太赫茲(Terahertz 或者 THz)波段可以定義為 0.3 THz～3 THz 的電磁波。從頻率上看，太赫茲波段處于微波與光波之間，被稱為“太赫茲間隙”(THz Gap)。然而，近年來的一系列研究表明，正是在這個間隙，存在著巨大的開發(fā)潛力和應(yīng)用價值。它可以廣泛地應(yīng)用于爆炸物檢測、藥品檢測、成像、雷達和無線寬帶通信。在典型的太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中，主要包括 3 個部分：太赫茲波源、太赫茲傳輸以及輻射、太赫茲探測。隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲天線技術(shù)也會進一步得到發(fā)展。目前通信系統(tǒng)的工作頻率正在由毫米波向亞毫米波及太赫茲領(lǐng)域發(fā)展，這些系統(tǒng)要求高增益、高效率天線以提高空間或角度分辨率，而傳統(tǒng)的天線系統(tǒng)存在一定的局限性，利用波束賦形技術(shù)可以拓展太赫茲的應(yīng)用場景。

一、波束賦形的概念

1、基本概念

波束賦形又叫波束成型或波束形成（beamforming）。無線電信號發(fā)射時，通過波束賦形能夠?qū)l(fā)射能量集中在特定方向上，可以使得某個方向的發(fā)射功率增大而其他方向上的發(fā)射功率接近于零，從而達到擴展期望方向的通信距離和避免對其它方向造成干擾的目的。顯然，在總發(fā)射功率相同的條件下，定向傳輸比全向傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x更遠。在超高速無線網(wǎng)絡(luò)中，采用高精度的波束賦形能夠有效地補償毫米波和太赫茲信號的高路徑衰減，還可以提供空分復用的可能性。波束賦形方法通常在超高速無線網(wǎng)中采用，其目的是讓兩個節(jié)點從定向無序狀態(tài)到相互定向狀態(tài)。

為更好的理解波束賦形，我們首先來了解一下什么是波束。光波也是電磁波，可以借助于光波我們可以更好的理解波束。如圖1所示，定向天線發(fā)出的波束好比是手電筒發(fā)出的一束光線，而全向天線發(fā)出的電磁波信號就好比是燈泡一樣照亮四面八方。在不考慮信號反射的情況下，采用定向天線的收發(fā)設(shè)備，需要將波束相互對準才能進行數(shù)據(jù)通信。

圖1 波束示意圖（原圖來自網(wǎng)絡(luò)）

波束賦形是自適應(yīng)陣列智能天線的一種實現(xiàn)方式，是一種在多個陣元組成的天線陣列上實現(xiàn)的數(shù)字信號處理技術(shù)。波束賦形的目標是根據(jù)系統(tǒng)性能指標，形成對信號的最佳組合或者分配。具體地說，其主要任務(wù)是補償無線傳播過程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號衰落與失真，同時降低同信道用戶間的干擾。因此，首先需要建立系統(tǒng)模型，描述系統(tǒng)中各處的信號，而后才可能根據(jù)系統(tǒng)性能要求，將信號的組合或分配表述為一個數(shù)學問題，尋求其最優(yōu)解。

2、例子：802.15.3c和802.11.ad波束賦形

目前較為成熟的毫米波波束賦形有基于碼本的802.15.3c和802.11.ad波束賦形技術(shù)。碼本可以理解為一個矩陣，碼本中的每一列代表波束成形的權(quán)重向量，每一列就是一個模式。原始信號經(jīng)過基帶信號處理之后變頻到射頻帶，射頻帶的信號根據(jù)發(fā)送權(quán)重向量進行相移操作然后發(fā)送。接收到的射頻信號根據(jù)接收權(quán)重向量進行相移操作然后變頻到基帶。不同的碼本對應(yīng)了不同的相移，也對應(yīng)了不同的波束寬度。

802.15.3波束賦形過程為三個階段：準全向級別的波束賦形、扇區(qū)級別的波束賦形、波束級別的波束賦形。三個階段對應(yīng)不同的波束賦形區(qū)域。三個階段的定向增益依次增大，而覆蓋范圍依次減小，通過這種從寬到窄的波束搜索方式，尋找到最佳波束，如圖2中的（b）（c）（d）圖分布就表示了波束賦范圍逐漸變窄的過程。

