专栏：太赫兹通信技术设计、实现与应用2024(12)
太赫兹通信是 6G 无线通信中重要潜在技术，也是高速无线通信领域的新型技术手段，可应用于卫星通信、空间通信、地面局域网等多种场景。为进一步促进太赫兹通信技术的新理论、新技术和新方法的涌现，我们推出“太赫兹通信技术设计、实现与应用”专题栏目，为广大读者介绍该领域最新的设计技术、实现方法和应用手段，助力太赫兹通信技术的创新发展。
本次专栏吸引了众多太赫兹专家学者的踊跃投稿，稿件数量多，质量高，代表了国内太赫兹通信技术领域的顶尖水平。通过精选出版的专栏稿件内容非常丰富，包括：太赫兹通信系统设计与实现、太赫兹通信核心器件及模块、太赫兹通信算法以及整形技术在太赫兹系统的新应用等。
本次专栏的出版，离不开各位组稿专家、审稿专家、编辑部的领导和编辑同志的大力支持和辛苦付出，希望凭借本次专栏，推动我国太赫兹通信技术领域新成果、新方法和新应用的演进。通过太赫兹技术的助力，让中国 6G 通信的发展：更高、更快、更安全！
本期专栏主编：汪春霆 宋瑞良
本期专栏编委：邓贤进 杨 凯 吴 静 梁士雄 姚 远
专栏主编简介：
汪春霆，《太赫兹科学与电子信息学报》第六届编委会委员，中国卫星网络集团有限公司科技委副主任、技术指挥系统高级副总设计师，研究员，主要从事卫星通信技术研究工作，获得国家科技进步一等奖，国防科技进步一等奖，河北省科技进步一等奖，通信学会科技进步一等奖等奖项。工信部通信科技委常委，国务院特贴专家，十四五科技部重点研发计划“多模态网络与通信”专项总体专家组专家，国家第六代移动通信(6G)技术研发总体专家组专家。中国电子学会会士，中国通信学会卫星通信专业委员会副主任委员，中国宇航学会卫星应用专业委员会委员。
宋瑞良，《太赫兹科学与电子信息学报》第二届青年编委会委员，中国电子科技集团公司第五十四研究所北京研发中心主任，博士，正高级工程师，主要研究方向为毫米波及太赫兹通信系统、毫米波射频电路。主持和承担了科技部等多项毫米波及太赫兹课题，发表论文 30 余篇，授权专利 10 余项，获省部级科技进步奖 2 项，国防科技进步奖 1 项。
太赫兹通信由于具有极大的带宽已成为当前的研究热点，在太赫兹系统中进一步提升系统容量也成为了值得探究的问题。本文利用混合概率和几何整形(PGS)的方案对全电子元件构成的太赫兹系统进行优化，使用成对优化(PO)算法对完成概率整形(PS)后的16阶正交幅度调制(PS-16QAM)的星座点进行位置调整，获得所需的混合概率和几何整形的16阶正交振幅调制(PGS-16QAM)信号。通过测试PS-16QAM、几何整形后的16阶正交幅度调制(GS-16QAM)和PGS-16QAM在不同净速率下对16QAM的优化，验证了混合PGS具有最佳的优化效果。实验证明，当无线传输距离设置为2 m、NGMI阈值设置为0.92时，PGS-16QAM相较于传统的16QAM、PS-16QAM和GS-16QAM，净传输速率分别提升了15.6%、11.8%和3.8%，
海面舰艇间及舰艇与飞行器间存在大容量、抗干扰安全可靠传输需求，太赫兹频段频率高，带宽大，是大容量传输和抗干扰通信的优良手段。针对海上太赫兹通信的特点，分析了我国海面上太赫兹波受水汽衰减的影响；在链路预算与传播可靠度计算的基础上，设计了一套海上太赫兹通信系统，并经过150 m水上实测。在误码率满足2×10-8的情况下，速率可达520 Mbps，验证了系统的可行性。
为满足传输速率不断提高的要求，未来的通信技术自然会向更高的载波频率发展，太赫兹通信技术成为其实现的一种可能。针对太赫兹通信系统零中频在大带宽背景下存在的I/Q不平衡问题，构建了太赫兹零中频架构下的I/Q不平衡损伤模型，完成了对应窄带和宽带场景下的算法推导和补偿架构设计；针对宽带场景，通过改进代价函数提升算法性能。仿真结果表明，提出算法相较于统计量的算法，均方误差(MSE)提升15 dB。在220 GHz零中频通信系统实验中，提出的窄带算法MSE提升了7 dB，宽带算法在此基础上提升了1 dB。
传统太赫兹倍频源多采用混合集成电路的实现方式，导致太赫兹倍频源存在体积大、封装损耗高、稳定性差等问题。采用栅长2×25 μm的磷化铟(InP)基高电子迁移率晶体管(HEMT)有源器件，利用先进系统设计(ADS)原理仿真和电磁仿真(EM)联合仿真分析的方法设计了一款全单片集成的D波段倍频源。该倍频源采用倍频＋放大的形式设计实现，其中第一级为二倍频电路，第二级采用放大电路。在132~154 GHz范围内，当输入功率为4.5 dBm时，输出功率大于6 dBm，基波抑制比优于31 dBc，三次谐波抑制比优于36 dBc，最大输出功率为9 dBm@144 GHz，对应的变频增益为4.5 dB，该倍频源的芯片面积约为3.1 mm×1.3 mm。该设计为全单片集成的太赫兹源和实现小型化太赫兹源提供了新的选项。
太赫兹波在电磁波谱中处于独特位置，具有高频率、高带宽和高穿透性等特点，在通信、雷达、成像、传感、安检等领域具有广泛的应用前景。倍频器和混频器等变频器件是固态太赫兹系统的关键组成部分。肖特基二极管具有寄生参数低，工艺简单，易于集成等优点，其工作频率已覆盖了整个太赫兹频段。基于肖特基二极管变频器件具有室温工作、频带宽、电子可调性、相位噪声低和灵敏度高等特点，已成为太赫兹收发链路的主流器件。本文综述了近年来肖特基二极管技术的发展，包括其结构和制备方法。此外，还介绍了基于肖特基二极管的倍频器和混频器现状，并对未来的发展趋势进行了探讨。
太赫兹通信是6G时代无线移动通信重要发展方向之一，具有大带宽、低延时的特点，适用于高速无线回传、卫星通信等多种应用场景。本文设计了一款基于中频频率合成的D波段(110~170 GHz)无线通信系统，通过合成n路带宽为2 GHz的中频频率，实现总带宽为(n×2) GHz的D波段宽带无线通信，从而实现超过100 Gbps的传输速率。为验证系统可行性，对所设计的n路通信系统进行了1/n缩比验证，结果表明，利用2 GHz的D波段信道带宽，可实现最高128正交幅度调制(QAM)下11.2 Gbps的空口传输速率以及9.4 Gbps业务传输速率，证明了仅使用一套D波段射频前端的n路中频频率合成系统架构能够低成本地实现D波段宽带高速无线通信。
