太赫茲技術(shù)在低軌星間通信中的應(yīng)用與分析

宋瑞良，李 捷

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

從近些年的發(fā)展情況來看，互聯(lián)網(wǎng)和寬帶通信已成為推動衛(wèi)星通信向網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化發(fā)展的主要動力，寬帶衛(wèi)星通信已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的趨勢[1]。低軌衛(wèi)星星座構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)能夠確保在任何時間、任何空間通信可達，相對于高軌通信衛(wèi)星具有“極地覆蓋”和“低時延”的優(yōu)勢。當前發(fā)展低軌寬帶大容量衛(wèi)星通信的需求愈發(fā)迫切，因而急需一種新的超高速無線傳輸技術(shù)來支持日益增長的衛(wèi)星通信流量[2]。太赫茲頻段處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡頻段，具有許多優(yōu)異的傳播特性，例如高穿透能力、頻帶寬、抗干擾、可突破“黑障”限制等，尤其是大帶寬和抗截獲的特點，非常適合星間高速傳輸與組網(wǎng)應(yīng)用。相比激光通信，太赫茲通信更容易實現(xiàn)波束的快速捕獲與跟蹤。隨著國內(nèi)外高通量衛(wèi)星以及低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展，太赫茲技術(shù)將成為解決空間高速傳輸與組網(wǎng)問題的重要技術(shù)手段之一。

1 太赫茲通信技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從近十年的國際發(fā)展趨勢看，日本已在2008年北京奧運會首次成功采用120 GHz載波實現(xiàn)太赫茲傳輸實驗，日本NTT公司已實現(xiàn)0.125 THz和0.3 THz的太赫茲通信系統(tǒng)，奠定了日本在國際太赫茲研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。其后，美國Bell實驗室實現(xiàn)了0.625 THz通信系統(tǒng)，德國也在0.24 THz實現(xiàn)了40 Gbit/s通信系統(tǒng)，英國格拉斯哥大學(xué)采用緊湊型射頻前端在0.3 THz實現(xiàn)了20 Gbit/s傳輸演示。

國內(nèi)從2005年香山會議開始掀起了太赫茲通信技術(shù)的研究熱潮，電子科技大學(xué)、中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國工程物理研究院和中國電子科技集團公司第五十四研究所成為早期開展相關(guān)研究的機構(gòu)。國內(nèi)外典型太赫茲通信系統(tǒng)的主要指標如表1[3]所示。

表1 國內(nèi)外典型太赫茲通信系統(tǒng)主要指標Tab.1 Main specifications of typical terahertz communication systems at home and abroad

在目前已發(fā)表的文章中，關(guān)于太赫茲通信的研究是以地面場景作為測試和應(yīng)用環(huán)境的。在太赫茲通信空間應(yīng)用方面，無論是星上驗證還是在軌運行的通信系統(tǒng)，未見報道。

2 低軌星間太赫茲通信需求及特點分析

2.1 低軌星間太赫茲通信需求

目前低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)已從僅支持話音和低速數(shù)據(jù)傳輸，向支持大容量通信和多用戶連接轉(zhuǎn)變。國際上典型的低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括OneWeb,LeoSat,Starlink,Telesat系統(tǒng)。上述各系統(tǒng)的主要指標如表2所示。

表2 典型低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要指標Tab.2 Main specifications of typical Leo broadband satellite communication system

我國低軌寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)起步較晚，最近相繼發(fā)射了幾顆寬帶通信試驗衛(wèi)星，但在傳輸速率和單星容量等關(guān)鍵指標與國際已在軌運行的低軌寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)仍存在一定的差距。

相比傳統(tǒng)的低軌衛(wèi)星通信星座(銥星、Globalstar等)，當前低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)呈現(xiàn)以下幾個特點：

(1) 星座的規(guī)模越來越大

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)更多考慮的是實現(xiàn)無縫隙覆蓋，但系統(tǒng)容量不高，僅能夠支持話音以及Mbit/s甚至kbit/s級數(shù)據(jù)通信。而當前的寬帶衛(wèi)星星座基于全球住宅、商業(yè)、機構(gòu)和政府用戶的數(shù)據(jù)接入需求，星座規(guī)模和系統(tǒng)容量的大幅提升已成為最顯著的特征，當前主流衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的星座規(guī)模已從幾百顆到目前的上萬顆[4]。