802.11.ad波束賦形過程分為兩個階段：扇區(qū)級搜索階段、波束優(yōu)化協(xié)議階段。與802.15.3c波束賦形的方法類似，這兩個階段的波束賦形的范圍也是依次減小，任何階段的波束賦形都必須在前一階段波束成形完成后才能進行，但是與802.15.3c波束賦形方法不同的是，802.11ad波束賦形方法在找最佳波束的時候采用的是定向發(fā)送、全向接收的方式。而802.15.3c波束賦形方法在找最佳波束的時候采用的定向發(fā)送、定向接收的方式。

圖2 波束賦形示意圖（原圖來自網(wǎng)絡(luò)）

二、太赫茲波束賦形

1、面臨問題

太赫茲波束賦形方案設(shè)計所面臨的問題本質(zhì)上與傳統(tǒng)的毫米波系統(tǒng)的問題類似，均是要尋找最佳波束賦，但問題卻因為太赫茲波更高的頻率而放大。太赫茲頻率比毫米波頻率更高，因而波束也窄的多。太赫茲波束賦形方法采用60GHz的分階段由寬至窄進行迭代的波束賦形方法是不合適的，太赫茲波束賦形方法只能遍歷每個波束，由此帶了n×n的時間復雜度，如何進行高效而準確的波束對準，是一個亟待解決的問題。

2、解決問題的思路

（1）根據(jù)特定賦形場景進行優(yōu)化

目前對上面問題解決方法，主要的思路是針對不同的太赫茲波束賦形場景進行優(yōu)化，如參考文獻[4]中提到的，路邊太赫茲通信基站與高速運行的高鐵進行通信的場景，如下圖3所示，該方法提供的思路是，通過提前獲知高鐵運行的軌跡和時段，路邊基站的太赫茲波束提前照射在列車可能出現(xiàn)的位置，由此進行快速的波束賦形，而列車車廂間的固定天線的波束賦形則采用傳統(tǒng)的遍歷式波束賦形，因為收發(fā)天線均是固定的，所以在收發(fā)天線完成了一次波束賦形后，可在此基礎(chǔ)上進行持續(xù)的進行數(shù)據(jù)傳輸，無須進行波束賦形，只有當信道質(zhì)量變差時再進行新的波束賦形。

圖3 太赫茲應(yīng)用于高鐵場景[4]

（2）采用帶外信令的方式進行快速波束對準

另外的一種思路如參考文獻[5]提到的采用帶外信令的方式進行快速波束對準，設(shè)備需要配備高頻（太赫茲）和低頻（2.4/5GHz）兩套收發(fā)機如下圖4所示，在收發(fā)設(shè)備進行太赫茲波束賦形前，先通過低頻段的信息交互和信道掃描預知彼此的位置信息，收發(fā)設(shè)備再利用位置信息上進行彼此太赫茲波束賦形，由于提前獲知了設(shè)備的位置信息，能提高太赫茲波束賦形的成功率，也能提高波束賦形的效率。

圖4 雙信道收發(fā)機[5]

（3）協(xié)同波束賦形訓練

波束賦形技術(shù)與傳統(tǒng)的天線技術(shù)有所不同，盡管波束賦形算法的基本原理是相通的，但是并沒有統(tǒng)一的算法能使一套設(shè)計完全適用于所有的要求。但波束賦形算法的靈活性正是在于基本原理可以適應(yīng)不同的設(shè)計要求。文獻[6]提出了一種適用于太赫茲的多分辨率延時碼本，在此基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)的波速賦形算法，然后根據(jù)此算法提出了分層波束成形訓練策略，可以同時搜索多個用戶以獲得最佳的波束。其碼本和算法的設(shè)計思路是在太赫茲系統(tǒng)中引入了延時移相器，基于時間延遲集，通過不同子陣列之間的物理波束自適應(yīng)獲得一個碼本，并且在該碼本的基礎(chǔ)上根據(jù)不同的波束賦形結(jié)果進行優(yōu)化進而動態(tài)的獲得的性能更優(yōu)的碼本。

