太赫兹通信技术研究报告（第二版）

太赫兹通信技术研究报告2022

年9

月版权声明Copyright

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2022

IMT-2030（6G）推进组版权所有前言为推动6G

向泛在互联、普惠智能、多维感知、全域覆盖、绿色低碳、安全可信等

方向拓展，未来期望移动通信满足太比特极致连接、全域覆盖等网络能力需求。因此，通信频段正在向具有超丰富频率资源的太赫兹频段延伸。太赫兹（Terahertz，THz）波指

位于0.1THz-10THz

频率之间频段的电磁波，太赫兹通信是以太赫兹频段作为载波实现

无线通信的技术。太赫兹频段凭借丰富的频段资源优势，兼具超宽带超高速率传输能力

和高精度定位感知能力。因此，太赫兹通信技术受到学术界的热烈关注和欧、美、日等

国家区域和组织的高度重视，被认为是达成6G“万物智联、数字孪生”应用愿景的重要空口技术备选方案，是极具潜力的6G关键候选频谱技术。太赫兹通信未来有望应用在超大容量数据回传、短距超高速传输、全息通信、微小尺寸通信以及新兴应用场景如通信感知一体化、元宇宙、自主智能体网联等场景中，也可为网络和/或终端设备提供高精度定位和高分辨率感知成像。近年来，国内外已经启动关键技术研究和通信系统原型测试，但用于未来6G

太赫兹通信的标准仍在制定中，相关技术发展尚未成熟。目前，太赫兹通信系统实现的重点在于核心器件研制、关键技术研发和原型系统验证，如太赫兹发射源和接收机、大规模天线集成、超宽带信号采集、超高速基带信号处理、极窄波束管理和定向组网和通信感知一体化等。同时，由于超高频、超宽带特性，导致太赫兹信道与器件特性改变，进而在太赫兹核心器件、信道建模以及关键技术等方面仍有诸多挑战亟待突破。在核心器件方面，国内的0.1-0.3THz

频段的核心器件研发已经接近世界一流水平，但太赫兹核心器件还存在高频信号处理、天线阵列架构功耗和复杂度的平衡等挑战。后续的太赫兹通信核心器件研发集中在高功率低损耗的收发信机设计、超大带宽太赫兹信号模转换、超大规模天线集成技术和太赫兹可重构智能表面设计等。在关键技术方面，国内已重点攻关高速大宽带基带信号的调制解调与信号处理、超大规模MIMO

波束赋形与对准追踪、信道编码、无线组网等，取得了一系列高水平理论成果。由于太赫兹频段的超高频、超宽带、独特的分子吸收特性，太赫兹通信技术仍需解决诸多挑战，包括突破低复杂度和低功耗的高速基带信号处理和集成电路设计技术、覆盖6G

远近混合场的新型低功耗高精度天线架构和波束赋形方案和高效定向组网技术。在太赫兹信道测试方面，国内多家单位联合已针对多场景完成实验测量，在0.1-0.4THz

频段的信道测量和信道建模方面取得了国际领先的成果，正牵头制定ITU-R

WP5D“IMT

Above

100

GHz”的标准提案。后续的突破重点包括面向6G

的多场景多频段信道测量、超大规模MIMO

信道建模和估计、电磁传播理论模型和仿真平台开发、复杂天气对传播影响分析和新型太赫兹信道测量仪器研制。在太赫兹原型系统方面，我国在系统关键技术突破和原型系统研制方面取得了众多进展，接近或达到国际先进水平。国内通过多家高校和研究机构的联合，已经完成多距离、多场景、多频段的太赫兹传输试验，如陆地和海面远距离实时通信、室内短距离超高速通信、机载平台高动态接入场景、通信和感知一体化场景等。同时，也完成了不同架构的太赫兹系统的通信测试，如全固态电子学架构太赫兹通信系统、光电结合多维复用太赫兹通信系统和光子太赫兹光纤一体融合通信系统等。国内学术界与产业界通过联合协作，积极投入太赫兹关键技术研究和原型系统验证，推动产业发展和生态构建。作为新频谱资源，太赫兹器件的材料、结构和工艺面临挑战，未来产业界需要通过应用导向，系统牵引，加快发展从芯片到系统的太赫兹通信产业链。其次，为满足6G

可持续发展绿色节能设计准则，应积极发展绿色低碳的太赫兹通信技

术。同时，为实现6G

的普惠智能发展，应推动太赫兹通信与多种6G

无线新技术的融

合，如通信感知一体化、人工智能等，构建整体6G

无线空口方案。目录第一章太赫兹通信概述...............................................................................................1基本原理....................................................................................................1国内外研究进展........................................................................................1国内外标准化进展....................................................................................3小结...................................................................................................................4第二章太赫兹通信应用场景.......................................................................................5地面通信应用............................................................................................5非地面通信应用........................................................................................7微系统通信应用........................................................................................8小结...................................................................................................................8第三章太赫兹通信核心器件.......................................................................................9太赫兹半导体技术....................................................................................9发射端核心器件......................................................................................10接收端核心器件......................................................................................11太赫兹调制电路......................................................................................12太赫兹阵列天线及集成技术..................................................................13太赫兹可重构智能表面..........................................................................13小结.................................................................................................................14第四章太赫兹通信关键技术.....................................................................................15调制解调技术..........................................................................................15高速大带宽基带信号处理技术..............................................................17超大规模天线技术..................................................................................18波束对准与跟踪技术..............................................................................19信道编码技术..........................................................................................20无线组网技术..........................................................................................21太赫兹通信感知一体化技术..................................................................22太赫兹智能反射面辅助技术..................................................................24小结.................................................................................................................25第五章太赫兹传播特性测量与建模.........................................................................26国内外研究现状......................................................................................26模型研究方法和思路..............................................................................26室内环境测量与结果分析......................................................................27多天线信道模型......................................................................................29粗糙表面散射模型..................................................................................29小结.................................................................................................................31第六章国内外太赫兹通信系统原型验证.................................................................32国内外太赫兹通信演示系统现状简述..................................................32国内太赫兹通信系统原型近况..............................................................33小结.................................................................................................................37第七章国内太赫兹通信产业化进程.........................................................................39太赫兹通信核心器件产业化..................................................................39太赫兹通信关键技术产业化..................................................................40太赫兹通信系统产业化..........................................................................42小结.................................................................................................................44总结.............................................................................................................................45参考文献.....................................................................................................................46贡献单位......................................................................................................................52图目录图1-1

