太赫茲通信解決黑障問題的探討與分析*

鐘育民，李艷華

（1 北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100094；2 中國航天電子技術(shù)研究院 北京 100094）

引 言

在神舟飛船等高超音速飛行器再入的過程中，隨著大氣密度的增加，飛行器頭部前方將產(chǎn)生激波。由于激波壓縮和大氣的粘度作用，飛行器的動(dòng)能大量轉(zhuǎn)化為熱能，使激波和飛行器之間的大氣被加熱到數(shù)千攝氏度，導(dǎo)致氣體發(fā)生電離，于是在飛行器周圍形成等離子體鞘套。等離子體和無線電波相互作用，使用于測(cè)控和通信的無線電波衰減或反射，導(dǎo)致通信嚴(yán)重惡化，甚至完全中斷[1]，這種通信中斷現(xiàn)象稱為“黑障”。在黑障區(qū)，飛行器將無法被測(cè)量、無法被遙控。黑障甚至成為影響任務(wù)成敗的關(guān)鍵問題之一。為了削弱黑障問題的影響，數(shù)十年來國內(nèi)外學(xué)者提出的方法包括：改變飛行器的氣動(dòng)外形[1,2]、釋放親電子物質(zhì)降低電子密度[2]、采用交叉電磁場降低電子密度[3]、利用磁場形成透波磁窗[2,4]、將天線放置于等離子體鞘套密度較低的背風(fēng)面[5-7]、提高通信頻率[3,7-9]等。綜合對(duì)比各種方法，提高通信頻率是解決黑障問題有效的技術(shù)手段之一，美國、歐洲均開展過相關(guān)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文考慮采用太赫茲（THz）通信解決黑障問題。為了解決太赫茲波在大氣傳輸中損耗過大的問題，提出一種基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的太赫茲通信系統(tǒng)方案，并給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)及解決方法，為系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 電磁波在等離子體鞘套中的傳輸機(jī)理

解決黑障問題，首先要了解電磁波在等離子體中傳輸?shù)臋C(jī)理。等離子體主要有三個(gè)電特性參數(shù)，即電子密度、等離子體頻率和碰撞頻率。等離子體電子密度Ne通常用每立方厘米中的電子數(shù)來表示，與大氣密度和等離子體的溫度有關(guān)。等離子體頻率ωp一般指等離子體內(nèi)部的電子振蕩頻率ωpe，碰撞頻率v表示等離子體內(nèi)部電子與中性粒子和離子的碰撞程度。等離子體頻率ωp正比于電子密度Ne的平方根，兩者關(guān)系如下[10]：

其中，e為電子電荷，0ε為真空介電常數(shù)，me為電子質(zhì)量。

為了便于分析，首先假定電磁波垂直入射到各向同性、均勻的等離子體，該等離子體為厚度為d的無限大平板結(jié)構(gòu)，利用Maxwell方程可以求得衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β[10,11]

其中，σ為電導(dǎo)率，μ為磁導(dǎo)率，μ=μ0μr，對(duì)于各項(xiàng)同性的等離子體，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，故μ等于真空磁導(dǎo)率μ0，ε為介電常數(shù)，ε=ε0εr，εr是相對(duì)介電常數(shù)，ω為電磁波的角頻率。

根據(jù)等離子體的初等理論，介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率σ有如下關(guān)系[12]：

由式（2）～式（5）求得衰減常數(shù)為

其中c為光速。

圖1 通信頻率與等離子體電子密度的截止關(guān)系[8]Fig.1 Relationship between communication frequency and plasma electron density

2 電磁波在等離子體中傳輸?shù)乃p分析

根據(jù)式（6）可以計(jì)算得到電磁波在等離子體中傳輸后的衰減。圖1給出了通信頻率與等離子體電子密度的截止關(guān)系。由圖1可見，目前微波頻率中最高的Ka頻段，只能工作于等離子體電子密度略大于1013/cm3條件下。

文獻(xiàn)[13]給出了我國載人飛船再入過程中飛船的前部和尾部電子密度峰值分布情況，如表1所示?？梢钥吹斤w船再入過程中，前部電子密度最高可達(dá)6×1013/cm3。

