太赫茲通信芯片關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展淺析

曹浩一，董亞洲，王正，寇偉，張倩玉，童欽文，楊自強(qiáng)，2，龔森，2，曾泓鑫，張雅鑫，2＊

1.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731

2.電子科技大學(xué)長三角研究院(湖州)，浙江 湖州 313099

前 言

太赫茲通信泛指載波頻率位于太赫茲波段（0.1-10THz）的通信技術(shù)手段，由于太赫茲波的特殊頻譜位置，太赫茲通信既具有紅外、可見光的大帶寬特點(diǎn)，又具備微波無線電的無線傳輸能力，其特點(diǎn)可歸結(jié)為頻譜資源豐富、大容量、私密性好等。隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的崛起，使得通信業(yè)務(wù)量急劇增加，在現(xiàn)有無線通信頻段資源日趨緊張的形勢(shì)下，通信容量與業(yè)務(wù)需求矛盾不斷地加劇，因此迫切需要發(fā)展以太赫茲頻段為代表的基于全新頻譜的高速通信技術(shù)。

隨著WRC-2019 會(huì)議正式確定275~296GHz、306~313GHz、318~333GHz、356~450GHz 為4 個(gè) 全球標(biāo)識(shí)的移動(dòng)業(yè)務(wù)頻段[1]，太赫茲通信成為了未來6G 關(guān)鍵潛在技術(shù)之一。系列性的6G 白皮書均將太赫茲通信列為了關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，太赫茲通信也得到了科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注。

在太赫茲通信諸多核心關(guān)鍵技術(shù)中，芯片技術(shù)是核心，無論是分立器件還是集成電路都離不開高性能太赫茲芯片技術(shù)的發(fā)展。從目前太赫茲通信需求的核心關(guān)鍵器件發(fā)展看，無論是由二極管技術(shù)衍生的太赫茲倍頻、混頻等分立器件，由InP、GaNHEMT、HBT 發(fā)展的太赫茲低噪放、功放芯片技術(shù)，還是由硅基工藝拓展的集成電路芯片都成為了集成化、小型化太赫茲通信技術(shù)發(fā)展的前提，并且伴隨器件的小型化，更多的技術(shù)如天線的大規(guī)模多入多出(MIMO)技術(shù)也能更好地為太赫茲通信系統(tǒng)的發(fā)展提供方向。本文根據(jù)太赫茲發(fā)展需求，淺析了相關(guān)基于二極管芯片的分立器件技術(shù)以及相關(guān)芯片和通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，希望拋磚引玉，通過不斷的探討與研究，促進(jìn)我國太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展。

如圖1 所示，目前太赫茲芯片的工藝主要包含InP、GaAs、GaN 和硅基CMOS。在這些技術(shù)中，InP 器件的工作頻率最高，并且有最高的集成度。相比而言，GaAs 和GaN 器件更適合于大功率太赫茲器件，而硅基CMOS則具有低成本、高集成度的優(yōu)勢(shì)。

圖1 太赫茲芯片F(xiàn)ig.1 Terahertz chips

1 太赫茲通信關(guān)鍵芯片及器件技術(shù) 探討

由于大氣對(duì)太赫茲波的吸收特性，大氣層內(nèi)太赫茲無線通信系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離應(yīng)用，因此現(xiàn)有的太赫茲通信技術(shù)的應(yīng)用主要集中于3 公里以內(nèi)的適用場(chǎng)景，包括大容量無線數(shù)據(jù)回傳、固定無線接入、短距離無線數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)交互以及高速數(shù)據(jù)亭信息下載等。在大氣層外，空間通信中，太赫茲通信能面向更遠(yuǎn)距離進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)傳輸，因此在空間互聯(lián)網(wǎng)、小衛(wèi)星群通信等場(chǎng)景下具有重要應(yīng)用。無論地面還是空間太赫茲通信，均需要基于半導(dǎo)體芯片的太赫茲器件的發(fā)展，本文總體將相關(guān)內(nèi)容歸納為以下幾個(gè)方面進(jìn)行談?wù)摚海?）基于二極管芯片的太赫茲分立器件；（2）InP、GaN 基芯片技術(shù)；（3）硅基集成電路芯片技術(shù)。

1.1 基于二極管芯片的太赫茲分立器件的探討

1.1.1 基于肖特基二極管的太赫茲倍頻器

太赫茲倍頻器是通信、安檢、雷達(dá)等系統(tǒng)極其重要的一環(huán)，隨著二極管加工工藝的迭代及機(jī)加工工藝精度的提高，太赫茲倍頻器在不斷地朝著更高功率及更高頻率發(fā)展。在高功率方面，可以通過不斷突破單路二極管的管芯數(shù)量、增加單個(gè)二極管管芯的功率容量、利用GaN 功率材料及導(dǎo)熱率高的介質(zhì)基板抑或通過多路功率合成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在更高頻率方面，可以通過例如三次諧波倍頻，采用結(jié)電容更小的二極管管芯等方式實(shí)現(xiàn)更高的輸出頻率。

