【译文】IEEE白皮书 6G 太赫兹技术的基本原理 2023版

第一章 简介

太赫兹波是介于微波和光波之间的光谱区域，频率从 0.1THz ~ 10THz 之间，波长在 3mm ~ 30m 之间。供给大块接连的频带规模以满意对 Tbit/s 内极高数据传输速率的需求，使该区域成为下一代无线通讯（6G）的要点研讨范畴。估量在 2030年 左右完结商业布置，太赫兹区域在 成像、光谱学 和 传感 等许多运用范畴显现出巨大的前景。

这一频率规模的解密触及到跨学科的研讨，射频电子与高频半导体技能亲近结合，但也包含运用光子技能的代替办法。本白皮书要点介绍 6G 通讯，简述太赫兹波的根本原理、运用特性。

第二章 介绍了要害的 6G 功能要求和研讨范畴。

第三章 评论了潜在的运用，如依据太赫兹的通讯和传感。这些运用需求将频谱扩展到 100GHz 以上，太赫兹波与空间物质发生的相互效果以及影响。

第四章 要点介绍了发射太赫兹波的各种办法。除了运用电子 MMIC 外，依据光子技能的代替计划将在未来发挥要害效果。特别是跟着今日的实验室设备小型化为光子集成电路（PIC），这些计划或许成为干流。

凭仗其既定的出产工艺和高水平的集成，经过电子发生太赫兹依然是现在的首要技能。频率约束正不断得到打破。

第五章 总结了高频半导体技能的现状。

2023年世界电联世界无线电大会（WRC23）上，估量将评论在随后的 WRC27 中分配 100GHz 以上的额定频率规模。现在正在评论的话题是太赫兹的运用潜力。

为了充沛发掘太赫兹的潜力用于未来通讯规范（6G），界说丈量目标、研讨不同半导体资料的特性至关重要，这是规范化流程的第一步。

第六章 描绘了信道传达丈量的概念，并介绍了在慕尼黑罗德与施瓦茨总部进行 158GHz 和 300GHz 信道测验的一些开始成果。

第二章 走向下一个无线通讯规范 —— 6G

2.1 从 5G 走向 6G —— 愿景与要害技能

树立全国性的 5G 网络，并不断供给新的通讯才干和服务，全职业为此忙碌多年。 5G 为工业4.0 等新的运用场景打开了大门，具有代表性的服务包含：增强型移动宽带（eMBB）、 超牢靠低推迟通讯（URLLC）、大规模物联网（mMTC）。尽管 5G 服务将进一步向 3GPP Release18 演进阶段继续开展，但学术界和工业界现已启动了对下一代无线通讯（6G）根底的研讨。计划在 2030年 左右落地商用，估量商用发布会或许提前一年进行。在这里，咱们对 6G 愿景和不同技能计划做些简略阐述。

WP 5D 是世界电信联盟 ITU（ITU-R）的 5D作业组，于 2021年 开端拟定新的建议文件草案《IMT 2030年及今后的愿景》，以确认 IMT2030 （终究将被称为 “6G”）未来开展的结构和总体方针。估量第一批 3GPP 规范化作业将于 2023/2024 年 打开，首要界说的是技能功能要求。规范的界说作业将从 2026/2027 年 开端。

很难猜测哪些运用和场景终究成为下一代无线规范的首要驱动力，而这些运用和场景又将刻画 6G 的技能方针（KPI）。潜在的运用场景包含：全息运用、扩展现实 XR（AR、VR、混合现实 MR）或数字孪生，这些运用对数据传输速率和推迟提出了极端严厉的要求。其愿景是，在 6G 年代，数字、设备 和 人类世界 将 无缝交融（Cyber-Physical Fusion），然后构成一个互联世界，在这个世界中，通讯将 人、设备 和 服务 与咱们日常生活的一切必要部分组合起来。布置的 传感器 和 履行设备 需求以 极高的速率 安全地 传输 和 处理 数据，以完结这种“沉浸式通讯”。

表1 对 6G 的方针（KPI）界说了一个严厉的规模。比 5G 高 10倍 ~ 100倍，这将对无线通讯和传输网络提出新的应战。

在某些时刻灵敏的同步操控运用中（例如在工厂自动化等工业运用环境中），端到端 的 一致性 和 确认性 十分重要，即 低颤动，而不仅仅 净推迟。这是作为一个新的 KPI 引进的。经过无线技能完结 时刻同步 和 相互定位，使远程设备协同作业。

表中1 第三行：User plane latency (in ms) 是为此新增的推迟动摇目标。

新的 6G 通讯规范会成为 以人为本、可持续影响全社会 的重要根底。将会掩盖人类的 生活、通讯范畴。 例如，联合国可持续开展方针的指导方针，以动力和资源向偏远地区供给 平等、负担得起 和 可扩展 的服务。现在的网络动力现已引起了人们的广泛重视 —— 包含对 环境的影响、以及 网络运营商 OPEX 的严重影响。为了应对数据通讯的指数级增加，有必要下降传输信息所消耗的能量。

2.2 6G 研讨范畴

图1 概述了已确认的首要 6G 研讨范畴（尽管不全面），以及完结愿景 和 未来无线通讯的用例。

尽管部分技能仅仅在前几代根底上做了迭代，但仍有很多技能具有颠覆性，或许会释放出 超出香农极限 的潜力。

前几代现已运用的技能的演进

一些演进的技能脚步，如代替 OFDM 或 全双工操作 的新波形，此前曾针对 5G 进行过评论，但并未包含在规范中。

超高速信道编码

信道编码是无线通讯中 纠正传输错误 的根本组成部分，是牢靠性的要害。一起，它也是基带处理的一个杂乱部分，为完结在极高的 吞吐量、牢靠性、低功耗 等方面的新 KPI，要求对现有信道编码计划进行增强，如 Turbo、 LDPC 和 极码 等。

新的波形和多址接入

波形规划对无线体系的高效运转至关重要。尽管 OFDM 是 6G 波形的有力候选计划，但仍需求探究备选的特定波形或统一可扩展波形，例如 通感一体化。

此外，还有必要考虑到不同的频谱规模、设备特性（相位噪声、 PA功率功率）和 体系特性（信号带宽）。现在正在考虑许多新的波形，包含用于具有 多普勒扩展的高迁移率场景的正交时频空间调制（OTFS）。此外，单载波波形或许在满意未来设备对功率的要求发挥更大主导效果。为了答应更灵敏地运用无线信道，或许参阅 非正交多址（NOMA）放宽正交性束缚。

超大数量的 MIMO

5G 引进了大规模 MIMO。现在的趋势是更高频率和更短波长，需求在小片区域内增加天线数量，以供给更多定向波束来弥补高频损耗。

另一种进步频谱功率的办法是自干扰消除技能，用于 带内双向通讯和中继 的全双工通讯。

全新的网络拓扑结构

当时网络架构中运用的蜂窝布局旨在最大极限地削减区域鸿沟处的干扰。但是，为了完结超高速、高容量（特别是衔接“云AI大脑”）和高牢靠性通讯，抱负的方法是低损耗的短间隔通讯，并在多个通讯途径上增加冗余。

这种空间散布式拓扑或许触及 Cell-Free Networks，其间基站（散布在大面积上）协调相相关合传输向每个用户供给独立服务。这种办法为不同方位的用户带来更高的信噪比和增益，以及更一致的体验质量。但是，落地需求高度杂乱的核算和基站之间的严厉同步，以及站点之间很多数据的交流。

为了向 无人机、飞机、船只 和 空间站/卫星 供给新的服务，然后将掩盖规模扩大到 偏远地区、海洋 和 太空，有必要对网络掩盖规模进行三维扩展。因而，除了水平布置外，还包含垂直方向的布置。例如，运用无人机（坐落 20公里高度平流层的高空渠道站或HAPS）和 低轨道（LEO）卫星作为空中移动基站 树立非地上网络（NTN）来完结这种无处不在的通讯。

太赫兹通讯和感知

6G 的要害技能概念之一 —— 尽管仅仅 6G 的促成要素之一（运用太赫兹波进行通讯和感知）。这些太赫兹运用和技能将在以下章节中具体评论。 释放亚太赫兹和太赫兹频率规模（100GHz ~ 3THz）几个GHz的极高带宽潜力，是现在研讨的方向。除了无线通讯中的超高数据速率外，这也将有利于感知和成像运用以及未来或许的医疗确诊程序。

联合通讯和感知（JCS）的概念 —— 有时被称为集成通讯和感知（ICAS），作为物理层规划的一部分，即联合运用的波形和网络架构，在本地支撑这两种运用。它不仅限于太赫兹率，并且还包含毫米波（mmWave）规模。宽频带也将有利于高精度感知运用。这些运用不仅包含 定位、方针检测 或 高分辩率雷达，还包含对环境感知特别灵敏的光谱型剖析。

光子技能和可见光通讯（VLC）

现在光学无线通讯作为一种补充技能现已运用于部分范畴，它结合了 高速、高保真度 和 低布置本钱 等特点，未来会愈加普及。与依据射频的接入网比较，首要长处是在可见光和红外波长上可取得约 300THz 的免授权带宽，抗干扰才干强，通讯安全，例如在射频辐射不能穿透墙面的室内环境中。具有红外波长的自由空间光通讯（FSO）运用调制激光二极管经过自由空间传输信息，作为回程解决计划或用于卫星之间的天基通讯。但是，它会遭到 气候条件、大气湍流，尤其是 雾 的影响。

在可见光通讯（VLC）中，也被称为“光保真度 ”（LiFi），数据经过商用照明LED的高带宽强度调制来传输。光电二极管充任接纳器，这是一种经济高效的办法，能够轻松集成到现有的根底设施中，首要用于可视的室内运用。

严苛的 6G KPI 也将推进未来交通网络的开展 。例如，创新性光与无线网络全球论坛（IOWN GF）旨在为核算和通讯网络架构研制各种技能，以一起完结可扩展性、零散的负载动摇、动力功率和推迟可管理性。 光子技能 为应对这些应战供给协助：提出的敞开式全光子网络（APN）有助于简化数据传输和处理，完结大容量、低推迟和低能耗的根底设施。例如，它以最小的光电转化完结跨 域/层次 的直接端到端光路衔接，以供给低推迟服务。集成光器材（光子集成电路， PIC）能够供给路由和终端衔接功能来完结这样的端到端全光链路。