根據(jù)前部電子密度6×1013/cm3，結(jié)合式（6）中等離子體頻率和碰撞頻率對(duì)電磁波衰減的影響，可以計(jì)算得到電磁波頻率大于100GHz以上時(shí)，等離子體對(duì)電磁波的衰減才能控制在3dB以下。因此，本文考慮將通信頻段提高到太赫茲，以解決黑障問題。

表1 神舟飛船上2個(gè)特殊點(diǎn)電子密度峰值Table 1 Peak electron density at two special points on Shenzhou spacecraft

3 基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的太赫茲測(cè)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太赫茲波介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，是最后一個(gè)人類尚未完全認(rèn)知和利用的頻段[14]。太赫茲通信集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn)，相比較于微波通信而言，太赫茲通信具有傳輸容量更大、波束更窄、探測(cè)精度更高、保密性和抗干擾能力更強(qiáng)以及天線尺寸更小等優(yōu)點(diǎn)。太赫茲通信理論上可以減輕甚至消除黑障的影響，然而使用太赫茲波也存在固有缺點(diǎn)，主要是太赫茲波在大氣中損耗過大，因此目前太赫茲波難以實(shí)現(xiàn)地面站至再入航天器的直接通信。為了解決這一問題，文獻(xiàn)[15]提出了一種使用空天平臺(tái)在對(duì)流層以上的空間中進(jìn)行中繼的方案。然而，該方案僅僅停留于設(shè)想層面，并未展開分析。本文提出一種基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的太赫茲通信系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)再入飛行器的太赫茲頻段測(cè)控通信，首先要解決的是太赫茲波在大氣中損耗過大的問題。為此，本文提出的基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的太赫茲通信系統(tǒng)可以劃分為兩個(gè)通信鏈路：在臨近空間以上區(qū)域，再入飛行器與高軌衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星以及臨近空間飛行器平臺(tái)之間使用太赫茲波段，從而避開太赫茲波大氣損耗過大的不利因素；在近地空間區(qū)域，再入飛行器與地面接收站、中低軌衛(wèi)星與臨近空間飛行器平臺(tái)、臨近空間飛行器平臺(tái)與地面接收站之間，可采用傳統(tǒng)的微波頻段，以保證信號(hào)在大氣層內(nèi)的遠(yuǎn)距離傳輸。

3.2 頻率選擇

頻率選擇主要考慮等離子體鞘套衰減和大氣衰減兩個(gè)因素。

根據(jù)前文論述，考慮神舟飛船前部電子密度最高處，若要求等離子體對(duì)電磁波的衰減控制在3dB以下，則通信頻率要大于100GHz。

圖2給出了在晴空、云、霧、小雨、大雨天氣環(huán)境下，毫米波和太赫茲波的大氣窗口[16]。從圖2可知，在較低的太赫茲波段區(qū)域有兩個(gè)大氣窗口，其頻率分別是0.14THz和0.22THz。0.14THz的大氣衰減約為0.5dB/km，0.22THz的大氣衰減約為1.5dB/km。

綜合以上兩個(gè)因素，從同時(shí)滿足等離子體鞘套衰減小和大氣衰減小的角度，通信頻率宜選擇為0.14THz。

圖2 不同天氣下毫米波和太赫茲波的大氣窗口Fig.2 Atmospheric window of millimeter wave and terahertz wave in different weather

3.3 通視距離計(jì)算

測(cè)控站對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量時(shí)，其視距范圍的近似計(jì)算公式[17]（僅考慮地球曲率）為

式中，RL為測(cè)控站視距，單位為km；R為等效地球半徑系數(shù)，取值1.334；H1和H2分別為測(cè)控站和目標(biāo)的高度，單位為m。

對(duì)于不同類型的再入飛行器，其再入過程中等離子體鞘套的電子密度最大值出現(xiàn)的高度一般不同，但通常在30km～50km高度。

以再入飛行器高度為30 km計(jì)算，若將臨近空間飛行器平臺(tái)置于20km高度，則計(jì)算得到此時(shí)臨近空間飛行器平臺(tái)的通視距離為1300km，遠(yuǎn)大于一般地面測(cè)控站的400km左右通視距離。