太赫兹频谱频段………………...…………1图1-2

美国贝尔实验室的0.625THz

通信系统……..2图1-3

日本NTT

的120GHz

通信系统实物与实验场景……….……2图1-4

WRC-2019

议题1.15

太赫兹频谱划分情况……….………….4图2-1

热点地区超宽带覆盖...................................................................................................5图2-2

固定无线接入...............................................................................................................5图2-3

高速无线回传...............................................................................................................6图2-4

通信感知一体化应用[17]...............................................................................................6图2-5

宇宙通信应用[18]..........................................................................................................7图2-6

空天地一体化通信应用场景.......................................................................................8图2-7

微系统应用场景（a）片上通信（b）用于健康监测的纳米体域网[17]..................8图3-1

不同工艺的fmax/fT

性能.............................................................................................9图4-1

OFDM,DFT-s-OFDM,OTFS,DFT-s-OTFS

太赫兹传输的峰值平均功率比.........16图4-2

太赫兹场景候选波形时域数据的基本符号结构.....................................................16图4-3

太赫兹场景候选波形的发送端、接收端结构的增强设计.....................................16图4-4

eDFT-s-OFDM与DFT-s-OFDM

的PAPR、BLER、PSD

性能比较......................17图4-5

太赫兹信号处理关键算法技术.................................................................................17图4-6

大规模MIMO

天线阵列的混合天线架构[59]...........................................................19图4-7

一维波束转型成二维波点现象与载波频点之间的关系.........................................23图4-8

远近场传输模式对比：（a）远场传输模式；（b）近场二维传输模式.................23图4-9

用户移动性、分子吸收对太赫兹网络空间吞吐量的影响.....................................24图4-10

基于SSB

感知辅助的太赫兹波束管理方案及波束对准性能提升分析................24图4-11

智能反射面对太赫兹信道改善.................................................................................25图5-1

140-220

GHz

测量场景示意.....................................................................................28图5-2

300

GHz

测量场景示意............................................................................................28图5-3

140

和220

GHz

路径损耗（a）会议室（b）办公室办公区（c）办公室走廊...29图5-4

太赫兹超大规模MIMO

传播信道[107].....................................................................29图5-5

粗糙表面上散射电场（a）幅值分布;（b）微结构分布........................................30图5-6（a）粗糙表面散射电场相位数值拟合；（b）粗糙表面散射电场相位空间分布.30图5-7（a）粗糙表面XPR

分布拟合;（b）观察角XPR

分布拟合..................................31图6-1

太赫兹高清视频实时传输系统.................................................................................34图6-2

太赫兹远距离传输测试场景.....................................................................................34图6-3

0.14THz

地面21.3km

海面27km

远距传输验证（上）0.22THz

机载高速通信动态验证（下）

..............................................................................................................................35图6-4

紫金山实验室100/200Gbps

太赫兹光纤一体融合通信实验系统.........................35图6-5

浙江大学光电集成太赫兹通信系统.........................................................................36图6-6

浙江大学0.33THz-0.38THz

光电结合方式的多维复用太赫兹通信系统.............36图6-7

华为太赫兹室外远距离通信样机，实现500米240Gbps通信速率（上），华为太赫兹室外MIMO

通信样机，实现3500

米80Gbps

通信速率（下）

................................37图6-8

华为太赫兹通感一体化原型：毫米级精度成像、高速率通信.............................37表目录表1-1

国内太赫兹科研机构及研究课题...............................................................................2表4-1

太赫兹通信主要应用场景及组网形式.....................................................................21表5-1

信道建模方法的优缺点对比.....................................................................................27表5-2

上海交通大学和华为室内信道测量平台..................................................................27表6-1

国内外太赫兹通信演示系统（按文献发表的时间顺序）.....................................32第一章太赫兹通信概述1.1

基本原理太赫兹（Terahertz，THz）波是指位于0.1THz~

10THz

频率范围的电磁波，在整个电磁波谱中位于微波和红外波频段之间，如图1-1

所示。由于在电磁波谱的特殊位置，太赫兹既具有微波频段的穿透性和吸收性，又具有光谱分辨特性。太赫兹频段具有超大带宽的频段资源可供利用，支持超高的通信速率。因此，太赫兹通信被认为是达成6G

太比特每秒通信速率的重要空口技术备选方案，有望应用在全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距超高速传输等场景。同时，利用太赫兹的超宽带和高精度分辨率对网络和/或终端设备的高精度定位和高分辨率感知成像是太赫兹通信的应用扩展方向。图1-1

