太赫茲通信關鍵技術研究

前言：

6G是繼5G之后未來的新一代移動通信技術，目前處于研究階段。

6G技術將構建出一個空天地一體、智慧內生、安全內生、綠色低碳的網(wǎng)絡，具有亞毫秒級的空口傳輸時延的極致性能，以及連接、計算、AI（人工智能）等綜合能力的一體化服務。

各國在通信領域上相互趕超

無論是中國，美國，歐盟還是日韓，目前在通信領域領先的國家都在加大6G方面研發(fā)的投入。根據(jù)目前的研發(fā)目標，6G預計將實現(xiàn)5G十倍以上的通信速率，并且預計在2026年左右推出相關標準。

在相關應用方面，6G預計將繼續(xù)5G的道路，將覆蓋個人通信的同時，繼續(xù)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)和智能工業(yè)應用，包括超高速工廠內無線接入等。

為了支持更大的通信速率，根據(jù)香農(nóng)定律，信道容量必須相應增加，通常而言這意味著需要增加通信帶寬。

為了增加通信帶寬，最直接的方法就是提升載波頻率，而這也是太赫茲在6G領域得到特別關注的原因。

太赫茲通信關鍵技術研究

太赫茲通信由于提供了更為豐富的電磁頻譜信息，作為未來無線通信的一個重要研究領域，是各國競相占領的通信制高點之一。

太赫茲（THz）頻段介于毫米波和紅外光之間，由于其超大的通信帶寬，被認為是實現(xiàn)Tbps級通信速率的重要技術備選方案。

同時，THz的高頻點使其具有毫米甚至亞毫米級波長，可以在較小體積的手持或可穿戴設備中應用，實現(xiàn)包括高精度定位、高分辨率3D成像，以及物質材料的質譜分析等功能，與光學攝像頭相比，THz可穿透部分遮擋物，實現(xiàn)非可視場景下的高精度成像和全天候感知，并且更易于隱私保護。

因此，太赫茲頻段可應用于未來日常無創(chuàng)健康、食品安全檢測、高精制造缺陷檢測、環(huán)境污染監(jiān)測，以及機器視覺輔助等眾多生活、生產(chǎn)場景。這使得太赫茲成為未來通感一體的重要技術手段之一。

太赫茲通信芯片之射頻芯片

太赫茲通信相關的芯片可以分為兩大類，一個是射頻芯片，而另一類是基帶芯片。

就射頻芯片而言，太赫茲首先需要能工作在高頻段（太赫茲頻段）而且?guī)捄艽蟮碾娐?。為了滿足這個要求，目前用于長距離通信的太赫茲射頻芯片主要還是使用III-V族半導體HEMT和HBT晶體管實現(xiàn)射頻相關的工作。

III-V族半導體的工作頻率高，工作帶寬大，且輸出功率較大，能滿足太赫茲頻段通信的主要需求。

介于目前太赫茲通信的第一步還是基站間通信，太赫茲實現(xiàn)的射頻芯片將會成為未來幾年內太赫茲長距離通信芯片的首選半導體技術。

太赫茲通信芯片之基帶芯片

除了射頻之外，太赫茲通信領域另一個非常重要的芯片將是基帶芯片。在6G相關標準尚未確定的時候，目前對于基帶的討論主要在于如何產(chǎn)生高速信號的調制。

例如，如果6G需要在太赫茲頻段實現(xiàn)超過100Gbps的傳輸，如何實現(xiàn)如此高速率的調制信號，以及對于射頻電路的相關控制，例如線性化技術。

對于高速通信來說，如何提高數(shù)字信號處理的速度，以及如何提升超高速ADC/DAC等數(shù)模轉換的性能將是主要課題。

太赫茲通信攻克難點

①核心器件的研發(fā)和集成化

核心器件能力不足，仍然是太赫茲通信和6G領域的最主要障礙?，F(xiàn)有的大部分太赫茲頻段的有源器件的輻射功率、寬帶接收機靈敏度和小型化、功耗、調制器件的成熟度均難以達到實用的水平。

太赫茲波的光纖波導器件損耗大；適用于遠程太赫茲通信的宇航級器件缺乏；數(shù)字信號處理器件AD/DA的實時處理能力不足；UTC-PD和RTD仍然局限于科研單位使用，無法面向產(chǎn)業(yè)應用；太赫茲頻段Massive MIMO器件能力不行。

②太赫茲波的通信協(xié)議

100GHz以上通信頻段的協(xié)議制定，目前主要集中于科研領域，并沒有得到產(chǎn)業(yè)界的足夠重視。國際電聯(lián)（ITU）只是簡單做了頻譜劃分，并沒有更進一步的協(xié)議標準。

太赫茲頻段的組網(wǎng)、與其他通信頻段的數(shù)據(jù)交互（如不同微波段、太赫茲波與光通信、可見光通信等）均沒有制定更加成熟的通信協(xié)議。這一部分將隨著科研領域與產(chǎn)業(yè)方面更多的交流和技術轉化而慢慢成熟。

③信道特性和智能化的RIS的系統(tǒng)級實現(xiàn)

室內信道和地面短距離通信的太赫茲信道數(shù)據(jù)有一定的積累，也有物理層安全性能的相關研究。但是，遠程的太赫茲通信和星地的太赫茲通信信道數(shù)據(jù)缺乏，跟瞄系統(tǒng)尚處于起步階段。

移動的信道研究數(shù)據(jù)比較缺乏；室內的智能反射表面的研究目前局限于算法領域，系統(tǒng)級實驗的研究仍然很少。

④器件非線性效應、寬頻譜色散和多徑效應的算法抑制

應用于太赫茲通信系統(tǒng)的器件需要在大帶寬下保持線性工作，除開對器件本身提出更高的要求，研究器件的非線性效應抑制、克服寬頻帶的色散和多徑效應的算法和通信調制格式、編碼方案也是太赫茲通信研究的一個重要領域。

④通感一體化的感知和通信的協(xié)同智能化

太赫茲頻段豐富的頻譜信息，既可以用來感知外部環(huán)境，或作為無損檢測技術，又可以作為通信頻段。

太赫茲頻段的精確定位、測距、高分辨成像、光譜分析、高速通信等多方面功能的智能化協(xié)作和資源調度、軟硬件共用是通感融合研究的重點[24,31,32]。

傳統(tǒng)信息論的度量只局限于信息的傳輸，且一般是在電磁波遠場條件下使用香農(nóng)定律，也沒有關注信息的感知和獲取。

通感融合有望打破舊有理論體系，建立更加適應6G信息化時代的基礎理論體系。

結尾：

在太赫茲電路未來還有較大的上升空間，包括集成更復雜的成像算法，集成更復雜的陣列系統(tǒng)等等。

成像技術將與6G通信一起成為太赫茲在未來最關鍵的應用，從而推進太赫茲芯片和系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

太赫茲將成為毫米波之后另一個充滿潛力的頻段，相關的芯片技術和市場應用值得期待。

部分內容來源于：半導體行業(yè)觀察：6G帶來的芯片機會；產(chǎn)業(yè)鏈淘金：6G和毫米波芯片；中國光學：超越5G！更快！邁向6G的太赫茲芯片

編輯：黃飛

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