此外，推测 2030年 信容量需求增加至 Pbit/s 级，远程传输将需求 Pbit/s 级通讯容量。现在单模光纤（SMF）的极限在 100tbit/s 左右。运用多芯光纤传输技能（将多个芯嵌入到单个玻璃光纤中）的超宽带光传输，以及经过复用和增加新的光带进一步增加波长数量，能够进一步提高容量极限。

另一种光子技能是量子通讯（和量子网络）概念在25年前首次得到证实，最近引起了广泛重视。这能够作为 6G 技能的补充，作为保证 超安全和牢靠通讯 的一种可行计划。量子通讯经过交流羁绊光子供给了一种固有安全的 量子密钥分发（QKD）方法。这些数字密钥随后将用于传统的加密传输。这些技能能够经过光纤进行集成和传输。但是，卫星和地球之间的自由空间 量子秘钥分发（QKD）也得到了验证，这为完结未来量子通讯网络供给根底。

可重构智能外表（RIS）和超资料

当设备在修建立面或室内环境时，运用 可重构智能外表（RIS）能够将无线信号的能量引导到某一点，然后在非视野环境中供给更好的掩盖并削减能耗。

从无线通讯的前期开端，传达信道就被以为是发射器和接纳器之间 随机的、依据场景而动态改动的实体。因为周围环境和物体以及接纳器的移动性，它会以一种不可控的方法下降接纳信号的质量。通讯理论中的一个根本假定是：传达信道是通讯体系既定条件，不受影响。可重构智能外表（RIS）的运用能够改动传达通道，然后在无线通讯网络中引进一种新的可编程实体，并有望将鸿沟扩展到香农极限之外。

可重构智能外表（也称为智能反射外表 IRS）是一种平面结构，其规划具有能够动态操控电磁波的特性。 IRS 由很多低本钱的无源（因而低能量）元件组成，每个元件都以必定的相移反射入射信号协同完结波束赋形，并抑制一个或多个指定接纳器的干扰。这种 RIS 的构建模块是所谓的超资料，与依据原子成分特性的资料相反，超资料是一种工程构，以所需的方法与电磁辐射相互效果，并具有特殊功能。它们一般由一组小于方针波长的结构组成。

RIS 场景是首要在室内环境（商场、机场、体育场或工业/工厂环境）中布置超密布网络。

2021年10月，欧洲电信规范协会（ETSI）在可重构智能外表（ISG RIS）上启动了一个新的职业规范组（ISG），用于评定和树立 RIS 技能的全球规范化。正如现在在 3GPP R18 中评论的那样，智能中继器或许是通向反射智能外表的基石。

散布式核算和人工智能（AI）通讯体系

尽管未来的 6G 运用场景仍需界说，与 5G 比较很显然，在 数据速率、推迟、频谱功率、安全性、牢靠性 和 能耗 等方面的功能要求将愈加苛刻。这也将影响 处理架构：信息技能和通讯技能将进一步交融，即很多的数据处理将在散布式网络体系中进行，而不必定在终究的用户设备中进行。这将导致具有应战性的数据速率和推迟要求。核算才干能够脱离到与设备别离的云或边缘网络（然后下降终端本钱）。

在传统的 “冯诺伊曼” 核算体系结构中，核算单元（CPU）和存储器是分隔的。能耗和推迟成为 在CPU和内存之间传输很多数据的瓶颈。从人类大脑中取得灵感的 神经形态核算（Neuromorphic Computing）等架构完结低推迟的高能效处理，核算使命是在存储器内部履行的。以人类大脑为例，它的核算才干相关于功耗对错常抱负的（总共为 20w ~ 30w）。

与人工智能相关的使命严峻依赖于核算处理才干。图形处理单元（GPU）功能的进一步提高终究将遭到可用能量的约束。关于这样的使命，内存核算的模仿AI内核特别合适。 各种新的概念，如模仿3D交叉点电阻器阵列，用作非易失性存储器来存储权重（例如用于卷积神经网络），可用于矩阵向量并行核算（神经网络的流行核算类型）。

AI与机器学习

今日，人工智能（AI）和机器学习（ML）现已被用于许多网络运用程序的自我管理和操控操作。其间包含初始网络规划阶段、网络操控和优化（如流量管理）、动态频谱管理以及猜测和自适应资源分配。

估量在未来，AI将成为无线通讯体系各个范畴不可或缺的一部分。这或许包含适应特定传达信道和环境条件的物理层规划，并具有端到端优化的或许性 —— 而不是优化无线传输链的每个组件。为了应对未来 6G 网络在 设备类型、频谱规模扩展 和 灵敏网络拓扑（如协作网状网络）方面的杂乱性增加， AI和机器学习将在 6G 的布置和运营中发挥重要效果。最大极限提高用户体验和本钱功率，最少能耗地提高体系功能。

最近，欧洲电信规范协会（ETSI）也开端在在监管视点重视 AI的测验 和 AI体系测验。相关作业组是 ETSI 技能委员会（TC）核心网络和互操作性测验（INT）作业组 和 ETSI技能委员会（TC）测验和规范办法（MTS）作业组。

第三章 太赫兹波的性质与运用

3.1 毫米波和太赫兹频率的新6G频谱

在通往太赫兹频谱的路上

5G 率先运用每个组件载波高达 400MHz 的大带宽毫米波频率，以完结无线工厂自动化等要求苛刻的实时运用所需的传输速率，而新式的 6G 技能旨在完结更高的传输速率和更低的推迟。

但是，带宽为几GHz的超高数据速率的大接连频率规模只能在亚太赫兹和太赫兹规模内运用，即 100GHz 以上（图2）。

香农-哈特利定理给出了最大可完结信道容量（在噪声影响下）的鸿沟为 C = Blog2 (1 S/N)，其间 C为容量（bit/s）， B为带宽（Hz）， S/N为信噪比，该定理指出最大可完结数据速率与带宽B 成正比。因为低于 6GHz 的频率现已很多运用，所以 5G 将频率规模扩展到毫米波规模。为了进一步进步未来的无线规范（如6G）的数据速率，将发掘太赫兹频率规模几个GHz的大接连带宽。图2 显现了为未来无线通讯分配或考虑的不同频率规模。

图2： 5G 和 6G 的新频谱

在毫米波和太赫兹频率规模内有足够的频谱资源，其间包含了可用于无线通讯的频带。FR1 和 FR2 中的 5G 频段散布在 71GHz 以下的规模内。6G 的研讨首要会集在 D频段 和 H频段。

在 4G（LTE）之前，只要 6GHz 以下的频率规模被用于无线通讯。因为其有利的传达条件和能够完结的区域面积，该频率规模至今仍发挥着要害效果。

在 3GPP 5G NR 命名法中，该频率规模称为 5G FR1（410MHz ~ 7.125GHz）。该规模还包含 LTE 和 Wi-Fi，如 Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）和 Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）。

在 3GPP R17 中，5G FR2（深蓝色部分）被分配到最高 71GHz（24.25GHz ~ 71GHz）。

关于 5G 的演进（图2 中的 “Beyond 5G”），正在考虑 71GHz ~ 100GHz 的更高频率：浅蓝色频率规模是世界电信联盟（ITU）2019年世界无线电大会考虑的未来无线通讯的频率规模（例如 81GHz ~ 86GHz）。尽管开始考虑了 80GHz 频段，但没有批准用于 IMT-Advanced（5G）。该频率规模还包含 60GHz 未授权频段（E频段从 60GHz 延伸到 90GHz）。

亚太赫兹波段

为了完结 6G 的 TB级 数据速率乃至更高的带宽，咱们只能运用超过 100GHz 的频率规模。现已确认的新频段：D频段（110GHz ~ 170GHz）、 G频段（140GHz ~ 220GHz）和 H/J频段（220GHz ~ 330GHz）。

ITU 无线电规矩文件总结了 1995年 世界无线电通讯大会（WRC-95）经过并由随后的世界无线电通讯大会（WRC-97、 WRC-2000、 WRC-03、 WRC-07、 WRC-12、 WRC-15、WRC-19）审议的无线电规矩。正如引证附件[22]中第 185页所述，275GHz ~ 3THz 的区域现在尚未正式分配。275GHz ~ 450GHz 频率规模固定和地上无线服务的操作：确认 275GHz ~ 296GHz、306GHz ~ 313GHz、318GHz ~ 333GHz、356GHz ~ 450GHz 归管理部门运用，用于施行各种地上无线和固定服务运用，其间地球勘探卫星运用无需选用特定条件进行保护。

IEEE 的规范化活动现在正在进行中，其间一个小组正在评论这些频率规模下 100Gbps 的规范。该规范专门针对 252GHz ~ 325GHz 的频率规模，信号带宽高达 69.12GHz。在 95GHz 左右的 W频段（75GHz ~ 110GHz）中，现已开端开发用于无线回程/接入太赫兹频率规模。下一个极高的候选频段，即 110GHz ~ 170GHz 的 D频段，正被基站根底设施供货商所重视。 6G 的研讨作业现在会集在 300GHz 左右的 D频段 和 H/J频段。因为 WRC27 的议程将在 WRC23上确认，因而在 2023年 WRC23之前，经过可行性研讨和信道传达丈量（第六章）来展现太赫兹通讯的全部潜在价值。

7GHz 以上（7GHz ~ 24GHz）

尽管人们对亚太赫兹频率规模有着稠密的爱好，但坐落 FR1 和 FR2 之间的 7GHz ~ 24GHz 频率规模依然供给了潜在的很多可用频谱（图2），它能够供给一个 “最佳点” —— 与 FR1 的频率规模比较，在更小的封装中供给更高阶 MIMO，与 FR2 频率规模比较，它具有更好的传达特性。因而，该频率规模或许是 6G 的候选区域。

3.2 太赫兹运用

3.2.1 很多的运用有待探究

太赫兹（THz）波坐落光学和微波范畴之间的频谱部分。太赫兹光谱学前期用于天体物理观测和环境监测的高灵敏度仪器。但是，跟着光子学和纳米技能的迭代使太赫兹能够运用于更多的范畴。

**光谱学和成像：**因为许多方法的凝聚态物质、分子化合物、水蒸汽和大气具有与太赫兹波共振的不同物理特征，太赫兹波显现出巨大的前景，并已用于光谱学和高分辩率成像的许多范畴。运用太赫兹光谱技能能够很简略地识别许多物质和杂乱分子，如 药物、生物分子、蛋白质。图3 显现了一个常见药物分子示例，其间太赫兹频率的吸收光谱能够用来区别两种首要的分子变体。依据太赫兹光谱技能的传感器还能用于安全保证，因为常见的爆炸物或麻醉品能够经过它们的 “光谱指纹” 来识别。太赫兹波能够对产品进行无损检测，并能够 “看到” 塑料、纺织品、纸张 等。与 X-Ray 不同，太赫兹波没有任何电离效应，遍及被以为在生物学上是无害的。因而，它们在运用时不需求任何额定的安全措施。

