太赫兹通信芯片关键技术与系统发展浅析
摘要总结
太赫兹（Terahertz, THz）是一种介于红外（Infrared, IR）和微波（Microwave, MW）之间的高频段信号，在300 GHz至1 THz范围内具有显著的技术优势。作为下一代高速无线通信技术的重要组成部分，太赫兹通信凭借其短距离高灵敏度和大带宽特性，在短距离无线接入（SDMA）、大带宽移动信道扩展（DBMC）、超远距离多信路支持（SDRS）、空闲频率利用等方面展现出巨大潜力[1]。本文重点探讨了基于二极管芯片的太赫兹射频前端器件及相关的通信系统技术的发展现状[2]。
基于二极管芯片的太赫兹射频前端器件
基于肖特基二极管的片上功率拓扑结构器件在 too-high power 下表现出较高的输入功率与高插入损耗特性，在高频段表现优异；而三极管结构则适合低功耗下的高频率应用[3]。随着 InP 工艺和 GaAs 基工艺的进步以及 Si 基集成电路 chip 技术的大规模发展，在 2 THz 频段实现了 InP 芯片的最大化集成度，并且在 1 THz 以上能够实现集成化接收端电路的设计[4]。氮化镓 (GaN) 芯片在 5 GHz 至 65 GHz 频段范围内展现出强大的大带宽特性，并且适合大功率 too-high power 的输入功率需求[5]；硅基集成电路芯片则具备低成本的优势，在复杂化 too-high power 设备中展现出广阔的前景[6]。
太赫兹芯片技术的关键进展
尽管 InP 芯片在高频段表现优异，在 6 THz 及以上频率范围内的集成度仍需进一步提升；GaAs 和 Si 基集成电路 chips 则更适合低频率 too-high power 设备的应用场景[7]。未来有望形成 InP/GaN 复合发展的格局，并在此基础上形成高效的全固态 too-high power 集成化架构[8]。
大规模频分复用与 MIMO 技术
基于 chip 端的 too-high power 混频器设计可实现两路或以上的调制器并行式分割功能，在微波低频域中使用该电路结构可实现较大的路径损耗资源分配优势；同时利用多路单波前变分滤波器实现高频本振信号下变种谐波滤波功能以提高能量效率[9]；
摘 要
目的
目的
目的
方法
方法
结果
结论
结论
该研究聚焦于THz通信技术的关键创新点研究。
研究团队开发了一种基于THz专用芯片的新架构。
该系统采用THz通信系统架构实现高效数据传输。
研究中引入了频率分组复用技术以提升信道利用效率。
同时，在信号接收端采用了大规模多输入多输出阵列技术以增强信道容量。
通过优化设计实现了感知与传输一体化设计。
此外，在信号处理环节采用了创新性的光电混合技术。
研究者提出了一个多维度信号处理与传输方案以适应复杂环境需求。
前 沿
太赫兹通信涵盖载波频段位于0.1至10太赫兹（THz）范围内的通信技术手段。由于其独特的频谱位置使其具备宽频带特性的同时也展现出显著的无线传输能力。该技术的特点包括丰富的频谱资源高承载能力和优秀的保密性能等。随着云计算物联网和移动互联网的快速发展使得通信需求呈现爆发式增长然而现有无线通信频段面临日益紧张的竞争压力从而导致通信容量与实际需求之间的矛盾愈发突出因此亟需开发新型高速通信系统以适应新兴领域的技术需求
随着WRC-2019会议官方确认四个新的全球移动业务频段——275-296GHz、306-313GHz、318-333GHz以及356-450GHz[1]被指定为全球标识频段，
太赫兹通信被视为未来 sixth-generation (6G) 技术体系的关键潜在技术之一。
一系列相关的 6G 技术白皮书中都将该技术列为核心技术内容。
此外，在科学技术研究领域和社会产业关注范围内，
该技术也受到了广泛的关注与重视。
在太赫兹通信的关键核心技术领域中，芯片研发占据核心地位。无论是分立器件还是集成电路，在太赫兹频段的发展都离不开高性能先进芯片的支持。从当前太赫兹通信需求的关键核心器件发展趋势来看，在二极管技术基础上发展起来的太赫兹倍频、混频等分立器件，在InP、GaN-HEMT和HBT等材料基础上发展起来的低噪声放、功放芯片技术以及硅基工艺拓展下的集成电路芯片都已经成为了集成化与小型化的先决条件。伴随器件尺寸的持续缩小，在这一趋势下出现了大规模多入多出(MIMO)等先进通信技术的应用前景更加广阔。本文基于二极管芯片相关分立器件技术和相关先进芯片与通信系统的技术发展进行了深入探讨，并希望通过此次分析能够为推动我国太赫兹通信技术的进步提供有益参考和启发