目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)的倍頻器均較為成熟，對(duì)于二倍頻器主要電路最常見的為平衡式電路結(jié)構(gòu)為主，通過輸入的TE10模式及輸出的準(zhǔn)TEM 模式實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的隔離，便于匹配電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)利用二極管反向串聯(lián)的模式，輸出信號(hào)為偶次諧波分量，提高能量的利用效率。如圖1 所示，2018年Jose V.Siles 團(tuán)隊(duì)利用新型片上功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)大功率優(yōu)化了器件性能，在180GHz 設(shè)計(jì)了一款165GHz~195GHz 基于24 管芯的超大功率倍頻器。其基于50um 厚的GaAs 襯底，由四路功率合成，每一路具有六個(gè)陽極結(jié)，每個(gè)陽極結(jié)的零偏壓結(jié)電容約為60fF 左右。實(shí)驗(yàn)表明，在1500mW 以上的輸入功率情況下，其最終輸出達(dá)到400~500mW，效率接近25%[2]。2018年來自ACST 公司的Diego Moro-Melgar 設(shè)計(jì)了一款專門用于超高功率的基于倒裝式，金剛石襯底的單路的二倍頻器。其在150GHz下能承受超過400mW 的輸入功率，輸出功率超過140mW[3]。2020年中電十三所梁士雄團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一款基于GaN 二倍頻器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在輸入脈沖功率為2W 的情況下，177~183GHz 頻段范圍內(nèi)輸出功率為200~244mW，效率9.8%~11.8%[4]。

對(duì)于三倍頻器件其相對(duì)更難建立，因?yàn)樗麄冃枰ㄟ^匹配電路實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的有效隔離，濾波器的添加會(huì)很大地增加路徑損耗，同時(shí)非平衡的三倍頻器件由于無法對(duì)偶次諧波的抑制，會(huì)對(duì)三倍頻的倍頻效率有較大的影響。2007年美國VDI 公司David W.Porterfield 設(shè)計(jì)了一款220GHz 和440GHz三倍頻器件，其在輸入電路和直流偏置電路設(shè)計(jì)高低阻抗線構(gòu)成的低通濾波器，分別防止高次諧波信號(hào)泄露到輸入端和防止基波信號(hào)泄露到直流偏置端。由實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看到，220GHz 及440GHz 分別有23mW 和13mW 的輸出功率，效率達(dá)到了16%及12%，相對(duì)帶寬約為7%[5]。

1.1.2 基于肖特基二極管的太赫茲混頻器

在太赫茲通信系統(tǒng)當(dāng)中，混頻器也是一類非常關(guān)鍵的器件，其作用是通過變頻實(shí)現(xiàn)將太赫茲波下變頻至中頻抑或?qū)⒅蓄l信號(hào)上變頻至太赫茲頻段，混頻器的變頻損耗、帶寬、噪聲系數(shù)等性能直接決定了通信系統(tǒng)的傳輸距離及傳輸速率。混頻器的發(fā)展目前較為成熟，有著較為固定的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)流程，目前急需設(shè)計(jì)出新的電路架構(gòu)及利用新型材料不斷朝高頻段、大帶寬、低變頻損耗、更低的熱噪聲以及更高的集成度發(fā)展。

如圖2 所示，在多功能集成化方面，2018年M.J.Lancaster 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款集成腔體濾波器的單邊帶290~310GHz 混頻器，該器件通過集成腔體濾波器，該接收機(jī)工作頻段為290~310GHz，可以對(duì)上變頻后產(chǎn)生的下邊帶260~280GHz 進(jìn)行有效地抑制，其在噪聲溫度2000K-2600K 情況下實(shí)現(xiàn)了邊帶抑制度13~25dB，混頻單邊帶變頻損耗9~10dB[6]。在更高的頻段上2019年來自JPL 實(shí)驗(yàn)室的Jeanne Treuttel 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了超過2THz 全固態(tài)低溫接收機(jī)，其中，2THz 分諧波混頻器采用 GaAs 單片集成工藝，將二極管集成在 GaAs 基片上，同時(shí)通過采用反向并聯(lián)二極管結(jié)合直流偏置的電路形式降低本振功率需求。測(cè)試結(jié)果顯示，在 150K 的低溫環(huán)境下，混頻器最佳噪聲溫度小于18,000K[7]。在大帶寬方面，2020年電子科技大學(xué)的楊益林設(shè)計(jì)了一款基于220GHz單片集成混頻器結(jié)構(gòu)，在混頻器固定中頻1GHz 時(shí)，在185GHz~225GHz 頻帶內(nèi)單邊帶變頻損耗為7.2~ 10.5dB，雙邊帶噪聲溫度在670K 到1,400K 之間[8]。

圖2 太赫茲倍頻器：(a)24 管芯功率合成倍頻器件；(b)基于GaN 高功率二倍頻器件；(c)三倍頻器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Terahertz frequency multiplier: (a) 24 diodes power synthesis frequency multiplier; (b) High power frequency doubling device based on GaN; (c) Structure diagram of frequency tripler