因此，采用臨近空間飛行器平臺(tái)，測(cè)控通信時(shí)系統(tǒng)受視距限制小，可實(shí)現(xiàn)長距離連續(xù)覆蓋，減少遠(yuǎn)距離測(cè)控的接力要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

從原理上來說，太赫茲通信系統(tǒng)與微波通信系統(tǒng)是一致的，只是太赫茲通信系統(tǒng)頻率更高。為了實(shí)現(xiàn)太赫茲通信，首先要解決高靈敏度探測(cè)問題，這是信號(hào)能夠正常檢測(cè)的前提；其次要解決系統(tǒng)的捕獲跟蹤問題，通信頻率越高，天線波束越窄。下面重點(diǎn)分析本系統(tǒng)涉及到的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及相應(yīng)的解決方法。

4.1 高靈敏度太赫茲探測(cè)技術(shù)

高靈敏度探測(cè)是太赫茲頻段理論研究與應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)瓶頸。對(duì)于太赫茲探測(cè)，研究人員提出了很多方案。

① 傳統(tǒng)太赫茲波探測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的探測(cè)器主要包括超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器（SIS）和超導(dǎo)熱電子混頻器（HEB）。其中SIS混頻技術(shù)以光子輔助隧穿機(jī)制為理論基礎(chǔ)，探測(cè)頻率范圍約為0.1THz ～1.2THz，且需在液氦溫度下工作。但是太赫茲通信系統(tǒng)通常需要在室溫或大溫度范圍內(nèi)工作，因此SIS混頻技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制。HEB與SIS混頻技術(shù)相比，在探測(cè)1THz以上頻率的輻射時(shí)有更好的性能表現(xiàn)，其響應(yīng)頻率更快。目前HEB可探測(cè)的最高頻率約達(dá)5THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍左右。HEB混頻器使用方便，但是只能測(cè)出強(qiáng)度，不能提供相位信息，因此只能用于非相干測(cè)量場合，且其靈敏度也受背景輻射的限制。超高碼率通信一般采用相干體制，因此HEB混頻器在太赫茲通信領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[14]。

② 太赫茲通信探測(cè)器

為了尋找適合太赫茲通信的探測(cè)器，研究人員做了大量的研究。目前報(bào)道比較成功的探測(cè)器主要有基于氮化鋁鎵/氮化鎵（AlGaN/GaN）的空間肖特基光電二極管（HDSD）太赫茲探測(cè)器以及基于拋物帶有效質(zhì)量近似和三維漂移-擴(kuò)散器件模擬方法設(shè)計(jì)的THz量子阱紅外探測(cè)器QWIP（Quantum Well Infrared Photodetector）[14]。

目前報(bào)道的基于AlGN/GaN的HDSD太赫茲探測(cè)器探測(cè)頻率可達(dá)2.24THz，該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體太赫茲探測(cè)器通過基于AlGaN/GaN的二維電子氣（Two-Dimensional Electron Gas）獲得很低的晶體管電容，因此對(duì)比傳統(tǒng)的肖特基二極管，其截止頻率得到了極大提高，可以響應(yīng)THz信號(hào)。該探測(cè)器在日本電報(bào)電話公司（NTT）的120GHz太赫茲通信系統(tǒng)演示接收機(jī)模塊中得到了應(yīng)用。

基于拋物帶有效質(zhì)量近似和三維漂移-擴(kuò)散器件模擬方法設(shè)計(jì)的THz QWIP是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所的研究成果，首次實(shí)現(xiàn)了一種能工作在光子能量小于34meV的THz QWIP，其峰值探測(cè)頻率為7THz（波長42μm）。該探測(cè)器在我國首個(gè)太赫茲無線通信演示上得到了應(yīng)用。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所曹俊誠太赫茲研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz-QCL）和太赫茲量子阱探測(cè)器（THz-QWP）的無線通信演示，利用該通信系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了文件的傳輸，通信頻點(diǎn)為4.1THz。

