这一频率范围的解密涉及到跨学科的研究，射频电子与高频半导体技术密切结合，但也包括使用光子技术的替代方法。本白皮书重点介绍6G通信，简述太赫兹波的基本原理、应用特性。
第二章介绍了关键的6G性能要求和研究领域。
第三章讨论了潜在的应用，如基于太赫兹的通信和传感。这些应用需要将频谱扩展到100GHz以上，太赫兹波与空间物质发生的相互作用以及影响。
第四章重点介绍了发射太赫兹波的各种方法。除了使用电子MMIC外，基于光子技术的替代方案将在未来发挥关键作用。特别是随着今天的实验室装置小型化为光子集成电路（PIC），这些方案可能成为主流。
凭借其既定的生产工艺和高水平的集成，通过电子产生太赫兹仍然是目前的主要技术。频率限制正不断得到突破。
第五章总结了高频半导体技术的现状。
2023年国际电联世界无线电大会（WRC23）上，预计将讨论在随后的WRC27中分配100GHz以上的额外频率范围。目前正在讨论的话题是太赫兹的应用潜力。
为了充分挖掘太赫兹的潜力用于未来通信标准（6G），定义测量指标、研究不同半导体材料的特性至关重要，这是标准化流程的第一步。
第六章描述了信道传播测量的概念，并介绍了在慕尼黑罗德与施瓦茨总部进行158GHz和300GHz信道测试的一些初步结果。
建立全国性的5G网络，并不断提供新的通信能力和服务，全行业为此忙碌多年。5G为工业4.0等新的应用场景打开了大门，具有代表性的服务包括：增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）、大规模物联网（mMTC）。虽然5G服务将进一步向3GPPRelease18演进阶段继续发展，但学术界和工业界已经启动了对下一代无线通信（6G）基础的研究。计划在2030年左右落地商用，预计商用发布会可能提前一年进行。在这里，我们对6G愿景和不同技术方案做些简单阐述。
WP5D是国际电信联盟ITU（ITU-R）的5D工作组，于2021年开始制定新的建议文件草案《IMT2030年及以后的愿景》，以确定IMT2030+（最终将被称为“6G”）未来发展的框架和总体目标。预计第一批3GPP标准化工作将于2023/2024年展开，首先定义的是技术性能要求。标准的定义工作将从2026/2027年开始。
很难预测哪些应用和场景最终成为下一代无线标准的主要驱动力，而这些应用和场景又将塑造6G的技术目标（KPI）。潜在的应用场景包括：全息应用、扩展现实XR（AR、VR、混合现实MR）或数字孪生，这些应用对数据传输速率和延迟提出了极其严格的要求。其愿景是，在6G时代，数字、设备和人类世界将无缝融合（Cyber-PhysicalFusion），从而形成一个互联世界，在这个世界中，通信将人、设备和服务与我们日常生活的所有必要部分组合起来。部署的传感器和执行设备需要以极高的速率安全地传输和处理数据，以实现这种“沉浸式通信”。
表1对6G的目标（KPI）定义了一个严格的范围。比5G高10倍~100倍，这将对无线通信和传输网络提出新的挑战。
表中1第三行：Userplanelatency(inms)是为此新增的延迟波动指标。
图1概述了已确定的主要6G研究领域（尽管不全面），以及实现愿景和未来无线通信的用例。
尽管部分技术只是在前几代基础上做了迭代，但仍有很多技术具有颠覆性，可能会释放出超出香农极限的潜力。
前几代已经使用的技术的演进
一些演进的技术步伐，如替代OFDM或全双工操作的新波形，此前曾针对5G进行过讨论，但并未包含在标准中。
超高速信道编码
信道编码是无线通信中纠正传输错误的基本组成部分，是可靠性的关键。同时，它也是基带处理的一个复杂部分，为实现在极高的吞吐量、可靠性、低功耗等方面的新KPI，要求对现有信道编码方案进行增强，如Turbo、LDPC和极码等。
新的波形和多址接入
波形设计对无线系统的高效运行至关重要。虽然OFDM是6G波形的有力候选方案，但仍需要探索备选的特定波形或统一可扩展波形，例如通感一体化。
此外，还必须考虑到不同的频谱范围、设备特性（相位噪声、PA功率效率）和系统特性（信号带宽）。目前正在考虑许多新的波形，包括用于具有多普勒扩展的高迁移率场景的正交时频空间调制（OTFS）。此外，单载波波形可能在满足未来设备对功率的要求发挥更大主导作用。为了允许更灵活地使用无线信道，可能参考非正交多址（NOMA）放宽正交性约束。
超大数量的MIMO
5G引入了大规模MIMO。目前的趋势是更高频率和更短波长，需要在小片区域内增加天线数量，以提供更多定向波束来弥补高频损耗。
另一种提高频谱效率的方法是自干扰消除技术，用于带内双向通信和中继的全双工通信。
全新的网络拓扑结构
当前网络架构中使用的蜂窝布局旨在最大限度地减少区域边界处的干扰。然而，为了实现超高速、高容量（特别是连接“云AI大脑”）和高可靠性通信，理想的方式是低损耗的短距离通信，并在多个通信路径上增加冗余。
为了向无人机、飞机、船舶和空间站/卫星提供新的服务，从而将覆盖范围扩大到偏远地区、海洋和太空，有必要对网络覆盖范围进行三维扩展。因此，除了水平部署外，还包括垂直方向的部署。例如，利用无人机（位于20公里高度平流层的高空平台站或HAPS）和低轨道（LEO）卫星作为空中移动基站建立非地面网络（NTN）来实现这种无处不在的通信。
太赫兹通信和感知
6G的关键技术概念之一——尽管只是6G的促成因素之一（使用太赫兹波进行通信和感知）。这些太赫兹应用和技术将在以下章节中详细讨论。释放亚太赫兹和太赫兹频率范围（100GHz~3THz）几个GHz的极高带宽潜力，是目前研究的方向。除了无线通信中的超高数据速率外，这也将有利于感知和成像应用以及未来可能的医疗诊断程序。
联合通信和感知（JCS）的概念——有时被称为集成通信和感知（ICAS），作为物理层设计的一部分，即联合使用的波形和网络架构，在本地支持这两种应用。它不仅限于太赫兹率，而且还包括毫米波（mmWave）范围。宽频带也将有利于高精度感知应用。这些应用不仅包括定位、目标检测或高分辨率雷达，还包括对环境感知特别敏感的光谱型分析。
光子技术和可见光通信（VLC）
在可见光通信（VLC）中，也被称为“光保真度”（LiFi），数据通过商用照明LED的高带宽强度调制来传输。光电二极管充当接收器，这是一种经济高效的方法，可以轻松集成到现有的基础设施中，主要用于可视的室内应用。
严苛的6GKPI也将推动未来交通网络的发展。例如，创新性光与无线网络全球论坛（IOWNGF）旨在为计算和通信网络架构研发各种技术，以同时实现可扩展性、零星的负载波动、能源效率和延迟可管理性。光子技术为应对这些挑战提供帮助：提出的开放式全光子网络（APN）有助于简化数据传输和处理，实现大容量、低延迟和低能耗的基础设施。例如，它以最小的光电转换实现跨域/层次的直接端到端光路连接，以提供低延迟服务。集成光器件（光子集成电路，PIC）可以提供路由和终端连接功能来实现这样的端到端全光链路。
此外，推测2030年信容量需求增加至Pbit/s级，长途传输将需要Pbit/s级通信容量。目前单模光纤（SMF）的极限在100tbit/s左右。使用多芯光纤传输技术（将多个芯嵌入到单个玻璃光纤中）的超宽带光传输，以及通过复用和添加新的光带进一步增加波长数量，可以进一步提升容量极限。
