太赫兹波束赋形的基本概念和应用场景

太赫兹(Terahertz 或者 THz)波段可以定义为 0.3 THz～3 THz 的电磁波。从频率上看，太赫兹波段处于微波与光波之间，被称为“太赫兹间隙”(THz Gap)。然而，近年来的一系列研究表明，正是在这个间隙，存在着巨大的开发潜力和应用价值。它可以广泛地应用于爆炸物检测、药品检测、成像、雷达和无线宽带通信。在典型的太赫兹应用系统中，主要包括 3 个部分：太赫兹波源、太赫兹传输以及辐射、太赫兹探测。随着太赫兹技术的不断发展，太赫兹天线技术也会进一步得到发展。目前通信系统的工作频率正在由毫米波向亚毫米波及太赫兹领域发展，这些系统要求高增益、高效率天线以提高空间或角度分辨率，而传统的天线系统存在一定的局限性，利用波束赋形技术可以拓展太赫兹的应用场景。

一、波束赋形的概念

1、基本概念

波束赋形又叫波束成型或波束形成（beamforming）。无线电信号发射时，通过波束赋形能够将发射能量集中在特定方向上，可以使得某个方向的发射功率增大而其他方向上的发射功率接近于零，从而达到扩展期望方向的通信距离和避免对其它方向造成干扰的目的。显然，在总发射功率相同的条件下，定向传输比全向传输的通信距离更远。在超高速无线网络中，采用高精度的波束赋形能够有效地补偿毫米波和太赫兹信号的高路径衰减，还可以提供空分复用的可能性。波束赋形方法通常在超高速无线网中采用，其目的是让两个节点从定向无序状态到相互定向状态。

为更好的理解波束赋形，我们首先来了解一下什么是波束。光波也是电磁波，可以借助于光波我们可以更好的理解波束。如图1所示，定向天线发出的波束好比是手电筒发出的一束光线，而全向天线发出的电磁波信号就好比是灯泡一样照亮四面八方。在不考虑信号反射的情况下，采用定向天线的收发设备，需要将波束相互对准才能进行数据通信。

图1 波束示意图（原图来自网络）

波束赋形是自适应阵列智能天线的一种实现方式，是一种在多个阵元组成的天线阵列上实现的数字信号处理技术。波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对信号的最佳组合或者分配。具体地说，其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间的干扰。因此，首先需要建立系统模型，描述系统中各处的信号，而后才可能根据系统性能要求，将信号的组合或分配表述为一个数学问题，寻求其最优解。

2、例子：802.15.3c和802.11.ad波束赋形

目前较为成熟的毫米波波束赋形有基于码本的802.15.3c和802.11.ad波束赋形技术。码本可以理解为一个矩阵，码本中的每一列代表波束成形的权重向量，每一列就是一个模式。原始信号经过基带信号处理之后变频到射频带，射频带的信号根据发送权重向量进行相移操作然后发送。接收到的射频信号根据接收权重向量进行相移操作然后变频到基带。不同的码本对应了不同的相移，也对应了不同的波束宽度。

802.15.3波束赋形过程为三个阶段：准全向级别的波束赋形、扇区级别的波束赋形、波束级别的波束赋形。三个阶段对应不同的波束赋形区域。三个阶段的定向增益依次增大，而覆盖范围依次减小，通过这种从宽到窄的波束搜索方式，寻找到最佳波束，如图2中的（b）（c）（d）图分布就表示了波束赋范围逐渐变窄的过程。

802.11.ad波束赋形过程分为两个阶段：扇区级搜索阶段、波束优化协议阶段。与802.15.3c波束赋形的方法类似，这两个阶段的波束赋形的范围也是依次减小，任何阶段的波束赋形都必须在前一阶段波束成形完成后才能进行，但是与802.15.3c波束赋形方法不同的是，802.11ad波束赋形方法在找最佳波束的时候采用的是定向发送、全向接收的方式。而802.15.3c波束赋形方法在找最佳波束的时候采用的定向发送、定向接收的方式。

图2 波束赋形示意图（原图来自网络）

二、太赫兹波束赋形

1、面临问题

太赫兹波束赋形方案设计所面临的问题本质上与传统的毫米波系统的问题类似，均是要寻找最佳波束赋，但问题却因为太赫兹波更高的频率而放大。太赫兹频率比毫米波频率更高，因而波束也窄的多。太赫兹波束赋形方法采用60GHz的分阶段由宽至窄进行迭代的波束赋形方法是不合适的，太赫兹波束赋形方法只能遍历每个波束，由此带了n×n的时间复杂度，如何进行高效而准确的波束对准，是一个亟待解决的问题。