如图1所示，在当前主流采用的太赫兹芯片工艺架构中包含了四个关键材料体系：InP、GaAs、GaN与硅基CMOS。其中InP器件展现出卓越的频率性能并兼顾极高的集成度水平。相比之下,GaAs与GaN材料体系特别适用于大规模功率型太赫兹器件,而硅基CMOS架构凭借其低成本特性同时具备优异的集成度优势。
图1 太赫兹芯片
Fig.1 Terahertz chips
1太赫兹通信关键芯片及器件技术探讨
由于大气对太赫兹波具有显著的吸收特性，在大气层内部实现长距离 too GHz 无线通信系统存在较大困难。因此，在现有的 too GHz 通信技术中，主要用于距地面 3 公里以内的应用场景如大规模数据传输、固定无线接入以及短距离数据中心交互等。而在太空领域中，则因 too GHz 通信能够面向更远距离提供大容量数据传输能力，在空间互联网及小卫星群通信等领域展现出重要价值。无论是在地面环境还是太空环境中进行 too GHz 通信都需要依赖于半导体芯片上的 too GHz 器件发展。本文将从以下几个方面展开论述：（1）基于二极管芯片独立式 too GHz 器件；（2）InP 和 GaN 基底芯片技术；（3）硅基集成电路芯片技术
1.1基于二极管芯片的太赫兹分立器件的探讨
1.1.1基于肖特基二极管的太赫兹倍频器
太赫兹倍频器是现代通信、安检及雷达等领域不可或缺的关键组件，在这一领域中它扮演着不可替代的角色。伴随着二极管加工工艺的进步以及机加工精度水平的提升，在太赫兹倍频器的发展历程中不断展现出更高的性能要求。就功率性能而言，在单路二极管的基础上实现更高功率输出可从三个层面入手：增加单个二极管管芯的功率容量；采用GaN功率材料并配合导热性优异的介质基板；或者通过多路功率合成技术实现整体功率提升；而针对频率性能的提升则可以通过引入三次谐波倍频技术来实现：选择具有更小结电容尺寸的二极管管芯成为提高输出频率的关键手段之一
目前国内外设计的倍频器已经取得了显著成果。在二倍频器的主要电路中，平衡式电路结构占据主导地位。该电路通过采用TE10模式作为输入信号，并准TEM模式作为输出信号进行隔离处理，从而实现了输入与输出信号的有效分离。此外，在电路设计中巧妙地采用了二极管反向串联的技术手段，在保证偶次谐波分量的同时提升了能量利用率。图1所示为2018年Jose V. Siles团队在新型片上功率拓扑结构基础上开展的研究工作：他们优化了器件性能并针对大功率应用进行了设计，在180GHz频率范围内开发出了基于24管芯的超大功率倍频器（GaAs衬底厚度仅50μm）。该设备采用四路功率合成方案，在每一路合成中均设置了六个阳极结，并确保每个阳极结的零偏压结电容维持在约60fF水平。实验数据显示：当输入功率超过1500mW时，在400~500mW的输出范围内可获得约25%的能量转化效率[2]。同样值得提及的是来自ACST公司的Diego Moro-Melgar团队开发的一种基于倒装式金刚石衬底的单路型二倍频器：在150GHz频率下可承受高达400mW的输入功率并提供超过140mW的输出功率[3]。近年来中电十三所梁士雄团队在GaN基二倍频器方面也取得突破性进展：实验结果表明当输入脉冲功率达到2W时，在177183GHz频段内可实现200244mW范围内的输出功率且效率维持在9.8%~11.8%水平[4]
对于三倍频器件而言,它们的建立相对较为困难,因为它们需要通过匹配电路来实现输入与输出的有效隔离.在滤波器的设计过程中,加入滤波器会显著地增加路径损耗.此外,非平衡型三倍频器件由于缺乏对偶次谐波的有效抑制,这会对三倍频信号的倍增效率产生较大影响.根据文献报道,美国VDI公司David W.Porterfield于2007年开发了一款具有创新性的220GHz及440GHz双工频率三倍频装置.该装置在输入电路和直流偏置电路中采用了高低阻抗线构成的低通滤波器,其作用是分别防止高次谐波信号泄露到输入端并防止基波信号泄露到直流偏置端.通过实际测试结果可以看出,该装置在工作状态下能够输出约23mW及13mW功率,其效率分别为16%及12%.这种新型设计的成功应用使得两者的相对带宽均达到了约7%[5].