可重构智能表面（RIS）和超材料
当安装在建筑立面或室内环境时，使用可重构智能表面（RIS）可以将无线信号的能量引导到某一点，从而在非视线环境中提供更好的覆盖并减少能耗。
从无线通信的早期开始，传播信道就被认为是发射器和接收器之间随机的、根据场景而动态变化的实体。由于周围环境和物体以及接收器的移动性，它会以一种不可控的方式降低接收信号的质量。通信理论中的一个基本假设是：传播信道是通信系统既定条件，不受影响。可重构智能表面（RIS）的使用可以改变传播通道，从而在无线通信网络中引入一种新的可编程实体，并有望将边界扩展到香农极限之外。
可重构智能表面（也称为智能反射表面IRS）是一种平面结构，其设计具有能够动态控制电磁波的特性。IRS由大量低成本的无源（因此低能量）元件组成，每个元件都以一定的相移反射入射信号协同实现波束赋形，并抑制一个或多个指定接收器的干扰。这种RIS的构建模块是所谓的超材料，与基于原子成分特性的材料相反，超材料是一种工程构，以所需的方式与电磁辐射相互作用，并具有特殊性能。它们通常由一组小于目标波长的结构组成。
RIS场景是主要在室内环境（商场、机场、体育场或工业/工厂环境）中部署超密集网络。
2021年10月，欧洲电信标准协会（ETSI）在可重构智能表面（ISGRIS）上启动了一个新的行业规范组（ISG），用于评审和建立RIS技术的全球标准化。正如目前在3GPPR18中讨论的那样，智能中继器可能是通向反射智能表面的基石。
分布式计算和人工智能（AI）通信系统
虽然未来的6G应用场景仍需定义，与5G相比很显然，在数据速率、延迟、频谱效率、安全性、可靠性和能耗等方面的性能要求将更加苛刻。这也将影响处理架构：信息技术和通信技术将进一步融合，即大量的数据处理将在分布式网络系统中进行，而不一定在最终的用户设备中进行。这将导致具有挑战性的数据速率和延迟要求。计算能力可以脱离到与设备分离的云或边缘网络（从而降低终端成本）。
在传统的“冯·诺伊曼”计算体系结构中，计算单元（CPU）和存储器是分开的。能耗和延迟成为在CPU和内存之间传输大量数据的瓶颈。从人类大脑中获得灵感的神经形态计算（NeuromorphicComputing）等架构实现低延迟的高能效处理，计算任务是在存储器内部执行的。以人类大脑为例，它的计算能力相对于功耗是非常理想的（总共为20w~30w）。
AI与机器学习
今天，人工智能（AI）和机器学习（ML）已经被用于许多网络应用程序的自我管理和控制操作。其中包括初始网络规划阶段、网络控制和优化（如流量管理）、动态频谱管理以及预测和自适应资源分配。
预计在未来，AI将成为无线通信系统各个领域不可或缺的一部分。这可能包括适应特定传播信道和环境条件的物理层设计，并具有端到端优化的可能性——而不是优化无线传输链的每个组件。为了应对未来6G网络在设备类型、频谱范围扩展和灵活网络拓扑（如协作网状网络）方面的复杂性增加，AI和机器学习将在6G的部署和运营中发挥重要作用。最大限度提升用户体验和成本效率，最少能耗地提升系统性能。
在通往太赫兹频谱的路上
5G率先使用每个组件载波高达400MHz的大带宽毫米波频率，以实现无线工厂自动化等要求苛刻的实时应用所需的传输速率，而新兴的6G技术旨在实现更高的传输速率和更低的延迟。
然而，带宽为几GHz的超高数据速率的大连续频率范围只能在亚太赫兹和太赫兹范围内使用，即100GHz以上（图2）。
香农-哈特利定理给出了最大可实现信道容量（在噪声影响下）的边界为C=B·log2(1+S/N)，其中C为容量（bit/s），B为带宽（Hz），S/N为信噪比，该定理指出最大可实现数据速率与带宽B成正比。因为低于6GHz的频率已经大量使用，所以5G将频率范围扩展到毫米波范围。为了进一步提高未来的无线标准（如6G）的数据速率，将挖掘太赫兹频率范围几个GHz的大连续带宽。图2显示了为未来无线通信分配或考虑的不同频率范围。
图2：5G和6G的新频谱
在毫米波和太赫兹频率范围内有充足的频谱资源，其中包含了可用于无线通信的频带。FR1和FR2中的5G频段分布在71GHz以下的范围内。6G的研究主要集中在D频段和H频段。
在4G（LTE）之前，只有6GHz以下的频率范围被用于无线通信。由于其有利的传播条件和可以实现的区域面积，该频率范围至今仍发挥着关键作用。
在3GPP5GNR命名法中，该频率范围称为5GFR1（410MHz~7.125GHz）。该范围还包括LTE和Wi-Fi，如Wi-Fi6（IEEE802.11ax）和Wi-Fi7（IEEE802.11be）。
在3GPPR17中，5GFR2（深蓝色部分）被分配到最高71GHz（24.25GHz~71GHz）。
亚太赫兹波段
为了实现6G的TB级数据速率甚至更高的带宽，我们只能使用超过100GHz的频率范围。已经确定的新频段：D频段（110GHz~170GHz）、G频段（140GHz~220GHz）和H/J频段（220GHz~330GHz）。
ITU无线电规则文件总结了1995年世界无线电通信大会（WRC-95）通过并由随后的世界无线电通信大会（WRC-97、WRC-2000、WRC-03、WRC-07、WRC-12、WRC-15、WRC-19）审议的无线电规则。正如引用附件[22]中第185页所述，275GHz~3THz的区域目前尚未正式分配。275GHz~450GHz频率范围固定和地面无线服务的操作：确定275GHz~296GHz、306GHz~313GHz、318GHz~333GHz、356GHz~450GHz归管理部门使用，用于实施各种地面无线和固定服务应用，其中地球探测卫星应用无需采用特定条件进行保护。
7GHz以上（7GHz~24GHz）
尽管人们对亚太赫兹频率范围有着浓厚的兴趣，但位于FR1和FR2之间的7GHz~24GHz频率范围仍然提供了潜在的大量可用频谱（图2），它可以提供一个“最佳点”——与FR1的频率范围相比，在更小的封装中提供更高阶MIMO，与FR2频率范围相比，它具备更好的传播特性。因此，该频率范围可能是6G的候选区域。
3.2.1大量的应用有待探索
太赫兹（THz）波位于光学和微波领域之间的频谱部分。太赫兹光谱学早期用于天体物理观测和环境监测的高灵敏度仪器。然而，随着光子学和纳米技术的迭代使太赫兹能够应用于更多的领域。
光谱学和成像：由于许多形式的凝聚态物质、分子化合物、水蒸汽和大气具有与太赫兹波共振的不同物理特征，太赫兹波显示出巨大的前景，并已用于光谱学和高分辨率成像的许多领域。利用太赫兹光谱技术可以很容易地识别许多物质和复杂分子，如药物、生物分子、蛋白质。图3显示了一个常见药物分子示例，其中太赫兹频率的吸收光谱可以用来区分两种主要的分子变体。基于太赫兹光谱技术的传感器还能用于安全保障，因为常见的爆炸物或麻醉品可以通过它们的“光谱指纹”来识别。太赫兹波可以对产品进行无损检测，并可以“看到”塑料、纺织品、纸张等。与X-Ray不同，太赫兹波没有任何电离效应，普遍被认为在生物学上是无害的。因此，它们在使用时不需要任何额外的安全措施。
通信：数据流量呈指数级增长，互联网流量在2017年已经超过每月100EB(10^18Byte)。预计到2022年，这一数字将增至三倍。由于数据流量增长最快的部分与无线信道有关，因此这种网络容量的增长需要更高的无线传输链路。提供大规模连续频段以满足对Tbit/s范围内低延迟的极高数据传输速率需求，使其成为6G无线通信的关键研究领域。