太赫兹频谱频段1.2

国内外研究进展太赫兹具有高频率、大带宽、低电磁辐射特性，且对非极性物质具有很好的穿透性的特点，早在2000

年初，国外就启动太赫兹技术相关研究，并进行了一些实践应用。美国的研究相对突出，应用场景包括移动自组网空间通信、机载大容量远距离通信等。图1-2

为美国贝尔实验室0.625THz

通信实验系统[2]，是目前全电子方式实现的最高载波频率的太赫兹通信系统。近年来，美国正在积极推动太赫兹通信和相关应用的产业化，如1)2018

年2

月，美国联邦通信委员会（FCC）批准一项名为“Spectrum

Horizons”的NPRM，对未来移动通信应用开放了从95GHz

到3THz

频段，该报告和命令于2020年8

月24

正式生效；2)美国工业伙伴联盟和DARPA

共同创建了ComSenTer

研究中心和产业联盟，开发太赫兹无线传输和感知应用技术。1图1-2

美国贝尔实验室的0.625THz

通信系统[2]欧洲太赫兹通信技术研究，主要依托两个欧盟框架计划：“Horizon

2020（地平线2020）”和“Horizon

Europe（地平线欧洲）”。启动多个跨国的太赫兹研发项目，如

WORTECS（研究太赫兹异构组网技术）、EPIC（研究Tbps

传输前向纠错编码技术）、TERAPAD（研究局域网场景下超大带宽无线接入技术）、ULTRAWAVE（研究超高容量回传网络技术）、DREAM（研究可重构Mesh

网络技术）等，届时网络峰值数据达Tbps量级，而超高速太赫兹通信技术是达成上述目标的核心技术之一。成果[5]-[8]，接近或部分达到了世界先进水平。2表1-1

国内太赫兹科研机构及研究课题研究单位研究课题中科院上海微系统所太赫兹量子器件及其成像电子科技大学大功率太赫兹源、固态太赫兹射频器件、太赫兹准光器件、太赫兹通信系统、太赫兹通信感知一体化、太赫兹有源超表面、图1-3

日本NTT

的120GHz

通信系统实物与实验场景[3][4]日本政府将太赫兹技术列为未来十年十大关键科学技术首位。2006

年，NTT

公司完成世界上首例太赫兹通信演示，在2008

年成功用于北京奥运会的高清转播，如图1-3

所示。该系统工作频点120GHz，传输距离可达15

公里。此外，目前NTT

正在全力研究0.5~0.6THz

高速大容量无线通信系统。国内以高校和研究院所为代表的科研机构也积极投入太赫兹通信研究，并以不同形式进行了互通协作，共同推动国内太赫兹技术和产业进展。以电子科技大学、中国工程物理研究所、中国电科第十三所、中国电科第五十五所、中科院上海微系统所、天津大学、湖南大学、浙江大学、东南大学、复旦大学等众多高校和科研院所为代表的国家太赫兹相关研究单位，都在太赫兹核心关键器件和通信原型系统的开发上取得了众多技术太赫兹成像系统前段关键技术、太赫兹高速直接调控器件上海理工大学太赫兹TDS

系统、太赫兹纳米光子学中科院电子学研究所太赫兹成像中电41

所太赫兹倍频源中电13

所太赫兹混频器、倍频器、放大器天津大学太赫兹波谱成像、太赫兹辐射源、太赫兹光纤激光技术武汉理工大学太赫兹微带天线阵列紫金山天文台太赫兹倍频器北京大学太赫兹自由电子激光器放大器清华大学基于SiGe

BiCOMS

工艺的太赫兹功率放大器哈尔滨工业大学太赫兹成像探测技术南开大学太赫兹功能材料电磁特性与器件研究、铁磁纳米颗粒诱导调控增强的太赫兹液晶相移器复旦大学太赫兹波波导武汉光电国家实验室太赫兹光通信器件，太赫兹技术，生物医学光子学华为技术有限公司太赫兹关键器件，太赫兹低复杂度信号处理，太赫兹通信感知一体化系统浙江大学光电调制器件、光电结合方式太赫兹通信系统中国工程物理研究所太赫兹源、太赫兹半导体器件、太赫兹通信系统上海交通大学太赫兹信道、超大规模MIMO、太赫兹通信感知一体化中兴通讯太赫兹通信与感知1.3

