太赫兹通信技术及其在船舶通信中的应用研究

摘 要 本文对太赫兹通信技术及其在船舶通信中的应用进行了研究和分析。首先介绍了太赫兹通信的特点、系统组成和关键技术，然后从太赫兹通信应用方面着手，对国内外发展现状进行了综述。最后，讨论了其可行性和面临的挑战，指出将太赫兹通信系统列入实际装备需要攻克的方向。

关键词 太赫兹通信；船舶通信；太赫兹应用

引言

随着现代通信装备信息化水平的提高以及多平台协同通信的需要，海上水面和空中平台间传输的信息日趋增多，业务种类覆盖了雷达/光学视频图像、远程视频会议、协同控制数据、水文气象、地理环境数据等大量信息。而当前的超短波和卫星通信手段越来越不满足这些业务的宽带和实时性需求，太赫兹通信技术的出现为未来水面平台和空中平台间宽带、实时地传输海量信息提供了可能。

1 太赫兹通信技术及其特点

1.1 太赫兹通信特点

太赫兹（Terahertz，THz）波是指频率为0.1T～10THz、波长为3mm-30μm的电磁波，其频段介于毫米波与远红外光之间，图1显示了其在电磁频谱中的位置。太赫兹波的位置正好处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，它是最后一个尚未完全认知和利用的频段。

太赫兹通信技术是一种以太赫兹电磁波为载波，以大气或真空空间为信道对语音、数据、图像和视频等信息进行高速传输的通信技术。由于太赫兹波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，使得太赫兹通信集成了微波通信与光通信的优点。

（1）相对于微波通信，太赫兹通信的优势体现在：①带宽宽：太赫兹频段比微波频段高出1～4个数量级，可提供超过10Gbps的无线传输速率；②频率高：太赫兹波波长短，器件物理特征尺寸小、重量轻。太赫兹波可以穿透等离子体，能解决大气层高速飞行时的信号中断问题；③波束窄：太赫兹波抗干扰能力强，旁瓣侦收困难，传统阻塞式干扰困难，具有更好的保密性及抗干扰能力。

（2）相对于光通信，太赫兹通信的优势体现在：①对准容易：太赫兹波具有“准光学”传播特性，衍射极限角度大，散射角大，同样距离，对应光斑要大，因此对于跟踪瞄准精度要求相对较低；②能量效率更高：太赫兹光子能量约为可见光的1/40；③穿透性强：太赫兹波具有更好的穿透沙尘、烟雾的能力，受大气湍流闪烁效应影响小。[1]由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置以及其诸多的优越特性，太赫兹技术在雷达通信、生物医学、航空航天、反恐安检、环境监测、天文物理学、等离子体物理学等领域有着广阔的应用前景[2-3]。

2.2 太赫兹通信关键技术

从通信系统的构成上，太赫兹通信的关键技术包括：太赫兹源产生技术、太赫兹放大技术、太赫兹调制技术、太赫兹检测接收技术。

（1）太赫兹源产生技术.太赫兹源包括变频产生和直接产生两类。变频产生的太赫兹源包括基于光电变换的连续波太赫兹源、基于微波倍频的连续波太赫兹源等。直接产生的太赫兹源包括电子学的太赫兹振荡器和量子能级跃迁的激光器太赫兹源。

基于光电变换的太赫兹产生技术利用光外差混频原理，将2个频率稳定、窄线宽的激光照射到光混频器（如宽带光电二极管）上，得到两个激光的差频，即太赫兹波。基于该技术的太赫兹波产生方法瓶颈在于光电转换效率较低，目前产生的太赫兹波功率在μW到mW量级。

基于微波倍频的太赫兹产生技术利用二极管的非线性特性来产生输入微波的高次谐波，实现微波倍频至太赫兹频段。该方法的缺点在于多次倍频后，信号的功率和谱纯度都会受到损失。目前，产生的功率可达几个mW。

电子学的太赫兹振荡器主要是二极管太赫兹振荡器，其利用二极管的负阻效应（电流增加电压反而减小）实现电磁波振荡输出。

量子能级跃迁的激光器太赫兹源主要是量子级联激光器太赫兹源。该太赫兹源要求低温工作。

（2）太赫兹源放大技术.利用上述四种方法产生的太赫兹源均存在功率较低的问题，只能适用于近距离通信。为实现遠距离通信，需要构成功率放大链。

太赫兹放大器分为固态和电真空两类，固态类主要是晶体管放大器，包括双极型结型晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结双极性晶体管（HBT）等；电真空类主要是行波管放大器（TWTA）和速调管放大器。固态功放带宽宽，紧凑且重量轻，工作电压低，但效率较低，输出功率较小；电真空放大器效率高，功率大，但带宽受到限制，体积较大。

一般采用三级放大可实现从mW到kW量级的功率输出：第一级采用固态功率放大器将mW信号放大到百mW；第二级采用电真空行波管放大器将信号进一步放大到数十W；第三级采用大功率回旋行波管将信号放大到kW级[4]。