感知和定位：还有一个概念正在出现，它将无线频率用于通信和感知能力，即联合通信和感知（JCS，第2.2章）。太赫兹频率不仅可以承载通信数据，还可以像高精度雷达系统一样探测物体。通过这种方式，太赫兹传感可以提供高分辨率的环境地图和厘米/亚厘米级精度的定位信息。例如：工业控制、监控应用、机器人、虚拟现实。
图3：太赫兹波在通信和感知、光谱学和成像中的应用
左图：莱布尼茨高性能微电子研究所（IHP）的D波段雷达芯片。中间图：对双氯芬酸样品的太赫兹光谱进行分析，可以区分药物的两种主要形式，或多晶型。右图：使用R&SQPS100（70GHz~80GHz）拍摄的微波成像。
3.2.2用于大气遥感和天体物理学应用的太赫兹波
RadiometerPhysicsGmbH（RPG，罗德与施瓦茨公司）起源于马克斯·普朗克射电天文学研究所和美国宇航局喷气推进实验室，早期就参与了这项科学研究。该公司一直研发太赫兹遥感、毫米波、亚毫米、太赫兹仪器等尖端仪器。
对于使用毫米波和亚毫米波仪器研究行星（地球、木星、金星、火星等）大气动力学的科学家和气象学家来说，他们对分子物种的吸收和发射特性（参见图7中的地球大气示例）特别感兴趣。根据应用和科学目标，使用各种类型的无源仪器，常见的有18GHz~664GHz范围内工作的辐射仪，0.3THz~1.2THz范围内工作的光谱仪，以及在35GHz~94GHz范围内工作的FMCW雷达和在166GHz范围内工作的闪烁辐射仪。这些仪器可以从地面站操作，也可以从太空卫星操作。图4显示了用于大气遥感、行星科学和天体物理学的无源辐射仪、主动辐射源和有源雷达仪器的示例。
在过去的十年中，RPG公司已经为冰云成像仪（ICI）开发了183GHz~664GHz范围的太赫兹外差接收机，这是一种由空客（Airbus-ASE）公司为欧洲航天局/欧洲气象卫星组织（ESA/EUMETSAT）开发的第二代多通道扫描辐射仪（MetOp-SG，图4左）。它是欧洲提供天气数据服务（例如海面风矢量和地表土壤湿度）的一项设备，以监测并改善2023年~2043年气象预报的准确性。水蒸气以潜热的形式携带能量、破坏性风暴、加速气候变化。自2000年以来，随着海洋和大气温度的升高，全球大气中的水蒸气量增加了约4%，导致风暴迅速地加剧，密切监测温度、蒸汽和风对于预测天气模式是非常有价值的。
这两种仪器（用于MetOp-SG和JUICE任务）的基础技术在很大程度上依赖于GaAs半导体器件（放大器、乘法器、混频器）、高精度制造和组装技术（喇叭天线、射频模块），这些技术符合太空任务所需的最严格要求。
图4：太赫兹波在大气遥感和天体物理学领域的应用示例左图：空间被动辐射仪冰云成像仪（ICI）多通道接收器（RX），工作在183GHz~664GHz范围内（交付的飞行模型）（图片由RPG/空中客车/ESA/EUMETSAT提供）。中图：ESAJUICE任务用于行星科学的亚毫米波仪器（SWI）光谱仪开发的132GHz~158GHzLO源（TX）示例。右图：用于云传感的94GHzFMCW雷达仪器和用于现场蒸发传感的166GHz闪烁辐射计仪器。
使用吸收窗、功率和天线阵列来实现指向性
毫米波的技术挑战在太赫兹范围内更为明显。这包括更高的路径损耗和更短的适用范围。与5G中的毫米波类似，这些问题可以通过波束赋形波聚焦来缓解。更短的波长还有一个优点，就是可以在更小的空间中封装更多的天线，从而产生高度精确的波束。
太赫兹频率超高速通信的主要用例之一涉及高容量前端和回程点对点（准静态）通信链路，也适用于偏远地区的基础设施（使用高增益天线或天线阵列）或“最后一英里”连接。期望在几公里的距离内可以支持高达100Gbps的容量。此外，窄波束还可以实现非常密集的设备部署。另一种应用包括短距离通信，如超高速自助亭（kiosk）下载，或芯片对芯片通信（图5）。
如今数据中心已成为企业不可或缺的计算基础。当代数据中心网络主要依靠铜缆或光纤进行机架内或机架间的网络连接，这涉及到布线的复杂性。太赫兹无线链路可以大幅提升设计的灵活性，并降低部署成本。
虽然室外和室内都可适用太赫兹，但室内场景很可能成为太赫兹应用的主流。在室内环境中，太赫兹频谱的短距离和弱穿透能力将成为优势。例如，太赫兹通信可以高度安全，因为它可以被限制在特定的室内空间。
图5：太赫兹通信用例
图6展示了电磁波谱和各种应用，从低频端的广播、蜂窝通信到最高能量（以及频率）的X-Ray成像和γ-Ray治疗。太赫兹频谱位于电子学和光子学两个领域的交界处。各文献对太赫兹频率范围的定义有所不同，但IEEE和ITU的定义是300GHz~3THz（THF或极高频率），刚好高于毫米波频率范围（30GHz~300GHz，EHF或极高频）和微波频率范围（3GHz~30GHz；SHF或超高频）。然而，在出版物中，100GHz~10THz的频率范围通常被表示为太赫兹频率。从100GHz~300GHz的频率范围也通常被称为亚太赫兹（sub-THz）频率。
图6：太赫兹频谱在电子和光子学之间电磁波谱和应用
太赫兹波的能量相对较低（低至光波能量的1/100至1/1000），不会引发任何化学结构变化。它位于气体的分子旋转跃迁和弱键的振动跃迁区域。因此，太赫兹波可以通过衰减低的干燥、非金属和非极性材料传播。这种能力，加上它的波长小（相对于微波）和光子能量低（相对于X-Ray），也使太赫兹波成为非电离医学成像的理想选择，如烧伤评估或皮肤癌诊断。
图7展示了毫米波和太赫兹频谱内的特定大气衰减情况。共振频率反映了大气中存在的各种分子的旋转激发光谱。大气衰减随工作频率的增加而稳定增加。在这些谐振频率之间，存在着许多“大气窗口”，可用于各种应用。此外183GHz（G波段）用于水汽探测；140GHz~220GHz用于远程湿度传感（探测冰）。M87星系中心黑洞的第一张直接照片是亚太赫兹波段射电天文观测的一个案例。在230GHz频率上，事件视界望远镜（EHT）阵列通过协同分布在地球不同位置的射电望远镜探测信号。
图7：毫米波和太赫兹频谱内的大气衰减比
在气压为1013hPa，温度为+15℃，水蒸气密度为7.5g/立方米时。大气中存在的不同分子（即水、氧）的旋转激发在吸收光谱中得到反射。
毫米波和太赫兹波用于无线通信链路
如图2所示，24GHz~30GHz和37GHz~40GHz频率范围是5G蜂窝网络的毫米波区域。此外，43GHz~50GHz和60GHz左右的频率用于卫星通信链路。由于氧分子的共振，在60GHz以下的传播损耗增加，为室内应用（WLAN）建立高数据吞吐量的安全无线链路提供了可能性。
太赫兹挑战：100GHz以上频率的路径损耗
下一代通信标准6G预计也将严重依赖于100GHz以上的组件，例如D频段（110GHz~170GHz）或H/J频段（220GHz~330GHz）。
自由空间路径损耗与信号频率ν的平方成正比。例如280GHz的链路与28GHz的链路相比，有20dB的额外路径损耗。
然而，有一种常见的误解，即增加无线链路的载波频率将不可避免地导致更高的信道损耗。这只有在发射机（TX）和接收机（RX）都是全向天线的假设下才成立。太赫兹波段的路径损耗可以通过在基站中使用非常大的天线阵列来克服，即超大规模MIMO（图1）。