1.2 InP、GaN 基太赫茲芯片技術(shù)

目前，實(shí)現(xiàn)太赫茲集成電路芯片的主要工藝路線劃分為化合物和硅基工藝兩大類?；衔锕に嚢?GaAs 基的 mHEMT、InP 基的 HEMT/HBT 和 GaN 基的 HEMT，硅基工藝則主要包括硅 CMOS 和 SiGe/BiCMOS 工藝。

多種工藝中，InP 工藝制作的有源器件工作頻率最高。如圖3 所示，文獻(xiàn)[9]報(bào)道了一款基于InP工藝的太赫茲放大芯片，工作頻率達(dá)620~660GHz，小信號(hào)增益大于 26dB, 文獻(xiàn)[10]中的太赫茲放大芯片，在1THz 的超高工作頻率實(shí)現(xiàn)了9dB 增益。文獻(xiàn)[11]使用了800 nm InP DHBT 技術(shù)設(shè)計(jì)了一款220~325GHz 三級(jí)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)，平均隔離度可達(dá)到36dB，插入損耗3.8dB。文獻(xiàn)[12]報(bào)道了一款基于25nm InP 工藝的集成化接收前端芯片，該接收機(jī)芯片工作頻率為0.67THz，工作帶寬超過20GHz，在一塊芯片上集成了低噪聲放大器、二次諧波混頻器和本振18 次倍頻鏈，是迄今為止公開報(bào)道的工作頻率最高的集成化太赫茲接收機(jī)芯片。

圖3 太赫茲混頻器：(a)濾波集成的290~310GHz 混頻器；(b)2THz 肖特基固態(tài)混頻器件；(c)寬帶集成接收前端Fig.3 Terahertz mixer: (a) Filter integrated 290 ~ 310ghz mixer; (b) 2THz Schottky solid state mixer; (c) Broadband integrated receiving front end

相 比InP 而言，GaAs mHEMT器件則更適合大功率的應(yīng)用場(chǎng)景，文獻(xiàn)[13]報(bào)道了一種四路合成四級(jí)放大的功率放大電路拓?fù)?，其工作頻率為290~330GHz， 輸出功率高達(dá)8.3dBm；文獻(xiàn)[14]報(bào)道了一種雙平衡放大芯片，其工作頻率為190GHz~300GHz，小信號(hào)增益為 10~20dB，在 300GHz 頻點(diǎn)處的輸出功率為4.8dBm。文獻(xiàn)[15]利用基于SiC 襯底的氮化鎵工藝制作出了一種有源單刀雙擲開關(guān)，工作在D 波段，工作帶寬超過35GHz，最小插入損耗為0.64 dB。文獻(xiàn)[16]報(bào)道了工作在D 波段和G 波段的GaN 功率放大器芯片，D 波段功率放大器芯片采用4 級(jí)cascode 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在107~148GHz 頻帶范圍內(nèi)，小信號(hào)增益大于25dB，在120GHz 頻點(diǎn)的輸出功率達(dá)到26.4dBm，功率附加效率16.5%。G 波段功率放大器芯片3dB 帶寬超過40GHz，小信號(hào)增益大于10dB，在181GHz 處獲得最大輸出功率15.8dBm，功率附加效率2.4%。

從以上結(jié)果可以看出，在III-V 族太赫茲芯片中，InP 芯片具有最高的工作頻率，已達(dá)到1THz，以及最高的集成度，并且在0.67THz 已可以實(shí)現(xiàn)集成度較高的接收機(jī)芯片。而GaAs、GaN 工藝主要應(yīng)用在高功率場(chǎng)合，尤其以GaN 工藝的功率性能最佳，但其工作頻率還處于太赫茲低端，還需要進(jìn)一步提升工作頻率。未來，有望形成InP 工藝和GaN 工藝配合發(fā)展的格局。

1.3 硅基太赫茲芯片技術(shù)

圖4 太赫茲InP 基芯片：(a)0.67THz InP 放大芯片；(b)1THz InP 放大芯片；(c)0.67THz 集成化接收前端InP 芯片F(xiàn)ig.4 Terahertz InP-based chip:(a)0.67THz InP-based amplifier chip; (b) 1THz InP-based amplifier chip;(c) 0.67THz integrated receiving InP-based chip

在硅基太赫茲芯片研究方面，基于 0.18 μm SiGe 工藝的 D 波段放大器通過增益增強(qiáng)和自偏置技術(shù)，其工作頻率為108~121GHz，小信號(hào)增益高達(dá) 20.3dB，輸出功率為 6.7dBm[17]；基于SiGe 工藝、工作頻率為 183GHz 放大器的單級(jí)小信號(hào)增益高達(dá)9.5dB，飽和輸出功率為-2.8dBm，3dB 帶寬為8.5GHz[18]；基于 65nm CMOS 工藝的放大芯片的工作頻率為 273~301GHz，峰值小信號(hào)增益高達(dá)21dB[19]。

