHz 的總功率將減少 6dB 左右。但事實并非如此，因此我們可以得出結論，由于測量原理的高靈敏度，可以解決 158GHz 的附加路徑，但它們對總功率沒有顯著貢獻。均方根（Root Mean Square，RMS）延遲擴展 和 均方根（Root Mean Square，RMS）角擴展 等統(tǒng)計參數(shù)如也可以從這些結果中進行評估。

6.4.2 研發(fā)大樓中庭的室內購物中心/機場場景

室內測量是在 圖30 右側 和 圖34 所示樓內的一個大型開放空間進行的，類似于 購物中心/機場場景。大廳的空間大約是 52米 × 13米，天花板高度約為 20米。發(fā)射天線（TX）部署在大樓門口電梯前方的固定位置，高 1.5米。接收器（RX）安裝在高度 1.5米 的無線平臺上，并移動到可以覆蓋整個建筑面積的矩形網格上的不同位置。

圖34：室內中庭場景（商場/機場）的照片，接收器（RX）位于前面的旋轉臺上，發(fā)射機（TX）位于后面電梯處（另見 圖30）

圖35 展示了在一個特定位置（矩形網格中）具有 LOS峰值 和 多個多徑分量 的角度分辨估計路徑。這是一個室內測量的例子，頻率為 158GHz，距離為 40米。 正如預期的那樣，與室外測量相比，來自不同方向的更多 多徑分量有助于提高總體接收功率（40米 時為 -71.4dB，30米 時為 -75.1dB）。

可以通過玫瑰圖來呈現(xiàn) 圖35（下），每塊 “餅” 代表各自角倉的總功率，將所有的 “餅” 進行處理，便可歸一化為總功率。一個角倉內不同路徑的單一貢獻用圓點表示。我們可以清楚地看到，只有一個或兩個角倉占了幾乎所有的總功率，而在一個倉中，只有少數(shù)路徑有顯著貢獻。

雖然大部分功率來自視距（LOS）方向，但重要的多徑測量覆蓋了所有的方位角方向。

圖35：中庭場景（購物中心/機場）在 158GHz 下某個特定室內位置的路徑評估，角度范圍覆蓋 -180° 至 180°

在底部的玫瑰圖中，相同的數(shù)據(jù)集顯示在極坐標圖中，其中每個圓點對應一個峰值，三角形（“餅”）代表各自角度倉中的整體功率。可以觀察到多個多徑分量。

第七章 結論

太赫茲技術和應用只是未來 6G 無線通信的一個潛在組成部分。該技術有望成為不可或缺的 —— 不僅要在 Tbit/s 級別上實現(xiàn)最大吞吐量以及極低延遲的目標，而且還會迸發(fā)出新的使用場景。設想的 6G 場景涵蓋了 通信、光譜、成像和感知等眾多領域。然而 6G 的商業(yè)實施依托于尚未開發(fā)的可行商業(yè)模式。

在 2030年 左右推出 6G 網絡之后，太赫茲技術可能需要一些時間才能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。盡管如此，已經啟動的研究活動刺激了射頻電子高頻半導體技術的創(chuàng)新，以及相關前景新設備的快速發(fā)展。

雖然半導體技術繼續(xù)向極高頻率發(fā)展，但毫米波帶來的技術挑戰(zhàn)是有目共睹的，它們涉及效率和功耗。與毫米波相比，由于無線電波傳播的范圍更短，太赫茲頻譜區(qū)域的挑戰(zhàn)只會加劇，可以通過波束成形的方式聚焦信號來緩解，這涉及到在小空間中容納更多數(shù)量的天線以產生精確的波束。雖然室外和室內太赫茲應用都是可行的，但室內很可能成為太赫茲應用的主要場景。

利用光子技術產生太赫茲波是一種替代技術的發(fā)展分支，具有將現(xiàn)有光電器件的功率效率轉移到太赫茲頻率區(qū)域的潛力。將當今的實驗室設備小型化到光子集成電路（PIC）中可能成為主流解決方案。哪一種技術最終會成為主流，哪一種方法將用于何種特定場景，這將是一件令人期待的事情。

目前 6G 技術試驗和可行性研究的下一個里程碑是 2023年 的世界無線電大會（WRC）。雖然 2023年 不會做出關于 6G 頻譜的決定，但 WRC23 將為 2027年 的下一屆 WRC 制定議程，屆時 6G 標準化工作將全面展開。這就是為什么工業(yè)界和學術界的研究活動都努力在 2023年 之前，掌握太赫茲通信在技術上和使用場景上都可行的證據(jù)。這包括上一章所述的太赫茲信道測量活動，以了解傳播特性，并為這一新的通信頻率區(qū)域開發(fā)信道模型，以及各種公司和研究機構已經證明的太赫茲無線電鏈路。

自數(shù)字無線通信時代開始以來，羅德與施瓦茨 一直是工業(yè)界和學術界的密切合作伙伴和領先的測試和測量供應商?，F(xiàn)如今該公司為 6G 研究項目提供解決方案和專業(yè)知識，包括太赫茲研究，并為下一個無線通信標準的商業(yè)化鋪平道路。

第八章 參考文獻

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[78] A. Schultze, W. Keusgen, M. Peter and T. Eichler, “Observations on the Angular Statistics of the Indoor Sub-THz Radio Channel at 158 GHz,” 2022 IEEE USNC-URSI Radio Science Meeting (Joint with AP-S Symposium), pp. 9 to 10, doi: 10.23919/USNC-URSI52669.2022.9887443, https://ieeexplore.ieee.org/document/9887443, 2022.

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英文出處 IEEE ComSoc： https://www.comsoc.org/publications/white-papers

作者：京東零售 柳晛

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