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太赫兹通信调查
摘要：随着无线通信系统中数据流量的指数级增长，太赫兹（THz）频段有望成为有希望的候选者，以支持超越第五代（5G）的超宽带，从而弥合毫米波（mmWave）和光波之间的差距。本文旨在提供有关THz通信发展的全面文献综述，并介绍THz无线通信系统面临的一些关键技术。首先，尽管在THz固态超外差接收机方面大量的硬件问题还须被解决，高速THz调制器、THz天线，实用的THz信道模型和有效的THz波束成形，仍然被认为能补偿严重的路径衰减。此外，两种不同的实验室级THz通信系统会被详细的介绍，分别称为固态THz通信系统和空间直接调制的THz通信系统。固态THz系统将中频（IF）调制信号转换为THz频率，直接调制太赫兹系统允许大功率太赫兹源输入以批准相对长距离的通信。最后，我们讨论了几种潜在的应用场景以及未来太赫兹通信将遇到的一些关键技术挑战。
关键词：太赫兹（THz）通信；超过第五代（5G）；超外差接收器；调制器；天线； 渠道模型；波束成形；技术挑战。
1 引言
随着无线数据速率的发展每18个月翻一番无线通信系统呈现出爆炸性的增长趋势，即超高数据速率。尽管可以通过利用先进的物理层解决方案和改进的硬件组件（例如源、检测器和天线）在一定程度上扩展来实现某些信息传输的更高数据速率，但是传统的通信系统要达到每秒100 吉比特（Gbps）甚至每秒几个太比特（Tbps）的数据速率仍然不切实际为更好地解决这个问题，应该探索新的频段。幸运的是，近年来出现了一些竞争性的频段候选。
第五代（5G）移动通信系统的替代方案之一是毫米波（mmWave）通信方案，它能够提供从数百MHz到几GHz范围的大带宽在可用带宽方面，毫米波通信系统能够提供比5 GHz以下传统微波通信系统更大的带宽尽管毫米波频带中的数据速率可以达到几Gbps 但仍不足以满足未来无线通信中不断增长的数据流的要求。例如，未来的无线局域网（WLAN）和无线个人局域网（WPAN）系统要求的数据速率至少要达到几十Gbps 此外，最小的数据虚拟现实（VR）设备的速度被期望能达到10 Gbps。更有甚者，未压缩的超高清视频和3D视频的数据速率将分别达到24 Gbps和100 Gbps因此，对更高频率资源的研究迫在眉睫。
除了前面提到的mmWave通信系统外，自由空间光（FSO）通信系统还因其独特的优势而备受关注，包括带宽大、许可自由频谱，功耗低等 FSO通信的优良特性可以将FSO通信的体系结构应用到卫星到地面和卫星间的光通信链路中，但是FSO通信系统有其自身的缺点。 FSO通信系统的性能受到不可预测的环境条件的严重影响，例如云、雾、雨、雾霾等。关于星际通信链路，FSO通信系统受到波束跟踪困难和背景噪声高的限制此外，对于室内无线光通信数据速率受限于非相干接收机的灵敏度低、漫反射损失大以及由于人眼安全性限制而导致的功率预算有限，因此使用光波不是一个适当的选择。基于此，需要另一个替代频段来解决FSO通信系统中存在的问题。
本文的目的是提供有关THz通信发展的全面文献综述，并介绍THz无线通信系统面临的一些关键技术。代替上述频率区域，可将位于光频率与射频（RF）边界区域的太赫兹（THz）电磁辐射（从100 GHz到10 THz）视为最有希望的频谱频段之一，以实现超越5G的高速通信。THz频带通信由于能够在各种情况下实现创新应用而备受关注，能够支持从数十Gbps到几Tbps的更高数据速率。太赫兹通信系统与无线光通信相比，对室外无线通信中的大气影响不敏感。对于室内无线通信而言，太赫兹频段跟踪光束比光频段要容易得多，这将极大地影响无线通信系统的移动性。除此之外，太赫兹通信系统还有另一个优势，即能够利用反射路径来增强。综上所述，在不久的将来有必要对THz通信进行更深入的研究。
在过去的几年中，THz技术已被全世界的政府和研究人员所采用。基于新型材料的新型收发器架构和天线的开发使THz频带通信更接近现实1990年美国国家航空航天局（NASA）开始实施太赫兹技术计划。为了保持太赫兹通信领域的竞争力，欧盟（EU）开始研究太赫兹发射器的无线区域网络。剑桥大学从2000年至2003年领导的“检测与检测器（WANTED）”计划提出了世界上第一台量子级联激光器（QCL），并实现了无线通信系统的Gbps级数据速率传输。在欧洲的这个计划下，日本的第三代（3G）太赫兹通信系统被应用到了2008年北京奥运会的高清电视（HDTV）直播中。此外，中国政府也非常重视太赫兹通信系统的开发。