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带你了解太赫兹波束赋形基本概念、技术思路、实验系统与应用前景

时间:2019-08-26

  带你了解太赫兹波束赋形基本概念、技术思路、实验系统与应用前景

  太赫兹间隙存在着巨大的开发潜力和应用价值,太赫兹系统主要包括 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。

  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。

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  图1 波束示意图

  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。

  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。

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  图2 波束赋形示意图

  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。

  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,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。

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  图3 太赫兹应用于高铁场景

  另外的一种思路是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。

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  图4 双信道收发机

  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。

  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。

  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:

  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。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。

  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。

  带你了解太赫兹波束赋形基本概念、技术思路、实验系统与应用前景

  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:

  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。相信在不远的将来,太赫兹技术一定能够在通信领域带来新的技术变革~~~

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