在太赫茲系統(tǒng)級(jí)芯片應(yīng)用方面，采用 55nm BiCMOS 工藝的收發(fā)芯片已成功應(yīng)用于220GHz 高分辨率ISAR 成像系統(tǒng)[20]；基于InP 與CMOS 的異質(zhì)集成型超外差芯片，已被用于宇航遙感監(jiān)測(cè)[21]；標(biāo)準(zhǔn)CMOS 集成化芯片方面，文獻(xiàn)[22]開發(fā)的CMOS發(fā)射機(jī)可工作于245GHz，片上實(shí)現(xiàn)了硅基集成的VCO 太赫茲源?；赟iGe 工藝的230GHz 通信收發(fā)芯片，其工作距離為 1m，調(diào)制方式采用16QAM，調(diào)制速率為100Gbps[23]；文獻(xiàn)[24]報(bào)道了一款基于65 nm CMOS 工藝、覆蓋242~280 GHz 頻率范圍的CMOS 雙向相控陣收發(fā)芯片，支持16QAM 等多種調(diào)制方式，使用QPSK 調(diào)制實(shí)現(xiàn)通信距離2.5cm 下最大數(shù)據(jù)速率52Gb/s。文獻(xiàn)[25]報(bào)道了采用65nm CMOS 工藝的490 GHz 全集成CMOS 接收機(jī)，電源電壓1.2V，功耗32 mW，在芯片內(nèi)部集成了THz 本振源，芯片采用外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)，在1 kHz 噪聲帶寬下，最低可接收信號(hào)功率達(dá)到-101.3dBm。文獻(xiàn)[26]采用了40nm CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了0.3THz 集成化收發(fā)芯片，發(fā)射部分采用四路功率合成，在265.68 GHz 頻率處飽和輸出功率為-1.6dBm，接收部分采用基波混頻構(gòu)架，最后采用16QAM 調(diào)制方式，在3 cm 的通信距離上，實(shí)現(xiàn)80 Gb/s 高速無線數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)下，硅基太赫茲集成電路芯片向著更高的工作頻率和集成度方向發(fā)展。硅基工藝在集成度、成本方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，非常適合低成本應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)，高集成度的太赫茲芯片技術(shù)將和天線等器件的集成化相互呼應(yīng)，并為未來如大規(guī)模MIMO 技術(shù)在太赫茲頻段的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。目前硅基太赫茲集成電路芯片已在300GHz 以下的太赫茲低端頻率取得了長足的發(fā)展。伴隨芯片工作頻率的繼續(xù)拓展，我們還需要解決器件模型不準(zhǔn)確、工作頻率臨近器件特征頻率、無源器件 Q 值下降等一系列問題。

圖5 太赫茲硅基芯片：(a) D 波段SiGe 放大芯片；(b) 183GHz SiGe 放大芯片；(c) 300GHz Si CMOS 集成化收發(fā)芯片F(xiàn)ig.5 Terahertz Si-based chip: (a)D-band SiGe amplifier chip ; (b) 183GHz SiGe amplifier chip; (c) 300GHz Si CMOS integrated transceiver chip

2 基于芯片技術(shù)的太赫茲通信系統(tǒng)發(fā)展探討

2.1 大規(guī)模頻分復(fù)用

目前先進(jìn)的太赫茲通信系統(tǒng)廣泛地使用到頻分的技術(shù)，包括固態(tài)電子學(xué)太赫茲系統(tǒng)中的頻分復(fù)用方式和微波光子學(xué)太赫茲系統(tǒng)中的波分復(fù)用方式。

頻分復(fù)用 (Frequency Division Multiplexing, FDM) 技術(shù)是指將信道傳輸?shù)膸挿殖啥鄠€(gè)子信道，每一個(gè)子信道分別傳輸一路信號(hào)。FDM 技術(shù)對(duì)于信道的復(fù)用利用率很高，劃分的信道數(shù)越多，頻分復(fù)用系統(tǒng)的通信傳輸速率就越高。

波分復(fù)用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 技術(shù)本質(zhì)上是光頻上的頻分復(fù)用，這種方式使多種不同波長的光載波信號(hào)在同一根光纖中通過不同的光信道各自傳輸信息。

在固態(tài)電子學(xué)的太赫茲系統(tǒng)中，大規(guī)模頻分復(fù)用的應(yīng)用還比較困難，目前的頻分通道數(shù)目并不高。文獻(xiàn)[27]和文獻(xiàn)[28]都在全固態(tài)電子式的太赫茲通信系統(tǒng)中采用了微波低頻段的混頻器來實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的兩路頻分。

文獻(xiàn)[27]介紹了一套中心頻率為300GHz、傳輸速率為60Gbps 的固態(tài)電子式的太赫茲通信系統(tǒng)，使用了X 波段的混頻器，將傳輸使用的頻帶拓寬到285GHz 和315GHz，上下邊帶帶寬各為8GHz，實(shí)現(xiàn)兩路頻分的太赫茲系統(tǒng)。文獻(xiàn)[28]介紹了基于220GHz 固態(tài)收發(fā)器的雙載波無線通信系統(tǒng)，在中頻電路部分使用微波混頻器，實(shí)現(xiàn)工作頻率在213.7 到219.4GHz、單路帶寬為1.84GHz 的頻分雙路系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用16QAM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)了20 米傳輸速率為12.8Gbps 的實(shí)時(shí)無線傳輸。