太赫兹倍频器采用了以下三种技术方案：第一种方案利用了大量管芯进行功率合成以实现综合放大约束条件下的一键式连续放大；第二种方案基于GaN晶体实现了大功率双倍频放大功能；第三种方案则通过优化设计构建了三倍频放大模块的原理图
图2 Terahertz频率乘器：（a）采用24片二极管实现功率综合型频率乘器；（b）基于GaN材料开发的高功率频率倍增装置；（c）完整展示频率三倍器结构的电路原理图
1.1.2基于肖特基二极管的太赫兹混频器
在太赫兹通信系统中,混频器是一类至关重要的器件,其主要作用是通过调制实现将太赫兹波调制到中频域或对中频信号进行上行调制至太赫兹频率区间.该器件的调制损耗、带宽指标以及噪声系数等性能参数直接决定了通信系统的传输距离与传输速率.目前,混freq器已形成较为完善的理论基础和发展体系,具有固定的结构设计流程,但随着对更高频率需求的追求以及对系统性能要求的不断提高,亟需创新性地设计新型电路架构并采用新型材料以实现向高频段延伸、扩大带宽范围、降低调制损耗水平以及提升整体热噪声水平的同时兼顾更高的集成度持续优化.
如图2所示，在多功能集成化方面，在2018年M.J.Lancaster团队的研究中开发了一款基于集成腔体滤波器的单边带290310GHz混频器。该接收机采用了集成腔体滤波器的技术架构，在工作频段为290310GHz的基础上实现了对上变频后产生的下边带260280GHz信号的有效抑制能力。具体而言，在噪声温度范围为2000K至2600K时，其边带抑制比达到了1325dB，并且在混频过程中每一边带的变频损耗控制在了9~10dB水平（参考文献[6]）。这一成果随后被推广至更高频率范围：来自美国JPL实验室的Jeanne Treuttel团队于2019年设计了一款超过2THz全固态低温接收机系统。其中，在这一系统中采用GaAs单片集成工艺的技术路线使得二极管能够嵌入到GaAs基片上，并通过反向并联二极管结合直流偏置电路优化了本振功率需求的表现。
测试结果表明，在 15°C 的低温环境中（注：此处应为"−15°C"以体现绝对温度），混频器的最佳噪声温度低于 33°C（注：此处应为"33 K"以体现开尔文温标）。就大范围频率覆盖而言，在 29 岁年的电子科技大学杨益林教授提出了一种基于 29 GHz 单芯片集成架构设计的混频器结构。当该混频器的中心频率固定在 3 GHz 时，在 9 GHz 至 4 GHz 频段内的单边带变频频耗范围为 −3 到 −6 dB（注：此处应统一单位），对应的双侧带噪声温度区间则介于 −6 K 至 −4 K之间（注：此处应统一单位）[citation needed].
图3 太赫兹混频器：(a)基于滤波集成技术的290~310GHz混合频段设计；(b)采用肖特基二极管的固态高频混合频段转换器件；(c)全带宽集成型接收前端模块
A Terahertz mixer is configured with an integrated filter covering the frequency range from 290 to 310 GHz, as shown in Fig.3(a). A Schottky diode-based solid-state mixer is designed for operation at a bandwidth of 2 THz, as detailed in Fig.3(b). The front-end module incorporates a broadband receiver for comprehensive signal processing, as illustrated in Fig.3(c).
1.2InP、GaN基太赫兹芯片技术
目前主要采用两类主要工艺路线实现太赫兹集成电路芯片：一类为化合物类工艺，在该领域已取得较为成熟的技术进展；另一类则是以硅基材料为基础的传统型电路技术体系。其中具体的化合物类工艺体系又可分为基于GaAs材料的m型高电子效率晶体管（mHEMT）、基于InP材料的高电子效率晶体管（HEMT/HBT）以及基于GaN材料的高电子效率晶体管（HEMT）等三种不同的实现方案；而其对应的工艺类型主要包括硅互补金属氧化物半导体（CMOS）技术和SiGe/ BiCMOS 工艺两种基本形式。
在多种工艺中，在不同工艺制造的有源器件中具有最高的工作频率的是InP工艺制备的产品。从图3可以看出，在文献[9]中所报道的一种基于InP工艺设计的太赫兹放大器芯片实现了高达620至660 GHz的工作频率，并且其小信号增益超过 26dB。文献[10]则在此基础上进一步优化，在1THz超高频段实现了9dB的增益效果。此外，在文献[11]的研究中发现采用800 nm InP DHBT技术设计出一种具备220-325GHz三级并联拓扑结构开关元件的产品，并且该开关平均隔离度达到了惊人的36dB水平的同时插入损耗维持在3.8dB的标准范围内。最后，在文献[12]的相关研究工作中提出了一种采用25nm InP工艺制备的集成化接收前端芯片系统方案：该接收机芯片的工作频率定格于0.67THz，并且其工作带宽超过了20GHz，在单块芯片上集成了低噪声放大器、二次谐波混频器以及本振18次倍频链路组件构成的设计方案堪称目前公开报道中最先进的高灵敏度太赫兹接收系统架构
图4. Terahertz InP基底芯片：(a) 0.67THz InP放大器；(b) 1THz InP放大器；(c) 前向集成功率提升的集成化接收模块InP芯片
The figure illustrates the performance of InP-based structures in terahertz applications, featuring three distinct configurations: (a) an InP-based amplification device operating at approximately 0.67 THz; (b) a compact integrated InP-based receiver achieving 1 THz operation; and (c) a highly efficient compact integrated InP-based receiver designed for integrated reception at approximately 0.67 THz.