2、解决问题的思路

（1）根据特定赋形场景进行优化

目前对上面问题解决方法，主要的思路是针对不同的太赫兹波束赋形场景进行优化，如参考文献[4]中提到的，路边太赫兹通信基站与高速运行的高铁进行通信的场景，如下图3所示，该方法提供的思路是，通过提前获知高铁运行的轨迹和时段，路边基站的太赫兹波束提前照射在列车可能出现的位置，由此进行快速的波束赋形，而列车车厢间的固定天线的波束赋形则采用传统的遍历式波束赋形，因为收发天线均是固定的，所以在收发天线完成了一次波束赋形后，可在此基础上进行持续的进行数据传输，无须进行波束赋形，只有当信道质量变差时再进行新的波束赋形。

图3 太赫兹应用于高铁场景[4]

（2）采用带外信令的方式进行快速波束对准

另外的一种思路如参考文献[5]提到的采用带外信令的方式进行快速波束对准，设备需要配备高频（太赫兹）和低频（2.4/5GHz）两套收发机如下图4所示，在收发设备进行太赫兹波束赋形前，先通过低频段的信息交互和信道扫描预知彼此的位置信息，收发设备再利用位置信息上进行彼此太赫兹波束赋形，由于提前获知了设备的位置信息，能提高太赫兹波束赋形的成功率，也能提高波束赋形的效率。

图4 双信道收发机[5]

（3）协同波束赋形训练

波束赋形技术与传统的天线技术有所不同，尽管波束赋形算法的基本原理是相通的，但是并没有统一的算法能使一套设计完全适用于所有的要求。但波束赋形算法的灵活性正是在于基本原理可以适应不同的设计要求。文献[6]提出了一种适用于太赫兹的多分辨率延时码本，在此基础上提出了一种自适应的波速赋形算法，然后根据此算法提出了分层波束成形训练策略，可以同时搜索多个用户以获得最佳的波束。其码本和算法的设计思路是在太赫兹系统中引入了延时移相器，基于时间延迟集，通过不同子阵列之间的物理波束自适应获得一个码本，并且在该码本的基础上根据不同的波束赋形结果进行优化进而动态的获得的性能更优的码本。

（4）其它

在上面的讨论中，重点针对太赫兹波束赋形的特殊性介绍了解决思路和方法。太赫兹MIMO系统和波束赋形的其它一些方法，限于篇幅不再赘述，可见参考文献[8-15]。

3、太赫兹波束赋形的实现

由于太赫兹波的高损耗的特性，高指向性，可操控性强的定向天线是太赫兹波束赋形的关键。传统的微波通信系统的传输器件主要包括各种波导与同轴线，以及振子天线、喇叭天线、微带天线和反射面天线为主的各类天线形式。光学系统中，光波的传播可以通过自由空间或光纤进行传播，利用镜面进行光束的调整。对于太赫兹系统来说，由于该波段的频率相对微波较高，因此传统的波导与同轴线的损耗因子过大。微带传输线的介质损耗和腔体波导及同轴线的金属壁损耗都使得它们在太赫兹频率段的应用受到很大的局限。

三、实验系统

文献[7]提出了利用角度功率谱的相关性对太赫兹信号到达角进行测量的测量算法，该文献提供的方法是在首先利用超宽带（5GHz-13GHz）对信号源的位置进行初判，然后再利用该位置信息，让天线对准该方向进行监听，以此来快速确定信号到达角。该文献通过对不同频段（5GHz-13GHz Hz、60GHz、300Ghz）的信号角度功率谱进行了实际测试，测试平台系统如图5所示，将信号发射设备和接收设备放置在两个可控制的旋转单元上，使收发设备在水平面上旋转，并让天线主瓣方向扫描的入射角和发射角的尽可能的进行组合，以便记录传播路径的空间分布。

图6表示了对不同频率进行试验采集到的角度功率谱，角度功率谱的局部最大值是可能的传播路径，也就是图中黄色部分。从图中可以看出采用了超宽带（5GHz-13GHz）角度功率谱局部最大值的角度范围是包含了300Ghz的角度功率谱的局部最大值的。也就是说，先通过超宽带对到达角的粗步判断，然后在该基础上进行300Ghz的到达角判断是完全可行的。