（3）太赫兹调制技术.太赫兹调制可分为直接调制、外调制、电混频调制和光电混频调制四大类。直接调制是用数据信号直接驱动太赫兹源，控制太赫兹波的某个参数变化实现调制。外调制是利用特殊材料受外界条件（光、电、磁等）影响产生对太赫兹波通断等变化实现调制。电混频调制先将低频射频信号经倍频之太赫兹频段后，再采用成熟的微波通信中的电混频技术实现太赫兹调制。光电混频调制先后将射频信号通过电光调制器、数据信号通过电光调制器调制到光载波上，再经光电转换后形成太赫兹调制，其中利用了光学拍频实现了射频到太赫兹频段的上变频[5-6]。

（4）太赫兹检测接收技术.太赫兹检测接收包括检测器和低噪放两部分：低噪放一般采用磷化铟（InP）高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极性晶体管（HBT）实现。检测器分为非相干检测和相干检测两大类。非相干检测器包括热敏传感器、肖特基二极管检波器，以及超导检测器。肖特基二极管是最常用的器件，其检测频率可到2THz以上；相干检测利用一个本地参考源与输入信号进行变换检测，实现复杂但检测灵敏度高。

除太赫兹产生、放大、调制、检测接收技术外，太赫兹通信关键技术还包括传输技术、组网技术、瞄准捕获跟踪技术等。

3 太赫兹通信技术研究现状

2004年，美国麻省理工学院MIT《技术评论》杂志将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术之一”。美国DARPA、NASA等机构持续投入重金发布太赫兹技术研究计划[7]，把太赫兹用于军事、太空探测等领域，包括太赫兹焦平面成像技术（TIFT）研究计划、焦平面阵列成像技术（SWIFT）计划、高频集成真空电子学计划（HiFIVE）等。DARPA自2009年至2014年先后投资超过1.1亿美元资助多家企业（Northrop Grumman、SAIC、Teledyne等）展开太赫兹高性能集成电路研究。研究主要集中在太赫兹晶体管和太赫兹高功率放大器两方面。2010年至2012年间，Northrop Grumman公司先后研发出工作在0.34THz的固态功放、0.67THz和0.85THz的低噪声放大器，输出功率最高为100mW。2013年到2014年，Teledyne公司和JPL（喷气推进实验室）先后研制出多种工作在0.6THz-0.7THz频段的放大器，包括单片集成和晶体管等类型。2014年，美国海军研究实验室研制出工作频率分别在0.2145THz和0.233THz的行波管放大器，最高输出功率达到140W。同年，DARPA研究人员研发出世界首个工作于1THz以上的单片集成固态功率放大器，并在1.03THz处获得超过10dB的增益。

欧洲方面，2000-2003年间，英国在欧盟第五框架计划资助下开展了无线区域网太赫兹振荡器与探测器（WANTED）计划的研究，开发了工作在1-10THz的半导体振荡器和探测器，研讨了Tbps级的无线区域网的可行性[8]。

德国的Braunschweig工业大学、Stuttgart大学、Karlsruhe技术研究所（KIT）、Fraunhofer固态物理应用研究所（IAF）等在太赫兹通信方面也进行了大量的研究工作。2013年5月，IAF报道了在0.24THz上基于全电子学方式实现了40Gbps、1km无线传输，同年10月，IAF在Nature Photonics上报道了采用光电变换的发射机和电子学接收机芯片，基于QPSK、8QAM、16QAM多元调制体制，在0.2375THz实现了100Gbps速率、20m距离的无线传输和离线软件解调。他们声称其采用的技术能够在1km距离上实现超过1Tbps的传输速率。

此外，法国里尔大学、日本Osaka大学、韩国高丽大学、英国利兹大学、日本东京工业大学等在太赫兹通信技术和器件方面都投入了不同程度的研究。

在国内，2005年，科技部、中国科学院、国家自然科学基金委联合召开的以“太赫兹科学技术”为主题的第270次香山科学会议，成为我国太赫兹研究工作的里程碑。国家各部委先后部署了包括973重大基础研究项目在内的各类专项、重大、重点及面上项目，并且支持力度逐年增加。2007年至2014年间，国内先后开展“太赫兹重要辐射源、探测及应用的基础研究”“毫米波与太赫兹无線通信技术开发”“新型太赫兹源、接收器和其他关键功能器件”三个国家级大型研究计划，投入总经费达1.79亿元。目前，国内已有中国工程物理研究院、电子科技大学、中科院、天津大学、首都师范大学等30多家单位从事太赫兹科学技术研究。中国工程物理研究院在太赫兹理论研究、仿真设计、工艺制造、系统集成等方面代表了国内领先水平。在太赫兹通信方面，完成了0.14THz、2Gbps、16QAM实时解调和10Gbps、16QAM离线软件解调的1.5km长距离无线传输试验，以及0.34THz、16QAM、3Gbps实时解调的无线局域网演示系统。另一方面，电子科技大学也进行了0.22THz、12.5Gbps、10m的无线传输以及0.34THz、1Gbps、10m无线传输等相关试验。