（4）其它

在上面的討論中，重點針對太赫茲波束賦形的特殊性介紹了解決思路和方法。太赫茲MIMO系統(tǒng)和波束賦形的其它一些方法，限于篇幅不再贅述，可見參考文獻[8-15]。

3、太赫茲波束賦形的實現(xiàn)

由于太赫茲波的高損耗的特性，高指向性，可操控性強的定向天線是太赫茲波束賦形的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的微波通信系統(tǒng)的傳輸器件主要包括各種波導與同軸線，以及振子天線、喇叭天線、微帶天線和反射面天線為主的各類天線形式。光學系統(tǒng)中，光波的傳播可以通過自由空間或光纖進行傳播，利用鏡面進行光束的調(diào)整。對于太赫茲系統(tǒng)來說，由于該波段的頻率相對微波較高，因此傳統(tǒng)的波導與同軸線的損耗因子過大。微帶傳輸線的介質(zhì)損耗和腔體波導及同軸線的金屬壁損耗都使得它們在太赫茲頻率段的應(yīng)用受到很大的局限。

三、實驗系統(tǒng)

文獻[7]提出了利用角度功率譜的相關(guān)性對太赫茲信號到達角進行測量的測量算法，該文獻提供的方法是在首先利用超寬帶（5GHz-13GHz）對信號源的位置進行初判，然后再利用該位置信息，讓天線對準該方向進行監(jiān)聽，以此來快速確定信號到達角。該文獻通過對不同頻段（5GHz-13GHz Hz、60GHz、300Ghz）的信號角度功率譜進行了實際測試，測試平臺系統(tǒng)如圖5所示，將信號發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備放置在兩個可控制的旋轉(zhuǎn)單元上，使收發(fā)設(shè)備在水平面上旋轉(zhuǎn)，并讓天線主瓣方向掃描的入射角和發(fā)射角的盡可能的進行組合，以便記錄傳播路徑的空間分布。

圖6表示了對不同頻率進行試驗采集到的角度功率譜，角度功率譜的局部最大值是可能的傳播路徑，也就是圖中黃色部分。從圖中可以看出采用了超寬帶（5GHz-13GHz）角度功率譜局部最大值的角度范圍是包含了300Ghz的角度功率譜的局部最大值的。也就是說，先通過超寬帶對到達角的粗步判斷，然后在該基礎(chǔ)上進行300Ghz的到達角判斷是完全可行的。

對比(a)圖和（b）圖我們可以看出太赫茲和60GHz的傳播路徑的區(qū)別，之所以60Ghz的傳播路徑要比太赫茲的傳播路徑多，是因為60GHz的波束是存在信號強度較強的旁瓣的，因此旁瓣與主瓣也能形成傳播路徑，然而由于太赫茲的高頻特性，旁瓣會小很多，則無法與主瓣形成有效的傳輸路徑。這也說明太赫茲的波束賦形方式不能采用60Ghz分階段進行波束賦形的原因：波束窄，要形成有效的傳播路徑只能進行波束的對準。

圖6 功率角度測試平臺測試結(jié)果[7]

文獻[8]描述了一個用于275至325 GHz相控陣通信的測試平臺。該系統(tǒng)具有4個通道的收發(fā)信機，考慮的室內(nèi)距離為5米。圖[7]是該系統(tǒng)的原理框圖。圖[8]所示是開發(fā)的模塊化4通道300 GHz 發(fā)射機前端，4通道接收機前端與發(fā)射機前端的外觀相同，外形尺寸為145 x 90 x 40 mm。

圖7 300 GHz RX/TX相控陣試驗臺框圖[8]

圖[9]所示是單接收通道在4Gbaud下的累積星座圖和EVM。調(diào)制方式為16QAM。每幅圖中累積了4096個符號的100個星座圖。從圖中可見，當通道數(shù)從1增加到4時，rms-EVM （root mean square error vector magnitude )從21.7%改善到13.5%。

圖9測量的累積星座圖和EVM[8]