无线链路的自由空间路径损耗（FSPL）由弗里斯方程描述
其中，d为TX天线与RX天线间的距离，λ为工作波长，GRX、GTX分别为发射机和接收机的天线增益。假设TX和RX之间的距离以及它们的天线增益是固定的，FSPL值随着频率ν=c/λ的增加呈二次增长。图8（左）说明了这种关系，即在全向天线（GRX=GTX=1）的情况下，TX和RX在三种不同频率下的FSPL和距离。
图8：毫米波无线链路的理论弗里斯自由空间路径损耗
左图：TX和RX都是全向天线的场景。右图：TX和RX都有固定有效孔径为1平方厘米的定向天线场景。
天线增益Gant取决于天线的有效孔径Aeff，它与天线的物理尺寸成正比，也与波长成正比：
工作频率为35GHz、70GHz和140GHz时，一个固定有效孔径为1平方厘米的定向天线理论上增益分别为12.3dBi、18.4dBi和24.4dBi。因为天线的物理尺寸不变，所以天线增益随频率的增加呈二次增长。
我们结合最后两个方程可以得出结论，通过在发射端或接收端使用具有固定有效孔径的定向天线，FSPL与载波频率无关。因此，与较低载波频率的系统相比，采用高度定向和可操纵的天线应该能够使无线通信链路在更高频率（具有更高的带宽和吞吐量）下工作，且不会因大气衰减而引起信噪比的显著降低。
主要是由于损耗过大和载流子速度有限，对于电子设备来说太赫兹频率太高了。另一方面，由于缺乏具有足够小的带隙材料，它们对于光子器件来说太低了（见第4.4章）。
尽管在电子器件（例如高迁移率半导体材料）和光学元件（例如具有低温冷却的量子级联激光器）方面已经做出了重大努力，但太赫兹区域周围的可用功率仍然远低于其他频谱区域。类似的趋势也发生在信号检测中，这样的差距使最近二十年的频谱发展难以满足当今世界与日俱增的需求。
图9：太赫兹发射功率与频率的关系
椭圆表示最近开发的太赫兹源：THz-QCL（量子级联激光器），RTD（谐振隧穿二极管），UTC-PD（单行载流子光电二极管）。
产生太赫兹（THz）辐射有三种主要方法（图10）。下面几节将更详细地举例说明。
电子源
随着各种半导体材料组件的改进（参见第5章），使用电子源的“经典”方法在过去几年中发生了巨大的变化。
这些源包括倍频链（上变频）、谐振隧穿二极管（RTD）、晶体管、二极管。其优点是元件非常紧凑、可以在室温下工作，但在带宽和效率上有一定的限制。然而，电子源在太赫兹频率下相对低效，提供的频率调谐相当有限。
直接生成太赫兹波：QCL
用光源直接产生太赫兹波的方法包括：非常优雅的量子级联激光器（QCL）方法、非线性光学方法（光学参量过程）、分子激光器方法（低效且笨重）。虽然利用量子级联激光器（QCL）可以达到相当合理的功率水平，但效率仍然有限，并且通常必须在低温下工作。
间接产生太赫兹波：光电子器件
近年来，0.5THz~10THz之间的频率也被列入激光技术的领域。光电子（光子）方法要么使用可调谐二极管激光器，要么使用飞秒激光器。光混合器、光导开关或非线性晶体把近红外激光转换成光谱分辨太赫兹波或宽带太赫兹波。
图10：产生太赫兹辐射的三种主要方法
请注意，1THz的能量当量对应于49k，由于在较高温度下的弛豫过程，某些技术（如：量子级联激光器QCL）必须使用低温冷却。
为了支持多种6G研究活动，包括半导体行业在毫米波、太赫兹区域器件、电路特性的研究，罗德与施瓦茨提供了广泛的开发和分析测量工具。以下各节给出了一些示例:
使用变频器支持高达1.1THz频率的矢量网络分析仪。
使用外部谐波混频器（R&SFS-Zxx系列）为信号和频谱分析仪提供扩展频率范围支持，例如D频段（110GHz~170GHz）和其他高达500GHz的频段。
使用倍频器（R&SSMZ系列）为信号发生器提供扩展频率高达170GHz的支持。
使用发射和接收转换器，生成和分析D波段（110GHz~170GHz）的信号。
使用电波暗室在D波段（110GHz~170GHz）测量天线辐射性能。
4.4.1具有计量级精度的基于矢量网络分析仪的太赫兹测量
业界对毫米波和太赫兹范围内进行测量的矢量网络分析仪（VNA）的需求与日俱增。在E波段（60GHz~90GHz）除其他应用外，矢量网络分析仪（VNA）可表征晶圆探头系统和波导组件中的有源和无源组件。即使在更高的频率下，网络分析仪在测试集成电路、传感器和天线、成像系统、射电天文系统和材料中也有广泛的应用场景。5G无线通信标准和汽车雷达传感器的生产也为它创造了巨大的测试需求。
几GHz~67GHz频率的测量是网络分析仪标准的一部分，但毫米波和太赫兹范围的测试要求更高，它们需要外部频率转换器（R&SZC1100示波器可以覆盖高达1.1THz）。这类扩频器上变频刺激信号，下变频相应信号，以表征在频率下操作的设备在太赫兹范围内。
有源元件的晶圆上表征
为了表征线性和非线性范围内的有源器件，需要在探头尖端定义输入功率。由于无法在晶圆上进行功率校准，因此需要校准波导输出处的功率，并在校准过程中考虑额外波导、1mm电缆和探头尖端的损耗。对于功率扫描和压缩点测量，R&SZNA集成的校准程序能够补偿毫米波转换器的非线性，以实现最大的动态测量范围和复现性。通常使用R&SZNA在较低频率测量有源组件，与高频下使用系统集成的毫米波转换器进行计量级精度测量同样方便。
图11：太赫兹范围内的测量
使用R&SZNA矢量网络分析仪，在太赫兹范围内使用毫米波转换器进行测量的配置与在较低频率范围内一样方便（左图）。MPITS150-THZ集成探针系统，R&SZNA配置了显微镜，用于高达330GHz的晶圆级测量，GGBIndustriesInc.波导探头直接安装在毫米波R&SZC330转换器的输出端（右图）。
为了演示系统性能，测量了德国的弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF的四级325GHzMMIC低噪声放大器（LNA）（见图12）。标量增益|S21|以±95%置信区间显示。
4.4.2D波段宽带信号的产生和分析
可以使用更宽的频率范围来实现最高数据速率，6G研究的重点频段之一是D频段（110GHz~170GHz）。图13展示了支持该频率区域的组件和收发器的测试测量设备。
左图所示为R&SFE170ST发射机（TX）前端，它将R&SSMW200A矢量信号发生器的调制信号（例如潜在的6G波形）上变频到110GHz~170GHz的范围。右边是对应的R&SFE170SR接收器（RX）前端，它将信号下变频并将中频（IF）传输到R&SFSW信号和频谱分析仪。解调后的信号表现出优异的矢量幅度误差（EVM）性能，并强展示出生成信号极低相位噪声。
MMIC设计
下图展示了由罗德与施瓦茨公司及其合作伙伴设计的两个用于测试与测量设备的MMIC示例。
所示的40GHz~70GHz放大器约为4mm×3mm，反映了罗德与施瓦茨公司最新R&SSMA100B模拟信号发生器中这种电路的标准尺寸。该仪器在微波范围内提供最高的商用输出功率。