上述方法采用了微波低頻段的混頻器來實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的兩路頻分，從而利用太赫茲頻段的帶寬資源。但目前這種方式的頻分通道數(shù)目較少，提升頻分的通道數(shù)需要大量的濾波器、混頻器、DAC 和ADC 等相關(guān)器件。

文獻(xiàn)[29]提出了一種使用40nm CMOS 工藝制造的全固態(tài)電子式的太赫茲發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)六路5GHz寬的通道，其頻率范圍從275GHz 到 305GHz，使用32QAM 調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了105Gbps 的傳輸速率。因此，這種基于CMOS 工藝的硅基太赫茲芯片能為固態(tài)電子學(xué)方法下突破頻分、進(jìn)行更多分路的問題提供解決方法。

微波光子學(xué)太赫茲通信系統(tǒng)中，大規(guī)模波分復(fù)用很容易通過光頻梳獲得較高通道數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)100Gbps 以上的傳輸速率。而波分復(fù)用方式一般與其他復(fù)用方式一起使用，能夠達(dá)到極高的傳輸速率。表1 是一些混合了波分復(fù)用和其他復(fù)用方式的太赫茲系統(tǒng)。

表1 幾種混合波分復(fù)用和其他復(fù)用方式太赫茲系統(tǒng)Table 1 Several wavelength division multiplexing(WDM) and hybrid terahertz systems

2.2 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)

MIMO 即多輸入多輸出技術(shù)，是指通過發(fā)射接收端布置多根天線，從而提高無線鏈路傳輸?shù)膫鬏斝屎涂煽啃浴Ｋ谛诺廊萘?、頻譜效率和能量效率方面，較常規(guī)單發(fā)單收(SISO)技術(shù)有很大提 高[34]。同時(shí)，將該技術(shù)結(jié)合空分復(fù)用、空間分集和波束賦形等技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率或者空間的信號(hào)方向性。大規(guī)模MIMO 則是在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步顯著增加天線的數(shù)量，從而可以使信道容量、空間分辨率和系統(tǒng)覆蓋增益等得到進(jìn)一步提高[35-36]。

在頻譜資源更為豐富的高頻段尤其是太赫茲波段，由于頻率的影響會(huì)使得天線單元間距的物理尺寸縮小，那么在相同空間條件下，可布置的天線數(shù)量則會(huì)更多。同時(shí)，高頻信號(hào)在傳輸過程的路徑損耗也會(huì)更加強(qiáng)烈，從而讓我們更為關(guān)注如何將大規(guī)模MIMO 技術(shù)和太赫茲通信技術(shù)結(jié)合，通過波束賦形提高定向覆蓋增益和傳輸距離。綜上，將大規(guī)模MIMO 技術(shù)融入太赫茲通信技術(shù)中將會(huì)為太赫茲通信發(fā)展提供更大的機(jī)會(huì)。目前，MIMO 技術(shù)可以適用到太赫茲微波光子學(xué)的系統(tǒng)以及太赫茲全固態(tài)混頻系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[37]研究了基于石墨烯構(gòu)建的1024*1024 單元的等離子體納米天線陣列運(yùn)用到1~10THz 波段大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的可能性，并且MIMO 通常和空間復(fù)用、極化復(fù)用等技術(shù)相伴使用，也可以和其他技術(shù)如智能反射面結(jié)合應(yīng)用在通信系統(tǒng)中[38]。文獻(xiàn)[39]將2*2MIMO 和極化復(fù)用結(jié)合，在中心頻率141GHz 實(shí)現(xiàn)微波光子學(xué)系統(tǒng)352Gbps的傳輸速率，文獻(xiàn)[32]利用4*4MIMO 技術(shù)，采用64QAM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)1.056Tbps 的傳輸速率。在未來太赫茲通信系統(tǒng)中，大規(guī)模MIMO 的發(fā)展可以趨向于以下幾方面：

2.2.1 3D 覆蓋

基于波束賦型技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的大規(guī)模MIMO，可以通過調(diào)整MIMO 天線的相位，從而控制天線輻射方向，實(shí)現(xiàn)在空間立體方位上對(duì)用戶更精準(zhǔn)的定位。未來通信是海陸空天多融合的通信網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模MIOMO 可以搭載到空中無人機(jī)、衛(wèi)星等實(shí)現(xiàn)覆蓋加強(qiáng)。目前對(duì)移動(dòng)物體的信號(hào)傳輸基于定點(diǎn)基站，傳輸效率不高，在裝備大規(guī)模MIMO 后，通過波束賦型則可以實(shí)現(xiàn)跟蹤移動(dòng)物體并擴(kuò)大跟蹤距離，通過算法可以對(duì)3D 波束進(jìn)行訓(xùn)練并加強(qiáng)跟蹤目標(biāo)，進(jìn)一步提升對(duì)移動(dòng)物體的信號(hào)覆蓋能力[40]。

2.2.2 無蜂窩MIMO 設(shè)計(jì)