**通讯：**数据流量呈指数级增加，互联网流量在 2017年 现已超过 每月 100EB(10^18 Byte)。估量到 2022年，这一数字将增至三倍。 因为数据流量增加最快的部分与无线信道有关，因而这种网络容量的增加需求更高的无线传输链路。供给大规模接连频段以满意对 Tbit/s 规模内低推迟的极高数据传输速率需求，使其成为 6G 无线通讯的要害研讨范畴。

**感知和定位：**还有一个概念正在出现，它将无线频率用于通讯和感知才干，即联合通讯和感知（JCS，第2.2章）。太赫兹频率不仅能够承载通讯数据，还能够像高精度雷达体系相同勘探物体。经过这种方法，太赫兹传感能够供给高分辩率的环境地图和厘米/亚厘米级精度的定位信息。例如：工业操控、监控运用、机器人、虚拟现实。

图3：太赫兹波在通讯和感知、光谱学和成像中的运用

左图：莱布尼茨高功能微电子研讨所（IHP）的 D波段 雷达芯片。中心图：对双氯芬酸样品的太赫兹光谱进行剖析，能够区别药物的两种首要方法，或多晶型。右图：运用 R&SQPS100（70GHz ~ 80GHz）拍摄的微波成像。

3.2.2 用于大气遥感和天体物理学运用的太赫兹波

依据普朗克黑体辐射定律，太赫兹光子的能量对应于 几个开尔文到几十开尔文 的温度。因而，太赫兹地理学研讨探究了冰冷的宇宙，如星际物质的分子云。新恒星诞生的区域引发广泛重视。 1970年 一氧化碳（CO）因在 115GHz 的太赫兹规模内发生跃迁而成为人类从星际云中检测到的第一种分子，开端了太赫兹地理学年代。

Radiometer Physics GmbH（RPG，罗德与施瓦茨公司）来历于 马克斯普朗克 射电地理学研讨所 和 美国宇航局喷气推进实验室，前期就参与了这项科学研讨。该公司一向研制 太赫兹遥感、毫米波、亚毫米、太赫兹仪器 等顶级仪器。

关于运用毫米波和亚毫米波仪器研讨行星（地球、木星、金星、火星等）大气动力学的科学家和气象学家来说，他们对分子物种的吸收和发射特性（参见 图7 中的地球大气示例）特别感爱好 。依据运用和科学方针， 运用各种类型的无源仪器，常见的有 18GHz ~ 664GHz 规模内作业的辐射仪，0.3THz ~ 1.2THz 规模内作业的光谱仪， 以及在 35GHz ~ 94GHz 规模内作业的 FMCW雷达 和 在 166GHz 规模内作业的闪耀辐射仪。这些仪器能够从地上站操作，也能够从太空卫星操作。图4 显现了用于 大气遥感、行星科学 和 天体物理学 的 无源辐射仪、自动辐射源 和 有源雷达仪器 的示例。

在曩昔的十年中，RPG公司 现已为冰云成像仪（ICI）开发了 183GHz ~ 664GHz 规模的太赫兹外差接纳机，这是一种由 空客（Airbus-ASE）公司为 欧洲航天局/欧洲气象卫星组织（ESA/EUMETSAT）开发的第二代多通道扫描辐射仪（MetOp-SG，图4 左）。它是欧洲供给气候数据服务（例如 海面风矢量和地表土壤湿度）的一项设备，以监测并改进 2023年 ~ 2043年 气象预报的准确性。水蒸气以潜热的方法携带能量、破坏性风暴、加快气候改动。自 2000年 以来，跟着海洋和大气温度的升高，全球大气中的水蒸气量增加了约 4%，导致风暴迅速地加重，亲近监测温度、蒸汽和风关于猜测气候方法对错常有价值的。

关于 ESA 木星冰月勘探器（JUICE）计划（图4 中心），RPG公司 为亚毫米波仪器（SWI）开发了 132GHz ~ 158GHz 规模的大功率源，这是一个由 马克斯普朗克 研讨所为太阳系研讨（MPS）开发的双通道 0.6THz ~ 1.2THz 光谱仪。 JUICE 使命计划于 2023年 发射。它将花费至少三年的时刻对巨大的气态行星 —— 木星，以及三个最大且富含水的卫星（木卫三 盖尼米得、 木卫四 卡里斯托、木卫二 欧罗巴）进行具体观察。相同令人感爱好的是 木星大气和磁层的特征。

这两种仪器（用于 MetOp-SG 和 JUICE使命）的根底技能在很大程度上依赖于 GaAs 半导体器材（扩大器、乘法器、混频器）、高精度制作和拼装技能（喇叭天线、射频模块），这些技能契合太空使命所需的最严厉要求。

图4：太赫兹波在大气遥感和天体物理学范畴的运用示例 左图：空间被迫辐射仪冰云成像仪（ICI）多通道接纳器（RX），作业在 183GHz ~ 664GHz 规模内（交付的飞翔模型）（图片由 RPG / 空中客车 / ESA / EUMETSAT 供给）。中图：ESA JUICE 使命用于行星科学的亚毫米波仪器（SWI）光谱仪开发的 132GHz ~ 158GHz LO源（TX）示例。右图：用于云传感的 94GHz FMCW 雷达仪器和用于现场蒸发传感的 166GHz 闪耀辐射计仪器。

3.3 用于通讯的太赫兹波：有哪些潜在的用例场景?

运用吸收窗、功率和天线阵列来完结指向性

毫米波的技能应战在太赫兹规模内更为明显。这包含更高的途径损耗和更短的适用规模。与 5G 中的毫米波相似，这些问题能够经过波束赋形 波集合来缓解。更短的波长还有一个长处，便是能够在更小的空间中封装更多的天线，然后发生高度准确的波束。

太赫兹频率超高速通讯的首要用例之一触及高容量前端和回程点对点（准静态）通讯链路，也适用于偏远地区的根底设施（运用高增益天线或天线阵列）或 “最终一英里” 衔接。期望在几公里的间隔内能够支撑高达 100Gbps 的容量。此外，窄波束还能够完结十分密布的设备布置。另一种运用包含短间隔通讯，如超高速自助亭（kiosk）下载，或芯片对芯片通讯（图5）。

现在数据中心已成为企业不可或缺的核算根底。当代数据中心网络首要依托铜缆或光纤进行机架内或机架间的网络衔接，这触及到布线的杂乱性。太赫兹无线链路能够大幅提高规划的灵敏性，并下降布置本钱。

尽管室外和室内都可适用太赫兹，但室内场景很或许成为太赫兹运用的干流。在室内环境中，太赫兹频谱的短间隔和弱穿透才干将成为优势。例如，太赫兹通讯能够高度安全，因为它能够被约束在特定的室内空间。

图5：太赫兹通讯用例

3.4 电磁波谱和相关运用

图6 展现了电磁波谱和各种运用，从低频端的广播、蜂窝通讯到最高能量（以及频率）的 X-Ray 成像 和 -Ray 治疗。太赫兹频谱坐落 电子学 和 光子学 两个范畴的交界处。各文献对太赫兹频率规模的界说有所不同，但 IEEE 和 ITU 的界说是 300GHz ~ 3THz（THF或极高频率），刚好高于毫米波频率规模（30GHz ~ 300GHz，EHF或极高频） 和 微波频率规模（3GHz ~ 30GHz；SHF或超高频）。但是，在出版物中，100GHz ~ 10THz 的频率规模一般被标明为太赫兹频率。从 100GHz ~ 300GHz 的频率规模也一般被称为 亚太赫兹（sub-THz）频率。

图6：太赫兹频谱在电子和光子学之间电磁波谱和运用

3.5 太赫兹波与物质的相互效果

太赫兹波的能量相对较低（低至光波能量的 1/100 至 1/1000），不会引发任何化学结构改动。它坐落气体的分子旋转跃迁 和 弱键的振动跃迁区域。因而，太赫兹波能够经过衰减低的 枯燥、非金属 和 非极性资料传达。 这种才干，加上它的波长小（相关于微波） 和 光子能量低（相关于 X-Ray），也使太赫兹波成为非电离医学成像的抱负挑选，如烧伤评价或皮肤癌确诊。

图7 展现了 毫米波 和 太赫兹频谱 内的特定大气衰减状况。共振频率反映了大气中存在的各种分子的旋转激起光谱。大气衰减随作业频率的增加而安稳增加。在这些谐振频率之间，存在着许多 “大气窗口”，可用于各种运用。此外 183GHz（G波段）用于水汽勘探；140GHz ~ 220GHz 用于远程湿度传感（勘探冰）。M87星系中心黑洞的第一张直接相片是亚太赫兹波段射电地理观测的一个案例。在 230GHz 频率上，事件视界望远镜（EHT）阵列经过协同散布在地球不同方位的射电望远镜勘探信号。

图7：毫米波和太赫兹频谱内的大气衰减比

在气压为 1013hPa，温度为 15℃，水蒸气密度为 7.5g/立方米 时。大气中存在的不同分子（即 水、氧）的旋转激起在吸收光谱中得到反射。

毫米波和太赫兹波用于无线通讯链路

如 图2 所示， 24GHz ~ 30GHz 和 37GHz ~ 40GHz 频率规模是 5G 蜂窝网络的毫米波区域。此外， 43GHz ~ 50GHz 和 60GHz 左右的频率用于卫星通讯链路。因为氧分子的共振，在 60GHz 以下的传达损耗增加，为室内运用（WLAN）树立高数据吞吐量的安全无线链路供给了或许性。

太赫兹应战：100GHz 以上频率的途径损耗

下一代通讯规范 6G 估量也将严峻依赖于 100GHz 以上的组件，例如 D频段（110GHz ~ 170GHz）或 H/J频段（220GHz ~ 330GHz）。

自由空间途径损耗与信号频率 的平方 成正比。例如 280GHz 的链路 与 28GHz 的链路比较，有 20dB 的额定途径损耗。

但是，有一种常见的误解，即增加无线链路的载波频率将不可避免地导致更高的信道损耗。这只要在发射机（TX）和 接纳机（RX）都是全向天线的假定下才成立。太赫兹波段的途径损耗能够经过在基站中运用十分大的天线阵列来克服，即超大规模 MIMO （图1）。