相较于InP型材料，在GaAs mHEMT器件中实现更大的功率输出更为适宜。研究表明，在290-330 GHz的工作频段内可获得高达8.3 dBm的输出功率；在190 GHz至300 GHz范围内设计了一款双平衡放大芯片，在小信号增益方面表现优异（10-20 dB），其中在300 GHz点达到4.8 dBm的输出功率水平。基于SiC衬底的氮化镓工艺成功开发了一款具有主动单刀双掷功能的开关元件，在D波段运行时展现出超过35 GHz的工作带宽，并保持了极低的插入损耗值（仅达0.64 dB）。此外，在D波段和G波段均进行了GaN功率放大器芯片的研究与开发：采用四级共射级联架构设计的D波段功率放大器芯片，在107-148 GHz频带范围内实现了显著的小信号增益（超过25 dB），并在120 GHz工作点处输出功率达到26.4 dBm的同时还获得了高达16.5%的有效效率；而G波段设计则在频率选择上更具优势，在3 dB带宽上突破了40 GHz以上限制，在181 GHz频点实现了最大输出功率值（达15.8 dBm），同时保持了优异的效率表现（达2.4%）。
基于上述分析可知，在用于III-V族太赫兹芯片的领域中，InP材料展现出卓越的工作频率表现，并拥有极高的集成度水平。同样，在0.67THz范围内已经实现了较高集成度的接收器芯片设计。相比之下，则是GaAs与GaN工艺主要用于高功率场景中，并且其中GaN工艺展现出显著的功率性能优势。然而目前这些工艺仍面临工作频率较低的问题。展望未来的发展趋势，在InP与GaN技术之间有望形成互补发展的战略。
1.3硅基太赫兹芯片技术
在硅基太赫兹芯片研究领域中，在采用0.18 µm SiGe 工艺条件下的D波段放大器通过强化增益并引入自偏置机制实现了显著的性能提升；该装置的工作频率范围为108-121 GHz，在小信号条件下表现出优异的增益性能（小信号增益高达20.3 dB），其输出功率维持在6.7 dBm水平[17]；与此同时，在SiGe工艺基础上开发的另一款放大器具备更高的单级增益能力（单级模式下实现显著的增益），其饱和输出功率维持在-2.8 dBm水平的同时实现了宽广的3dB带宽（8.5 GHz）[18]；此外，在65nm CMOS工艺指导下设计的放大芯片进一步扩大了工作频段范围（覆盖273-301 GHz），并实现了在小信号输入下的峰值增益21 dB水平[19]。
在太赫兹系统芯片应用领域方面研究中取得进展：采用先进的55nm BiCMOS工艺开发出高性能收发器，在多个研究项目中已被成功应用于高分辨率ISAR成像系统（如项目编号[20]）。针对宇航遥感监测需求，在InP与CMOS基础上设计并实现了一种异质集成型超外差电路（如项目编号[21]）。在标准CMOS集成化平台上开发出了高性能发射机模块：其能够在硅基集成架构下可靠地工作于245GHz频段，并实现了自振荡器（VCO）功能以提供稳定的太赫兹源输出。基于SiGe工艺设计出一种新型通信接收模块：该模块具备优异的工作性能特征：最大有效工作距离达1米，并采用先进的16QAM调制方案以实现高达100Gbps的数据传输速率（如项目编号[23]）。此外还开发出一种新型双向相控阵通信接收发送器：该设备采用了65nm CMOS工艺并覆盖了广泛的频段范围（从242GHz到280GHz），支持多种调制方式包括QPSK，并能在仅约2.5厘米的距离内实现高达每秒传输数据量为5.7Gb/s的最大传输速率（如项目编号[24]）。
文献[25]报道采用65nm CMOS工艺实现全集成CMOS接收机，其工作电源电压为1.2V，总功耗达32 mW，并集成了THz本振源模块。该设备采用外差式架构设计，在1 kHz噪声带宽内实现了外差式放大器与混频器的协同工作，在此架构下实现了外差比（EVM）小于-97 dB和载波恢复比（CR）超过-78 dB的同时，在系统级保证了较低的功耗水平。文献[26]基于40nm CMOS工艺开发出了集成了0.3THz收发功能的芯片，在射电部分应用了四路功率合成技术以提升效率，并通过基波混频架构实现了高效的信号处理。该芯片最终采用了QAM调制方式，在通信距离方面表现优异，在此架构下实现了高达80 Gb/s的数据传输速率。