RadiometerPhysicsGmbH（RPG）也开发了太赫兹源，它组合了W波段的大功率放大器GaAsMMIC和基于GaAs肖特基二极管的大功率高频乘法器。图15展示了在赫歇尔太空望远镜（左图）上远红外外差仪（HIFI）的频率可调谐源，频率高达1100GHz，覆盖了从远红外到亚毫米波长的光谱范围。右图展示了欧洲航天局（ESA）JUICE卫星的亚毫米波仪器（SWI）的捷变频率和功率源，最高可达158GHz。
4.4.3D波段天线辐射性能测量
在空口（OTA）测试概念发展方面，5G率先将毫米波频率用于无线通信。这是由于大规模和高度小型化天线阵列不再适用于传导测试。OTA天线测试概念可以扩展到D波段乃至更高范围，用于探索太赫兹通信和传感。未来的设备将纳入更高集成度的有源天线系统，用于超大规模MIMO和传感应用。在可重构智能表面应用程序（RIS）特性的研究领域，OTA测试同样重要。
使用R&SATS1000进行空口测试（OTA）
现在把6G研究的重点放在100GHz以上的频率，找到大量可用频谱是实现更高数据速率的关键。不仅需要新的宽带高增益天线概念，还需要在天线测量程序方面取得进展。
从传统的6GHz以下蜂窝服务转向5G新空口（NR）频率范围2（FR2）已经是一个重大的技术飞跃（图2）。由于路径损耗随频率的平方增加而增加，因此在用户设备和网络基础设施中引入了具有电子波束指向能力的高增益天线，以确保无线链路的质量。由于集成电路复杂性随频率函数增加而急剧增加，现在大多数开发都针对一种新的波导D波段（110GHz~170GHz）和G波段（140GHz~220GHz）。
在接下来的讨论中，我们将考虑一种球面扫描解决方案来测量D波段的辐射性能，该解决方案在R&SATS1000中实现了前所未有的动态范围。该解决方案采用直接下变频的新型探头设计，在170GHz下提供大于50dB的动态范围。
在110GHz~170GHz频率范围内测量被测设备（DUT）的振幅和相位相干响应时，不需要机械修改或额外的射频布线，R&SATS1000简化了测试要求。
被测设备（DUT）是IMST新设计的D波段透镜的漏波馈电天线（图16）。它可用于6G前传点对多点场景。简化的馈电结构由低介电常数εr=2.34和直径35mm（20λ170GHz）的低损耗高密度聚乙烯（HPDE）制成的椭圆透镜组成，该设计具备较高的成本效益。馈源由一个λ/2漏波空腔组成，由WR6波导激发。可以沿透镜焦平面移动馈源来操纵辐射方向图。
该天线既进行了数值建模，又使用紧凑型系统进行了球面近场扫描天线的实验评估。辐射模式测量是在R&SATS1000移动球形扫描范围内进行的（图17）。该全电波暗室包括一个分布式轴定位器。
图17展示了测量探头的概念。正交换能器（OMT）连接到20dBi方形喇叭天线，在整个D波段频率范围内，3dB波束宽度为16°，交叉极化隔离为25dB。当DUT设置为接收（RX）或发送（TX）时，该组件可以相互工作，并且能够发送或接收两个正交极化场。直接在探头处实现下变频或上变频，从而消除了RF频率下的全部电缆损耗。两种极化可以同时测量。
图18展示了DUT全波模拟与测量结果之间的出色一致性。这证实了新探头测量系统具备高精度。无源天线测量可以成功实现近场到远场（NF2FF）变换等相位相干数据据采集。未转换的测量结果显示为红色，表明辐射方向图的主光束已经接近远场渐近行为。
总之，这样一种高效的D波段透镜天线设计，在42%的带宽下实现增益大于30dB。通过球面扫描测试系统对该天线进行了精确表征，该系统能够进行稳定的相位相干测量，并在DUT输入端和测试探头输出端进行了直接变频。相位相干性是支持精确应用近场到远场转换算法的必要条件，这对于精确确定辐射方向图零位和旁瓣电平至关重要。
4.5.1带间二极管激光器
光谱与太赫兹频率：带间跃迁与带内跃迁
多年来，在激光中产生相位相干辐射（通过受激辐射进行光放大）一直是一个既定的概念。它已经贡献了许多应用，包括与光纤技术结合的光通信，也是当今互联网的技术基础。激光器由有源介质（可在具有粒子数反转的能级之间发生激光跃迁）、用于反馈腔和额外的频率选择元件组成。
带间二极管激光器
半导体激光二极管是最重要的光电元件之一，它们可以将电流直接转换成相干光。对于光电学来说，直接带隙III-V族半导体材料GaAs和GaN最为重要。来自导带的电子（e–）与价带的空穴（e+）复合，发射频率与能级间能量差相对应的光子（图19）。带间二极管激光器价格低廉，能高效的产生从紫外线到可见光到红外频率区域的光子。然而，太赫兹光子的能量比可见光光子小100~1000倍，并且没有材料具有如此小的带隙和粒子数反转。
图19：带间二极管激光器与量子级联激光器（QCL）
在带间二极管激光器中，激发态能级|e和基态|g之间的激光跃迁发生在导带和价带之间，在量子级联激光器（QCL）中，光子跃迁发生在导带hv内设计的量子阱能级（“波函数工程”）之间。
4.5.2太赫兹QCL：异质结构设计的子带间激光跃迁
与带间二极管激光器相比，激光发射是在量子级联激光器（QCL）中通过使用在周期性堆叠半导体量子阱异质结构中的带间跃迁实现的（“超晶格”图19）。这个概念最早在1994年由贝尔实验室的一个研究小组通过JérmeFaistetal进行了演示。
图20显示了周期性量子阱异质结构（外延生长的GaAs或InP结构，厚度为几纳米）和由此产生的量子阱能级结构。在制造过程中，可以通过控制层深来设计量子阱深。因此，激光跃迁的波长取决于器件的物理结构（“电子波函数工程”）。这个概念允许产生低能量的太赫兹光子，这是带间二极管激光器无法达到的。
工作原理（图20）：频率ν的光子通过电子从激发态|e到基态|g的子带间跃迁发射，其中E=hν是基态和激发态之间的能量差。这个概念的一个优点是：负责发射光子的电子可隧穿到下一个量子阱（有源区），随后发射一个光子。因此，单个电子可以产生多个光子，从而使这一过程变得极其高效。从一个阱到另一个阱的隧穿就是“量子级联”这个术语的起源。
图20：QCL：半导体异质结构设计的子带间激光跃迁“带结构与电子波形工程”，光以电子“级联”的形式通过多个量子阱发射，形成“超晶格”。
实现在室温下工作的太赫兹量子级联激光器的旅程已经向前迈出了一步，最近发表了一种在珀尔帖冷却器范围内-23°C的工作设备。
光电频域产生太赫兹：单行载流子光电二极管（UTC-PD）和作为光合成器PIN光电二极管
如图21所示，在这种方法中，两个连续波（CW）单模激光器（通常在1.55μm“光纤通信波长”）的输出，发射频率分别为ν1和ν2，在超快III–V型化合物半导体光电探测器（InGaAs/InP）中“混合”，在太赫兹区域产生光脉冲频率νTHz=ν1–ν2诱导光电流调制。环绕在光电探测器周围的天线结构将振荡的光电流转换成太赫兹波。最先进的光电合成器基于GaAs或InGaAs/InP，并且要求激光波长低于半导体带隙（即分别约0.8μm或1.5μm）。
光混合技术的优点是，通过调谐激光器，拍频可以在很宽的光谱范围内变化，这直接转化为可广泛调谐的太赫兹辐射。
图21：光混合工艺
在两个稍微失谐的单模激光器拍频νTHz=ν1–ν2处产生太赫兹辐射的光混合过程。从光学频率梳中获得的两个频率可以导出极值频率和相位稳定度。对于数据传输，其中一个激光器由马赫-曾德尔调制器（MZM）调制：它由一个干涉仪组成，可将光束被分成两束。在其中一个干涉仪臂中，通过电光调制器（EOM）将激光的相位相对于另一条路径进行偏移，从而在两束光束重组后产生建设性或破坏性调制激光束。拍频信号撞击到光电混合器单行载波光电二极管（UTC-PD）上，集成天线发出太赫兹辐射。