无线链路的 **自由空间途径损耗（FSPL）**由弗里斯方程描绘

其间，d 为 TX天线 与 RX天线 间的间隔， 为 作业波长，GRX、GTX 分别为发射机和接纳机的天线增益。假定 TX 和 RX 之间的间隔以及它们的天线增益是固定的，FSPL值 跟着频率 = c/ 的增加呈二次增加。 图8（左）说明晰这种联系，即在全向天线（GRX = GTX = 1）的状况下，TX 和 RX 在三种不同频率下的 FSPL 和 间隔。

图8：毫米波无线链路的理论 弗里斯自由空间途径损耗

左图：TX 和 RX都是全向天线的场景。右图：TX 和 RX 都有固定有用孔径为 1平方厘米 的定向天线场景。

天线增益 G ant 取决于天线的有用孔径 A eff，它与天线的物理尺度成正比，也与波长成正比：

作业频率为 35GHz、70GHz 和 140GHz 时，一个固定有用孔径为 1平方厘米 的定向天线理论上增益分别为 12.3dBi、 18.4dBi 和 24.4dBi。因为天线的物理尺度不变，所以天线增益随频率的增加呈二次增加。

咱们结合最终两个方程能够得出结论，经过在发射端或接纳端运用具有固定有用孔径的定向天线，FSPL 与 载波频率 无关。因而，与较低载波频率的体系比较，选用高度定向和可操纵的天线应该能够使无线通讯链路在更高频率（具有更高的带宽和吞吐量）下作业，且不会因大气衰减而引起信噪比的明显下降。

第四章 太赫兹发生的电子与光子技能剖析

4.1 从电子学到光子学

在曩昔的二十年中，太赫兹（THz）学科 填补了微波电子学和光子学之间的频率空缺，在传感、成像和数据通讯范畴具有巨大潜力而招引了越来越多的广泛重视。自从 100年前 开创了 电气 和 光学/红外区域 之间的作业以来，人们一向积极寻求高效、安稳和紧凑的太赫兹源和接纳器，并使太赫兹科学成为现实。

4.2 消除 “太赫兹空隙 ”

在通讯中，0.1THz ~ 10THz 的频率规模依然是一个待开发范畴。但是，这一范畴的研讨最近引起了越来越多的重视，因为这些高载波频率与史无前例的信道容量有关。

在曩昔很长一段时刻里，很难发生密布的、定向的太赫兹辐射，太赫兹规模被以为是电磁频谱的终究的前沿范畴。首要的技能约束即所谓的 “太赫兹空隙” ，如 图9 所示，制作了各种电子和光子器材的太赫兹发射功率与频率的函数联系，将在后边篇幅进行更具体的评论。显然，太赫兹频谱在 0.1THz ~ 10THz 的规模内，功率呈下降趋势。

首要是因为损耗过大和载流子速度有限，关于电子设备来说太赫兹频率太高了。另一方面，因为缺乏具有足够小的带隙资料，它们关于光子器材来说太低了（见第 4.4章）。

尽管在电子器材（例如 高迁移率半导体资料） 和 光学元件（例如 具有低温冷却的量子级联激光器）方面现已做出了严重尽力，但太赫兹区域周围的可用功率依然远低于其他频谱区域。相似的趋势也发生在信号检测中，这样的间隔使最近二十年的频谱开展难以满意当今世界日积月累的需求。

图9：太赫兹发射功率与频率的联系

实线标明传统的太赫兹源：IMPATT（磕碰电离雪崩渡越时刻二极管），MMIC（微波单片集成电路），TUNNET（隧穿渡越时刻二极管）。

椭圆标明最近开发的太赫兹源：THz-QCL（量子级联激光器），RTD（谐振隧穿二极管），UTC-PD（单行载流子光电二极管）。

4.3 电子学和光子学交界的太赫兹辐射源

发生太赫兹（THz）辐射有三种首要办法（图10）。下面几节将更具体地举例说明。

电子源

跟着各种半导体资料组件的改进（参见 第5章），运用电子源的“经典”办法在曩昔几年中发生了巨大的改动。

这些源包含 倍频链（上变频）、谐振隧穿二极管（RTD）、晶体管、二极管。其长处是元件十分紧凑、能够在室温下作业，但在带宽和功率上有必定的约束。但是，电子源在太赫兹频率下相对低效，供给的频率调谐适当有限。

直接生成太赫兹波：QCL

用光源直接发生太赫兹波的办法包含：十分优雅的 量子级联激光器（QCL）办法、非线性光学办法（光学参量进程）、分子激光器办法（低效且笨重）。尽管运用 量子级联激光器（QCL）能够抵达适当合理的功率水平，但功率依然有限，并且一般有必要在低温下作业。

直接发生太赫兹波：光电子器材

近年来，0.5THz ~10THz 之间的频率也被列入激光技能的范畴。光电子（光子）办法要么运用 可调谐二极管激光器，要么运用 飞秒激光器。光混合器、光导开关或非线性晶体把近红外激光转化成 光谱分辩太赫兹波 或 宽带太赫兹波。

在曩昔几年中，运用超快光电二极管和光电导体从光频区进行“下变频”引起广泛重视。首要长处是可在大规模内调谐、可在室温操作，能够重复运用为光纤通讯已有的老练技能。在功率上有较大打破，但能效上有许多约束。

图10：发生太赫兹辐射的三种首要办法

请注意，1THz 的能量当量对应于 49k，因为在较高温度下的弛豫进程，某些技能（如：量子级联激光器 QCL）有必要运用低温冷却。

4.4上变频：电子太赫兹波的发生与剖析

自 1933年 成立以来，罗德与施瓦茨公司的核心竞争力一向是为 一切相关电子/微电子范畴 开发和制作先进的射频测验和丈量设备。

为了支撑多种 6G 研讨活动，包含半导体职业在 毫米波、太赫兹区域器材、电路特性的研讨，罗德与施瓦茨 供给了广泛的开发和剖析丈量工具。以下各节给出了一些示例 :

运用 变频器 支撑高达 1.1THz 频率的矢量网络剖析仪。

运用 外部谐波混频器（R&SFS-Zxx 系列）为信号和频谱剖析仪供给扩展频率规模支撑，例如 D频段（110GHz ~ 170GHz）和 其他高达 500GHz 的频段 。

运用 倍频器（R&SSMZ系列）为信号发生器供给扩展频率高达 170GHz 的支撑 。

运用 发射和接纳转化器，生成和剖析 D波段（110GHz ~ 170GHz）的信号。

运用 电波暗室在 D波段（110GHz ~ 170GHz）丈量天线辐射功能。

4.4.1 具有计量级精度的依据矢量网络剖析仪的太赫兹丈量

业界对毫米波和太赫兹规模内进行丈量的 矢量网络剖析仪（VNA）的需求日积月累。在 E波段（60GHz ~ 90GHz）除其他运用外，矢量网络剖析仪（VNA）可表征晶圆探头体系和波导组件中的有源和无源组件。即使在更高的频率下，网络剖析仪在 测验集成电路、传感器和天线、成像体系、射电地理体系和资料 中也有广泛的运用场景。 5G无线通讯规范和轿车雷达传感器的出产也为它创造了巨大的测验需求。

几GHz ~ 67GHz 频率的丈量是网络剖析仪规范的一部分，但毫米波和太赫兹规模的测验要求更高，它们需求外部频率转化器（R&SZC1100 示波器能够掩盖高达 1.1THz）。这类扩频器上变频影响信号，下变频相应信号，以表征在频率下操作的设备在太赫兹规模内。

有源元件的晶圆上表征

为了表征线性和非线性规模内的有源器材，需求在探头顶级界说输入功率。因为无法在晶圆上进行功率校准，因而需求校准波导输出处的功率，并在校准进程中考虑 额定波导、1mm 电缆和探头顶级的损耗。关于功率扫描和紧缩点丈量， R&SZNA 集成的校准程序能够补偿毫米波转化器的非线性，以完结最大的动态丈量规模和复现性。一般运用 R&SZNA 在较低频率丈量有源组件，与高频下运用体系集成的毫米波转化器进行计量级精度丈量相同便利。

图11：太赫兹规模内的丈量

运用 R&SZNA 矢量网络剖析仪，在太赫兹规模内运用 毫米波转化器进行丈量的配置与在较低频率规模内相同便利（左图）。 MPI TS150-THZ 集成探针体系，R&SZNA 配置了显微镜，用于高达 330GHz 的晶圆级丈量， GGB Industries Inc. 波导探头直接设备在毫米波 R&SZC330 转化器的输出端（右图）。

为了演示体系功能，丈量了德国的 弗劳恩霍夫运用固体物理研讨所 IAF 的四级 325GHz MMIC 低噪声扩大器（LNA）（见 图12）。标量增益 |S21| 以 95% 置信区间显现。

4.4.2 D波段宽带信号的发生和剖析

能够运用更宽的频率规模来完结最高数据速率，6G 研讨的要点频段之一是 D频段（110GHz ~ 170GHz）。图13 展现了支撑该频率区域的组件和收发器的测验丈量设备。

左图所示为 R&SFE170ST 发射机（TX）前端，它将 R&SSMW200A 矢量信号发生器的调制信号（例如 潜在的 6G 波形）上变频到 110GHz ~ 170GHz 的规模。右边是对应的 R&SFE170SR 接纳器（RX）前端，它将信号下变频并将中频（IF）传输到 R&SFSW 信号和频谱剖析仪。解调后的信号表现出优异的 矢量起伏误差（EVM）功能，并强展现出生成信号极低相位噪声。

MMIC 规划

下图展现了由 罗德与施瓦茨公司 及其协作伙伴规划的两个用于测验与丈量设备的 MMIC 示例。

所示的 40GHz ~ 70GHz 扩大器约为 4mm 3mm，反映了 罗德与施瓦茨公司 最新 R&SSMA100B 模仿信号发生器中这种电路的规范尺度。该仪器在微波规模内供给最高的商用输出功率。

Radiometer Physics GmbH（RPG）也开发了太赫兹源，它组合了 W波段 的大功率扩大器 GaAs MMIC 和 依据 GaAs 肖特基二极管 的大功率高频乘法器。图15 展现了在 赫歇尔太空望远镜（左图）上 远红外外差仪（HIFI）的频率可调谐源，频率高达 1100GHz ，掩盖了从远红外到亚毫米波长的光谱规模。右图 展现了欧洲航天局（ESA）JUICE卫星 的 亚毫米波仪器（SWI）的 捷变频率和功率源，最高可达 158GHz 。