图5中的太赫兹硅基芯片由三部分组成：其中(a)为D波段的SiGe放大芯片；包括(b)型183GHz SiGe放大芯片；则为(c)(c) 300GHz Si CMOS集成化收发芯片
图5 基于硅基的 terahertz 设备：(a) 第一带宽段的硅 germanium 放大器芯片；(b) 183 GHz 硅 germanium 放大器芯片；(c) 300 GHz 硅 complementary metal-oxide-semiconductor 综合接收器芯片
当前，硅基太赫兹集成电路芯片朝着更高工作频率和集成度方向演进。相较于现有技术路径而言，在集成功率和成本方面展现出显著优势，并且特别适合应用于低成本场景。高集成度的太赫兹芯片技术和天线等器件的集成化将相互呼应，并为未来大规模MIMO技术在太赫兹频段的应用奠定了基础。目前，在300GHz以下的太赫兹低端频段上，硅基相关技术已取得显著进展；随着芯片工作频率持续扩展的需求不断涌现，亟需解决包括器件模型精度不足、工作频率接近特征频率以及无源器件 Q 值下降等问题。
2基于芯片技术的太赫兹通信系统发展探讨
2.1大规模频分复用
目前现代太赫兹通信系统主要依赖于频分技术，并将其应用于包括固态电子学太赫兹系统中的频分复用技术和微波光子学太赫兹系统中的波分复用技术。
频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）作为一种技术手段，在通信领域中被广泛应用于提高信息传递效率。该技术通过将单个信道的带宽划分为多个独立的子信道，并为每个子信道分配 dedicated 通信通道。FDM技术在提高通信系统的复用效率方面表现出色。当划分出更多的子信路时，在保持系统稳定运行的前提下，能够显著提升整个频分复用系统的数据传输速率。
该技术其本质是基于不同色光信号实现光纤通信中的多路复用
WDM技术通过将多种不同频率或波长的光载波信号在同一根光纤中分配至独立的通信通道实现了高效的数据传输
在固态电子学领域的太赫兹系统研究中，大规模频率复用技术的应用仍然面临诸多挑战。目前而言，系统的频率通道数量相对有限。对于文献[27]和文献[28]而言，在全固态电子式架构下设计出了一种适用于太赫兹通信系统的方案：通过基于微波低频段的混频器设计实现了对不同频率信号的有效分离与重叠处理，并最终完成了太赫兹波段的两路频率复用实验研究。
文献[27]详细描述了一种固态电子式太赫兹通信系统方案，在该方案中采用了中心频率为300GHz、传输速率达到60Gbps的设计特点。通过基于X波段混频器的技术实现，在接收与发送端实现了从285GHz到315GHz的连续频带覆盖，并将上下边带带宽分别控制在8GHz范围内。这种设计实现了两路频分复用的太赫兹通信系统目标。文献[28]则详细阐述了一种基于220GHz固态收发器设计的双载波无线通信系统方案，在其中频电路设计中采用了微波混频器技术，并在此基础上实现了工作频率范围在213.7到219.4GHz之间的双路信号传输能力。该系统采用16QAM调制技术，在接收端实现了距离仅为20米时的最大数据传输速率达到12.8Gbps的理想水平。
该方法通过微波低频段的混频器实现了两路太赫兹波分，并有效利用了该频段的带宽资源。
然而当前该方案中的频率通道数量相对有限，在提升频率通道数量方面需要投入大量滤波器、混频器以及相关数字信号处理（DAC）和模拟信号处理（ADC）器件。
该研究采用40nm CMOS工艺制备了全固态电子型太赫兹发射器，在支持6个独立信道的同时实现了单个信道宽度超过5GHz的技术突破。该设备覆盖频率范围为275-305 GHz，并通过32QAM调制技术，在105 Gbps的数据传输速率下运行良好。这一技术方案为硅基材料在固态电子学领域中的频分复用和多路通信问题提供了有效的解决方案。
在微波光子学领域的太赫兹通信系统中，在利用大规模波分复用于获取更多信道的同时，在通过光频梳技术即可实现超过100Gbps的传输速率。此外，在实际应用中，在这种通信系统中所采用的波分复用方案通常会与其它复用技术协同工作以提升整体性能。表1列举了结合了波分复用及其他复合技术的太赫兹通信系统的具体实例。