国内外标准化进展在太赫兹无线通信频谱分配方面，国际电信联盟（ITU）已经完成100~275

GHz

频率范围内各用频业务的频率划分工作，为陆地移动业务和固定业务分配的全球统一标识频谱有97.2

GHz。在2019

年世界无线电大会（WRC-19）上，又为陆地移动业务和固定业务在275~450

GHz

频率范围内新增275~296GHz、306~313GHz、318-333GHz、356~450GHz

四个全球标识的移动业务频段，带宽合计137GHz，如图1-4

所示。图1-4

WRC-2019

议题1.15

太赫兹频谱划分情况

在太赫兹无线通信空口技术标准上，国际电气电子工程师学会（IEEE）在2008

年在3IEEE

802.15

工作组下设立了太赫兹兴趣组（IG

THz，THz

Interest

Group），探讨

275~3000

GHz

频率范围内太赫兹通信和相关网络应用的可行性。后续，该兴趣组转为IEEE

802.15.3d

任务组。2017

年，该任务组发布了IEEE

Std.802.15.3d-2017[9]，定义了符合IEEE

Std.802.15.3-2016

的无线点对点物理层，频率范围为252GHz

到325GHz，是第一个工作在300GHz

的无线通信标准。2019

年，IMT-2030（6G）推进组无线技术工作组成立了太赫兹通信任务组，将太赫兹通信为未来6G

通信的重要候选技术，召集各相关产学研用单位，研究讨论太赫兹通信关键技术、应用愿景和标准化等方面的工作，这为太赫兹通信进入IMT

通信技术标准奠定了研究和产业共识基础。国际电信联盟无线电通信部门5D

工作组（ITU-R

WP5D）2020

年启动研究了100GHz以上的国际移动电话系统（IMT）的技术可行性，制定名为“IMT

Above

100

GHz”的提案[10]。相关技术可为室内室外热点场景、通信感知一体化应用与超短范围环境提供超高通信速率。该报告预计2023

年6

月结束。IEEE

通信学会旗下的太赫兹通信特别兴趣组（ComSoc

Special

Interest

Group(SIG)on

Terahertz

Communications）已于2021

年7

月成立，将在国内外组织太赫兹通信领域的研讨会、讲座等各类活动。上海交通大学、电子科技大学、华为等工作组成员单位已积极与其中。随着2023

年世界无线电大会（WRC-23）临近，各国启动IMT-2030/6G

频谱研讨。业界初步达成优先考虑92-275GHz

亚太赫兹频谱用于IMT-2030/6G

频谱的共识。具体候选频段仍在研究、讨论中，意向频谱包括：W-band、D-band、220GHz、250GHz等具有连续大带宽传输机会的频谱。小结太赫兹频段凭借丰富的频段资源优势可支持超高的通信速率和高精度分辨率，太赫兹通信被认为是达成6G“数万物智联、数字孪生”应用愿景的重要空口技术备选方案，有望应用在全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距超高速传输等场景，提供进行网络和/或终端设备的高精度定位和高分辨率感知成像。国内以高校、研究院所、和通信企业为代表的科研机构也积极投入太赫兹研究，并以不同形式进行了互通协作，共同推动国内太赫兹技术和产业进展，在太赫兹核心关键器件和通信原型系统的开发上取得了众多技术成果，接近或部分达到了世界先进水平。太赫兹频段相关标准化研究已启动，随着2023

年世界无线电大会（WRC-23）临近，各国启动IMT-2030/6G

频谱研讨。4第二章太赫兹通信应用场景2.1

地面通信应用太赫兹的超宽带频率资源，可实现Tbps

峰值速率，适合地面超高速无线通信。超高速无线移动场景6G

时代的通信业务应用，例如全息通信、高质量视频在线会议、增强现实/虚拟现实、3D

游戏等，对数据速率、时延和连接数等网络KPI

的需求可能呈现数量级增长，太赫兹通信能够满足上述技术需求，可用于为热点地区提供超高速网络覆盖，作为宏蜂窝网络的补充，提供超宽带无线通信服务。图2-1

热点地区超宽带覆盖固定无线接入场景FWA（Fixed

Wireless

Access,固定无线接入）是在5G

已实现商用的一种通信场景，目前较多应用毫米波技术实现。由于太赫兹通信可以支持的带宽和速率会远远大于毫米波频段，未来可应用于FWA

场景，用于满足6G

通信能力需求。图2-2

固定无线接入高速无线回传太赫兹无线收发设备可以用于代替光纤或电缆实现基站数据的高速回传，节省光纤部署成本，在高山、沙漠、河流等无法部署光纤的区域应用太赫兹无线链路实现高速数据传输，作为光纤的延伸。目前国内外已有的太赫兹原型通信系统已具备超高速无线数5据传输能力，未来需要发展的技术重点是相关功能设备的低功耗、低成本和小型化。高效的太赫兹无线集成接入回传网络可实现低成本且灵活的基站部署和管理。图2-3

高速无线回传无线数据中心场景6随着云服务应用需求的不断增加，对数据中心服务器/服务器群（Server

Farms）的应用需求也快速增长。传统线缆连接需要海量线缆，占用大量空间且维护成本较高，对于散热和服务器性能带来影响。太赫兹以其超高通信速率特点，被认为可广泛应用于无线数据中心，用以降低数据中心空间成本、线缆维护成本和功耗[11]-[14]。数据亭下载场景数据亭（DataKiosk），即具有超高数据传输能力的数据站点，是太赫兹另一个极具潜力的应用场景。数据亭可以分布在公共场所，例如机场、火车站、购物中心、交通拥堵等拥挤的地方，可以同时为一个或多个用户提供短时超高速率数据下载服务[15]-[16]。此外，还可以为汽车更新3D

4K

地图视频、提供多媒体内容下载服务等。通信感知一体化场景太赫兹的超宽带宽以及超高速率有望实现兼具高速率通信和高精度感知的通信感知一体化应用。相关应用包括基于太赫兹通信的增强现实/虚拟现实技术、车载通信与雷达传感、毫米级室内定位等。图2-4

通信感知一体化应用[17]元宇宙应用场景结合人工智能和机器学习，太赫兹通信能够满足未来多样化的元宇宙应用需求，如全息通信、触觉和远程呈现通信，为娱乐、学术研究等提供更直观的视觉和审美体验。图2-5

宇宙通信应用[18]自主智能体网联场景未来6G

场景中还将发展出如智能汽车、智能机器人、自主无人机等场景。此类自主系统需要与环境实时交换大量数据，在高移动过程中准确地感知和跟踪它们的操作环境，实现路径规划、保证交通安全。此外，数据类型形成多样性，包括3D

视频、雷达信号、环境信息等，无线系统应在上行和下行链路提供双向高速率可靠通信和高精度感知。太赫兹波段具备高速通信和高分辨率感知优势，可支撑自主智能体网联应用。2.2

非地面通信应用太赫兹波在外层空间中基本可做到无损传播，通过极低的功率就可实现超远距离传输。如果未来太赫兹天线系统可以实现小型化、平面化，太赫兹通信系统可通过搭载卫星、无人机、飞艇等天基平台和空基平台，作为无线通信和中继设备，应用于卫星集群间、天地间和千公里以上的星间高速无线通信场景，实现未来的空天地海一体化通信。空天地一体化通信网络可以提供空、天、海、地的广域覆盖，特别是人迹罕至的偏远地区、农村地区、空中和海面上。在业务方面，空天地一体化通信网络可以提供回传、中继、应急通信、广播通信、宽带接入、个人移动、行业应用和物联网服务等。7图2-6