4.4.3 D波段 天线辐射功能丈量

在 空口（OTA）测验概念开展方面，5G 率先将毫米波频率用于无线通讯。这是因为大规模和高度小型化天线阵列不再适用于传导测验。 OTA 天线测验概念能够扩展到 D波段 乃至更高规模，用于探究太赫兹通讯和传感。未来的设备将归入更高集成度的有源天线体系，用于超大规模 MIMO 和 传感运用。在可重构智能外表运用程序（RIS）特性的研讨范畴，OTA 测验相同重要。

运用 R&SATS1000 进行空口测验（OTA）

现在把 6G 研讨的要点放在 100GHz 以上的频率，找到很多可用频谱是完结更高数据速率的要害。不仅需求新的宽带高增益天线概念，还需求在天线丈量程序方面取得开展。

从传统的 6GHz 以下 蜂窝服务转向 5G 新空口（NR）频率规模2（FR2）现已是一个严重的技能飞跃（图2）。因为途径损耗随频率的平方增加而增加，因而在用户设备和网络根底设施中引进了具有电子波束指向才干的 高增益天线，以保证无线链路的质量。因为集成电路杂乱性随频率函数增加而急剧增加，现在大多数开发都针对一种新的波导 D波段（110GHz ~ 170GHz）和 G波段（140GHz ~ 220GHz）。

在接下来的评论中，咱们将考虑一种球面扫描解决计划来丈量 D波段 的辐射功能，该解决计划在 R&SATS1000 中完结了史无前例的动态规模。该解决计划选用直接 下变频 的新式探头规划，在 170GHz 下供给大于 50dB 的动态规模。

在 110GHz ~ 170GHz 频率规模内丈量 被测设备（DUT）的振幅和相位相干响应时，不需求机械修正或额定的射频布线，R&SATS1000 简化了测验要求。

被测设备（DUT）是 IMST 新规划的 D波段 透镜的漏波馈电天线（图16）。它可用于 6G 前传 点对多点场景。简化的馈电结构由低介电常数 r= 2.34 和 直径 35 mm（20 170 GHz）的低损耗高密度聚乙烯（HPDE）制成的椭圆透镜组成，该规划具有较高的本钱效益。馈源由一个 /2 漏波空腔组成，由 WR6 波导激起。能够沿透镜焦平面移动馈源来操纵辐射方向图。

该天线既进行了数值建模，又运用紧凑型体系进行了球面近场扫描天线的实验评价。辐射方法丈量是在 R&SATS1000 移动球形扫描规模内进行的（图17）。该全电波暗室包含一个散布式轴定位器。

DUT 馈电组件用于相位相干和时刻安稳丈量。如 图17 中镜头天线下方所示，该倍频链由一个 D波段 亚谐波混频器组成，与探头处运用的混频器相同， D波段 阻隔器衔接到 被测设备（DUT）的 WR6 割裂块。运用 R&SZNA43 4端口矢量网络剖析仪（VNA）进行丈量，其间前端的一个端口将中频信号馈送到 被测设备（DUT）。

图17 展现了丈量探头的概念。 正交流能器（OMT）衔接到 20dBi 方形喇叭天线，在整个 D波段 频率规模内，3dB 波束宽度为 16 ，交叉极化阻隔为 25dB。当 DUT设置为接纳（RX）或发送（TX）时，该组件能够相互作业，并且能够发送或接纳两个正交极化场。直接在探头处完结下变频或上变频，然后消除了 RF 频率下的全部电缆损耗。两种极化能够一起丈量。

图18 展现了 DUT 全波模仿与丈量成果之间的出色一致性。这证实了新探头丈量体系具有高精度。无源天线丈量能够成功完结近场到远场（NF2FF）改换等相位相干数据据采集。未转化的丈量成果显现为红色，标明辐射方向图的主光束现已接近远场渐近行为。

总归，这样一种高效的 D波段 透镜天线规划，在 42% 的带宽下完结增益大于 30dB。经过球面扫描测验体系对该天线进行了准确表征，该体系能够进行安稳的相位相干丈量，并在 DUT 输入端和测验探头输出端进行了直接变频。相位相干性是支撑准确运用近场到远场转化算法的必要条件，这关于准确确认辐射方向 图零位 和 旁瓣电平 至关重要。

4.5 直接发生太赫兹光子：量子级联激光器（QCL）

4.5.1 带间二极管激光器

光谱与太赫兹频率：带间跃迁与带内跃迁

多年来，在激光中发生相位相干辐射（经过受激辐射进行光扩大）一向是一个既定的概念。它现已奉献了许多运用，包含与光纤技能结合的光通讯，也是当今互联网的技能根底。激光器由有源介质（可在具有粒子数回转的能级之间发生激光跃迁）、用于反应腔和额定的频率挑选元件组成。

带间二极管激光器

半导体激光二极管是最重要的光电元件之一，它们能够将电流直接转化成相干光。关于光电学来说，直接带隙 III-V族半导体资料 GaAs 和 GaN 最为重要。来自导带的电子（e–）与价带的空穴（e ）复合，发射频率与能级间能量差相对应的光子（图19）。带间二极管激光器价格低廉，能高效的发生从紫外线到可见光到红外频率区域的光子。但是，太赫兹光子的能量比可见光光子小 100 ~ 1000 倍，并且没有资料具有如此小的带隙和粒子数回转。

图19：带间二极管激光器与量子级联激光器（QCL）

在带间二极管激光器中，激起态能级 |e⟩ 和基态 |g⟩ 之间的激光跃迁发生在导带和价带之间，在 量子级联激光器（QCL）中，光子跃迁发生在导带 hv 内规划的 量子阱能级（“波函数工程 ”）之间。

4.5.2 太赫兹 QCL：异质结构规划的子带间激光跃迁

与带间二极管激光器比较，激光发射是在 量子级联激光器（QCL）中 经过运用在周期性堆叠半导体量子阱异质结构中的带间跃迁完结的（“超晶格” 图19）。这个概念最早在 1994年 由贝尔实验室的一个研讨小组经过 Jrme Faist et al 进行了演示。

图20 显现了周期性量子阱异质结构（外延生长的 GaAs 或 InP 结构，厚度为 几纳米）和由此发生的量子阱能级结构。在制作进程中，能够经过操控层深 来规划量子阱深。因而，激光跃迁的波长取决于器材的物理结构（“电子波函数工程”）。这个概念答应发生低能量的太赫兹光子，这是带间二极管激光器无法抵达的。

作业原理（图20）：频率 的光子经过电子从激起态 |e⟩ 到基态 |g⟩ 的子带间跃迁发射，其间 E = h 是基态和激起态之间的能量差。这个概念的一个长处是：负责发射光子的电子可隧穿到下一个量子阱（有源区），随后发射一个光子。因而，单个电子能够发生多个光子，然后使这一进程变得极端高效。从一个阱到另一个阱的隧穿便是 “量子级联” 这个术语的来历。

图20：QCL：半导体异质结构规划的子带间激光跃迁 “带结构与电子波形工程”，光以电子 “级联” 的方法经过多个量子阱发射，构成 “超晶格”。

作为参阅，850nm 的光波长对应的能量差为 1.4 eV。太赫兹频率下成功运转的 量子级联激光器（QCL）在 2002年 首次被证实。从那时起，QCL 在频率掩盖、功率输出和作业温度进步方面取得了迅速开展。经过精心规划量子阱，激光的波长短至 2.75m（109THz），长至 161m（1.9THz）。波长较长的器材依然需求低温冷却，但常温作业最长已抵达 16m。重视点现已 会集在中红外（3.5m ~ 13m）和太赫兹光谱（2THz ~ 5THz ≈60m ~ 150m）。运用具有腔内非线性混频的长波太赫兹 QCL源 的办法 乃至能够做到低于 1THz 的频率。

完结在室温下作业的太赫兹量子级联激光器的旅程现已向前迈出了一步，最近宣布了一种在珀尔帖冷却器规模内 -23C 的作业设备。

4.6 下变频光子办法：经过光混合从光学到太赫兹

光电频域发生太赫兹：单行载流子光电二极管（UTC-PD）和 作为光合成器 PIN 光电二极管

最近，一种直接发生接连太赫兹波的办法引起了广泛重视：光电二极管能够经过 “光混合” 进程在高带宽光电导体中经过光外差有用地将光信号转化为电信号。它触及 激光器/红外激光器 在半导体或有机晶体中发生自由电荷载流子。这些载流子被内部或外部电场加快，发生的光电流成为太赫兹波的源。

如 图21 所示，在这种办法中，两个接连波（CW）单模激光器（一般在 1.55m “光纤通讯波长”）的输出，发射频率分别为 1 和 2，在超快 III–V型 化合物半导体光电勘探器（InGaAs/InP）中 “混合” ，在太赫兹区域发生光脉冲频率 THz = 1 – 2 诱导光电流调制。环绕在光电勘探器周围的天线结构将振动的光电流转化成太赫兹波。最先进的光电合成器依据 GaAs 或 InGaAs/InP，并且要求激光波长低于半导体带隙（即分别约 0.8m 或 1.5m）。

光混合技能的长处是，经过调谐激光器，拍频能够在很宽的光谱规模内改动，这直接转化为可广泛调谐的太赫兹辐射。

图21：光混合工艺

在两个稍微失谐的单模激光器拍频 THz = 1 – 2 处发生太赫兹辐射的光混合进程。从光学频率梳中取得的两个频率能够导出极值频率和相位安稳度。 关于数据传输，其间一个激光器由 马赫-曾德尔调制器（MZM）调制：它由一个干涉仪组成，可将光束被分成两束。在其间一个干涉仪臂中，经过电光调制器（EOM）将激光的相位相关于另一条途径进行偏移，然后在两束光束重组后发生建设性或破坏性调制激光束。拍频信号撞击到光电混合器单行载波光电二极管（UTC-PD）上，集成天线宣布太赫兹辐射。

常用两种类型的光电二极管：PIN 光电二极管（PIN-PD）和单行程载流子光电二极管（UTC-PD）。这两种开始都是作为光纤通讯网络的检波器开发的，但后来进行了修正以满意太赫兹发射的要求。 UTC-PD 开始由日本 NTT公司 开发，用于 40Gbps 的多级光接纳，但这些光电二极管现已增强到能够发生高达 4.5THz 的信号。