常用两种类型的光电二极管：PIN光电二极管（PIN-PD）和单行程载流子光电二极管（UTC-PD）。这两种最初都是作为光纤通信网络的检波器开发的，但后来进行了修改以满足太赫兹发射的要求。UTC-PD最初由日本NTT公司开发，用于40Gbps的多级光接收，但这些光电二极管已经增强到能够产生高达4.5THz的信号。
在适用于通信应用的频段，如300GHz频段，已经实现了毫瓦量级的功率水平。
将激光束的可调谐特性与光混合技术相结合，可以将用于为光通信开发的光矢量场生成技术（例如调制带宽\>100Gbps的马赫-曾德尔调制器）应用到太赫兹范围内，从而使技术进步。此外，如果增加额外的频率，这些技术使得实现多频通信相对容易（图21）。这种组合还可以轻松地将这些无线链路集成到光纤基础设施中。此外，片上通信和未来的高速设备间通信也将需要太赫兹波导。这种波导最近已经利用具有接近零弯曲损耗和零反向散射的拓扑谷光子晶体实现。如图21所示，将两个频率引入到相同的频率梳发生器，可以将光学梳独特的相位和频率稳定性以宽带和可调谐的方式传输到太赫兹范围。与图21所示的发射机对应的接收机侧，可以是肖特基二极管或与发射器侧对称的设置。这项技术也为测试和测量仪器带来了希望，因为它可以通过光电子技术将频谱分析和矢量网络分析的频率范围扩展到太赫兹区域。
通信用太赫兹波：300GHz点对点传输
图22显示了在实验室和室外进行的太赫兹数据传输试验（SISO，即一个发射天线和一个接收天线）。在200GHz~300GHz之间有一个低大气损耗的传输窗口（图7）。与自由空间光链路相比，毫米波或太赫兹传输受雨、雾等恶劣天气的影响要小得多。图22的左侧显示了实验室中100Gbps的示例，而右侧的照片显示了法国敦刻尔克港中300GHz的传输链路，距离为850米（具有非常聚焦的波束）。
在200GHz~300GHz之间的太赫兹窗口中实现100Gbps传输。
另一种覆盖大范围频率（0.1THz~6THz）的替代方法涉及光谱学（TDS）和成像的时域（TD）系统。在这种方案中，脉冲太赫兹辐射是通过飞秒激光器产生的。激光脉冲用分束器分成两部分：一部分到达太赫兹发射机，另一部分到达探测器。超短激光脉冲在发射器（光电导天线）中产生瞬态电流，从而产生在太赫兹范围内具有宽频谱的电磁波包。
太赫兹脉冲与光谱样本相互作用并到达接收器，接收器以“Pump-Probe”的方式工作：入射太赫兹脉冲改变材料的某些特性（例如电导率或双折射），分离的激光脉冲探测这种效应。可变延迟用短得多的“探头”脉冲扫描太赫兹波包。然后太赫兹幅度进行傅里叶变换再现频谱。
图23显示了由时域光谱仪（TeraFlashpro,TOPTICAPhotonicsAG）记录的公交卡的太赫兹图像，该样品的探测频率从100GHz~6THz。
图23：一张日本预付公共交通卡的照片（左图）和处理过的太赫兹图像（右图），揭示了底层电子设备的内部视图（由TOPTICAPhotonicsAG提供）
当今社会迫切需要更高速率的无线连接、更高分辨率的雷达成像系统，这会推动微波系统工作频率的不断增加。虽然5G已经为毫米波频率应用在无线网络奠定了基础，但6G以及卫星通信的研究仍在进一步推动毫米波系统的发展，使其达到100GHz以上的范围。
这一趋势为半导体行业在极高频率下提供高输出功率的组件带来了越来越大的挑战。功率放大器通常以单片微波集成电路（MMIC）来实现，是无线通信和成像系统中最重要的组件之一。它们在输出功率、效率、带宽、线性度和噪声等方面对整个系统的性能有着决定性的影响。
高频高功率：III-V族半导体（GaAs，GaN，InP）与锗化硅（SiGe）
直接带隙的III-V族半导体是光电子（激光）和高频应用的理想材料，硅技术具有最先进的大规模制造工艺，可为商业应用提供经济高效的解决方案。
下面的雷达图对不同的高速半导体材料特性进行了总结和比较（图24）。
我们提供以下关键参数的简要说明:
电子迁移率
单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度被称为迁移率。由于电子比带正电的空穴表现出更高的迁移率，所以高速半导体器件都是基于电子转移电流的。关于“电子迁移率”这个参数的单位是[m2/(Vs)]。
饱和速度
该参数描述了当电荷被高电子场强度驱动时，半导体器件中电子的最大速度。该参数的单位简单来说就是速度单位[m/s]。在高场强下运行的器件的运行状态也称为“速度饱和”。
击穿场强
该参数描述了材料在变得导电之前承受高电压的能力（在没有电流限制的情况下，这通常对器件具有破坏性），单位为[V/m]。这个参数定义了器件的最大工作电压。有一些技术，如场板的应用，可以改善和均衡半导体器件中的场强分布，以提高其击穿电压。
能隙
能隙或带隙以[eV]为测量单位，基于量子物理学的特性，描述了在无杂质半导体中没有能态可用的传导带和价带之间的能差。对于异质结器件，通过在半导体合金中添加额外的材料来形成带隙结构，以提高器件性能（例如SiGeHBTs或基于III-V的HEMT器件）。
热导率
该参数描述了衬底材料传导热能的能力，单位为[W/(mK)]。特别是对于功率放大器等功率应用，由于这些器件输出功率经常受到热限制，所以这是一个必不可少的参数。由于热限制，氮化镓HEMT需在远低于击穿电压的情况下工作。特别注意，因为这个问题，导致高端氮化镓GaN器件是在具有高导热性的晶格匹配衬底上制造的，例如SiC甚至金刚石。
在给定的半导体材料中，上述参数强烈影响其应用领域。
砷化镓（GaAs）
根据掺杂浓度的不同，砷化镓具有相对较高的电子迁移率和饱和速度（图24），因此，可以实现极高的频率。虽然材料成本昂贵，但发展历史悠久，工业界积累了大量的经验。
目前，砷化镓技术可用于肖特基二极管、伪晶高电子迁移率晶体管（pHEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。砷化镓pHEMT技术在高频段具有良好的宽带噪声。HBT特别适用于低1/f噪声和高击穿电压的情况。砷化镓肖特基二极管可用于生产高达4.7THz的极低噪声接收器。它还可以用于高达几个太赫兹的高效率倍频，使其成为一种非常通用的毫米波技术。
砷化镓混频器和倍频器既可以作为MMIC集成到模块中，也可以将倒装芯片转移到主机基板上，以改善介电负载、散热。
磷化铟（InP）
磷化铟（InP）具有最高的电子迁移率、饱和速度。因此，可以实现极高的频率。然而，材料成本高，晶圆/芯片处理困难。
磷化铟（InP）技术的使用场景主要有异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）。双极型晶体管通常用于最先进的锗化硅HBT速度和/或击穿不足的模拟集成电路。InPHEMTs的应用领域超过400GHz，主要用于频率高达700GHz的超低噪声放大器。
从应用的角度来看，铟砷化镓（InGaAs）变形异质HEMT（mHEMT）技术与InPHEMT技术相当，只是它们使用砷化镓衬底。
氮化镓（GaN）
