SUB-THZ最新技術(shù)與應(yīng)用

近日，國內(nèi)首臺太赫茲/6G大容量無線超網(wǎng)基站在石家莊鐵塔公司試點成功，這標(biāo)志著中國在太赫茲無線通信技術(shù)領(lǐng)域取得了重大新突破。

澳大利亞阿德萊德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊開發(fā)出首個基于無基板硅基的超寬帶集成太赫茲偏振復(fù)用器，并在亞太赫茲J波段（220—330 GHz）中對其進(jìn)行了測試，該波段可用于6G及未來通信技術(shù)。這一創(chuàng)新提高了太赫茲通信系統(tǒng)的效率，并為構(gòu)建更強(qiáng)大、更可靠的高速無線網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。人工智能在太赫茲超材料設(shè)計與優(yōu)化領(lǐng)域的研究進(jìn)展：人工智能技術(shù)在太赫茲超材料器件領(lǐng)域取得了顯著的研究成果，通過自動調(diào)整超材料參數(shù)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，成功提升了在傳感、調(diào)制、濾波等方面的性能，實現(xiàn)了諸如完美吸收和偏振轉(zhuǎn)換等特定功能。這些進(jìn)展顯示了sub-THz技術(shù)在通信、傳感、材料科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，特別是在6G技術(shù)的發(fā)展中扮演著重要角色。

6G頻譜的太赫茲頻率

5G使用非常高的毫米波頻段，但是6G計劃使用100 GHz 以上的更高頻率，以便滿足相較于5G NR而言更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的延遲需求。

目前，學(xué)術(shù)界關(guān)注使用最高 330 GHz 的頻率進(jìn)行通信；具體而言，無線行業(yè)重點關(guān)注 D 頻段（110 GHz 至 170 GHz）和 中頻段頻譜（7 GHz 至 24 GHz）。

6G通信還將使用當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)支持的所有頻率，例如毫米波頻率和傳統(tǒng)的 Sub-8 GHz 頻段。更重要的是，許多應(yīng)用可以使用這些頻率，例如無損成像（如安全掃描儀）和光譜學(xué)（如材料分析）。

太赫茲通信是6G的技術(shù)要素之一，其他技術(shù)要素包括通信感知一體化 (ISAC)（也稱聯(lián)合通信和傳感 (JCAS)）、AI 和 ML以及可重構(gòu)智能超表面 (RIS)。對于實現(xiàn)最大吞吐量和極低延遲而言，這項技術(shù)可能必不可少。此外，太赫茲通信還催生出各種新穎奇妙的應(yīng)用，例如全息通信。

圖一 5G和6G技術(shù)使用的頻段

6G 太赫茲測試挑戰(zhàn)

微波、毫米波和太赫茲技術(shù)截然不同。太赫茲頻率為半導(dǎo)體組件帶來了新的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行額外的信道探測來開發(fā)新的信道模型以用于更高的頻率。

新的半導(dǎo)體組件需要開發(fā)用于太赫茲頻率范圍，以滿足大規(guī)模市場的需求。這些組件必須在高頻條件下具有高輸出功率。這需要更大的帶寬，對半導(dǎo)體行業(yè)而言是一個重要挑戰(zhàn)，因為功率放大器（例如單片微波集成電路）等組件會嚴(yán)重影響整體系統(tǒng)的工作性能，包括輸出功率、 效率、 帶寬和其他特性。

只有充分了解電磁波傳播的特性，才可能開發(fā)出6G中的亞太赫茲通信。因此，對 100 GHz 以上頻率范圍的信道傳播測量的研究非常重要，因為目前這一頻率范圍尚未得到充分研究，其中的信道傳播會受到人體、車輛和雨水等環(huán)境條件的嚴(yán)重影響?，F(xiàn)有的5G信道模型必須經(jīng)過驗證和精心調(diào)整，以正確反映環(huán)境的影響，因此開發(fā)創(chuàng)新準(zhǔn)確的太赫茲測量儀器成為6G研究中的重要一步。

圖二 毫米波與THz頻譜的特定大氣層衰減

亞太赫茲信號產(chǎn)生與分析

使用SMW200A和FSW頻譜與信號分析儀，配合射頻前端與變頻器，可實現(xiàn)從W波段到H波段的信號產(chǎn)生與分析，頻率范圍覆蓋70 GHz-110 GHz，110 GHz-175 GHz，220 GHz-330 GHz，未來還會擴(kuò)展至330 GHz以上。

圖三 D波道道H波段信號生成與分析方案

在信號發(fā)射端，得益于優(yōu)秀的設(shè)計，F(xiàn)E110/170ST射頻前端的發(fā)射射頻指標(biāo)優(yōu)異，可以與其他設(shè)備共頻率參考，也可使用內(nèi)置或外置本振信號，內(nèi)置的放大器可實現(xiàn)較寬的功率動態(tài)范圍，也可使用外部放大器提升最大輸出功率，配合外置的帶通濾波器可以進(jìn)一步提升輸出信號質(zhì)量。

圖四 FE170ST架構(gòu)框圖

在信號接收端， FE110/170RT射頻前端的可以與其他設(shè)備共頻率參考，也可使用內(nèi)置或外置本振信號，內(nèi)置的可變衰減器可實現(xiàn)較寬的功率動態(tài)范圍，配合外置的帶通濾波器可以進(jìn)一步優(yōu)化輸入信號質(zhì)量。

圖五 FE170SR架構(gòu)框圖

無論在發(fā)射端還是接收端射頻前端，當(dāng)搭配外置濾波器或放大器時，放大器的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)可被射頻前端自動補(bǔ)償，使用者無需進(jìn)一步對測試結(jié)果進(jìn)行后處理。

總 結(jié)

羅德與施瓦茨推出了各種創(chuàng)新的測試與測量解決方案，能夠生成和分析信號，滿足6G太赫茲通信的要求。這有助于為下一代無線通信做好準(zhǔn)備，進(jìn)一步豐富深厚的測試與測量專業(yè)知識，并為6G研究開發(fā)創(chuàng)新解決方案。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。