在适用于通讯运用的频段，如 300GHz 频段，现已完结了毫瓦量级的功率水平。

将激光束的可调谐特性与光混合技能相结合，能够将用于为光通讯开发的光矢量场生成技能（例如调制带宽 > 100Gbps 的 马赫-曾德尔调制器）运用到太赫兹规模内，然后使技能进步。此外，如果增加额定的频率，这些技能使得完结多频通讯相对简略（图21）。这种组合还能够轻松地将这些无线链路集成到光纤根底设施中。此外，片上通讯和未来的高速设备间通讯也将需求太赫兹波导。这种波导最近现已运用具有接近零曲折损耗和零反向散射的拓扑谷光子晶体完结。如 图21 所示，将两个频率引进到相同的频率梳发生器，能够将光学梳独特的相位和频率安稳性以宽带和可调谐的方法传输到太赫兹规模。与 图21 所示的发射机对应的接纳机侧，能够是肖特基二极管或与发射器侧对称的设置。这项技能也为测验和丈量仪器带来了期望，因为它能够经过光电子技能将频谱剖析和矢量网络剖析的频率规模扩展到太赫兹区域。

通讯用太赫兹波：300GHz 点对点传输

图22 显现了在实验室和室外进行的太赫兹数据传输实验（SISO，即一个发射天线和一个接纳天线）。在 200GHz ~ 300GHz 之间有一个低大气损耗的传输窗口（图7）。与自由空间光链路比较，毫米波或太赫兹传输受 雨、雾 等恶劣气候的影响要小得多。图22 的左边显现了实验室中 100Gbps 的示例，而右侧的相片显现了法国敦刻尔克港中 300GHz 的传输链路，间隔为 850米（具有十分集合的波束）。

在 图22 的左边，IEMN 制作的 UTC-PD InGaAs/InP 芯片，以及光电二极管输出与光电流的响应曲线（来历：IEMN UMR CNRS 8520/法国 Lille-Renatech 大学网络实验室）。该光电二极管选用带有亚波长孔径的半透明顶部接触，以增强光电二极管的光学传输和正面照明（1.55m 波长）。经过晶圆键合在二极管台面下方运用金属镜，进一步进步了器材的响应度。

在 200GHz ~ 300GHz 之间的太赫兹窗口中完结 100Gbps 传输。

4.7 时域发生太赫兹：依据飞秒激光器的光谱学和成像

另一种掩盖大规模频率（0.1THz ~ 6THz）的代替办法触及光谱学（TDS）和成像的时域（TD）体系。在这种计划中，脉冲太赫兹辐射是经过飞秒激光器发生的。 激光脉冲用分束器分成两部分：一部分抵达太赫兹发射机，另一部分抵达勘探器。超短激光脉冲在发射器（光电导天线）中发生瞬态电流，然后发生在太赫兹规模内具有宽频谱的电磁波包。

太赫兹脉冲与光谱样本相互效果并抵达接纳器，接纳器以 “Pump-Probe” 的方法作业：入射太赫兹脉冲改动资料的某些特性（例如电导率或双折射），别离的激光脉冲勘探这种效应。可变推迟用短得多的 “探头” 脉冲扫描太赫兹波包。然后太赫兹起伏进行傅里叶改换再现频谱。

时域光谱学的长处是光谱规模十分大，丈量速度快。商用体系发生的光谱高达 6THz。太赫兹时域体系用于各种工业运用，例如质量保证中的无损检测，特别是聚合物和陶瓷等合成资料。在太赫兹丈量中，能够推导出杂乱的折射率（介电常数）和几何结构。例如经过抵达时刻来丈量厚度，在纸张出产中，将宽光谱转化为微米厚度分辩率。

图23 显现了由时域光谱仪（TeraFlash pro, TOPTICA Photonics AG）记载的公交卡的太赫兹图画，该样品的勘探频率从 100GHz ~ 6THz。

图23：一张日本预付公共交通卡的相片（左图）和处理过的太赫兹图画（右图），提醒了底层电子设备的内部视图（由 TOPTICA Photonics AG 供给）

第五章 毫米波和太赫兹电子的半导体技能

当今社会迫切需求更高速率的无线衔接、更高分辩率的雷达成像体系，这会推进微波体系作业频率的不断增加。尽管 5G 现已为 毫米波频率运用在无线网络奠定了根底，但 6G 以及卫星通讯的研讨仍在进一步推进毫米波体系的开展，使其抵达 100GHz 以上的规模。

这一趋势为半导体职业在极高频率下供给高输出功率的组件带来了越来越大的应战。功率扩大器一般以单片微波集成电路（MMIC）来完结，是无线通讯和成像体系中最重要的组件之一。它们在输出功率、功率、带宽、线性度和噪声等方面对整个体系的功能有着决定性的影响。

在这里，咱们要点介绍了高频运用相关半导体资料的一些要害特性，以及最先进的功率扩大器开展现状。

5.1 高频运用半导体的资料特性

高频高功率：III-V族半导体（GaAs，GaN，InP）与 锗化硅（SiGe）

直接带隙的 III-V族半导体 是光电子（激光）和高频运用的抱负资料，硅技能具有最先进的大规模制作工艺，可为商业运用供给经济高效的解决计划。

下面的雷达图对不同的高速半导体资料特性进行了总结和比较（图24）。

咱们供给以下要害参数的扼要说明:

电子迁移率

单位电场强度下所发生的载流子均匀漂移速度被称为迁移率。因为电子比带正电的空穴表现出更高的迁移率，所以高速半导体器材都是依据电子搬运电流的。关于 “电子迁移率” 这个参数的单位是 [ m / (Vs) ]。

饱满速度

该参数描绘了当电荷被高电子场强度驱动时，半导体器材中电子的最大速度。该参数的单位简略来说便是速度单位 [m/s]。在高场强下运转的器材的运转状态也称为 “速度饱满”。

击穿场强

该参数描绘了资料在变得导电之前接受高电压的才干（在没有电流约束的状况下，这一般对器材具有破坏性），单位为 [V/m]。这个参数界说了器材的最大作业电压。有一些技能，如场板的运用，能够改进和均衡半导体器材中的场强散布，以进步其击穿电压。

能隙

能隙或带隙以 [eV] 为丈量单位，依据量子物理学的特性，描绘了在无杂质半导体中没有能态可用的传导带和价带之间的能差。关于异质结器材，经过在半导体合金中增加额定的资料来构成带隙结构，以进步器材功能（例如 SiGe HBTs 或 依据 III-V 的 HEMT 器材）。

热导率

该参数描绘了衬底资料传导热能的才干，单位为 [ W / (mK) ] 。特别是关于功率扩大器等功率运用，因为这些器材输出功率经常遭到热约束，所以这是一个必不可少的参数。因为热约束，氮化镓 HEMT 需在远低于击穿电压的状况下作业。特别注意，因为这个问题，导致高端氮化镓 GaN 器材是在具有高导热性的晶格匹配衬底上制作的，例如 SiC 乃至 金刚石。

在给定的半导体资料中，上述参数激烈影响其运用范畴。

砷化镓（GaAs）

依据掺杂浓度的不同，砷化镓 具有相对较高的电子迁移率和饱满速度（图24），因而，能够完结极高的频率。尽管资料本钱贵重，但开展历史悠久，工业界积累了很多的经历。

现在，砷化镓技能可用于肖特基二极管、伪晶高电子迁移率晶体管（pHEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。砷化镓 pHEMT 技能在高频段具有杰出的宽带噪声。 HBT 特别适用于低 1/f 噪声和高击穿电压的状况。砷化镓肖特基二极管可用于出产高达 4.7THz 的极低噪声接纳器。它还能够用于高达几个太赫兹的高功率倍频，使其成为一种十分通用的毫米波技能。

砷化镓混频器和倍频器既能够作为 MMIC 集成到模块中，也能够将倒装芯片搬运到主机基板上，以改进介电负载、散热。

磷化铟（InP）

磷化铟（InP）具有最高的电子迁移率、饱满速度。因而，能够完结极高的频率。但是，资料本钱高，晶圆/芯片 处理困难。

磷化铟（InP）技能的运用场景首要有 异质结双极晶体管（HBT）和 高电子迁移率晶体管（HEMT）。双极型晶体管一般用于最先进的锗化硅 HBT 速度 和/或 击穿不足的模仿集成电路。InP HEMTs 的运用范畴超过 400GHz，首要用于频率高达 700GHz 的超低噪声扩大器。

从运用的视点来看，铟砷化镓（InGaAs）变形异质 HEMT（mHEMT）技能与 InP HEMT 技能适当，仅仅它们运用砷化镓衬底。

氮化镓（GaN）

当氮化镓被证明能够完结 蓝色LED（InGaN）以及随后的蓝色激光器后，它遭到了适当大的重视。这发生了 2014年 的诺贝尔物理学奖。氮化镓还为高功率运用供给了某些有利的资料特性，即高能隙，高击穿场强，并且与 碳化硅（SiC）衬底结合，具有杰出的导热性，用于散热。这答应氮化镓晶体管在高偏置电压下作业，然后供给高输出功率。因为缺乏老练的块状氮化镓源资料和氮化镓的导热性不足，导致需求在 碳化硅（SiC）、硅（Si）以及最近的金刚石等载体衬底上生长氮化镓异质结构。SiC 因其优异的导热性、与氮化镓的低晶格失配功能优异 而成为大功率、高频运用的干流衬底资料。硅基氮化镓（GaN-on-Si）是一种更具本钱效益的解决计划，关于与 CMOS 的单片集成十分有意义。与 碳化硅（SiC）比较，硅（Si）衬底具有更高的介电损耗，这对毫米波 MMIC 发生了明显的影响。别的，室温下的导热系数也不同，碳化硅（SiC）的功能进步了三倍（400 W / (m ∙ K) 对比 130 W / (m ∙ K)）。因为 氮化镓（GaN） HEMT 晶体管的安全作业区域遭到热鸿沟条件的约束，为了完结高输出功率和合理的均匀故障时刻 (MTTF)，衬底的导热性至关重要。

因为功率优势和在更高通道温度下作业的可行性，氮化镓（GaN）简直完全取代了硅基 LDMOS 技能，广泛用于低于 10GHz 的基站。最近，氮化镓（GaN）也被用于微波回程运用。

上述氮化镓（GaN）的高带隙，外加最高通道温度高达 200C ，使该技能成为恶劣环境的绝佳挑选。特别是星载运用，因为获益于该技能的辐射硬度，所以该技能具有高带隙和在巨大温度规模（“昼夜”）下作业的才干。与其他半导体技能比较，氮化镓（GaN）扩大器体系具有十分低的质量输出功率和体积输出功率比。