空天地一体化通信应用场景2.3

微系统通信应用随着太赫兹通信技术的持续突破和发展，未来有望实现毫微尺寸甚至是微纳尺寸的收发设备和组件，在极短距离范围内实现超高速数据链应用。随着石墨烯等新型材料技术的兴起与发展，太赫兹通信有望作为无线纳米网络通信频段，用于芯片的高速数据传输的片上/片间无线通信等，支持健康监测系统的可穿戴或植入式太赫兹设备等多种微小尺度通信应用场景，实现从宏观通信到微观通信的6G

网络覆盖。未来需要通过将太赫兹技术与微纳技术的结合，以及新型材料和工艺技术的进展突破，实现毫微尺寸、高效率、低成本的太赫兹通信收发器件与设备。图2-7

微系统应用场景（a）片上通信（b）用于健康监测的纳米体域网[17]小结充分利用太赫兹频段超宽带、超高数据率传输能力，太赫兹通信技术期望应用于未来6G

所需的超级无线宽带、超大规模连接、极其可靠通信能力和感知和智能服务新场景。太赫兹通信技术预期实现在空天地海一体化多领域覆盖。利用其超宽带超高速数据传输能力，太赫兹通信有望在超高速率无线移动和回传、固定接入、无线数据中心等领域实现应用。除此之外，利用太赫兹超高频的高精度感知特性和高密度硬件集成能力，太赫兹通信也可以在基站和终端形态通信感知一体化、元宇宙、自主智能体联网和纳米微系统等未来新兴领域实现广泛应用。8第三章太赫兹通信核心器件太赫兹电路是实现太赫兹系统的关键，它的性能直接影响着系统性能优劣。近二十年来，太赫兹电路的研究正如火如荼地开展，引发了业界的高度关注和积极探索。现在支持高于100GHz

应用的设备技术方面有了多种选择，如图3-1

所示。图3-1

不同工艺的fmax/fT

性能太赫兹通信系统主要是太赫兹发射源和接收机，涉及的核心电路包括：倍频器、混频器、调制解调器、低噪声放大器等。目前，业界对太赫兹电路技术的研究，正朝着更高频段（超过1THz）、更低损耗、更高效率的方向发展。基于III-V

族化合物半导体晶体管工艺的芯片集成电路，虽然发展缓慢且耗资巨大，也还是引发了广大科研工作者的高度关注和积极探索。3.1

太赫兹半导体技术太赫兹半导体技术主要指的是利用二极管或晶体管等非线性器件，实现太赫兹频段的倍频、混频、放大等功能电路，从而构成太赫兹发射和接收前端，实现对特定频率太赫兹波的产生和探测。肖特基势垒二极管是一种可常温工作、导通电压较低、反向恢复时间极短的二极管，因为砷化镓拥有较高的饱和电子速率及电子迁移率，目前太赫兹频段肖特基势垒二极管主要基于砷化镓（GaAs）材料。GaAs基肖特基二极管是太赫兹固态有源电路采用的主流器件，以美国VDI

公司为代表，产业化成熟。目前器件截止频率已经大于30THz，混频器、倍频器的工作频率基本覆盖了太赫兹频段。同时，芯片集成化也成为太赫兹频段半导体技术研究的重中之重。用于太赫兹频段放大器的半导体器件，主要分为1）Si

基器件和2）是-族化合物基器件。Si

基器件主要为互补金属氧化物半导体（

CMOS）器件和SiGe

双极互补金属氧化物半导体9（

BiCMOS）器件，-族化合物器件主要包括GaAs

赝配型高电子迁移率晶体管（PHEMT）器件、GaAs

改性高电子迁移率晶体管（MHEMT）器件、InP

HEMT

器件、

InP

HBT

器件和GaN

HEMT

器件。硅基集成电路（IC）因其低成本和高密度片上集成而盛行，以砷化镓基半导体和氮化镓基半导体为代表的III-V

族化合物半导体能够提供更高的传输功率。异构集成平台既保留了硅的优势，又能提供更好的性能，例如更高的输出功率。使用苯并环丁烯（BCB）的晶圆级集成可以采用2D

集成方法[20]，或是将由III-V

族材料组成的晶圆或裸片焊接到图案化硅晶圆上，例如基于3D

BCB

的晶圆焊接集成方案或晶圆级的低温氧化物-氧化物焊接[21]，既保留了硅的优势，又充分利用了III-V

族化合物半导体的高功率和高工作频率特性，因此极具前景。3.2

发射端核心器件高品质的太赫兹频率源是太赫兹系统应用的关键，它的性能在很大程度上决定了系统的性能。目前，太赫兹固态频率源正在向着更高频率、更大功率、更宽频带、单片集成、超低相噪等方向发展。倍频器倍频器是利用二极管的非线性特性实现频率倍增功能的有源电路，是太赫兹固态频率源的核心。在太赫兹通信系统中，倍频源的主要作用是为变频器提供本振驱动信号，从而满足通信系统的正常工作。随着二极管加工工艺的迭代与MEMS

工艺的应用，太赫兹倍频器在不断朝着更高的输出功率、更高的频率以及更宽的带宽发展，同时单片集成的方式已成为主流趋势。为了达到高功率性能的目标，一方面是采用大功率GaN

倍频技术，另一方面是基于功率合成，采用在片合成、腔体内合成以及散热等多种技术实现更大的输出功率。目前美国JPL

实验室基于GaAs

二极管已经实现了1.6THz

频段的倍频链路，美国

VDI

公司，德国的ACST

公司、英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室、瑞典查尔姆斯理工大

学、爱尔兰的Farran

公司等研究机构在异质集成、HBV、薄膜工艺、硅基加工和外延转

移等太赫兹倍频源相关技术都有诸多建树。在常用的170GHz、220GHz、340GHz、420GHz、550GHz

等频段的频率源的输出功率均可满足变频器的驱动功率需求，其中170GHz、220GHz均可大于100mW。国内方面，电子科技大学，中国电子科技集团公司第十三研究所，中国工程物理研究院等研究机构经过技术追赶，在输出功率、倍频效率和工作带宽等指标上实现了突破，在110GHz、140GHz、170GHz、220GHz、340GHz等频段的太赫兹频率源满足了应用需求[22]-[24]，例如已成功在220GHz