(2) 單星容量日益增大

系統(tǒng)容量的提高，不僅依賴于大規(guī)模的星座構(gòu)型，更依賴于單星容量的提升。隨著固定通信、移動通信、廣播、遙感遙測導(dǎo)航定位等系統(tǒng)在單星上的綜合，星上載荷逐漸增多，同時網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)使得星間組網(wǎng)與星地組網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用[5]，都對星上處理能力提出了更高的要求，單星數(shù)據(jù)承載量已經(jīng)達到Gbit/s甚至Tbit/s級別。

(3) 星間鏈路的頻段越來越高

隨著單星容量的增大，L,S以及Ku,Ka頻段的帶寬已成為限制大容量通信的瓶頸，無法滿足高速大容量通信的要求，因而目前發(fā)展太赫茲頻段衛(wèi)星通信已成為國內(nèi)外研究熱點。太赫茲通信具有更大的帶寬，可以較容易地獲得Gbit/s以上的無線傳輸速度，這比當前的超寬帶技術(shù)領(lǐng)先幾百至上千倍；而且在空間近似真空的狀態(tài)下，不受水分和大氣的影響；此外太赫茲對于突破“黑障”限制也有其自身的優(yōu)勢，尤其適用于衛(wèi)星通信。

2.2 太赫茲通信在空間應(yīng)用的技術(shù)特點

太赫茲波與微波相比，太赫茲波的頻率更高，帶寬更大，能夠解決現(xiàn)有衛(wèi)星通信微波帶寬不足的問題，實現(xiàn)星間高速通信的要求[6]。相對激光通信，太赫茲波波束更寬，在空間中的攝動、定軌、姿態(tài)保持、遙感遙控誤差帶來的跟瞄問題較激光更小，更易實現(xiàn)星間的高速通信與組網(wǎng)應(yīng)用。但在低軌星間通信場景中，通信距離長、數(shù)據(jù)速率大等實際問題也使太赫茲通信呈現(xiàn)出以下技術(shù)特點：

① 低軌衛(wèi)星間通信距離較遠，射頻前端需要滿足高功率指標要求以實現(xiàn)長距離傳輸；

② 太赫茲所處的頻段較高，需要高靈敏度接收機來保證信號的完好接收；

③ 通信速率越來越高，已從幾十Gbit/s發(fā)展到幾百Gbit/s，且有向Tbit/s級別發(fā)展的趨勢，這就需要高速基帶信號處理技術(shù)來保證信息的高速傳輸；

④ 隨著星上載荷種類的增多，小型化、集成化已成為星上設(shè)備和器件的新要求。

3 針對低軌衛(wèi)星的太赫茲星間通信總體設(shè)計

太赫茲衛(wèi)星通信載荷包括用于星間接入的高速交換組網(wǎng)模塊、滿足基帶高速處理需求的調(diào)制解調(diào)模塊、高功率高靈敏度收發(fā)信機模塊以及高增益太赫茲天線。

圖1給出了一種太赫茲星間通信系統(tǒng)總體設(shè)計圖，其中各部分功能如下。

圖1 太赫茲星間通信系統(tǒng)總體設(shè)計圖Fig.1 Schematic diagram of terahertz inter-satellite communication system

① 高速交換和組網(wǎng)模塊：實現(xiàn)本星其他應(yīng)用載荷信息到交換網(wǎng)絡(luò)的注入和接收，支持組網(wǎng)中為其他衛(wèi)星提供信息的橋接和轉(zhuǎn)發(fā)功能；

② 高速調(diào)制解調(diào)模塊：利用高效多流傳輸技術(shù)、超可靠高速編譯碼技術(shù)、高速FPGA實時信號處理技術(shù)等基帶高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)多流、并行高速傳輸，實現(xiàn)頻譜利用率的有效提升；

③ 高集成度收發(fā)信機模塊：基于太赫茲頻段集成電路芯片技術(shù)，在保證高功率輸出和高靈敏度接收的前提下，滿足太赫茲收發(fā)信機載荷的高度集成化，大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜度；

④ 太赫茲天線：采用大口徑高增益太赫茲透鏡陣列天線，支撐空口多流高速傳輸。

基于此通信系統(tǒng)，以220 GHz頻點為例，假設(shè)采用0.6 m口徑的高增益太赫茲天線、行波管功放實現(xiàn)5 W輸出功率[7]，高靈敏度接收機噪聲系數(shù)為7 dB，在傳輸距離為150 km、帶寬為5 GHz的條件下可實現(xiàn) 25 Gbit/s傳輸。在傳輸距離50 km、帶寬5 GHz條件下可實現(xiàn)大于50 Gbit/s傳輸?；?4QAM調(diào)制、10-6誤碼率等條件，對50,150,500,2 000 km傳輸距離的鏈路預(yù)算如表3所示。