目前使用較多的蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架在伴隨通信頻率上升、使用用戶增加情況下，會(huì)導(dǎo)致接入點(diǎn)或基站密度增加，從而引起小區(qū)間信號(hào)干擾，因而無蜂窩網(wǎng)絡(luò)則會(huì)是未來MIMO 應(yīng)用的主要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[41]。無蜂窩大規(guī)模MIMO 通過在服務(wù)區(qū)域內(nèi)分布部署大量天線，各分布的子端擁有平等的信息處理能力，不再進(jìn)行集中的信息處理，縮短用戶間的通信傳輸距離，有效提高傳輸效率。它兼具大規(guī)模MIMO 和分布式天線的特點(diǎn)，并且可以通過預(yù)編碼技術(shù)有效提高信道傳輸質(zhì)量。我們也可以引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多接入點(diǎn)在聯(lián)合處理、協(xié)助波束賦型等的合作，從而提高用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

2.2.3 解決通信 “最后一公里”問題

由于太赫茲信號(hào)在穿越大氣、雨霧等環(huán)境的路徑損耗更大，從而使得太赫茲頻段的通信系統(tǒng)傳輸距離不遠(yuǎn)。但是，太赫茲利用高頻率下的豐富頻譜資源和大帶寬、高傳輸速率的優(yōu)勢(shì)，使得將太赫茲技術(shù)運(yùn)用到解決通信 “最后一公里”問題成為可能。

我們可以通過有線方式傳輸光纖信號(hào)，之后通過光電耦合實(shí)現(xiàn)有線到無線信號(hào)的轉(zhuǎn)化，傳輸太赫茲信號(hào)到用戶。利用大規(guī)模MIMO 太赫茲通信系統(tǒng)，結(jié)合太赫茲大帶寬、高速率的信號(hào)傳輸優(yōu)勢(shì)，我們可以實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的高空間分辨率、高覆蓋增益?zhèn)鬏?，從而提高“最后一公里”問題下用戶的信號(hào)收發(fā)體驗(yàn)。其應(yīng)用場(chǎng)景包括光纖斷開情況下完成“光-電-光”緊急連接功能；光纖架設(shè)過程遇到山谷、河流情況下視距的無線傳輸轉(zhuǎn)化連接功能；“最后一公里”基站的定向覆蓋、用戶高質(zhì)量通信收發(fā)體驗(yàn)功能等。

雖然大規(guī)模MIMO 能進(jìn)行低延遲遠(yuǎn)距離高精度的可靠傳輸，但是其依然存在一定的挑戰(zhàn)亟待解決，如建立更準(zhǔn)確的高頻段大規(guī)模MIMO 信道模型、抗干擾的預(yù)編碼算法研究和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)且實(shí)時(shí)快速的波束賦型算法研究，這些都是未來大規(guī)模MIMO 技術(shù)可以突破的方向。

2.3 感通一體

一方面，通信與感知在系統(tǒng)架構(gòu)、信號(hào)處理等方面均具有相似之處。另一方面，隨著高速率、低延時(shí)的通信需求與高分辨率、低延時(shí)的感知需求發(fā)展，通信與感知進(jìn)一步開始在頻譜上出現(xiàn)重疊。由此，發(fā)展太赫茲感知通信一體化技術(shù)是面向未來應(yīng)用的熱點(diǎn)方向之一。

從感通融合的程度而言，該一體化技術(shù)可分為這樣幾個(gè)階段：首先，通過通感不同的架構(gòu)、不同信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)功能上融合；然后，通過不同硬件架構(gòu)、相同的信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)通感融合；最終，利用通感共口徑器件實(shí)現(xiàn)從硬件架構(gòu)到信號(hào)處理的全鏈路融合。特別是在面向高速通信與高分辨率感知融合的太赫茲頻段，通過通感共口徑器件實(shí)現(xiàn)的全鏈路融合具有特別意義。這是因?yàn)?，將太赫茲波段波長與器件尺寸相比擬，單一器件內(nèi)的耦合、器件與器件間的耦合變得愈發(fā)劇烈且不受控制。這些耦合導(dǎo)致的高群延時(shí)、低平坦度、低隔離度等使高速通信信號(hào)與高分辨率感知信號(hào)迅速劣化，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。由此，在全鏈路融合下，綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件、架構(gòu)是可行的解決方案之一。

從感通融合面向的場(chǎng)景而言，也可分為通信輔助感知、感知輔助通信與通感融合一體化等多個(gè)方向。通信輔助感知可通過感知目標(biāo)預(yù)先通信反饋部分信息給感知主題，從而有效提升感知工作范圍與精度；感知輔助通信可通過對(duì)環(huán)境的預(yù)先感知，實(shí)現(xiàn)信道的智能規(guī)劃，從而提高通信質(zhì)量；通感融合一體化可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境高精度實(shí)時(shí)感知與實(shí)時(shí)高速通信，在智能工廠、智能家庭、健康監(jiān)測(cè)以及無人駕駛等諸多場(chǎng)景有廣泛的應(yīng)用潛力。