频段实现了输出功率大于84mW[25]，在180GHz

频段实现了244

mW

的输出功率[26]等。功率放大器功率放大器通常位于通信系统发射机的末级，与上变频器相连接，其功率放大性能10决定了通信系统的作用距离。功率放大器的核心指标是放大器增益，直接影响着通信系统的实际作用距离。目前功率放大器普遍采用基于InP

HBT/DHBT

的器件，该器件由发射极、集电极和基极组成，具有高频率、高功率的特点，因而可以应用于太赫兹功率放大器的研究，InP

HBT

器件还具有相位噪声低、频带宽、集成能力高的特点，十分适合于线性功放和超高速电路的设计。目前美国Teledyne

公司在InP

HBT

器件研究中处于世界领先，德国IAF

研究所、美国诺格公司等研究机构紧随其后。最新研究表明，基于InP

HBT

的太赫兹功放在高达

670

GHz

频段已经实现增益大于24

dB

和输出功率大于-4

dBm[27]，并在170

GHz

频段实现了输出功率最高244

mW[28]，而基于InP

HEMT

的太赫兹功放目前在220

GHz

频段已经实现了输出功率大于200

mW[29]，在650

GHz

频段已经实现了输出功率大于3

mW，增益大于10

dB[30]。国内在太赫兹InP

HBT/DHBT

技术方面起步较晚，实现的功放也集中于200GHz

以下，中国电子科技集团公司第十三、第五十五研究所、中国科学院微电子研究所等目前正在积极的推进220GHz

以上频率功率放大器的相关研究工作。随着硅基器件工艺的不断发展，CMOS

和BiCMOS

已成功应用于太赫兹功率放大器。清华大学报道了基于130

nm

SiGe

BiCMOS

工艺的250-310

GHz

频段功率放大器，饱和输出功率为5

dBm[31]。美国加州戴维斯分校报道了基于65

nm

CMOS

工艺的200GHz

功率放大器，饱和输出功率高达9.4

dBm[32]。3.3

接收端核心器件太赫兹频段的接收机中，外差接收是应用最为广泛的接收体制。在外差接收体制中，系统的关键电路通常包括实现频率变换、信号产生和信号放大功能的电路。变频器11变频器是利用肖特基势垒二极管的非线性特性实现频率变换功能的有源电路，是超外差接收系统中的核心电路之一。通信系统中，变频器的主要作用是将中频基带信号搬移至太赫兹频段进行发射（上变频），或将太赫兹频段传输信号搬移至中频频段送至基带进行解调（下变频）。变频器的核心指标是噪声温度和变频损耗，前者影响着接收机的噪声性能，后者则决定了太赫兹频段信号变频至中频频段信号的损耗。太赫兹变频器发展已有几十年的历史，技术相对成熟，目前，太赫兹固态变频器正在向着高频率、低损耗、低噪声、宽频带、单片集成等方向发展，最高工作频率已达5THz[33]。作为目前固态变频器的世界领先研究机构，美国弗吉尼亚二极管公司（VDI）的分谐波变频器的工作频率已经覆盖到5THz，在常用的220GHz、340GHz、420GHz

等频段的分谐波变频器的变频损耗的典型值分别为8dB、10dB、12dB。同时，德国的ACST

公司，英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室，巴黎天文台等研究机构在太赫兹分谐波变频器方面也具有诸多建树。国内方面，电子科技大学、东南大学、中国电子科技集团公司第十三研究所等研究机构经过近十年的技术追赶，在140GHz、220GHz、340GHz

等频段的分谐波变频器也基本达到了世界一流水平。相较于传统的双边带混频器，太赫兹正交（IQ）混频器在太赫兹通信系统中应用广泛，可用于太赫兹直接调制，实现高灵敏度接收和高速率传输的同时简化系统架构。相关研究国外开展较早，目前已报道了330

GHz

频段的太赫兹IQ

混频器[34]-[35]。低噪声放大器低噪声放大器作为通信系统接收机的第一级，其重要作用是将微弱的传输信号功率放大，并尽可能的减小放大器自身的噪声对信号的干扰，以提高通信系统的信噪比。低噪声放大器的核心指标是噪声系数和放大器增益，前者影响着接收机的噪声性能，后者是对信号功率放大能力的体现，影响着通信系统的作用距离。目前，低噪声放大器主要基于InP

器件。由于InP

电子迁移率较高，但是禁带宽度较小，所以InP

基器件可以用来进行THz

高频、高增益、低噪声的小信号放大器设计。同时由于HEMT

器件不连续导带产生的二维电子气具有高场迁移率以及高饱和漂移速度的特点，因此HEMT

器件在具有良好的高频、高增益、低噪声特性。因此InP

HEMT

器件具有截止频率高和噪声系数低的特点，能够在THz

波段提供良好的噪声增益特性。在InPHEMT

电路研究方面，美国诺格公司（NorthropGrumman）处在行业领先的位置，该公司研制的InP

放大芯片工作频率可达850GHz

以上，最低噪声系数为11.1

dB，增益大于13dB[36]。在220GHz、340GHz

的常用频段，其噪声系数典型值为6dB

和8dB。同时，美国Teledyne

公司，德国IAF

研究所等研究机构也具有较强的太赫兹芯片研发能力[37]-[39]。近五年来，国内投入了大量人力物力研究InPHEMT器件和电路，主要研究单位有中国电子科技集团公司第十三、第五十五研究所、中国科学院微电子研究所等，目前研制出的140GHz、220GHz

