毫米波太赫兹技术

随着对电磁频谱的不断探索，人类对电子学和光学获得了充分的认识。并且通过对电子学和光学的研究，研发了各种器件，形成了两大较为成熟的研究和应用技术。一是微波毫米波技术，在雷达、射电天文、通信、成像、导航等领域得到了广泛的应用。另一个是光学技术，其应用已渗透到人们日常生活的方方面面。然而毫米波和光频段之间，还存在着丰富的未被充分开发的频谱资源，也就是太赫兹频段。传统上，微波频段定义为300MHz-26.5GHz，毫米波频段为26.5-300GHz，而太赫兹频段为300-10000GHz(10THz)。现在比较流行的一种说法是，0.3-30GHz为微波频段，30-300GHz为毫米波频段，0.1-10THz为太赫兹频段。

现行的5G无线蜂窝通信只集中在Sub 6G频段，研究已久的毫米波通信并没有在5G独立组网与非独立组网中得以实现。毫米波虽然具有很大的带宽，可以带来数Gbps的峰值数据传输率，但是毫米波的路径损耗大，传播距离受限且易于阻挡。此外，毫米波硬件成本高，获取信道状态信息时导频开销大。硬件成本高可以通过混合预编码系统来改善，也就是说整个预编码系统既包含数字预编码也包含模拟预编码模块。混合预编码系统只包含有限个RF链路，因此可以极大地降低硬件成本与能量消耗。但是，毫米波收发机可以观测到的数据也会从天线个数减低到RF链路个数，增加了信道估计与波束追踪的难度。获取信道信息是设计波束赋形与预编码的前提，因此高效、快捷、精准的信道估计算法对于毫米波通信至关重要。毫米波信道具有稀疏性，可以通过先进的压缩感知技术来完成信道估计的任务。对于信道路径数少、传播信道易于阻挡，我们可以引进低成本的智能反射面来解决。智能反射面可以建立一个虚拟的直射路径，来完成收发端的数据通信。引入智能反射面，特别是被动的智能反射面，会使系统的信道估计难度进一步提升。基于智能反射面的毫米波系统存在诸多难题，如信道估计、信息反馈、多智能反射面协同、智能反射面控制等。解决这些问题是智能反射面与毫米波彻底融合的前提。

太赫兹研究主要集中在0.1-10THz频段。这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域。起初，这一频段被称为“THz Gap（太赫兹鸿沟）”，原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频段，即电子学频谱和光学频谱之间。其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，高频段与光学领域的远红外频段（波长0.03-1.0mm）有重叠。由于这一领域的特殊性，形成了早期研究的空白区。但随着研究的开展，太赫兹技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现，其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面，如生物成像、THz波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。太赫兹之所以具有良好的应用前景，主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。例如：自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段，这对检测生物信息提供了一种有效的手段；太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体造成损坏，可以实现无损检测；太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，从而可作为探测隐蔽物体的手段；太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱，易于对各种材料进行光谱分析；此外，太赫兹频段的带宽很宽，从0.1-10THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源。

太赫兹通信可作为现有空口传输方式的有益补充，将主要应用在全息通信、微小尺寸通信（片间通信及纳米通信）、超大容量数据回传、短距超高速传输等潜在应用场景。同时，借助太赫兹通信信号进行高精度定位和高分辨率感知也是重要应用方向。

太赫兹通信需要解决的关键核心技术及难点主要包括以下几个方面。收发架构设计方面，目前太赫兹通信系统有三类典型的收发架构，包括基于全固态混频调制的太赫兹系统、基于直接调制的太赫兹系统和基于光电结合的太赫兹系统，小型化、低成本、高效率的太赫兹收发架构是亟待解决的技术问题。射频器件方面，太赫兹通信系统中的主要射频器件包括太赫兹变频电路、太赫兹混频器、太赫兹倍频器和太赫兹放大器等。当前太赫兹器件的工作频点和输出功率仍然难以满足低功耗、高效率、长寿命等商用需求，需要探索基于锗化硅、磷化铟等新型半导体材料的射频器件。基带信号处理方面，太赫兹通信系统需要实时处理Tbps量级的传输速率，突破低复杂度、低功耗的先进高速基带信号处理技术是太赫兹商用的前提。太赫兹天线方面，目前高增益天线主要采用大尺寸的反射面天线，需要突破小型化和阵列化的太赫兹超大规模天线技术。此外，为了实现信道表征和度量，还需要针对太赫兹通信不同场景进行信道测量与建模，建立精确实用化的信道模型。