表3 對于不同傳輸距離的鏈路預(yù)算Tab.3 Link budget for different transmission distances

4 低軌星間太赫茲通信中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 集成化、陣列化太赫茲射頻前端技術(shù)

用于星上的太赫茲射頻前端，由于星上搭載的載荷重量和空間有限，主要考慮小型化的問題。而小型化的星上太赫茲射頻前端，主要分為集成化和陣列化兩個方向。

在太赫茲射頻集成化技術(shù)方面，通過高精密的集成封裝工藝將多種太赫茲射頻器件一體化封裝，實現(xiàn)模塊封裝集成。此外，太赫茲射頻技術(shù)還需要突破新型半導(dǎo)體材料外延技術(shù)、異質(zhì)半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)以及先進微納米3D打印和制造技術(shù)，實現(xiàn)射頻前端的芯片一體化設(shè)計，將模塊集成向芯片集成轉(zhuǎn)化。

在太赫茲射頻陣列化方面，由于頻率的不斷提升，芯片的尺寸不斷縮小，在空間環(huán)境應(yīng)用時，通信衛(wèi)星載荷系統(tǒng)對輸出功率、射頻增益的要求不斷提升，射頻前端逐漸從單芯片單通道向多芯片陣列化發(fā)展。例如：太赫茲相控陣天線將采用射頻與天線的一體化芯片加工方式，并通過低損耗的陣列連接方式實現(xiàn)太赫茲波的波束調(diào)控，這種方式將解決太赫茲射頻前端多模塊混合封裝損耗大、單芯片輸出功率不足的問題。目前，美國已研發(fā)出一款太赫茲相控陣天線芯片，如圖2和圖3[8]所示。

圖2 太赫茲相控陣原理圖Fig.2 Schematic diagram of terahertz phased array

圖3 太赫茲相控陣前端樣片和片上相控陣天線Fig.3 Terahertz phased array front-end sample and on-chip phased array antenna

4.2 高增益太赫茲功放技術(shù)

星間傳輸由于距離較遠，因而相比地面?zhèn)鬏?，需要更高功率來保證接收端對發(fā)射信號的完好接收。高增益太赫茲功放按照其實現(xiàn)的技術(shù)路徑可分為固態(tài)功放和行波管功放兩大類。

采用固態(tài)功率放大和固態(tài)功率合成技術(shù)，可以實現(xiàn)太赫茲頻段mW到百mW量級的功率輸出。固態(tài)功率放大器一般采用晶體管TMIC技術(shù)實現(xiàn)，例如工作頻率在0.34 THz的InP基HEMT功放，目前輸出功率可達10 mW，功率密度可達62 mW/mm[9]。采用第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料，目前已實現(xiàn)0.1 THz、1 W的輸出功率，功率密度超過2 W/mm。在此基礎(chǔ)之上，采用空間輻射陣列功率合成將能進一步提升功放模塊整體的輸出功率。在太赫茲頻段，采用空間輻射陣列功率合成技術(shù)需要每個通道的幅相保持高度的一致性，同時減少多路合成帶來的合成損耗，并解決合成過程中的散熱問題，因此對于設(shè)計者和工藝加工精度都提出了更高的要求。

行波管通過電子束和電磁波進行能量交換來實現(xiàn)信號放大，一般用于發(fā)射機的最后一級，用以獲得10 W以上的連續(xù)波輸出功率[10]。但是由于行波管功放帶寬小、所需高壓設(shè)備相對復(fù)雜，因此對于高速大帶寬多通道太赫茲通信系統(tǒng)仍需進行系統(tǒng)級設(shè)計與優(yōu)化。從目前的低軌衛(wèi)星通信需求分析，行波管更適合于低軌星間點對點通信鏈路，而固態(tài)功放更適合于星間點對多點通信與組網(wǎng)應(yīng)用。

此外在空間應(yīng)用的功率放大器，需要考慮器件的抗輻照性能。來自于地球輻射帶和太陽(銀河)宇宙射線的粒子輻射，會對固態(tài)功放的半導(dǎo)體材料性能、行波管功放的使用壽命帶來影響[11]。復(fù)雜的空間環(huán)境也是導(dǎo)致功放封裝材料性能退化的主要原因之一，因此，對于功放器件的材料和工藝選擇是太赫茲功放在空間應(yīng)用需要重點突破的技術(shù)問題。