放大器性能良好[40]。基于硅基器件研制的太赫兹低噪声放大器也实现了性能提升。目前0.13

mSiGe工艺的fT/fmax

高达460/600

GHz，该工艺下的190

GHz

低噪放噪声系数仅为7.7

dB[41]。3.4

太赫兹调制电路太赫兹直接调制技术为解决太赫兹无线通信技术和成像技术中存在的一系列问题，提供了新的研究方向，为实现高效、高速、低复杂度太赫兹无线通信和快速、高分辨率太赫兹成像提供了新的技术解决途径。太赫兹直接调制技术是针对以从信号源发射到自

由空间或者片上传输的太赫兹波进行外部调制方式，可根据不同的通信距离和工作环境，灵活地选择输出不同功率和载波频率的信号源。因此，基于直接调制技术的太赫兹无线

通信系统及太赫兹成像系统的实现关键在于提升太赫兹调制电路和器件性能。随着人工微结构、新型半导体材料以及芯片电路在太赫兹直接调制技术中的结合以及应用，太赫兹直接调制技术不断朝着高速率、低损耗、集成化以及高带宽利用率的方12向发展，不仅在面向自由空间传输太赫兹波的平面准光型调制器上取得突破，同时在面向集成化、芯片化的片上太赫兹直接调制器也不断取得进展。以国内电子科技大学为代表的单位，将动态人工微结构与射频芯片电路相结合，在

0.14THz、0.22THz、0.34THz

均实现了调制速率大于30Gbps

的高速太赫兹直接调制器

件；同时，采用片上数字编码的方式与微扰单元结合共同实现了0.26THz-0.27THz

移相

精度小于2

度的直接相位调制。同时国际上美国布朗大学、日本也取得了进展，使得太

赫兹直接调制技术不断向着实用化发展。直接调制目前以单路单比特低复杂度调制为主，在未来发展中多路正交直接调制也将是其发展的重要方向。3.5

太赫兹阵列天线及集成技术作为无线系统，天线也是重要的部件之一，承担了太赫兹信号的最后发射和接收工作，天线增益和扫描范围直接影响太赫兹系统的覆盖范围。目前利用的较多的是方便对接太赫兹波导器件的各类喇叭天线，透镜天线和反射面天线等定波束天线，增益覆盖

10dBi~50dBi

范围，可以用于点对点-点对多点太赫兹通信系统中。对于未来太赫兹系统更加灵活性的需求，具有波束赋形能力的大规模阵列天线将是必须的研究路线之一。太赫兹“瓦片式”阵列允许对大规模太赫兹天线阵列进行波束操控来获得高辐射功率，因而极具吸引力。在太赫兹“瓦片式”阵列中，大量天线集成在芯片或封装上，以确保结构紧凑和高能效，避免不必要的寄生损耗。每个阵子的相位由模拟移相器进行调控，从而实现波束赋形[44]-[45]。随着电磁波空间调控技术的发展，智能超表面也是波束赋形的一种重要补充方式，智能表面分为无源表面（也称为可重构智能表面RIS）和有源表面（也称为大型智能表面LIS）。无源RIS

实现波束反射、准直和偏振等基本功能，通常由低成本、自供电的无源器件组成，因此能耗较低。有源LIS

则实现全部或部分射频功能，因此通常配备较为耗电的射频电路和信号处理单无论采用哪种方式，辐射源都能使表面“智能”地响应时变无线通信环境[46]。太赫兹器件封装和集成技术需要进一步发展来实现大规模天线阵列。目前常用的波导接口，金属模块封装方式集成度低且成本较高，将来会被高密度集成技术所取代，其中比较有前景的技术包括多芯片模块（MCM）、系统级封装（SiP）和异构集成。基于高温共烧陶瓷（HTCC）或低温共烧陶瓷（LTCC）基板的MCM

已用于太赫兹系统封装，这种封装集成了天线和硅透镜，可减少连接损耗并增强系统EIRP[47]-[48]。硅通孔（TSV）工艺具有更高的集成度和工艺精度，可用于更高频率[49]。嵌入式晶圆级球栅阵列（eWLB）工艺通常用于低频（中介层或布线层），但也可以作为SIP

技术用于太赫兹低端频段[50]。3.6

太赫兹可重构智能表面太赫兹可重构智能表面（ReconfigurableIntelligentSurface,RIS）是一项近两年依基于动态可重构超表面和阵列波束综合理论发展的新兴技术，可以低成本、低功耗、低复13杂度、超薄体积的形式实现对太赫兹波束方向性进行重构，通过引入时间编码技术可进而取得信息调制的能力，同时也是作为实现未来通感一体化无线系统的关键器件。RIS作为一种二维平面器件，根据其被动辐射和谐振重构的特点，自身即可实现对入射太赫兹波幅相响应的调制，相比传统相控阵/MIMO链路而言，RIS将幅相调制、极化转换、波束调控集成于二维平面器件上，大大降低了无线链路在硬件层的复杂度，同时更有利于各种复杂信道环境的大规模部署。基于RIS

的可编程波束调控，结合人工智能算法对

RIS的控制编码进行波束训练优化，可实现对动态目标的点对点跟踪通信，以及实时侦测或成像，对解决太赫兹频段的传播损耗、远距/非视距传输、高速/高分辨侦测等难题具有重要意义。为实现高效的太赫兹RIS器件，有两个重要研究方向即重构阵列和智能编码调控，其中动态调控的手段直接决定了编码调控的灵活度与自由度，发展高速、高效率、低功耗、低寄生的动态调控超表面单元是实现太赫兹RIS