由于效率优势和在更高通道温度下工作的可行性，氮化镓（GaN）几乎完全取代了硅基LDMOS技术，广泛用于低于10GHz的基站。最近，氮化镓（GaN）也被用于微波回程应用。
上述氮化镓（GaN）的高带隙，外加最高通道温度高达+200°C，使该技术成为恶劣环境的绝佳选择。特别是星载应用，因为受益于该技术的辐射硬度，所以该技术具有高带隙和在巨大温度范围（“昼夜”）下工作的能力。与其他半导体技术相比，氮化镓（GaN）放大器系统具有非常低的质量输出功率和体积输出功率比。
锗化硅（SiGe）HBT和互补金属氧化物半导体（CMOS）
锗化硅（SiGe）异质结双极晶体管（HBT）也提供了相当好的电子迁移率，允许它们用于高速模拟应用。如果与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术相结合，可以充分利用该技术的优势，以中等成本实现包含高速模拟和数字功能的混合信号专用集成电路（ASIC）。CMOS和SiGeHBT的结合通常被称为“BiCMOS”工艺。利用成熟的CMOS制造工艺，并将高频元件与模拟/数字信号处理电路集成在同一芯片上，实现了前所未有的集成度和灵活性。
SiGeHBT本身是一种广泛用于汽车雷达应用或短程通信的材料。该技术的击穿电压足以提供必要的输出功率。最近，人们也对这种材料用于微波回程产生了兴趣，在高体积、高集成密度下获得更低的每片生产成本。
异构集成作为6G研究课题
表2：半导体材料特性和应用
图25：截至2016年9月（左）和2020年10月（右）的最先进高频功率放大器概述
很明显，不同的半导体技术以不同的颜色表示的数据点在频率范围内不是均匀分布的，而是聚集在某些频带周围。这显然是应用围绕某些频率分配导致的。例如，在28GHz附近发表有大批成果，这些成果与5G新空口（NR）毫米波频段的基础设施和终端电路有关，如：n258（24GHz~28GHz）、n257（26GHz~30GHz）和n260（37GHz~40GHz）。另一组结果集中在60GHz左右，用于无线千兆网（WiGig），其中大量基于CMOS的电路。
70GHz~95GHz之间的数据点聚集各种应用。77GHz用于汽车雷达，而一些成像雷达系统在94GHz左右。此外，这里也可以找到E波段回程和点对点高速率通信链路的示例。
值得注意的是，在2016年之前，100GHz以上只有少数成果发表。然而，近年来在基于InP的设计，以及在较小程度上基于SiGe和InGaAsmHEMT系统的设计，使得更高的毫米波波段取得了巨大的进展。这背后驱动的力量显然是下一代通信技术——6G。
功率放大器的频谱包络甚至已经超过300GHz，尽管功率水平较低：500GHz功率为几毫瓦（mW），1THz功率为亚毫瓦（sub-mW）。
毫米波和太赫兹频率传播特性作为新物理层的基础只有在对尚未充分研究的频率范围内的电磁波传播特性有深入了解的基础上，才能开发6G所设想的亚太赫兹通信。
本章解释了时域信道探测的概念，并介绍了在具有代表性的室外和室内场景，在300GHz左右的H/J波段和D波段（110GHz~170GHz）的信道测量结果。这项研究目的是更好地了解毫米波和亚毫米波（亚太赫兹和太赫兹）无线信道，以及目前在ITU-RWP5D中讨论的“100GHz以上频段IMT的技术可行性”。
信道模型作为利用新频率范围的基础
在开发新的通信标准之前，必须理解并表征指定频段内的传播特性，然后导出信道模型，以实现新标准的系统级仿真。物理层参数包括导频信号在时频域中的分布，这使得接收机能够均衡并补偿信道对传输信号的影响。开发、验证、编码、纠错需要考虑这种特性。
基础测量数据必须能准确无误复现所调查的环境特征。基于几何学的随机信道模型（GSCM），例如3GPPTR38.901有效频率高达100GHz，是基于不同环境场景下的大量信道测量。
4G及之前的3GPP信道模型开发和规范仅限于6GHz以下的频率范围和准静态环境。随着5G的发展，频率范围扩展到毫米波区域，应用于汽车、高速列车、工业环境等新用例对应的动态场景和其他类型的环境场景。然而，由此产生的信道模型并不能简单地扩展到6G预期的100GHz以上的范围。它们必须经过验证和微调，以正确反映环境的影响。与毫米波范围相比，在这个频率范围内的传播受到人体、车辆和降雨等环境条件的强烈影响。
从信道测深到信道模型
图26：时域信道测深工作原理：通道脉冲响应（CIR）是通过在感兴趣的频率发射电磁“ping”并捕获所有返回信号分量来测量的。
通常，只有当物体至少与入射波的波长一样大时，它们才会对电磁波“物理可见”，并充当反射器或散射器。这意味着在更高的频率如30GHz的尺寸在厘米范围内的物体上已经起到反射器的作用。
合作研究
罗德与施瓦茨公司在信道探测项目方面拥有多年的经验，包括在日本东京的街道峡谷中进行的67GHz高分辨率信道测量活动。2019年3GPP研究计划的重点是在生产环境等工业场景中开发新的5G信道模型。为了支持3GPP的工作，罗德与施瓦茨公司与弗劳恩霍夫·海因里希·赫兹研究所（HHI）合作，不仅在其Memmingen和Teisnach工厂进行了28GHz和66GHz毫米波频段的测量，还在3.7GHz~3.8GHz频段进行了测量，该频段指定用于德国的专用校园网。
6G重点放在更高频率的信道上。在弗劳恩霍夫HHI和弗劳恩霍夫应用固态物理研究所（IAF）的合作努力下，开发了一种在275GHz~325GHz范围内产生并分析信号的设备，带宽为2GHz。该信号可用于信道测量，也可以用于新型波形调制或传输实验，图27和图28显示了测试方案。室温下极低噪声和宽带应用的InGaAsmHEMTMMIC是IAF的关键技术之一（见第5.1章）。
发射机和接收机之间传播延迟的测量
该测试系统在300GHz频率下的初始测量结果表明，其动态范围很宽，在该频率范围内是无与伦比的。为了系统地表征亚太赫兹频率范围，以下各节讨论弗劳恩霍夫HHI在各种环境情景中进行的联合测量。
图27：300GHz信道测深系统线框图
图28：300GHz室内环境的信道脉冲响应（CIR）
使用R&SSMW200A矢量信号发生器、R&SSGS100A信号发生器和R&SFSW43信号和频谱分析仪进行300GHz信道测量的测试。图片顶部显示了一个集成喇叭天线的收发器。该装置可用于信道探测以进行信道表征，也可用于新波形的传输实验（左图）。右图是300GHz的室内环境中多重反射的信道脉冲响应（CIR）。发射机和接收机之间的距离约为4米。非常狭小的室内环境具有一些反射特征。电磁波在1ns内传播约30cm。
弗劳恩霍夫·海因里希·赫兹研究所（HHI）做了上述300GHz通道探测系统的表征。
最近，在慕尼黑的罗德与施瓦茨公司总部对亚太赫兹频率（158GHz~300GHz）信道的传播特性进行了更系统的研究。频率的选择参照未来的6G网络讨论。该研究侧重于两个代表性场景：两个研发大楼之间走廊的街道峡谷式（城市微蜂窝UMi）户外场景，以及类似于购物中心或机场的中庭室内活动的测量。
图29：158GHz通道测深测量线框图