目前通感融合研究的熱點(diǎn)多集中于一體化波形設(shè)計(jì)與共口徑系統(tǒng)架構(gòu)、硬件開發(fā)。對(duì)于波形一體化設(shè)計(jì)，可采用時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、空分復(fù)用以及碼分復(fù)用等多種波形復(fù)用方式；也可采用以感知為主的旁瓣調(diào)制、以通信為主的多子載波正交頻分復(fù)用以及感通聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)等多種波形共用方法。對(duì)于感通融合的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)目前并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但可根據(jù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景對(duì)其硬件需求進(jìn)行初步展望。根據(jù)感通融合信號(hào)的特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件需要實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的收發(fā)隔離，通感信號(hào)間的隔離。同時(shí)，太赫茲頻段高達(dá)數(shù)十Gbps 以上的單通道信息傳輸速率又需要皮秒量級(jí)的群延時(shí)特性。這樣，面向高速通信與高精度感知的一體化共口徑器件需要滿足高隔離度、低群延時(shí)等特性。此外，太赫茲波段的空間尺度效應(yīng)導(dǎo)致的器件間耦合同樣使鏈路內(nèi)隔離度降低、群延時(shí)劣化等。由此，面向高速通信與高精度感知的一體化波形設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)、硬件開發(fā)是通感融合一體化技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

2.4 光電融合

與太赫茲源的發(fā)展歷程類似，太赫茲通信也同時(shí)從載波頻率由下而上的固態(tài)倍頻與由上而下的光學(xué)拍頻兩個(gè)方向開始研究，并分別發(fā)展出全固態(tài)通信系統(tǒng)與微波光子學(xué)通信系統(tǒng)。較全固態(tài)通信系統(tǒng)而言，后者具有帶寬利用率高、信號(hào)相位噪聲低等特點(diǎn)。

總體來說，微波光子系統(tǒng)主要由光學(xué)鏈路與無線鏈路組成，如圖6 所示。已調(diào)太赫茲載波的產(chǎn)生由光學(xué)鏈路完成。在光學(xué)鏈路中，通過對(duì)一路光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再使用光耦合器等使其與另一路不同頻率的光信號(hào)線性疊加，最終送入光電探測(cè)器進(jìn)行拍頻處理，得到已調(diào)的太赫茲載波。在無線鏈路中，將太赫茲載波進(jìn)行放大，發(fā)射處理。在具體系統(tǒng)架構(gòu)中，可使用兩臺(tái)獨(dú)立激光器實(shí)現(xiàn)兩路光信號(hào)產(chǎn)生，也可使用光頻梳等手段利用一臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)。

圖6 典型微波光子學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Typical microwave photonics system architecture

隨著光電探測(cè)器與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，微波光子學(xué)系統(tǒng)通過高階正交幅度調(diào)制等調(diào)制手段，極化復(fù)用、頻分復(fù)用、MIMO 等系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了通信速率的極大提升。2011年，X.Pang 等人通過PDM-16QAM方式實(shí)現(xiàn)了W波段87.5 GHz載波傳輸，通信速率達(dá)100 Gbps[42]。2013年，J.Xu 等人采用同樣的方式在W 波段100 GHz 實(shí)現(xiàn)了432 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸[43]。隨著更高太赫茲載波頻率與更高階矢量調(diào)制方式的運(yùn)用，J.Xu 等人再次于2018年使用PDM-64QAM 在D 波段140 GHz 實(shí)現(xiàn)了1.056 Tbps 數(shù)據(jù)傳輸[32]。同時(shí)，無線MIMO 與極化復(fù)用的結(jié)合也實(shí)現(xiàn)了微波光子學(xué)傳輸速率的提升。2013年，X.Li 等人通過80km 光纖與2 x 2MIMO 實(shí)現(xiàn)了W 波段100 GHz 無線載波108 Gbps 數(shù)據(jù)傳播[44]。2016年，J.Xu 等同樣采用結(jié)合極化復(fù)用的MIMO 架構(gòu)的微波光子學(xué)系統(tǒng)在D 波段137.5 GHz 實(shí)現(xiàn)128 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸[45]。此外，頻分復(fù)用架構(gòu)的引入，也為提高微波光子學(xué)傳輸速率提供了可行方案[32-33,39]。2013年，J.Xu 等通過從V 波段到D 波段的多載波頻分復(fù)用結(jié)合極化復(fù)用、矢量高階調(diào)制等實(shí)現(xiàn)了412 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸[46]。

另一方面，隨著硅光芯片、鈮酸鋰薄膜材料等的發(fā)展，集成化微波光子學(xué)芯片也取得了長足進(jìn)步。2016年美國加州大學(xué)已實(shí)現(xiàn)8*8*40Gbps(2.56Tbps)硅基集成芯片的設(shè)計(jì)制作，華為公司也實(shí)現(xiàn)42*28Gbps(1.2Tbps) 硅基芯片的制作。2018年，日本光電子工業(yè)和技術(shù)開發(fā)協(xié)會(huì)基于40nm 工藝設(shè)計(jì)出每平方厘米1.2Tbps 芯片。2020年英特爾公司也設(shè)計(jì)出1.6Tbps 傳輸速率的硅基集成電路。