根據(jù)太赫茲通信的應(yīng)用場景，以及設(shè)備國產(chǎn)化的考慮，本系統(tǒng)擬選擇THz量子阱紅外探測(cè)器。

4.2 APT技術(shù)

微波通信系統(tǒng)的天線波束相對(duì)較寬，一般是將天線波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)可能出現(xiàn)的空域，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲跟蹤?？紤]到THz頻段比較接近光頻，波束窄，需要采用光通信系統(tǒng)中的APT（Acquisition Pointing Tracking）技術(shù)。APT技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)，當(dāng)跟瞄精度滿足系統(tǒng)正常工作的精度要求時(shí)，才啟動(dòng)通信子系統(tǒng)，從而建立通信鏈路，完成數(shù)據(jù)傳輸。

采用APT技術(shù)的APT子系統(tǒng)工作原理是：首先由發(fā)射端發(fā)出波束較寬的信標(biāo)光，在接收端探測(cè)該信標(biāo)光，并對(duì)之進(jìn)行捕獲、跟蹤。然后接收端返回信標(biāo)光到發(fā)射端，以此完成點(diǎn)到點(diǎn)的鎖定，并在兩端建立通信鏈接。在整個(gè)通信過程中，這一鏈接需要一直保持。為此，在建立通信鏈接之后，用通信光束代替信標(biāo)光束，繼續(xù)維持跟蹤，直到通信結(jié)束。如果因?yàn)槟撤N原因（如雷電、大氣湍流或粒子流），鏈接斷開，則APT子系統(tǒng)還要保證盡快地重新進(jìn)行捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)。

APT子系統(tǒng)需要較大的捕獲范圍，同時(shí)又需要較高的控制精度，可以采用粗精復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。粗跟蹤C(jī)CD成像單元和常平架構(gòu)成粗跟蹤環(huán)，它具有大的動(dòng)態(tài)范圍和窄的控制帶寬，跟蹤精度低于最終要求的指標(biāo)，它主要用于初始定向、開環(huán)捕獲和粗跟蹤過程；精跟蹤環(huán)的主要部件是快速傾斜鏡和精跟蹤探測(cè)器，它具有很寬的控制帶寬和很高的伺服增益，對(duì)寬功率譜振動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力，以保證快速、高精度的對(duì)準(zhǔn)和跟蹤[18]。

5 工程應(yīng)用主要難點(diǎn)

太赫茲通信技術(shù)目前還處在高性能核心器件的研究開發(fā)及通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室演示階段[19]，為了實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，還需在THz源和超高碼率信道均衡技術(shù)等方面開展研究，下面作簡要介紹。

① THz源發(fā)射功率受限

太赫茲波輻射功率較低，很難達(dá)到通信對(duì)載波功率的要求，缺少室溫連續(xù)工作的高功率太赫茲源。因而，需要研究太赫茲頻段載波信號(hào)放大技術(shù)，研制新型全固態(tài)室溫大功率太赫茲源，解決目前太赫茲源輸出功率低、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題。然而，目前太赫茲功率器件特別是固態(tài)功率器件發(fā)展緩慢，高于100GHz以上的功率放大器無法突破50mW，高于170GHz的功率放大器無法突破10mW，高于200GHz的真空管器件雖然發(fā)射功率可以達(dá)到瓦級(jí)，但是對(duì)于輸入驅(qū)動(dòng)功率有一定的要求，目前還沒有固態(tài)功率器件能夠滿足[20]。

② 超高碼率信道均衡技術(shù)

太赫茲頻段非常寬，速率可達(dá)10Gb/s以上，非常適合超高速率信號(hào)傳輸。然而，傳統(tǒng)無線通信電調(diào)制技術(shù)已不適用于太赫茲超高碼率傳輸。針對(duì)太赫茲超高碼率傳輸已有大量的研究，但是太赫茲寬帶信道的幅相均衡技術(shù)、寬帶非線性預(yù)失真技術(shù)以及其他信道校正補(bǔ)償技術(shù)等還有待進(jìn)一步深入研究與實(shí)現(xiàn)，以滿足更大容量、更高碼率信號(hào)傳輸需求。

6 結(jié)束語

針對(duì)再入飛行器的黑障問題以及太赫茲波段在大氣中損耗過大問題，本文提出了一種基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的太赫茲/微波混合通信系統(tǒng)方案，并對(duì)系統(tǒng)總體方案、頻率選擇和通視距離進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。此外，本文還探討了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及解決方法，以及工程應(yīng)用的主要難點(diǎn)，為系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。