太赫茲波束賦形的基本概念和應(yīng)用場景

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(dá)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(jìn)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(dá)到擴(kuò)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(yuǎn)。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(bǔ)償毫米波和太赫茲信號的高路徑衰減，還可以提供空分復(fù)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(zhǔn)才能進(jìn)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(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，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(bǔ)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(xué)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(fù)雜度，如何進(jìn)行高效而準(zhǔn)確的波束對準(zhǔn)，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(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，如參考文獻(xiàn)[4]中提到的，路邊太赫茲通信基站與高速運(yùn)行的高鐵進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行持續(xù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無須進(jìn)行波束賦形，只有當(dāng)信道質(zhì)量變差時再進(jìn)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(jìn)行快速波束對準(zhǔn)

另外的一種思路如參考文獻(xiàn)[5]提到的采用帶外信令的方式進(jìn)行快速波束對準(zhǔn)，設(shè)備需要配備高頻（太赫茲）和低頻（2.4/5GHz）兩套收發(fā)機(jī)如下圖4所示，在收發(fā)設(shè)備進(jìn)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(yù)知彼此的位置信息，收發(fā)設(shè)備再利用位置信息上進(jìn)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(jī)[5]

（3）協(xié)同波束賦形訓(xùn)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(xiàn)[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(xùn)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(jìn)行優(yōu)化進(jìn)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(xiàn)[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(qiáng)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(dǎo)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(xué)系統(tǒng)中，光波的傳播可以通過自由空間或光纖進(jìn)行傳播，利用鏡面進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)[7]提出了利用角度功率譜的相關(guān)性對太赫茲信號到達(dá)角進(jìn)行測量的測量算法，該文獻(xiàn)提供的方法是在首先利用超寬帶（5GHz-13GHz）對信號源的位置進(jìn)行初判，然后再利用該位置信息，讓天線對準(zhǔn)該方向進(jìn)行監(jiān)聽，以此來快速確定信號到達(dá)角。該文獻(xiàn)通過對不同頻段（5GHz-13GHz Hz、60GHz、300Ghz）的信號角度功率譜進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)角的粗步判斷，然后在該基礎(chǔ)上進(jìn)行300Ghz的到達(dá)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(qiáng)度較強(qiáng)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(jìn)行波束賦形的原因：波束窄，要形成有效的傳播路徑只能進(jìn)行波束的對準(zhǔn)。

圖6 功率角度測試平臺測試結(jié)果[7]

文獻(xiàn)[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(jī)，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(jī)前端，4通道接收機(jī)前端與發(fā)射機(jī)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(dāng)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(biāo)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(jìn)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(biāo)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(dá)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(yù)警；3、與X射線相比，太赫茲光子能量低，在1meV量級，遠(yuǎn)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(jī)輻射的千分之一，遠(yuǎn)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(dá)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(dá)，太赫茲雷達(dá)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(dá)巨大的應(yīng)用潛力。太赫茲雷達(dá)可搭載于飛艇或衛(wèi)星用于對臨近空間高超聲速目標(biāo)的探測，穿透等離子體對目標(biāo)本體遠(yuǎn)距離成像，獲取信息是高分辨本體像。天基太赫茲雷達(dá)能夠近距離探測空間碎片并進(jìn)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(dá)在引信與末制導(dǎo)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景：測角和測距精度高，引導(dǎo)信息更加精準(zhǔn)；具備近距離快速成像和微多普勒測量能力，支持目標(biāo)及其部位識別；功率小、大氣衰減嚴(yán)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(dǎo)。

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(yuǎn)距離通信，而且相對于光通信來說，其波束較寬容易對準(zhǔn)，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(jìn)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?zé)o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(jìn)行超高速數(shù)據(jù)分發(fā)等。在文獻(xiàn)[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(xiàn)[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