四、應(yīng)用前景

隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提升，目前研制的太赫茲源、檢測器等關(guān)鍵器件的性能指標已逐步具備滿足安檢成像等近距應(yīng)用要求的條件。將太赫茲波束賦形探測技術(shù)應(yīng)用于公共安全檢測，具有如下優(yōu)勢：1、太赫茲波具有穿透包裝盒、衣服、書包、紙板、陶瓷、塑料等非極性物質(zhì)與保持一定高分辨力的雙重特性，可以實現(xiàn)對人員攜帶的隱藏物品進行穿透衣物探測和高分辨力成像識別；2、按照目前的太赫茲源功率水平和探測靈敏度，已基本可實現(xiàn)在20m以外的距離對目標攜帶的隱藏物品實現(xiàn)站開式檢測，未來這個距離甚至可以達到百米量級，這種非接觸式的探測可在爆破半徑范圍外提供早期的威脅預警；3、與X射線相比，太赫茲光子能量低，在1meV量級，遠小于人體皮膚的電離能，不會對人體產(chǎn)生電離損傷，而且太赫茲安檢輻射功率在1mW量級，是手機輻射的千分之一，遠低于人體安全閾值，不會對操作者或被檢查者造成危害。

太赫茲雷達是太赫茲波應(yīng)用研究中最重要的研究方向之一，相比于常規(guī)雷達，太赫茲雷達具有頻率高、帶寬寬、波束窄的特點，這些特點賦予了太赫茲雷達巨大的應(yīng)用潛力。太赫茲雷達可搭載于飛艇或衛(wèi)星用于對臨近空間高超聲速目標的探測，穿透等離子體對目標本體遠距離成像，獲取信息是高分辨本體像。天基太赫茲雷達能夠近距離探測空間碎片并進行成像，得到其類型和軌道信息，從而為航天器的安全提供保障。太赫茲雷達在引信與末制導領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景：測角和測距精度高，引導信息更加精準；具備近距離快速成像和微多普勒測量能力，支持目標及其部位識別；功率小、大氣衰減嚴重，因此天然具備抗干擾能力；對沙塵煙霧有穿透性，優(yōu)于激光制導。

與微波通信相比，太赫茲波束方向性好，但在大氣中傳播時衰減較大；而在外層空間，太赫茲波可以無損耗的傳輸，用很小的功率就可實現(xiàn)遠距離通信，而且相對于光通信來說，其波束較寬容易對準，量子噪聲較低，天線系統(tǒng)可以實現(xiàn)小型化、平面化。因此，太赫茲頻段可以廣泛應(yīng)用于太空通信中。不僅如此，太赫茲通信還可以實現(xiàn)超高速有線網(wǎng)絡(luò)(如光纖網(wǎng)絡(luò))和短距離的無線個人設(shè)備(如筆記本電腦、桌面設(shè)備等)的無縫連接，這將促進超寬帶視頻業(yè)務(wù)在室內(nèi)移動、靜止等場景中的應(yīng)用。此外，太比特無線局域網(wǎng)還可以應(yīng)用于一些特定的場景，如高清全息視頻會議和無線數(shù)據(jù)中心，進行超高速數(shù)據(jù)分發(fā)等。在文獻[16],將太赫茲頻段在無線通信中的應(yīng)用劃分為宏觀大尺度應(yīng)用和納米尺度應(yīng)用,分別見圖[10]和圖[11]。應(yīng)用于太赫茲納米通信的多天線技術(shù)研究可見文獻[14][15].

五、結(jié)束語

就國內(nèi)外的發(fā)展來看，太赫茲技術(shù)的研究已經(jīng)被高度重視，國內(nèi)外都有許多新的研究成果，而且目前國內(nèi)外的研究者和組織都注重幾個方面的研究：一是更為穩(wěn)定的太赫茲波發(fā)射源，二是傳輸控制和調(diào)制方式，三是信號的探測和接收技術(shù)，四是太赫茲波傳輸穩(wěn)定性。這四個研究方向?qū)τ谔掌澕夹g(shù)的發(fā)展來說都有實際的影響意義，無論是民用通信、軍事通信還是空間通信領(lǐng)域都有著更為實際的應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