锗化硅（SiGe）HBT 和 互补金属氧化物半导体（CMOS）

锗化硅（SiGe）异质结双极晶体管（HBT）也供给了适当好的电子迁移率，答应它们用于高速模仿运用。如果与互补金属氧化物半导体（CMOS）技能相结合，能够充沛运用该技能的优势，以中等本钱完结包含高速模仿和数字功能的混合信号专用集成电路（ASIC）。 CMOS 和 SiGe HBT 的结合一般被称为 “BiCMOS” 工艺。运用老练的 CMOS 制作工艺，并将高频元件与 模仿/数字 信号处理电路集成在同一芯片上，完结了史无前例的集成度和灵敏性。

SiGe HBT 自身是一种广泛用于轿车雷达运用或短程通讯的资料。该技能的击穿电压足以供给必要的输出功率。最近，人们也对这种资料用于微波回程发生了爱好，在 高体积、高集成密度 下取得更低的每片出产本钱。

异构集成作为 6G 研讨课题

与毫米波运用相关的不仅有一种半导体技能，6G 最近的研讨范畴是各种半导体技能的异质集成，以优化功能和能耗，例如 InP（速度）、CMOS（集成密度）和 GaN（输出功率）组合。

表2：半导体资料特性和运用

5.2 最新毫米波功率扩大器概述

5G 和 6G 的运用正在打破频率的界限。相关的数据点 “扎堆” 环绕着驱动运用场景。依据文献的数据，最新毫米波扩大器的概述如 图25 所示。每个数据点代表了多年来宣布于论文的丈量值。左图 包含到 2016年 的丈量值，而 右图 图表总结了到 2020年 的作业状况。

图25：到 2016年9月（左）和 2020年10月（右）的最先进高频功率扩大器概述

很明显，不同的半导体技能以不同的色彩标明的数据点在频率规模内不是均匀散布的，而是集合在某些频带周围。这显然是运用环绕某些频率分配导致的。例如，在 28GHz 邻近宣布有大批成果，这些成果与 5G 新空口（NR）毫米波频段的根底设施和终端电路有关，如：n258（24GHz ~ 28GHz）、 n257（26GHz ~ 30GHz）和 n260（37GHz ~ 40GHz）。另一组成果会集在 60GHz 左右，用于 无线千兆网（WiGig），其间很多依据 CMOS 的电路。

70GHz ~ 95GHz 之间的数据点集合各种运用。 77GHz 用于轿车雷达，而一些成像雷达体系在 94GHz 左右。此外，这里也能够找到 E波段 回程和点对点高速率通讯链路的示例。

值得注意的是，在 2016年 之前，100GHz 以上只要少量成果宣布。但是，近年来在依据 InP 的规划，以及在较小程度上依据 SiGe 和 InGaAs mHEMT 体系的规划，使得更高的毫米波波段取得了巨大的开展。这背面驱动的力量显然是下一代通讯技能 —— 6G。

功率扩大器的频谱包络乃至现已超过 300GHz，尽管功率水平较低：500GHz 功率为几毫瓦（mW），1THz 功率为亚毫瓦（sub-mW）。

第六章 100GHz 以上的信道传达丈量

6.1 从信道勘探到信道模型

毫米波和太赫兹频率传达特性作为新物理层的根底 只要在对尚未充沛研讨的频率规模内的电磁波传达特性有深入了解的根底上，才干开发 6G 所想象的亚太赫兹通讯。

本章解释了时域信道勘探的概念，并介绍了在具有代表性的室外和室内场景，在 300GHz 左右的 H/J波段 和 D波段（110GHz ~ 170GHz）的信道丈量成果。这项研讨意图是更好地了解毫米波和亚毫米波（亚太赫兹和太赫兹）无线信道，以及现在在 ITU-R WP5D 中评论的 “100GHz 以上频段 IMT 的技能可行性”。

信道模型作为运用新频率规模的根底

在开发新的通讯规范之前，有必要了解并表征指定频段内的传达特性，然后导出信道模型，以完结新规范的体系级仿真。物理层参数包含导频信号在时频域中的散布，这使得接纳机能够均衡并补偿信道对传输信号的影响。开发、验证、编码、纠错 需求考虑这种特性。

根底丈量数据有必要能准确无误复现所调查的环境特征。依据几何学的随机信道模型（GSCM），例如 3GPP TR 38.901 有用频率高达 100GHz，是依据不同环境场景下的很多信道丈量。

4G 及之前的 3GPP 信道模型开发和规范仅限于 6GHz 以下的频率规模和准静态环境。跟着 5G 的开展，频率规模扩展到毫米波区域，运用于 轿车、高速列车、工业环境等新用例对应的动态场景和其他类型的环境场景。但是，由此发生的信道模型并不能简略地扩展到 6G 预期的 100GHz 以上的规模。它们有必要经过验证和微调，以正确反映环境的影响。与毫米波规模比较，在这个频率规模内的传达遭到人体、车辆和降雨等环境条件的激烈影响。

从信道测深到信道模型

“信道测深” 一词来自声纳技能，即从舰船或潜艇宣布短声脉冲，并将反射记载在时域中，这就供给了周围环境的可行图画。经过信道勘探进行的信道丈量供给了电磁波在特定频率下传达特性的图画。声纳的发射器和接纳器都集成在相同方位，电磁波信道测深时的发射机和接纳机是分隔的。在时域信道勘探中，具有杰出自相关特性的调制脉冲信号，如 Frank-Zadoff-Chu (FZC) 序列，可作为 “ping”，记载为 信道脉冲响应（CIR）。这种传达时刻丈量与 GPS卫星 的接纳机中履行的时刻推迟丈量十分相似（参照 GPS定位卫星，揣度方位信息），其间每颗卫星传输其独自的序列。信道脉冲响应（CIR）包含环境中物体的直接传达重量（视距 LOS）、一切反射和散射重量（非视距 NLOS）、通道模型参数及其值能够从成果中推导和确认。

图26：时域信道测深作业原理：通道脉冲响应（CIR）是经过在感爱好的频率发射电磁 “ping”并捕获一切返回信号重量来丈量的。

一般，只要当物体至少与入射波的波长相同大时，它们才会对电磁波 “物理可见”，并充任反射器或散射器。这意味着在更高的频率 如 30GHz 的尺度在厘米规模内的物体上现已起到反射器的效果。

协作研讨

罗德与施瓦茨公司 在信道勘探项目方面具有多年的经历，包含在日本东京的大街峡谷中进行的 67GHz 高分辩率信道丈量活动。2019年 3GPP 研讨计划的要点是在出产环境等工业场景中开发新的 5G 信道模型。为了支撑 3GPP 的作业，罗德与施瓦茨公司 与 弗劳恩霍夫海因里希赫兹研讨所（HHI）协作，不仅在其 Memmingen 和 Teisnach 工厂进行了 28GHz 和 66GHz 毫米波频段的丈量，还在 3.7GHz ~ 3.8GHz 频段进行了丈量，该频段指定用于德国的专用校园网。

6.2 300GHz 时域信道勘探

6G 要点放在更高频率的信道上。在弗劳恩霍夫HHI和弗劳恩霍夫运用固态物理研讨所（IAF）的协作尽力下，开发了一种在 275GHz ~ 325GHz 规模内发生并剖析信号的设备，带宽为 2GHz 。该信号可用于信道丈量，也能够用于新式波形调制或传输实验，图27 和 图28 显现了测验计划。室温下极低噪声和宽带运用的 InGaAs mHEMT MMIC 是 IAF 的要害技能之一（见第 5.1章）。

发射机和接纳机之间传达推迟的丈量

如 图27 所示，丈量成果运用依据时域信道的勘探仪捕获。在发射端（TX），R&SSMW200A 宽带矢量信号发生器 在中频（IF）下发生带宽为 2GHz 的数字基带 “ping序列”。 单边带上变频器（结合来自弗劳恩霍夫IAF的太赫兹收发器）将中频信号进步到所需的发射频率，由 R&SSGS100A 作为本地振动器（LO）源。在接纳端（RX）天线信号被扩大，并经过 下变频器 和 LO发生器 混合到中频域（IF domain）。 中频域（IF domain）信号由 R&SFSW 信号和频谱剖析仪采样，I/Q采样 被存储以供进一步处理。 发射机 和 接纳机 与两个依据 铷r 的基准时钟触发单元同步（Synchronomat）完结相干丈量，并答应相位评价和相干均匀，以及确认肯定飞翔时刻。

该测验体系在 300GHz 频率下的初始丈量成果标明，其动态规模很宽，在该频率规模内是无与伦比的。为了体系地表征亚太赫兹频率规模，以下各节评论弗劳恩霍夫HHI在各种环境情形中进行的联合丈量。

图27：300GHz 信道测深体系线框图

图28：300GHz 室内环境的信道脉冲响应（CIR）

运用 R&SSMW200A 矢量信号发生器、R&SSGS100A 信号发生器 和 R&SFSW43 信号和频谱剖析仪进行 300GHz 信道丈量的测验。图片顶部显现了一个集成喇叭天线的收发器。该设备可用于信道勘探以进行信道表征，也可用于新波形的传输实验（左图）。右图是 300GHz 的室内环境中多重反射的信道脉冲响应（CIR）。发射机和接纳机之间的间隔约为 4米。十分狭小的室内环境具有一些反射特征。电磁波在 1ns 内传达约 30cm。

6.3 罗德与施瓦茨公司慕尼黑总部的太赫兹通道丈量

弗劳恩霍夫海因里希赫兹研讨所（HHI）做了上述 300GHz 通道勘探体系的表征。

最近，在慕尼黑的罗德与施瓦茨公司总部 对亚太赫兹频率（158GHz ~ 300GHz）信道的传达特性进行了更体系的研讨。频率的挑选参照未来的 6G 网络评论。该研讨侧重于两个代表性场景：两个研制大楼之间走廊的大街峡谷式（ 城市微蜂窝 UMi ）户外场景，以及 相似于购物中心或机场的中庭室内活动的丈量。

与 300GHz（图27）相似，图29 展现了 158GHz 相关信道测深仪的线框图。运用时域信道测深仪后，丈量消耗时刻变短，能够在多个方位履行屡次丈量，完结掩盖 360 的空间视点。