表1几种混合波分复用和其他复用方式太赫兹系统
Table 1 Various wavelength division multiplexing (WDM) as well as heterogeneous terahertz systems
2.2大规模MIMO系统
该方法是一种多输入多输出技术(MIMO)，其原理是通过在发送端和接收端布置多根天线来实现信息的有效传递，并以显著提升无线链路传输效率与可靠性为目标。其在信道容量、频谱效率与能量效率方面相较于传统单发单收(SISO)技术具有明显提升[34]。同时结合空分复用、空间分集以及波束赋形等多种先进技术，则能够得以提升数据传输速率并增强信号的空间方向性；而大规模MIMO则是在此基础上显著增加了天线数量，并进一步提升了系统的性能指标如信道容量与空间分辨率等[35-36]
在频谱资源更为丰富的高频段尤其是太赫兹波段中,受频率特性影响下,天线单元间距的物理尺寸会发生缩减,因此,在相同的空间条件下,能够布置的天线数量也随之增加。此外,高频信号在其传播过程中经历的路径损耗显著增强,促使我们更加关注如何整合大规模MIMO技术和太赫兹通信技术,借助波束赋形技术来提升方向性覆盖性能及传播距离。综合以上分析可知,这一技术整合方案不仅能够显著提升系统性能,而且将为该领域的发展带来新的机遇
目前而言，在太赫兹微波光子学系统以及太赫兹全固态混频系统中均可见到MIMO技术的身影。其中一项研究（文献[37]）深入探讨了基于石墨烯构建的1024×1024等离子体纳米天线阵列在1-10THz波段大规模MIMO系统中的可行性应用，并指出该技术常与空间复用、极化复用等方法协同工作，在通信系统中还可与智能反射面等多种辅助技术相结合以提升性能。此外（文献[38]），研究人员采用二维双输入二维输出（2×2 MIMO）方案结合极化复用，在中心频率为141GHz的情况下实现了微波光子学系统的35.2Gbps传输速率；而对于更高容量的需求（文献[39]），则通过引入64QAM调制方式实现了4×4MIMO架构下的1.056Tbps传输速率。在未来的太赫兹通信系统发展中主要将沿着以下几条路径推进：
2.2.1 3D覆盖
基于波束赋型技术和深度学习驱动的大型MIMO系统（MIMO），通过调节天线相位实现精确调控天线辐射方向的能力，在三维空间中完成对用户的精准定位任务，并显著提升了定位精度水平[40]。
未来通信网络将融合海空陆天等多种应用场景，在无人机、卫星等高空平台部署大型MIMO系统可显著增强覆盖范围。
现有信号传输方案通常依赖于固定基站配置，并采用集中式处理架构进行数据采集与分析处理。
其传输效率相对较低，在装备大规模MIMO后借助波束赋型技术可有效追踪移动物体并延长定位持续时间。
借助深度学习算法优化3D空间内的波束指向配置，并持续优化目标追踪性能，
能够进一步提升对移动物体的信号覆盖能力[40]。
2.2.2无蜂窝MIMO设计
当前较为普及的蜂窝网络架构在面对通信频率日益提高及用户数量激增的情况下，则面临着接入点和基站密度提升的问题。这不仅会导致小区间内信号干扰的存在，并且可能引发系统性能下降的情况。因此，在未来的大规模MIMO技术应用中，在不依赖蜂窝架构的前提下采用无蜂窝大规模MIMO方案将成为主要的发展方向[41]。该技术通过在整个服务区域内部署大量天线节点，并赋予每个节点平等的信息处理能力，在不再进行中心化的信息处理方式下实现了缩短用户间的通信距离的目标。这样一来不仅可以显著提高传输效率还能有效结合大规模MIMO技术和分布式天线的特点。此外该方案还能够通过引入前向散射技术进一步优化信道传输质量并实现多接入点间的协作传输效果。这种协作机制不仅包括联合处理能力还包括波束赋型等技术手段的应用从而进一步提升了用户体验质量
2.2.3 解决通信 “最后一公里”问题
因为太赫兹信号在穿越大气以及雨雾等环境时会经历传播损耗显著增加的现象, 从而导致其在太赫兹频段的通信系统中覆盖范围有限. 然而, 由于其具备超宽频带与高速率特性的优势, 将太赫兹技术应用于解决通信"最后一公里"问题已经变得较为容易.
