太赫兹介绍
太赫兹技术作为是未来移动通信中重要的候选技术之一，在提升通信速率方面具有无可比拟的优势，但也存在一些限制。根据自由空间传播损耗公式，随着频率的升高，电磁波传播损耗会大幅增加，同时太赫兹波在大气中存在分子吸收损耗，水分子影响尤其显著，这导致了太赫兹传播具备高损耗的特点。
太赫兹技术作为是未来移动通信中重要的候选技术之一，在提升通信速率方面具有无可比拟的优势，但也存在一些限制。根据自由空间传播损耗公式，随着频率的升高，电磁波传播损耗会大幅增加，同时太赫兹波在大气中存在分子吸收损耗，水分子影响尤其显著，这导致了太赫兹传播具备高损耗的特点。
因此，太赫兹通信系统往往需要采用定向天线和超大规模天线阵列来获得高增益。
相比传统微波频段，太赫兹频段对天线的结构工艺要求更高。按照结构与工作机理划分，常见的太赫兹天线包括喇叭天线、贴片和缝隙天线、反射面天线、透镜天线等。其中，喇叭天线这类机械天线工艺相对比较成熟，能够产生良好的定向波束。
喇叭天线通常既可以作为反射面天线和透镜天线的馈源，也可以用作直接辐射的独立天线使用，在许多太赫兹实验演示系统中得到了广泛的应用，但其立体结构不利于集成到电路中，且太赫兹频段天线尺寸进一步减小，增加了喇叭天线的制作工艺成本与难度。反射面天线和透镜天线是由馈源天线和具有聚焦功能的口径面构成，能够形成定向高增益波束。通常反射面天线更多应用于射电天文领域。
一、太赫兹设计：
一、太赫兹设计：
设计了一种可以提供波束控制能力的高增益反射面天线，可用于远距离大容量太赫兹无线通信。太赫兹频段波长短，介质基片尺寸相对较大，产生的表面波损耗严重，透镜天线因其具有聚焦波束能力可消除平面天线的表面波效应，能够有效降低能量损失，提高天线增益，因而成为太赫兹频段常用的天线形式。
此外，光电导天线作为产生宽带太赫兹波的一个主要方法，已被广泛用于宽带脉冲和单频连续太赫兹波段信号的产生和检测，是太赫兹成像和光谱系统中的基础器件。
二、太赫兹天线工艺
在新材料天线方面，碳纳米管天线和石墨烯天线同样是太赫兹天线领域的研究热点。理想碳纳米管可认为是由碳原子构成的二维石墨平面卷曲而成的圆柱体管状结构，当被电磁激发时，碳纳米管可以像一个小的偶极子天线一样在太赫兹频段辐射。石墨烯的独特电性能（例如高电导率）使其非常适合支持极高频信号。
特别是，石墨烯在THz频率支持表面等离激元（SPP）波，SPP共振波长比自由空间波长小得多，便于实现灵活紧凑设计。在THz频段采用石墨烯等离子纳米天线阵列，可在1平方毫米内嵌入上千个阵列单元，在器件小型化及超大规模天线阵列设计方面具有独特的优势。
未来的太赫兹通信系统可能采用超大规模天线阵列，阵列结构的设计对太赫兹通信系统性能影响重大。阵列天线基于波的干涉和叠加，形成指向性波束抵抗传输损耗。
与毫米波类似，考虑到复杂度、成本与性能，超大规模太赫兹天线阵列在波束赋形方面通常考虑采用数模混合方式。太赫兹信道具有稀疏特性，经过合理设计，混合波束赋形可以达到与全数字波束赋形相当的性能。射频链路与天线阵子的连接方式可以分为全连接方式和部分连接方式。
如下图所示。全连接方式虽然可以获得更好的赋形增益，但存在插入损耗大、对馈电能力要求高的缺点，因此从功耗、能效以及实现复杂度等角度考虑，太赫兹通信系统不适合采用全连接方式。未来的THz系统在大规模天线阵列设计上更倾向于采用部分连接(AoSA)架构。
图 THz系统架构: （a）全连接架构; （b）基于子阵的部分连接结构
太赫兹天线的设计相比于微波天线设计还存在诸多其他方面的挑战，例如微波天线可以独立设计后再连接到射频系统。而在太赫兹频段，为了进一步减小连接损耗，降低成本，需要考虑天线阵列和RF电路的集成设计，采用天线封装AiP以及片上天线AoC技术。
太赫兹频段支持超大带宽通信，同时考虑到大气传输时分子吸收形成的传输窗口，以及与低频段的共存问题，需要超宽带/多波段的天线设计。总而言之，关于太赫兹天线，不论是工艺材料还是结构设计方面，还需要深入研究。
文章来源：未来移动通信论坛
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