由中国国家高技术研究发展计划（又称863计划）所支持的太赫兹的研究项目于2011年启动。特别是中国电子科技大学（UESTC），是863计划和研究的主要承担者，资助资金高达2000万美元。到2015年，863计划的所有预定目标均已成功实现，电子科技大学已展示了中国首个实验室级太赫兹通信系统。世界其他国家，例如韩国和俄罗斯，也更加重视发展太赫兹通信系统。更重要的是，由于太赫兹通信在全球范围内享有很高的声望，国际电信联盟无线电（ITU-R）在2012年专门设立了一个研究275-1000 GHz的问题，形成了包括美国和日本在内的许多主管部门的技术研究团队。然后，2015年，ITU-R实现了陆地固定移动发现275-450 GHz潜在新频谱的目标，美国、欧洲、日本等国家和地区的广泛参与，将为未来5G以外的实际应用做出贡献。
在本文中，我们主要介绍了超越5G的高速无线THz通信的必要性，同时，还介绍了不同国家（尤其是在中国）的THz通信的发展情况。我们将继续研究太赫兹通信系统中现有的关键技术，例如太赫兹硬件组件、信道模型、波束跟踪、波束成形等。在第三节中，将详细介绍两种不同类型的太赫兹通信系统。在第四部分中，将介绍太赫兹频段超宽带通信的一些有前途的应用场景，包括5G之后的无线移动网络、无线数据中心场景和空间通信网络。第五节将对未来THz通信系统中应解决的硬件组件和信号处理方法的问题进行一般性的讨论。最后，本文最后的第六节中对实现超宽带THz通信的前景进行了展望。
2 THz通信中的关键技术
在本节中，我们将讨论实现THz无线通信系统中有前景的关键技术，其中关键技术包含硬件组件和软件方法，例如THz固态超外差接收机、THz调制器、THz信道模型、THz信道估、太赫兹波束成形和太赫兹波束跟踪。接下来，我们将在下面重点介绍这些重要技术。
2.1 THz固态超外差接收机
太赫兹固态通信系统依靠关键固态电路进行突破。对于太赫兹频段无线通信系统的热门应用领域，外差接收是最广泛的接收系统。但是，在THz频段中，由于III-V族化合物半导体晶体管的技术不成熟，因此固态放大器相对缺乏。放大器主要分为功率放大器和低噪声放大器（LNA）。作为发射器的最后一级，功率放大器直接连接到天线，功率放大器会影响发射器的输出功率，并直接决定系统的工作距离。虽然LNA通常用作接收器的第一级，但它会影响接收器的灵敏度和噪声性能。只有少数几个国家有能力以较高的成本进行固态THz放大器的开发价格和低良率因此，学术界在固态太赫兹技术领域更加关注基于肖特基势垒器件的混频器和乘法器的探索。基于肖特基技术的混频器和乘法器的发展障壁二极管在本质上被认为是肖特基势垒二极管的历史。总的来说，太赫兹肖特基势垒二极管的发展经历了三个主要阶段如图1所示。
二极管的第一级称为晶须接触二极管，其阳极像晶须一样是一块金属，需要手动将其压入半导体以形成肖特基接触，这种器件很难组装且可靠性低。因此，随着半导体技术的进步，为了提高可靠性，出现了平面二极管。平面二极管是二极管的阳极，其以空气桥的形式通过表面通道连接到阴极焊盘。半导体工艺，从而实现了极大的可靠性和可重复性。平面二极管的出现带来了基于肖特基势垒器件的电路的革命性变化。随着平面二极管的出现，晶须接触二极管已从历史舞台上退出。平面二极管是分立的，通过表面贴装工艺与微带电路集成在一起。这种类型的二极管通常被归为第二阶段。随着电路频率的增加，基于这种方法的混合集成电路的性能难以提高。由于安装过程中的误差导致的分离平面二极管的出现，然后出现了集成平面二极管，它将微带电路与半导体工艺集成在二极管衬底上，这不仅减少了组装产生的寄生参数，而且还提高了工艺精度这种集成的平面二极管通常被认为是二极管开发的第三阶段，也被称为基于二极管的单片微波集成电路（MMIC）电路尽管分离和集成的平面二极管被划分为二极管发展的不同阶段，但它们本质上是相同的，它们都是基于平面二极管技术来实现肖特基接触的，这两种二极管仍然同时共存，但是通常情况下，低于500 GHz的电路仍偏爱单独的平面二极管，这种二极管便宜且灵活。
图1 太赫兹肖特基势垒二极管的发展
由于缺乏太赫兹放大器，混频器成为接收器的第一级，并影响系统性能。在太赫兹频带中，次谐波混频器通常被使用，因为它们可以减少本地振荡器的难度。太赫兹次谐波混频器的发展遵循以下三个方面：从早期使用晶须接触二极管到分离的平面二极管以及当今的集成平面二极的发展阶段。类似地，倍增器的发展是还伴随着二极管发展的不同阶段太赫兹倍频器通常使用双倍频或三倍频，由于效率低下，几乎不使用更高阶的倍频器。倍频器在三赫兹波段比三倍频器更常见，因为三倍频器需要为电路中的二次谐波建立一个特殊的环路，因此，THz系统的实现取决于THz关键固态电路的突破。也就是说，要开发固态THz通信系统，混频器和乘法器应深入研究和探索。