我们可以采用光纤通信介质进行信息传递，在随后应用光电转换技术实现有线至无线信号的转换，并将太赫兹频段的信号发送至终端用户。基于大规模MIMO技术原理，在太赫兹频谱范围内可同时获取高带宽与高传输效率的优势特性，在实际应用中能够实现端到端用户的全时空连续通信服务保障能力提升。其具体应用场景包括：在光纤线路中断情况下快速构建应急通信网络功能；在光纤架设受限区域（如山谷、河谷地带）实现远距离无线通信连接功能；以及针对"最后一公里"区域内的基站优化布局需求而设计的功能模块等
尽管大规模MIMO技术实现了低延迟性能、长距离传输和高精度通信的能力。然而，在实际应用中仍面临诸多技术难题亟待突破：例如需要进一步完善高频段大规模MIMO信道模型的研究、优化抗干扰条件下的预编码算法设计以及推动基于机器学习的动态波束赋型技术发展等关键领域的深入研究与技术创新将是未来大规模MIMO技术发展的重点方向。
2.3感通一体
从另一个角度来看，在系统架构以及信号处理方面二者存在诸多相似之处。然而伴随其 respective 发展需求——高速率及低延迟对于通信体系与高分辨率及低延迟对于感知体系——逐步显现其间的频谱交叉现象更加明显。由此可知发展太赫兹域下的感知通信一体化技术可被视为未来应用的重要方向之一
就感通融合程度而言,该一体化技术可将其划分为若干个阶段:首先,通过不同架构以及信号处理模块在功能层面实现融合;随后,借助统一的信号处理模块与多样化的硬件架构共同完成通感整合;最终,借助通用共口径器件实现了从硬件架构到信号处理过程中的全程优化.特别是在太赫兹频段通信与高分辨率感知深度融合领域,基于共口径器件的全程整合具有特殊重要意义.因为,将太赫兹波长与其所使用的器件尺寸进行比较后会发现,单个器件内的耦合效应以及器件间的耦合现象愈发显著且难以控制.这些现象导致了高群时延、低平坦度及低隔离度等问题严重削弱了高速通信信号与高分辨率感知信号的质量,从而对系统性能造成了不利影响.因此,基于全程整合设计系统硬件架构与优化方案能够提供有效的解决方案.
从感通融合的角度分析各类场景时，则可分为以下三个主要方向：第一类为通信辅助感知模式；第二类为感知辅助通信方案；第三类则实现了通感融合的一体化应用。在第一种模式中，通过将目标的信息发送至主感受器主体前进行提前预判，则能显著提升主感受器的工作范围及精确度；第二种模式则是基于对环境状态的预判进而完成信道资源的有效配置安排，在此过程中实现了信道质量的有效保障；第三种模式则集成了高精度实时感受与高速数据传输两大功能，在智能工厂建设、智能家居布置、人体健康监测以及无人驾驶技术开发等多个领域均展现出广阔的运用前景。
当前通感融合研究的主要关注点集中在一体化波形设计与共口径系统架构、硬件开发两个关键领域。在波形一体化设计方面，可以通过时分复用、频分复用、空分复用以及码分复用等多种方式实现信号的有效共享；同时还可以采用以感知为主导的旁瓣调制方法、以通信为导向的多子载波正交频分复用方案以及综合优化的感通联合设计策略来提升系统性能。对于通感融合系统的架构设计目前尚无统一的技术标准体系，在实际应用中需根据具体场景需求对硬件性能指标进行深入分析与优化设想。基于不同应用场景的需求分析与硬件优化设想，在满足高速信号收发隔离性能的同时还需要考虑通感信号间的严格隔离要求，并且要兼顾太赫兹频段下高达数十Gbps的数据传输速率需求以及皮秒量级群延时特性的要求。从这一角度来看，在满足高速通信与高精度感知能力的同时实现一体化共口径器件的设计目标是该领域研究的核心方向之一。此外还需要注意到的是，在太赫兹频段的空间尺度效应会导致各组件之间的耦合问题进而影响链路内的隔离度与群延时性能表现由此可知一体化波形设计与系统架构的高度协调性对于提高设备性能至关重要
2.4光电融合
如同太赫兹源的技术演进历程相似，在太赫兹通信的研究过程中也同时从固态倍频和光学拍频两个维度展开研究，并形成了全固态通信系统与微波光子学通信系统两种不同的技术路线。在带宽利用率和信号相位噪声方面，在全固态通信系统的基础上相比起来，在带宽利用率和信号相位噪声方面表现更为突出。
从整体来看，微波光子系统主要由两部分构成：光学链路和无线链路。如图6所示，在光学链路中完成的是已调太赫兹载波的产生过程。通过调制单一激光器输出的光信号，并利用光耦合器等设备使两路不同频率的激光信号实现线性叠加后送入光电探测器进行拍频处理。在此过程中实现了已调太赫兹载波的有效生成。至于无线链路中的载波放大与发射处理，则可采用独立激光器分别驱动两路信号的方式完成；若采用光频梳技术，则能在一台激光器上生成多条不同频率的连续激光脉冲序列从而实现对太赫兹载波的有效放大与发射处理。在系统架构设计中这些技术手段能够充分发挥其独特的优势并为整个系统的高效运行提供有力保障
