毫米波和太赫茲頻域的發(fā)展資料說明

　　由于微波頻段的擁擠，近年來國內(nèi)外信息技術(shù)界都更加關(guān)注毫米波和太赫茲頻域的利用和發(fā)展。毫米波頻域的應(yīng)用可追朔到上世紀(jì)70年代，美國Milstar通信衛(wèi)星正式使用Ka波段毫米波技術(shù)，使毫米波技術(shù)應(yīng)用取得突破。近年來，高速數(shù)據(jù)通信和 5G移動通信的發(fā)展，要求更高的工作頻率和更寬的頻帶寬度。促使我們開辟從Ka波段到太赫茲頻段整個毫米波到亞毫米波頻域。隨著頻率的升高，電磁波的傳輸損耗也在增加。圖1給出了300GHz頻率以下電磁波的衰減情況。可以看到，除了高峰值的衰減之外，有的地方大氣窗口的衰減也可以達(dá)到1dB以下。

　　美國海軍實(shí)驗(yàn)室研制的W波段大孔徑無線電定位器（WARLOC），雷達(dá)發(fā)射機(jī)使用了回旋速調(diào)管放大器，輸出峰值功率100kW， 平均功率10kW，瞬時帶寬600MHz。位于林肯空間觀察室的Haystack超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)（HUSIR）就是依托WARLOC雷達(dá)組建而成的。其主要作用是觀察空間的衛(wèi)星碎片，觀察距離可以達(dá)到上千公里。事實(shí)上，新型成像雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，要求雷達(dá)工作在太赫茲頻域，其成像速率可以達(dá)到30幀/秒，圖像的分辨率也得到極大提高。美海軍實(shí)驗(yàn)室又研制出W波段脈沖輸出功率大于7.5kW的分布作用速調(diào)管［5］，可以作為該波段雷達(dá)應(yīng)用。太赫茲頻譜在ViSAR雷達(dá)中的應(yīng)用，將會改變戰(zhàn)場的偵察態(tài)勢。太赫茲雷達(dá)在精確制導(dǎo)、精密氣象探測、防撞、障礙物探測、安全檢測等方面的應(yīng)用也在發(fā)展。 2016年11月25日DARPA報道，測試了100Gb/s通信能力，范圍是空-空距離200km，空-地距離100km; 100Gb/s通信速率的突破將給國防和國民經(jīng)濟(jì)帶來重大影響。這項(xiàng)試驗(yàn)是利用70GHz輸出功率100W的行波管完成的，因?yàn)橹两窆虘B(tài)器件尚未能在 70GHz提供20W CW功率輸出。DARPA正在構(gòu)建100Gb/s高速射頻骨干網(wǎng)，為200km距離和100km高度的設(shè)備之間提供高速通信能力。 5G通信是移動通信系統(tǒng)發(fā)展的前沿［7］。美國和歐洲正在部署和發(fā)展用于5G點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)通信干線的E波段行波管放大器［8-13］制造。鑒于中國的城市化率沒有西方的高，我國廣大城市郊區(qū)、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)還占有很大比例。因此在發(fā)展E波段通信行波管的同時，還應(yīng)當(dāng)發(fā)展Ka、Q、V波段通信行波管。

　　正是這些有源相控陣?yán)走_(dá)、高速數(shù)據(jù)通信和5G（甚至6G）移動通信技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了毫米波和太赫茲頻域的開拓。首先遇到的是功率放大器的發(fā)展。太赫茲頻域是介于光波和微波之間的頻域。從光波產(chǎn)生太赫茲功率源的方法是通過兩束不同波長激光源的差頻來實(shí)現(xiàn)。這種方法很難獲得大的功率輸出。而半導(dǎo)體在E波段產(chǎn)生大功率輸出已十分困難。唯有真空電子器件，在太赫茲頻段可以獲得較大的功率輸出。目前在E、W波段都可以獲得100W以上的脈沖功率輸出，在G波段也可以獲得50W 脈沖功率輸出［14］。在1THz可以獲得29毫瓦功率輸出［15］。即使如此，我們還在探索如何在太赫茲頻率獲得更大的功率輸出。表1是諾斯羅普-格魯曼公司研制的THz放大器一覽表。圖2是THz放大器微加工慢波電路。
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