340GHz收发隔离网络关键技术研究

一、太赫兹频段雷达和通信系统成为未来空间无线技术的重要发展方向 相对于常规的微波及毫米波频段的波长，THz频段的波长更短，因此更利于实现极大信号带宽和极窄信号波束，适应解决目标的高分辨率成像，而且物体运动导致的多普勒效应更为明显，更适用于检测目标的运动特征。上述特征使得THz雷达探测系统具有极高分辨率的目标成像识别和微小目标探测能力。虽然太赫兹频段大气衰减非常严重，不过太赫兹频段对于太空环境的衰减大大降低，因此，太赫兹探测系统在太空环境的应用更易实现高分辨目标探测。相比于微波雷达，太赫兹雷达探测系统具有技术优势如下： 1.太赫兹雷达具有更强的保密性和更高的分辨率。 太赫兹频段波长很短，更易获取目标高分辨率，实现极大信号带宽，提取更丰富目标信息，相比于微波雷达探测更细微的目标，实现更精确的定位。 2.太赫兹雷达可以实现更好的角分辨率。 太赫兹频段更易实现极窄的天线波束，同一个天线孔径，在220GHz工作的雷达比X波段工作的雷达发射天线的波束宽度窄20倍以上，即雷达频率越高可获得越窄的波束宽度。太赫兹频段可以提供极窄天线波束，得到更优的角跟踪精度、更大的天线增益，且更高的角分辨率能够快速提升目标分辨和识别能力。 3.太赫兹雷达具有获得空间目标高分辨率探测和目标成像识别能力。 太赫兹脉冲典型脉宽为皮秒级，具有极高的时间分辨率，太赫兹单个脉冲频带可覆盖GHz到THz频率范围，其宽带性能相对于普通微波雷达具有巨大优势，获得的空间目标雷达成像更清晰。 4.太赫兹雷达系统具有突出的抗干扰能力。 现有电子战干扰技术主要集中在微波频段和红外频段，对太赫兹频段不易产生有效的干扰，且太赫兹频段极窄天线波束能够降低干扰机注入雷达主瓣波束的概率，减小雷达对干扰的灵敏度，同时，极高的天线增益对旁瓣干扰可实现抑制作用。 5.太赫兹雷达系统具有独特的反隐身功能。 目前隐身技术主要集中在微波频段，在太赫兹频段隐身效果不好。对微波频段吸收材料，太赫兹波穿透性较好，有利于探测隐身目标。常见窄带微波雷达不能有效探测到RCS较小的隐形目标，而太赫兹雷达发射的太赫兹脉冲具有更宽的频率，可以让隐形飞机窄带吸波涂层失去效果。此外，普通雷达对于扁平薄边缘容易生成共振吸收从而减弱反射强度，宽带太赫兹雷达可以产生很小的共振面避免这一问题。 6. 太赫兹雷达系统具有穿透等离子体对目标实现探测的能力。 太赫兹波可以在等离子体中传播，因此对于太赫兹雷达等离子体隐身技术是无效的。根据其对等离子体的穿透特性。能修将大赫兹波应用在宇宙飞船、航天飞机的发射与回收过程中，因为在这一过程中，空气电离会影响飞行器与基地的通讯，应用太赫兹技术能够避免这一影响，确保通讯顺畅，这是其他频段技术不能实现的。 总之，雷达主要是对目标方位和距离的探测，而超宽带太赫兹雷达具有超大信号带宽、超高的距离分辨率、强穿透力、强抗干扰性、低截获率、独特的穿透等离子体和反隐身功能，应用于雷达探测系统具有强大的技术优势。 无线通信技术发展趋势是可移动化与宽带化，因此开辟新的可用频段是未来无线通信的重要发展方向。随着带宽越大，所需载波频率也会越高，太赫兹波频率较高，正好满足高载波频率要求，应用于无线电通信，能够极大地增大无线电通信网络带宽，实现无线移动高速信息网络。 1.高速短距离无线通信。 伴随无线通信网络对高速的需求日益迫切，研究人员努力将工作频率延伸至更高频段，如太赫兹频段。由干太赫兹波在空气中传播时易被水分吸收，故更适合于短距离通信。 2.宽带无线安全接入。 近来室内宽带无线通信需求随着HDTV等宽带多媒体广播日益发展，显得载来越紧迫，在没有压缩的情况下，高清电视电影等多媒体传输需要的带宽已达到GHz。目前采用的无线通信方法（包括*新技术UWB等）无法胜任，若采用太赫兹能够满足这一需求。如今计算机通信网络、电话和电视网络在日常生活中的影响越来越大，在军事活动等方面，计算机和网络的影响也无处不在，由于太赫兹波具有极大的带宽特性，可以在各领域发挥技术优势，实现宽带无线安全接入。 