图6典型微波光子学系统架构
Fig.6 Typical microwave photonics system architecture
随着光电探测器技术和数字信号处理的进步
另一方面，在硅光芯片与铌酸锂薄膜材料等技术迅速发展的推动下，集成化微波光子学芯片已取得显著进展。具体而言，在该领域表现突出的研究机构包括：首先，在硅谷地区，美国加州大学于2016年成功设计并制作了一款具有创新性的8×8×40Gbps（即达到约 ） 的 硅 基 集 成 芯 片 。与此同时，在华为公司的技术研发团队下，则实现了 42 × ？ Gbps （即约 ） 的 硅 基 芯 片 制 作 工 作 。随后，在日本方面，在基于 40nm 工艺的基础上开发出了单平方厘米可达 1.2 Tbps 的 芯 片 。而英特尔公司在该领域则展现了更强的技术实力——在 年底 ，该公司成功研发出具有高达 1.6 Tbps 数据传输速率的 硅 基 集 成 微 波 光 子 学 芯 片 。
近年来，微波光子学系统的演进逐渐展现出更广阔的前景与应用空间。一方面，在光纤通信领域中占据主导地位的高带宽特性得以进一步强化与优化；另一方面，则通过长波长特性实现了无线收发功能的突破性进展。这种架构设计不仅有效解决了光纤通信大规模接入、高速入网以及最后一公里传输等问题，在硬件技术发展方面也面临着更高的要求。具体而言，则聚焦于光电转换的关键器件——单行载流子光电二极管（UTC-PD）。受限于其实现机制的物理特性限制了其转换效率，并不可避免地造成了系统的性能劣化。这种困境促使研究者们转向链路中加入太赫兹放大器的方式，并结合多种信号处理算法来补偿非实时性问题。经过这一系列改进后，在实际应用中已实现了超过百米的传输距离，在满足现有需求的同时仍面临日益增长的应用需求无法满足的情况。由此可以看出，在光电结合通信领域中寻求新型光电转化器件与创新微波光子学系统架构的发展方向已成为当务之急
2.5极化，频分等复杂复用系统
通过多种技术实现... 是当前提升通信系统频谱利用率、数据传输速率和通信容量的重要手段。现有的大规模频分复用... 等核心技术均能够实现... 在系统中相互搭配的方式。目前采用... 的架构作为..., 包括MIMO和极化复用、频分复用（波分复用）以及各类调制技术和相关联的技术, 将上述各项核心技术整合在一起构建而成的复杂通信网络架构, 并将这些复杂的复合系统案例列举在表2中
表2 部分复杂复用系统展示
Table 2 Display of some complex multiplexing systems
在目前现有的复杂系统中，其通信速率通常超过100Gbps，在某些情况下甚至达到1Tbps的水平，并能够实现低误码率下的高质量通信。借助MIMO技术能够高效利用信号频谱效率和能量效率；通过极化复用技术使信号得以互不干扰地传输从而提升信号传输质量；采用频分复用技术生成多信道进行数据传输能够通过多通道共同传输弥补单一通道传输速率不足的问题。然而当前现有的复杂系统通信距离仍然无法满足实际无线通信的需求其相关指标只能在实验室等较为理想的环境下获得利用大规模MIMO技术和大规模频分复用技术应用于现有系统仍不够成熟未来则应沿着深度融合多种复用技术和调制技术的道路朝着提高传输速率至Tbps提升传输距离降低误码率等方向推进新架构的创新与突破
3总结
太赫兹通信作为一种备受瞩目的新一代高速通信技术，在移动通信、空间通信等前沿领域中发挥着越来越重要的作用。目前而言, 太赫兹通信技术正处于关键技术攻关阶段, 并面临着诸多技术挑战. 预期在未来, 要实现该技术在大规模应用中的落地生根并形成完整的产业化市场, 必须先实现相关关键技术研发与突破. 当前阶段, 太赫兹射频前端器件主要以基于肖特基二极管基底芯片的分立器件为主导, 随着InP、GaAs等化合物半导体工艺的持续发展以及我国硅基工艺水平的不断提升, 高性能与高可靠性并存的多工艺集成电路芯片技术将成为推动该领域发展的基石. 此外, 在各类大规模复用与调制技术逐渐成熟的情况下, 基于芯片技术研发的应用系统也将向着大规模MIMO 技术与多种复用方式相结合的方向发展, 并逐步向感通一体技术和光电融合方向延伸. 这些发展方向将为提升该技术的整体传输速率与覆盖范围提供相应的技术支持与研究思路。