2.2 THz调制器
太赫兹波调制器是太赫兹系统中从成像到通信的广泛应用的关键组件。使用太赫兹波进行高速通信的关键是快速有效的幅度和相位调制器，该调制器用于对载波中的信息进行编码。近年来，超材料的发现大大提高了我们在THz波段中处理电磁辐射的能力。超材料和半导体技术的结合导致动态THz功能器件的重大突破，在THz幅度和相位调制方面取得了巨大成就此外，诸如石墨烯之类的新型二维材料的出现为电子和光学太赫兹调制器提供了新的机遇。
太赫兹幅度调制器-2006年，美国拉斯阿莫斯实验室（Las Amos Laboratory）通过全电子方提出了一种基于肖特基二极管原理的人工微结构太赫兹波调制器，该调制器可以通过改变分裂间隙处的载流子浓度来控制谐振环（SRR），其调制深度为50％。类似于通过电注入或电荷载流子耗尽产生THz波调制的基本原理，可以通过对半导体进行光掺杂来改变半导体中的光子产生载流子。 2010年，N H Shen通过实验证明了一种在THz范围内以光学方式实现的蓝移可调超材料如图2所示，通过观察，所制造器件的调谐范围高达26％（从0.76 THz到0.96 THz），对硅进行光学控制。
为了获得高速调制性能，已开发出通过电子控制将高电子迁移率晶体管（HEMT）与电SRR结合在一起的太赫兹调制器.2011年，D.Shrekenhamer首次提出了基于电控HEMT / SRR的复合THz调制器，具有太赫兹波的高速幅度调制对于频率为0.46太赫兹的太赫兹波，该器件的调制速度估计达到10 MHz。从那时起，已经有了新的结构（包括超材料和HEMT）被尝试过2015年，Y X Zhang提出了一种复合超材料结构，该结构将等效的集体偶极阵列与双通道异质结构相结合，以获得有效、超快且全电子的网格控制太赫兹调制器该THz调制器是第一个在实时动态测试中达到1 GHz调制速度和85％调制深度的调制器。
图2 光学控制的蓝移可调超材料设备
自从首次展示单像素压缩成像以来，由于缺乏太赫兹焦平面阵列，人们对将技术扩展到太赫兹波段的更大波长非常感兴趣，但是由于缺乏商用固态空间光调制器（SLM），太赫兹（THz）单像素成像的早期研究不得不诉诸机械扫描孔径。最近，基于超材料的SLM在单像素成像中显示出了希望例如，在2016年，美国塔夫茨大学的研究者报道了太赫兹空间光调制器，它使用高迁移率二维电子气（2DEG）操纵超材料的共振频率（0.45 THz），从而完成太赫兹波调制，如图3所示调制器的控制是通过改变嵌入超材料元素的每个裂隙中的伪高电子迁移率晶体管（pHEMT）的沟道载流子密度来实现的，调制速度高达10 MHz，调制深度达36％，消耗亚毫瓦功率。在此基础上，他们设计了2片上SLM的times; 2像素阵列，以1V的开关电压实现“十字形”物体的空间成像，这是第一个固态THz空间光调制器。
图3 THz SLM的设计和制造
图4 太赫兹二氧化钒调制器
近年来，许多对电或光产生响应的新材料，例如石墨烯已逐渐应用于太赫兹调制器。2014年，美国莱斯大学的研究人员将金属环孔置于单层石墨烯通过施加栅极电压来达到50％的调制深度2015年，南洋理工大学的研究人员报道了单芯片集成的石墨烯和THz量子级联激光器的器件，实现了从94％至100％并在特定区域达到100 MHz的调制率2017年，美国马里兰大学的研究人员在无源硅介电波导的表面覆盖了石墨烯片，最大调制深度在施加栅极电压的情况下，其超过90％具有相变特性的二氧化钒也广泛用于太赫兹调制器中。例如，UESTC的研究人员使用二氧化钒成功地制造了调制频率为10 MHz，调制深度超过85％的太赫兹光学调制器并和宾夕法尼亚大学的研究人员使用图4所示的二氧化的相变制备了一种可擦除读写的数字存储器。此外，在THz设计中还使用了其他新型半导体材料调制器。2016年，南开大学的研究人员实现了一种光泵浦太赫兹调制器，它使用了新型的二维材料和高掺杂硅UESTC的研究人员使用二氧化钒（V）成功地制造了调制频率为10 MHz，调制深度超过85％的THz光学调制器，宾夕法尼亚大学的研究人员准备了一种数字存储器，该存储器可消除读取和读取的信号。使用二氧化钒的相变[83]进行写入
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