接收机（RX）由R&SFSW43信号和频谱分析仪以及由12.24GHz频率的LO发生器馈电的下变频器组成。水平极化E平面喇叭天线，天线增益为20dBi，方位角约为15°作为接收天线。D波段前端将接收到的信号下变频为11.12GHz的中频（IF）。信号分析仪对频率为2.5GHz的中频（IF）信号进行采样，其中一次测量涵盖序列的250个周期。接收天线和下变频器安装在精密旋转台上，以允许相对于方位角进行角度分辨测量。接收机安装在摄像小车上，方便精确地移动到不同的接收机位置（图31）。由于所用天线的波束宽度约为15°，无线电信道在接收机的方位角域中以15°的步长采样。
表3：158GHz和300GHz下的信道探测参数
下一节描述了一些初步结果，更详细的定量分析正在准备中。
在德国慕尼黑的罗德与施瓦茨公司总部进行了测量，它们代表了城市微街道峡谷场景和室内购物中心/机场场景（图30）。室外测量是在左边两座灰色阴影建筑之间进行的，街道的宽度为15.5米，周围建筑的高度约为20米。
6.4.1室外街道峡谷场景（城市微蜂窝UMi）
第一个测量场景位于两个研发大楼之间的走廊中，类似于街道峡谷场景（城市微蜂窝UMi如图30和图31所示）。固定发射机（TX）放置在走廊尽头的自行停放架上（图30左侧红星处）1.5米的高度。在那里有一个更开放的空间，有一个小广场和孤立的树木（图31）。包括测试与测量设备在内的接收机（RX）安装在1.5米高的无线平台（摄像小车）上，放置在离发射机不同距离的测量位置，最大距离为170米（图32）。大多数测量都是在视线范围内（LOS）下进行的。
图31：室外158GHz和300GHz（D波段）下的角度分辨信道脉冲响应（CIR）太赫兹信道测量，在慕尼黑Rohde&Schwarz总部的街道峡谷环境
左图展示了街道峡谷尽头的发射器（TX）视角（另见图30）。右图展示接收器（RX）安装在无线平台（相机推车）的装置，用于在不同位置进行测量。测量示例如下所示，在距离发射机30米处的信道脉冲响应为158GHz（左图）和在相同位置的300GHz（右图）。1μs的延迟对应于300米的距离。
图32展示了在158GHz的室外场景中，在10米~170米的不同距离上的瞬时CIRs组合成一个图。这些测量覆盖了两座建筑物之间的完整街道长度，天线始终是对齐的。从这组大规模测量中，可以推导出路径损耗指数。在延迟较大的多径分量几乎存在于整个测量计划中。
图32：大规模户外街道峡谷场景测量
该图显示了158GHz的CIRs，在10米~170米距离内，天线排列整齐。
角分辨Angle-resolved测量
对测量数据集的进一步评估涉及对角度信息的分析。在每个测量点，将接收机旋转到24个等距的角度位置，从而在方位角平面上以15°角对无线电信道进行空间扫描。
图33显示了在同一测量点（室外30米）对两个频率（158GHz和300GHz）的路径评估结果。角轴表示循环维度，意味着这些图中的第一行和最后一行是相同的，这也反映在颜色上。针对这些评估，为了从噪音中清晰地区分信号路径，需要适当地控制噪声阈值。对于图33中给出的示例，将158GHz绝对噪声阈值被设置为-120dB，300GHz时设置为-118dB。
图33：158GHz（上图）和300GHz（下图）在30米距离处（室外）延迟角域的评估路径
基于此路径估计，可以将所有路径的总接收功率（即有效总路径增益）求和，图中也显示了这一点。虽然300GHz的信道比158GHz的信道稀疏得多，但我们可以清楚地看到，总体功率没有太大的差异。与158GHz相比，我们预计300GHz的总功率将减少6dB左右。但事实并非如此，因此我们可以得出结论，由于测量原理的高灵敏度，可以解决158GHz的附加路径，但它们对总功率没有显著贡献。均方根（RootMeanSquare，RMS）延迟扩展和均方根（RootMeanSquare，RMS）角扩展等统计参数如也可以从这些结果中进行评估。
6.4.2研发大楼中庭的室内购物中心/机场场景
室内测量是在图30右侧和图34所示楼内的一个大型开放空间进行的，类似于购物中心/机场场景。大厅的空间大约是52米×13米，天花板高度约为20米。发射天线（TX）部署在大楼门口电梯前方的固定位置，高1.5米。接收器（RX）安装在高度1.5米的无线平台上，并移动到可以覆盖整个建筑面积的矩形网格上的不同位置。
图34：室内中庭场景（商场/机场）的照片，接收器（RX）位于前面的旋转台上，发射机（TX）位于后面电梯处（另见图30）
图35展示了在一个特定位置（矩形网格中）具有LOS峰值和多个多径分量的角度分辨估计路径。这是一个室内测量的例子，频率为158GHz，距离为40米。正如预期的那样，与室外测量相比，来自不同方向的更多多径分量有助于提高总体接收功率（40米时为-71.4dB，30米时为-75.1dB）。
可以通过玫瑰图来呈现图35（下），每块“饼”代表各自角仓的总功率，将所有的“饼”进行处理，便可归一化为总功率。一个角仓内不同路径的单一贡献用圆点表示。我们可以清楚地看到，只有一个或两个角仓占了几乎所有的总功率，而在一个仓中，只有少数路径有显著贡献。
虽然大部分功率来自视距（LOS）方向，但重要的多径测量覆盖了所有的方位角方向。
图35：中庭场景（购物中心/机场）在158GHz下某个特定室内位置的路径评估，角度范围覆盖-180°至180°
在底部的玫瑰图中，相同的数据集显示在极坐标图中，其中每个圆点对应一个峰值，三角形（“饼”）代表各自角度仓中的整体功率。可以观察到多个多径分量。
太赫兹技术和应用只是未来6G无线通信的一个潜在组成部分。该技术有望成为不可或缺的——不仅要在Tbit/s级别上实现最大吞吐量以及极低延迟的目标，而且还会迸发出新的使用场景。设想的6G场景涵盖了通信、光谱、成像和感知等众多领域。然而6G的商业实施依托于尚未开发的可行商业模式。
虽然半导体技术继续向极高频率发展，但毫米波带来的技术挑战是有目共睹的，它们涉及效率和功耗。与毫米波相比，由于无线电波传播的范围更短，太赫兹频谱区域的挑战只会加剧，可以通过波束成形的方式聚焦信号来缓解，这涉及到在小空间中容纳更多数量的天线以产生精确的波束。虽然室外和室内太赫兹应用都是可行的，但室内很可能成为太赫兹应用的主要场景。
利用光子技术产生太赫兹波是一种替代技术的发展分支，具有将现有光电器件的功率效率转移到太赫兹频率区域的潜力。将当今的实验室设备小型化到光子集成电路（PIC）中可能成为主流解决方案。哪一种技术最终会成为主流，哪一种方法将用于何种特定场景，这将是一件令人期待的事情。
目前6G技术试验和可行性研究的下一个里程碑是2023年的世界无线电大会（WRC）。虽然2023年不会做出关于6G频谱的决定，但WRC23将为2027年的下一届WRC制定议程，届时6G标准化工作将全面展开。这就是为什么工业界和学术界的研究活动都努力在2023年之前，掌握太赫兹通信在技术上和使用场景上都可行的证据。这包括上一章所述的太赫兹信道测量活动，以了解传播特性，并为这一新的通信频率区域开发信道模型，以及各种公司和研究机构已经证明的太赫兹无线电链路。
自数字无线通信时代开始以来，罗德与施瓦茨一直是工业界和学术界的密切合作伙伴和领先的测试和测量供应商。现如今该公司为6G研究项目提供解决方案和专业知识，包括太赫兹研究，并为下一个无线通信标准的商业化铺平道路。
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