4.3 高增益太赫茲天線技術(shù)

用于空間環(huán)境的太赫茲天線，需要較高的天線增益來彌補接收端檢測靈敏度的不足和較高的空間傳輸損耗。比較有代表性的太赫茲天線包括喇叭天線、透鏡天線、相控陣天線等，這些不同類型的太赫茲天線在實際空間應(yīng)用中有不同的特點。

喇叭天線相對增益較小，一般不適用于空間環(huán)境。對于高增益天線，常采用卡塞格倫天線來實現(xiàn)，但其對加工的精度要求較高。相控陣天線目前廣泛應(yīng)用于毫米波頻段[12]，但在太赫茲頻段，其加工和實現(xiàn)的難度很大，目前常采用CMOS等芯片工藝實現(xiàn)太赫茲頻段的波束控制。太赫茲片上天線可應(yīng)用于小型化太赫茲通信載荷。透鏡天線由于無饋源遮擋、無表面波效應(yīng)等優(yōu)勢，已成為太赫茲星載天線的主要形式。對于低軌衛(wèi)星通信的應(yīng)用場景，采用卡塞格倫天線和透鏡天線可實現(xiàn)長距離空間傳輸，采用片上陣列天線有望實現(xiàn)星間的波束控制與切換，為太赫茲地軌衛(wèi)星組網(wǎng)及交換提供技術(shù)可能性。

此外太赫茲天線由于頻率高、波長短，因而天線加工精度以及在軌過程中的外形精度相比低頻段天線都會有較高的要求；而空間中背景輻射以及微觀粒子環(huán)境較為復(fù)雜，都會對天線外形產(chǎn)生影響；在有些場合從發(fā)射機到天線還要考慮模式變換問題[13]，這都是太赫茲天線在空間應(yīng)用需要突破的相關(guān)技術(shù)。

4.4 高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)

太赫茲的高速調(diào)制分為模擬直接調(diào)制與基于數(shù)字調(diào)制的次諧波混頻兩種方式。模擬直接調(diào)制一般采用太赫茲調(diào)制器件，如石墨烯調(diào)制器和共振隧穿二極管等，當給器件施加合適的工作偏壓后，將高速模擬信號直接加載到器件上，器件輻射的太赫茲波將攜帶模擬信號并完成調(diào)制。該方法結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，便于實現(xiàn)小型化，但是受限于器件的工作方式，多以O(shè)OK等低階調(diào)制方式為主，雖然太赫茲頻段帶寬很寬，但實現(xiàn)百Gbit/s到Tbit/s將會遇到技術(shù)瓶頸。同時由于此類器件工藝加工難度大，目前尚處于技術(shù)研發(fā)階段。

基于數(shù)字調(diào)制的次諧波混頻，通常先在基帶采用16QAM，64QAM等高階調(diào)制方式完成數(shù)字信號調(diào)制，再通過太赫茲混頻器與本振信號混頻，上變頻到太赫茲頻段，經(jīng)由發(fā)射機發(fā)射。接收端先經(jīng)過太赫茲混頻器下變頻到基帶，進行數(shù)字解調(diào)。這種方式的優(yōu)點是采用了目前較為成熟的信號并行處理技術(shù)，對于太赫茲上下變頻等過程帶來的信號惡化可以通過信道均衡、預(yù)失真等處理技術(shù)改善[14]。未來對于數(shù)字基帶調(diào)制重點需要提升FPGA的處理能力、AD/DA的采樣率[15]，并通過多路并行等方式有望突破Tbit/s系統(tǒng)傳輸能力。

5 結(jié)論

太赫茲通信技術(shù)作為解決高速星間通信的一種重要技術(shù)手段，由于其頻段高、可用帶寬大，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。隨著當前低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出星座規(guī)模大、單星容量高和通信頻段高的特點，太赫茲通信技術(shù)因其能夠?qū)崿F(xiàn)高增益低功耗高速傳輸，且易于實現(xiàn)器件的集成化和小型化，尤其適用于空間應(yīng)用。此外，太赫茲通信技術(shù)不僅在發(fā)展低軌寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中能夠發(fā)揮重要作用，同時也是實現(xiàn)6G地面移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。