3. 宽带通信和高速信息网。 太赫兹波应用于通信时无线传输速度能够达到10Gb/s，与目前超宽带技术相比，提升几百甚至上千倍，而目相比于可见光和红外，具有更强的云雾穿透能力和更高的方向性，这一特性可以确保太赫兹通信能够以超高的带宽满足卫星通信的高保密要求。太赫兹频段位于红外线和微波之间，频率相比于手机通信频率高达1000倍以上，可以成为很好的宽带信息载体，尤其适合实现局域网、星地间和卫星间的宽带移动通信。因此将太赫兹波应用在无线电通信中，能够大大增加无线电通信网络的带宽，对无线移动高速信息网络提供帮助。 4.太赫兹波空间通信。 太赫兹波在外层空间传输能够做到无损传输，只需使用较小的功率就可以满足远距离通信需要，与光谱通信相比，太赫兹波束更宽，对准更容易，量子噪声更小，且天线系统满足平面化和小型化发展趋势。此外，在空间技术上太赫兹波还有另一个重要应用，使用太赫兹波可以实现和重返大气层的人造卫星、导弹、宇宙飞船等进行遥测与通信。飞行器进入大气层后，会与空气剧烈摩擦形成高温，四周的空气会被电离形成等离子体，由此导致通信遥测信号剧 烈衰减，甚至引起信号中断等问题。这个阶段通过太赫兹波的穿透特性能继续保证有效通信。因此太赫兹波能够广泛应用在天基雷达与太空通信。 5.太赫兹通信在军事上的应用。 相比于红外线等波段，太赫兹波具有更易穿透浓雾、云层和伪装物等优点。这一特性在国防和军事的应用很有前途。使用太赫兹制作导航系统可实现全天候、高分辨率等，即使浓雾天气也能用于导航或指挥飞机着陆。通过太赫兹大气传输窗口的应用还能满足太赫兹波近距离战术通信需要。在特定情况下，由于战区作战地带通常充斥着全频段各类信号，通信声道混乱，拥塞现象严重，此时较短的传输距离反而形成了战场优势，故太赫兹通信通过大气衰减可用于隐蔽的短距离通信。 太赫兹通信技术应用前景非常远大，目前太赫兹波还有巨大的频带范用围尚未开发与分配。而且太赫兹波许多特性都利于通信技术应用，如方向性好、速率高、散射小、穿诱性好、安全性高等。大赫兹通信将给通信系统的发展带来巨大的契机，特别对于空间通信和宽带移动通信具有独特优势，目前国际电联已对0.12THz和0.22THz做出频率规划，分别应用于移动业务（地面无线通信）和卫星通信业务。 综上所述，太赫兹作为一个新的频段，已成为未来雷达和无线通信的重要方向。与传统微波雷达相比，太赫兹雷达技术能够探测的目标更小，定位精度更高，且具有保密性更好、分辨率更高等优点，因此太赫兹技术成为未来高精度雷达重要发展方向。而使用太赫兹波应用于无线通信技术，能够大大增加通信带宽。从而实现无线移动高速信息网络，而目太赫兹波的特点非常适用干空间通信和宽带移动通信。国内外研究机构正努力实现太赫兹频段的上述应用，对此开展探索性研究，在各领域已出现相关原理性系统。因此对太赫兹雷达和通信系统所需关键元部件进行研究显得极为迫切，太赫兹频段器件的研究同时会引导太赫兹系统的研究，推动太赫兹技术的发展。 二、收发隔离网络概述及研究意义 目前，越来越多的无线系统应用场景需要发射端和接收端同时工作以提高效率，如：飞机上有限空间内装有雷达装置、通信装置和电子干扰装置等各种电子设备，在战时状态，需要对敌人连续发射电子干扰信号，同时使用雷达接收对方位置信息等，此时需要实现发射和接收的同时工作状态。如果给接收机和发射机各配给—个天线，不但增加了成本、体积，而且天线传递信号还会相互干扰，解决这一问题可采用接收/发射共用天馈系统，即同一个天线既发射又接收。这样可以避免采用两套天馈系统，在简化结构的同时降低成本，保证发射天线和接收天线的一致性。为了保证接收和发射共用，天线必须同时连接发射机和接收机，而通常发射机的输出功率要远大于接收机的烧毁功率，所以接收和发射共用天馈系统主要解决的问题就是对接收机提供保护，在发射状态下确保其正常工作而不被烧毁，即能提供足够大的收发隔离。故该收发隔离网络在无线射频前端发挥着举足轻重的作用，这种收发隔离网络在微波频段统称双工器，如图1.2所示。