器件成熟化的关键。太赫兹RIS

研究方面，在美国DARPA

的支持下，美国HRL

实验室在2017

年报道了一种1-bit

编码孔径副反射面天线阵列，工作频率235

GHz，天线效率37%，插损<5dB，是目前报道的最高天线效率和最低插损的毫米波电控可重构天线。2018

年11

月，日本移动通信运营商NTTDOCOMO联合毫米波雷达技术公司Metawave首次演示了RIS反射面在6G

系统中28

GHz

频段下的实际应用，验证了RIS

反射面对于覆盖和容量提升的潜在能力。2022

年，美国麻省理工学院MIT

和Intel公司报道了基于CMOS

的二维反射阵列[3]，阵元数98×98，工作频率265GHz，扫描范围±45°，扫描精度1°，是目前报道的最大阵列规模、最大扫描范围和最高扫描精度。但目前CMOS场效应管的插入损耗和器件成本依然制约器件性能进一步提高。国内方面，2015

年，电子科技大学研制出双异质结HEMT

与超材料结合的调制器后，通过控制二维电子气的载流子浓度实现对太赫兹波束的高速调控成为了快速电控太赫兹RIS

的一种重要技术途径，2021

年，电子科技大学利用多路HEMT-人工微结构编码控制单元微扰谐振态，实现了太赫兹波高精度相位调控，同时实现了0.34THz、32×32、扫描角度范围大于40

度的太赫兹RIS

的验证器件。然而太赫兹波段RIS

由于频率高、波长短，目前还存在反射效率低、增益低等问题，有待进一步的提升。小结太赫兹通信核心器件是太赫兹通信系统性能的基础和关键，引发了业界的高度关注和积极探索。业界对太赫兹电路技术的研究正朝着更高频段、更低损耗、更高效率的方向发展。目前，国内的太赫兹核心器件研发已经接近世界一流水平，但太赫兹核心器件还存在高频信号处理、天线阵列架构功耗、实现成本和复杂度的平衡等挑战。后续的太赫兹通信核心器件研发集中在高功率低损耗的收发信机设计、超大带宽太赫兹信号模转换、高速基带处理、超大规模天线集成技术和太赫兹可重构智能表面设计等方向。14第四章太赫兹通信关键技术4.1

调制解调技术鉴于太赫兹的信道特性，传统调制方式不能完全实现太赫兹频段的期望性能。分子吸收导致的路径衰减分隔了许多传输窗，并且其位置和宽度都与传输距离紧密相关。在太赫兹频段，传输距离的微小变化会极大地影响其信道的大尺度传输特性，即传输窗带宽会急剧下降。因此，对于短距离场景，太赫兹通信调制方式的设计思路与超宽带通信类似，即低功耗、小尺寸、低复杂度。对于中长距离场景，分子吸收的存在使得太赫兹频带的频谱窗口与传输距离具有密切关系，促使距离自适应通信调制方式的提出。此外，由于非视距路径的损耗较为严重，太赫兹信道的时延扩展会减小。同时，太赫兹频段的多普勒效应更为严重，在高速移动场景下需要考虑调制方案对多普勒效应的鲁棒性。除了提高单用户的数据速率，还可以使用距离自适应调制技术对多个用户的可用带宽进行有效分配。距离自适应多用户调制技术将太赫兹频谱窗口中的中心子窗口分配给距离更远的用户，将边界子窗口分配给更近的用户，同时对不同用户进行功率自适应分配[55]。这种用于太赫兹频段的距离自适应调制技术优于现有的毫米波调制技术以及非自适应调制技术。由于不同距离的用户具有不同的可用带宽以及解调能力，上述距离自适应调制技术可以与传统的调制方式相结合，实现分层带宽调制技术[56]。该技术在发射端采用多种调制阶数以及符号时间，在不同距离的用户接收端根据自身的可用带宽确定解调阶数以及符号时间，能够有效提高整个系统的数据速率。沿用5G

空口的技术方案，需评估比较不同的波形设计方案，包括单载波基于傅立叶变换扩展的正交频分复用DFT-s-OFDM

及其变体、多载波正交频分复用OFDM、以及正交时频空间调制OTFS

在太赫兹信道和器件影响下的性能，如频谱效率、多普勒偏移的鲁棒性、峰值平均功率比、相位噪声、带外能量泄露、接收机复杂度等。OTFS

是近年来出现的一种新型多载波调制技术，将信息符号调制到时延多普勒域，使得时变信道转化为近似平稳的时延多普勒域信道，有利于处理多普勒效应，但是OTFS

的峰均功率比性能对于太赫兹功率放大器来说仍然不尽人意。上海交通大学韩充教授与诺基亚贝尔团队提出新型的基于傅立叶变换扩展的正交时频空调制DFT-s-OTFS

的设计方案，结合单载波与正交时频空调制的优势，有效抵御太赫兹波段对多普勒偏移的敏感性，同时降低峰值平均功率比[57]，比较结果如图4-1。引入DFT

预编码会影响到导频保护区域，因此，OTFS

的嵌入式导频方案不再适用。上海交通大学韩充教授团队提出采用叠加式导频的方案，并设计了一种联合信道估计与信号检测的迭代方法，其中设计了一种基于快速傅里叶变换的信道均衡算法，有效降低了接收机复杂度。15图4-1

OFDM,DFT-s-OFDM,OTFS,DFT-s-OTFS

太赫兹传输的峰值平均功率比在DFT-s-OFDM

基础上，中兴团队提出eDFT-s-OFDM。图4-2

是在DFT-s-OFDM波形基础上增强和优化的新型候选波形e

DFT-s-OFDM

时域数据的基本符号结构。数据符号内的时域数据主要数由