图29：158GHz 通道测深丈量线框图

在发射机（TX），该设备包含 单边带上变频器 和 扩大器 衔接到具有 7dBi 增益的敞开波导。 R&SSMW200A 矢量信号发生器在 14GHz 中频（IF）处供给一个预先核算的中频勘探序列。运用 Frank-Zadoff-Chu 测深序列长度为 100s，带宽为 B = 2 GHz（相应的时刻分辩率 = 1/B = 0.5ns）。

接纳机（RX）由 R&SFSW43 信号 和 频谱剖析仪 以及由 12.24GHz 频率的 LO 发生器馈电的下变频器组成。水平极化E平面喇叭天线，天线增益为 20dBi ，方位角约为 15 作为接纳天线。 D波段 前端将接纳到的信号下变频为 11.12GHz 的中频（IF）。信号剖析仪对频率为 2.5GHz 的中频（IF）信号进行采样，其间一次丈量涵盖序列的 250个 周期。接纳天线和下变频器设备在精密旋转台上，以答应相关于方位角进行视点分辩丈量。接纳机设备在摄像小车上，便利准确地移动到不同的接纳机方位（图31）。因为所用天线的波束宽度约为 15，无线电信道在接纳机的方位角域中以 15 的步长采样。

为保证发射器和接纳器之间的相干采样，一切仪器都衔接到一个时刻基准（弗劳恩霍夫HHI同步器）。除了来自高精度 铷r原子钟的 10MHz 参阅信号外，同步器还能够在发射机和接纳机上完结同步和相干触发。

丈量完结后，将接纳到的 I/Q 时域样本作为原始丈量数据从信号剖析仪传输到核算机。数据的后处理包含重新采样和滤波，评价每个序列周期的公共相位漂移和补偿相位漂移，一切序列周期的相干均匀，运用背靠背校准丈量数据对振幅和相位校对进行相关和运用。成果返回 通用校准信道脉冲响应（CIR），以奈奎斯特速率采样，其起伏对应通讯信道（包含天线）的增益，推迟对应飞翔时刻。

表3：158GHz 和 300GHz 下的信道勘探参数

表3 总结了时域信道测深仪的根本技能参数。运用抱负的杂乱相关序列（ Frank-Zadoff-Chu 序列 ）的配置，并评价和补偿相位噪声引起的漂移后进行额定相干均匀，能够完结较大的处理增益和十分宽广的动态规模。

下一节描绘了一些开始成果，更具体的定量剖析正在准备中。

6.4 丈量场景和成果

在德国慕尼黑的罗德与施瓦茨公司总部进行了丈量，它们代表了 城市微大街峡谷场景 和 室内购物中心/机场场景（图30）。室外丈量是在左边两座灰色暗影修建之间进行的，大街的宽度为 15.5米，周围修建的高度约为 20米。

6.4.1 室外大街峡谷场景（城市微蜂窝 UMi）

第一个丈量场景坐落两个研制大楼之间的走廊中，相似于大街峡谷场景（ 城市微蜂窝 UMi 如 图30 和 图31 所示 ）。固定发射机（TX）放置在走廊止境的自行停放架上（图30 左边红星处）1.5米 的高度。 在那里有一个更敞开的空间，有一个小广场和孤立的树木（图31）。包含测验与丈量设备在内的接纳机（RX）设备在 1.5米 高的无线渠道（摄像小车）上，放置在离发射机不同间隔的丈量方位，最大间隔为 170米（图32）。大多数丈量都是在视野规模内（LOS）下进行的。

图31 中的丈量示例显现了 158GHz 和 300GHz 时刻隔为 30米 的对准天线的 信道脉冲响应（CIR）。LOS途径下，30米间隔的第一个推迟（飞翔时刻）为 0.1s 。 多径重量在 158GHz 下也很明显，并且比在 300GHz 下更明显。

图31：室外 158GHz 和 300GHz（D波段）下的视点分辩 信道脉冲响应（CIR）太赫兹信道丈量，在慕尼黑 Rohde&Schwarz 总部的大街峡谷环境

左图 展现了大街峡谷止境的 发射器（TX）视角（另见 图30）。右图展现 接纳器（RX）设备在无线渠道（相机推车）的设备，用于在不同方位进行丈量。丈量示例如下所示，在间隔发射机 30米 处的信道脉冲响应为 158GHz（左图）和 在相同方位的 300GHz（右图）。 1s 的推迟对应于 300米 的间隔。

图32 展现了在 158GHz 的室外场景中，在 10米 ~ 170米 的不同间隔上的瞬时 CIRs 组合成一个图。这些丈量掩盖了两座修建物之间的完整大街长度，天线始终是对齐的。从这组大规模丈量中，能够推导出途径损耗指数。在推迟较大的多径重量简直存在于整个丈量计划中。

图32：大规模户外大街峡谷场景丈量

该图显现了158GHz 的 CIRs，在 10米 ~ 170米 间隔内，天线摆放整齐。

角分辩 Angle-resolved 丈量

对丈量数据集的进一步评价触及对视点信息的剖析。在每个丈量点，将接纳机旋转到 24个 等距的视点方位，然后在方位角平面上以 15 角对无线电信道进行空间扫描。

图33 显现了在同一丈量点（室外 30米）对两个频率（ 158GHz 和 300GHz ）的途径评价成果。角轴标明循环维度，意味着这些图中的第一行和最终一行是相同的，这也反映在色彩上。针对这些评价，为了从噪音中清晰地区别信号途径，需求适当地操控噪声阈值。关于 图33 中给出的示例，将 158GHz 肯定噪声阈值被设置为 -120dB ， 300GHz 时设置为 -118dB 。

图33：158GHz（上图）和 300GHz（下图）在 30米间隔处（室外）推迟角域的评价途径

依据此途径估量，能够将一切途径的总接纳功率（即有用总途径增益）求和，图中也显现了这一点。尽管 300GHz 的信道比 158GHz 的信道稀少得多，但咱们能够清楚地看到，总体功率没有太大的差异。与 158GHz 比较，咱们估量 300GHz 的总功率将削减 6dB 左右。但事实并非如此，因而咱们能够得出结论，因为丈量原理的高灵敏度，能够解决 158GHz 的附加途径，但它们对总功率没有明显奉献。均方根（Root Mean Square，RMS）推迟扩展 和 均方根（Root Mean Square，RMS）角扩展 等统计参数如也能够从这些成果中进行评价。

6.4.2 研制大楼中庭的室内购物中心/机场场景

室内丈量是在 图30 右侧 和 图34 所示楼内的一个大型敞开空间进行的，相似于 购物中心/机场场景。大厅的空间大约是 52米 13米，天花板高度约为 20米。发射天线（TX）布置在大楼门口电梯前方的固定方位，高 1.5米。接纳器（RX）设备在高度 1.5米 的无线渠道上，并移动到能够掩盖整个修建面积的矩形网格上的不同方位。

图34：室内中庭场景（商场/机场）的相片，接纳器（RX）坐落前面的旋转台上，发射机（TX）坐落后边电梯处（另见 图30）

图35 展现了在一个特定方位（矩形网格中）具有 LOS峰值 和 多个多径重量 的视点分辩估量途径。这是一个室内丈量的例子，频率为 158GHz，间隔为 40米。 正如预期的那样，与室外丈量比较，来自不同方向的更多 多径重量有助于进步总体接纳功率（40米 时为 -71.4dB，30米 时为 -75.1dB）。

能够经过玫瑰图来出现 图35（下），每块 “饼” 代表各自角仓的总功率，将一切的 “饼” 进行处理，便可归一化为总功率。一个角仓内不同途径的单一奉献用圆点标明。咱们能够清楚地看到，只要一个或两个角仓占了简直一切的总功率，而在一个仓中，只要少量途径有明显奉献。

尽管大部分功率来自视距（LOS）方向，但重要的多径丈量掩盖了一切的方位角方向。

图35：中庭场景（购物中心/机场）在 158GHz 下某个特定室内方位的途径评价，视点规模掩盖 -180 至 180

在底部的玫瑰图中，相同的数据集显现在极坐标图中，其间每个圆点对应一个峰值，三角形（“饼”）代表各自视点仓中的整体功率。能够观察到多个多径重量。

第七章 结论

太赫兹技能和运用仅仅未来 6G 无线通讯的一个潜在组成部分。该技能有望成为不可或缺的 —— 不仅要在 Tbit/s 级别上完结最大吞吐量以及极低推迟的方针，并且还会迸宣布新的运用场景。想象的 6G 场景涵盖了 通讯、光谱、成像和感知等很多范畴。但是 6G 的商业施行依托于尚未开发的可行商业方法。

在 2030年 左右推出 6G 网络之后，太赫兹技能或许需求一些时刻才干完结大规模商业化。尽管如此，现已启动的研讨活动影响了射频电子高频半导体技能的创新，以及相关前景新设备的快速开展。

尽管半导体技能继续向极高频率开展，但毫米波带来的技能应战是有目共睹的，它们触及功率和功耗。与毫米波比较，因为无线电波传达的规模更短，太赫兹频谱区域的应战只会加重，能够经过波束成形的方法集合信号来缓解，这触及到在小空间中容纳更多数量的天线以发生准确的波束。尽管室外和室内太赫兹运用都是可行的，但室内很或许成为太赫兹运用的首要场景。

运用光子技能发生太赫兹波是一种代替技能的开展分支，具有将现有光电器材的功率功率搬运到太赫兹频率区域的潜力。将当今的实验室设备小型化到光子集成电路（PIC）中或许成为干流解决计划。哪一种技能终究会成为干流，哪一种办法将用于何种特定场景，这将是一件令人期待的事情。

现在 6G 技能实验和可行性研讨的下一个里程碑是 2023年 的世界无线电大会（WRC）。尽管 2023年 不会做出关于 6G 频谱的决定，但 WRC23 将为 2027年 的下一届 WRC 拟定议程，到时 6G 规范化作业将全面打开。这便是为什么工业界和学术界的研讨活动都尽力在 2023年 之前，掌握太赫兹通讯在技能上和运用场景上都可行的证据。这包含上一章所述的太赫兹信道丈量活动，以了解传达特性，并为这一新的通讯频率区域开发信道模型，以及各种公司和研讨机构现已证明的太赫兹无线电链路。

自数字无线通讯年代开端以来，罗德与施瓦茨 一向是工业界和学术界的亲近协作伙伴和领先的测验和丈量供货商。现现在该公司为 6G 研讨项目供给解决计划和专业知识，包含太赫兹研讨，并为下一个无线通讯规范的商业化铺平道路。

第八章 参阅文献

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作者：京东零售 柳晛

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