4 太赫兹用于船舶通信面临的挑战

4.1 大气衰减效应影响

太赫兹波在大气中传播衰减系数与水汽密度、温度和大气压强的综合影响。如图3所示，在100GHz以上，太赫兹波受水汽影响较为严重，但在0.14THz、0.24THz、0.34THz等频率附近存在衰减较低的几个穿透“窗口”，传播衰减系数约在1dB/km-10dB/km之间。由于不同海拔水汽密度不同，所以太赫兹衰减也不同。以0.14THz波为例，在晴天、15ºC天气下，大气相对湿度60%时，其传播衰减系数为0.9dB/km；在3000米以上的高空几乎没有水汽，太赫兹波衰减系数小于0.1dB/km；在7000m以上则可以忽略大气衰减。而在一些极端天气条件下，太赫兹波的衰减系数为5-6dB/km[9]。上述衰减效应严重限制了太赫兹波在海平面附近的传输距离。可通过应用三级放大器链技术提供超过10W以上的发射功率，进一步增大通信距离。

4.2 对准捕获跟踪能力

在对准捕获跟踪方面，船舶间通信场景比无人机通信场景要求更为苛刻。前者情形下，通信双方船舶的姿态均受海况和高速移动影响，且需要满足双工通信。针对船舶间应用需验证太赫兹通信系统在六级海况下的跟踪能力。目前，国内一些实验室采用基于四点相位对比的自跟踪对准方式，可提供运动速度较慢情况下的自动跟踪对准。但在高速运动且双方相对运动的情形下，还需进一步提升跟踪能力。

4.3 阵列天线集成

相控阵天线在扫描速度、跟踪速度等方面都优于目前常见的基于机械方式的抛物面太赫兹天线，但抛物面天线利用聚焦结构在增益方面有先天的优势。目前，国内一些厂商正在研制太赫兹相控阵天线芯片，但功率不高，使得传输距离非常有限。因此，要发展阵面天线，还需进一步攻克天线的发射功率问题

4.4 太赫兹组网

太赫兹组网是一种定向波束组网形式，在移动平台上实施定向波束组网势必面临链路的间断和快速接入问题，因此需从扫描速度、网络存储转发协议等方面着手，实现快速灵活的太赫兹波束组网。

5 结束语

由于太赫兹通信的诸多优点，太赫兹通信技术为未来的高速无线通信提供了一种非常实用的途径。但在船舶通信应用中，特殊的通信距离和信道环境对太赫兹通信技术提出了苛刻的要求，太赫兹通信要到达实用化，还需要攻克传输距离、跟踪对准、天线集成、波束组网等诸多方面的问题。随着未来在技术和硬件上的提升，太赫兹通信必将使诸多概念化甚至不可能的通信设计成为可能。

参考文献

[1] 姚建铨，等.太赫兹通信技术的研究与展望[J].中国激光，2009，36（9）：2213-2233.

[2] 郑新，刘超.太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用（I）[J].微波学报，2010，27（6）：1-5.

[3] 姚建铨，钟凯，徐德刚.太赫兹空间应用研究与展望[J].空间电子技术，2013年第2期.

[4] 张健，等.太赫兹高速无线通信：体制、技术与验证系统[J].太赫兹科学与电子信息学报.2014，12（1）：1-13.

[5] 何敬锁，等.太赫兹波通信系统中调制技术的研究[J]，首都师范大学学报（自然科学版）.2014，35（2）：15-21.

[6] Tadao Nagatsuma，Shogo Horiguchi，Yusuke Minamikata，Yasuyuki Yoshimizu，Shintaro Hisatake， Shigeru Kuwano，Naoto Yoshimoto，Jun Terada，and Hiroyuki Takahashi.Terahertz wireless communications based on photonics technologies.OPTICS EXPRESS，Vol.21，No.20，7 October 2013.

[7] John D.Albrecht，Mark J.Rosker，H.Bruce Wallace， Tsu-Hsi Chang.THz Electronics Projects at DARPA：Transistors，TMICs，and Amplifiers.IEEE MTT-S International Conference on Microwave Symposium Digest （MTT）， 2010.

[8] 刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[J].电子科技大学学报，2009，38（5）：481-486

[9] 杨晓帆，等.太赫兹辐射大气传输特性分析及城市衰减预估[J].航天電子对抗，2014，30（5）：40-43.

作者简介

周洋：男，本科，工程师，研究方向：通信工程。

杨心武：男、博士、工程师，研究方向：船舶通信系统设计和开发。

范佳欣：男，硕士，工程师，研究方向：船舶通信系统设计和开发。