近年來，隨著微波光子學(xué)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用場(chǎng)景亦開始逐步明朗。一方面，利用太赫茲波相較微波更大的帶寬特性以承接光纖通信的高速、大容量信息傳遞；另一方面，利用太赫茲波長相較光波大得多的特性實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)。這樣的架構(gòu)有利于解決如光纖通信的大規(guī)模入戶、固定場(chǎng)景大規(guī)模用戶高速入網(wǎng)以及傳統(tǒng)光纖難以接入?yún)^(qū)域的最后一公里傳輸?shù)韧袋c(diǎn)難點(diǎn)問題。但是，這樣的發(fā)展趨勢(shì)也對(duì)微波光子學(xué)系統(tǒng)的硬件發(fā)展提出了更高要求，并且主要集中于光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件——單行載流子光電二極管（UTC-PD）上。因受限于其實(shí)現(xiàn)功能的物理過程，UTC-PD 的轉(zhuǎn)換效率較低，且其強(qiáng)烈的非線性過程不可避免造成系統(tǒng)質(zhì)量劣化，使得高傳輸速率與大傳輸距離不可兼得。當(dāng)前的主要解決方法是在鏈路中添加太赫茲放大器，并利用多種對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的算法來補(bǔ)償非實(shí)時(shí)的微波光子學(xué)系統(tǒng)，使其傳輸距離已突破百米量級(jí)，但仍然難以滿足日益增加的應(yīng)用需求。由此，發(fā)展新型的光電轉(zhuǎn)化器件、設(shè)計(jì)新型的微波光子學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)已成為光電結(jié)合通信的熱點(diǎn)方向之一。

2.5 極化，頻分等復(fù)雜復(fù)用系統(tǒng)

將多種技術(shù)進(jìn)行融合使用，是未來提高通信系統(tǒng)頻譜利用率、數(shù)據(jù)傳輸速率和通信容量等的有效方法?，F(xiàn)有的大規(guī)模頻分復(fù)用、大規(guī)模MIMO、極化復(fù)用等技術(shù)，都可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中的相互搭配。目前使用這種技術(shù)融合的復(fù)雜系統(tǒng)的主要是微波光子學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)容包括MIMO 和極化復(fù)用、頻分復(fù)用（波分復(fù)用）和極化復(fù)用以及各類調(diào)制技術(shù)，將上述技術(shù)融合到一起構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。我們將現(xiàn)有的一些復(fù)雜復(fù)用系統(tǒng)展示如表2。

表2 部分復(fù)雜復(fù)用系統(tǒng)展示Table 2 Display of some complex multiplexing systems

在目前現(xiàn)有的復(fù)雜系統(tǒng)中，其通信速率一般超過100Gbps，甚至有的達(dá)到1Tbps 速率，還能實(shí)現(xiàn)低誤碼率的高質(zhì)量通信。借助MIMO 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)頻譜效率、能量效率的高效利用；借助極化復(fù)用能夠使信號(hào)互不干擾傳輸，從而提高信號(hào)傳輸質(zhì)量；利用頻分復(fù)用，產(chǎn)生多信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠通過多通道共同傳輸彌補(bǔ)單一通道傳輸速率的不足。但是，我們也能看到目前現(xiàn)有的復(fù)雜系統(tǒng)通信距離仍不足以滿足實(shí)際無線通信的要求，其相關(guān)指標(biāo)也只能在實(shí)驗(yàn)室等較為理想的環(huán)境下測(cè)得，利用大規(guī)模MIMO 和大規(guī)模頻分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用到系統(tǒng)中還不夠成熟。在未來，太赫茲復(fù)雜通信系統(tǒng)更要沿著深度融合多種復(fù)用技術(shù)和調(diào)制技術(shù)的道路，朝著提高傳輸速率到Tbps、提升傳輸距離、降低誤碼率等方向，實(shí)現(xiàn)新架構(gòu)的創(chuàng)新和突破。

3 總結(jié)

太赫茲通信作為備受關(guān)注的新一代高速通信領(lǐng)域的重要技術(shù)，在未來移動(dòng)通信、空間通信等領(lǐng)域?qū)缪莞嘀匾慕巧Ｄ壳?，太赫茲通信技術(shù)還在不斷地成長和發(fā)展中，處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和突破階段。在未來，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用并形成產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)，一定離不開太赫茲芯片技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前階段，太赫茲射頻前端器件主要以基于肖特基二極管芯片的分立器件為主，今后隨著InP、GaAs 等化合物半導(dǎo)體工藝的不斷推進(jìn)，并隨著我國硅基工藝的逐步發(fā)展，高性能、高可靠性的多工藝的集成電路芯片技術(shù)將會(huì)成為未來太赫茲通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的基石。與此同時(shí)，伴隨各種大規(guī)模復(fù)用、調(diào)制等通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，基于芯片技術(shù)的太赫茲通信系統(tǒng)也將會(huì)朝著如大規(guī)模MIMO、多種復(fù)用方式結(jié)合、感通一體、光電融合等多種方向進(jìn)行研究，為太赫茲通信的更大傳輸速率、更遠(yuǎn)傳輸距離等目標(biāo)提供一定的解決方法和參考方向。