对比(a)图和（b）图我们可以看出太赫兹和60GHz的传播路径的区别，之所以60Ghz的传播路径要比太赫兹的传播路径多，是因为60GHz的波束是存在信号强度较强的旁瓣的，因此旁瓣与主瓣也能形成传播路径，然而由于太赫兹的高频特性，旁瓣会小很多，则无法与主瓣形成有效的传输路径。这也说明太赫兹的波束赋形方式不能采用60Ghz分阶段进行波束赋形的原因：波束窄，要形成有效的传播路径只能进行波束的对准。

图6 功率角度测试平台测试结果[7]

文献[8]描述了一个用于275至325 GHz相控阵通信的测试平台。该系统具有4个通道的收发信机，考虑的室内距离为5米。图[7]是该系统的原理框图。图[8]所示是开发的模块化4通道300 GHz 发射机前端，4通道接收机前端与发射机前端的外观相同，外形尺寸为145 x 90 x 40 mm。

图7 300 GHz RX/TX相控阵试验台框图[8] 

图[9]所示是单接收通道在4Gbaud下的累积星座图和EVM。调制方式为16QAM。每幅图中累积了4096个符号的100个星座图。从图中可见，当通道数从1增加到4时，rms-EVM （root mean square error vector magnitude )从21.7%改善到13.5%。

图9 测量的累积星座图和EVM[8]

四、应用前景

随着太赫兹技术的发展和工艺水平的提升，目前研制的太赫兹源、检测器等关键器件的性能指标已逐步具备满足安检成像等近距应用要求的条件。将太赫兹波束赋形探测技术应用于公共安全检测，具有如下优势：1、太赫兹波具有穿透包装盒、衣服、书包、纸板、陶瓷、塑料等非极性物质与保持一定高分辨力的双重特性，可以实现对人员携带的隐藏物品进行穿透衣物探测和高分辨力成像识别；2、按照目前的太赫兹源功率水平和探测灵敏度，已基本可实现在20m以外的距离对目标携带的隐藏物品实现站开式检测，未来这个距离甚至可以达到百米量级，这种非接触式的探测可在爆破半径范围外提供早期的威胁预警；3、与X射线相比，太赫兹光子能量低，在1meV量级，远小于人体皮肤的电离能，不会对人体产生电离损伤，而且太赫兹安检辐射功率在1mW量级，是手机辐射的千分之一，远低于人体安全阈值，不会对操作者或被检查者造成危害。

太赫兹雷达是太赫兹波应用研究中最重要的研究方向之一，相比于常规雷达，太赫兹雷达具有频率高、带宽宽、波束窄的特点，这些特点赋予了太赫兹雷达巨大的应用潜力。太赫兹雷达可搭载于飞艇或卫星用于对临近空间高超声速目标的探测，穿透等离子体对目标本体远距离成像，获取信息是高分辨本体像。天基太赫兹雷达能够近距离探测空间碎片并进行成像，得到其类型和轨道信息，从而为航天器的安全提供保障。太赫兹雷达在引信与末制导领域也有广阔的应用前景：测角和测距精度高，引导信息更加精准；具备近距离快速成像和微多普勒测量能力，支持目标及其部位识别；功率小、大气衰减严重，因此天然具备抗干扰能力；对沙尘烟雾有穿透性，优于激光制导。

与微波通信相比，太赫兹波束方向性好，但在大气中传播时衰减较大；而在外层空间，太赫兹波可以无损耗的传输，用很小的功率就可实现远距离通信，而且相对于光通信来说，其波束较宽容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。因此，太赫兹频段可以广泛应用于太空通信中。不仅如此，太赫兹通信还可以实现超高速有线网络(如光纤网络)和短距离的无线个人设备(如笔记本电脑、桌面设备等)的无缝连接，这将促进超宽带视频业务在室内移动、静止等场景中的应用。此外，太比特无线局域网还可以应用于一些特定的场景，如高清全息视频会议和无线数据中心，进行超高速数据分发等。在文献[16],将太赫兹频段在无线通信中的应用划分为宏观大尺度应用和纳米尺度应用,分别见图[10]和图[11]。应用于太赫兹纳米通信的多天线技术研究可见文献[14][15].

五、结束语

就国内外的发展来看，太赫兹技术的研究已经被高度重视，国内外都有许多新的研究成果，而且目前国内外的研究者和组织都注重几个方面的研究：一是更为稳定的太赫兹波发射源，二是传输控制和调制方式，三是信号的探测和接收技术，四是太赫兹波传输稳定性。这四个研究方向对于太赫兹技术的发展来说都有实际的影响意义，无论是民用通信、军事通信还是空间通信领域都有着更为实际的应用前景。

审核编辑：汤梓红