太赫茲天線（四）

摘要：本文闡述了超大規(guī)模多入多出天線及其波束形成技術(shù)，介紹了太赫茲波束形成的原理和實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：超大規(guī)模多入多出；太赫茲；波束形成；混合波束形成

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.001

中圖分類號：TN 82" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-000-09

Terahertz Antenna（IV）

ZHONG Min

Abstract： In this paper， the ultra Ultra-Massive MIMO antenna and its beamforming technology are described， and the principle and implementation approach of terahertz beamforming are introduced.

Keywords： ultra-massive MIMO; terahertz; beamforming; hybrid beamforming

1" "超大規(guī)模多入多出（Ultra-Massive

MIMO，UM-MIMO）[1][2][3][4]

在無線移動通信系統(tǒng)中，基站與基站，或基站與用戶設備的收發(fā)天線之間通過信道對接時，可有如圖1所示的幾種組成方式。

圖1中，單入單出（SISO）是最簡單的情況。為了增加通信容量和提高頻譜利用率，出現(xiàn)了多入多出（MIMO）的架構(gòu)。MIMO是將空間域作為除頻譜和時間之外的一種新資源。通過此技術(shù)可獲得三種增益：

⊙ 分集增益：利用多天線將多徑分量組合增強信

號功率。

⊙ 陣列增益：通過預編碼或波束形成使能量集中到

一個或幾個方向。

⊙ 空間復用增益：在可用天線組合所立的多重空

間層上，將多個信號流傳輸給單個用戶。

最簡單的MIMO是收發(fā)各二副天線，或用一副天線產(chǎn)生兩個波束分別對應連接。MIMO的進一步發(fā)展，是基站與多用戶聯(lián)接的MU-MIMO，也即利用上述陣列增益，如圖2所示。此情況下，基站和用戶都是MIMO，這樣，一個基站可同時與多個用戶設備（UE）利用相同的時-頻資源聯(lián)系；多數(shù)據(jù)流可在基站與每一UE之間傳送。因此，MU-MIMO進一步提高了頻譜利用率。

進入5G時代后，出現(xiàn)了大規(guī)模多入多出（Massive MIMO，mMIMO）的架構(gòu)，這是一種在接入點安裝大量天線的蜂窩技術(shù)，基站天線達數(shù)十至過百，用于將每個小區(qū)的許多數(shù)據(jù)流通過空分復用方式傳送給一個或多個用戶。圖3（a）是大規(guī)模MIMO的示意圖，圖3（b）則是收發(fā)各由64個微帶貼片天線組成的大規(guī)模MIMO實用產(chǎn)品案例。

根據(jù)天線理論，相鄰二天線間距一般為二分之一工作波長。當前國內(nèi)5G頻段以3.5 GHz和2.6 GHz為主，根據(jù)此頻段得出半個波長大概是4.3 cm/5.8 cm在圖3（b）的實用案例中，陣列天線的尺寸為800 mm×400 mm。

圖4畫出了移動通信的基站多天線從1G到6G的發(fā)展過程。典型的量化數(shù)字是，MIMO采用2～8根天線（單元），M-MIMO采用64～128個天線單元，UM-MIMO采用256～1 024個天線單元。

通常，這種大規(guī)模MIMO應用于視距（LOS）的場合，對于非視距通信，將難以保證傳輸質(zhì)量。在未來6G通信中，頻譜資源將擴展到毫米波高端和太赫茲波，以滿足更大通信容量和寬帶高速率的需要。但頻率越高，路徑傳播損耗越大，大氣和降雨引起的電波衰減越嚴重，為此，需采用更高增益的大孔徑天線來補償；更短的工作波長，在較小的物理尺寸下有利于構(gòu)成高增益的天線，例如，工作頻率為1 THz時，在30×30 cm2的平面上，可配置1 000×1 000天線單元的陣列，這是按照傳統(tǒng)的相鄰陣元間隔為二分之一波長估計的，若采用超平面材料，陣元尺寸為亞波長，陣列所占面積更小。于是超大規(guī)模多用戶多入多出（UM-MIMO）的天線應運而生。作為例子，圖5給出了線陣列天線單元數(shù)目分別為Na=16和Na=1 600時所產(chǎn)生的大規(guī)模和超大規(guī)模天線波束圖。

對超大規(guī)模多用戶多入多出需要關(guān)注以下問題。

頻譜效率與能量效率的折中。在IMT—2000的關(guān)鍵技術(shù)指標（KPI）中，增加了能量效率（EE）這一關(guān)鍵指標。

（1）

由式（1）可見，增加數(shù)據(jù)速率，若使功耗最小化，可提高能量效率。為此，通過大規(guī)模MIMO可獲得更大的數(shù)據(jù)速率。而總的功耗包括數(shù)據(jù)傳輸所需功率和電路產(chǎn)生的功耗。在大規(guī)模MIMO中，增加發(fā)射天線的數(shù)目，電路功耗也隨之增加，這就需要考慮能量效率這個重要的指標。因此，如何保持頻譜效率與能量效率的平衡至關(guān)重要，這要通過采用無源陣列（如IRS）或低功耗的有源陣列來達到。

波束斜視。斜視是指發(fā)射波束偏離天線平面法線的角度，簡而言之，它指波束方向隨工作頻率，極化或方向的變化。這是一個重要的現(xiàn)象，可能會限制相控陣天線系統(tǒng)的帶寬。例如，這種偏轉(zhuǎn)可能是由于寬帶工作時，偏離中心頻率的信號通過移相器的相移量變化，致使各陣元合成后輻射方向偏轉(zhuǎn)。波束斜視也有一些特別的用途，如利用頻率掃描產(chǎn)生波束掃描、衛(wèi)星天線的斜視覆蓋等。

波束管理。所謂波束管理是指初始接入和波束跟蹤，以及波束對接中斷后的重建等。大孔徑（陣列）、多波束的天線產(chǎn)生極高的增益，相應地其波束極為尖銳，波束寬度極窄，與用戶設備連接如何捕獲和對準，以及管理過程中由于太赫茲信道波動（如用戶與基站間相對位置的隨機變化、環(huán)境的動態(tài)變化等）產(chǎn)生的影響，都是需要切實解決的問題。對此將在另一講座中進一步說明。

2" "波束形成[1][2][5][6][7][8]

MIMO是通過波束形成（也稱波束賦形，Beamforming）來實現(xiàn)的。簡而言之，波束形成是利用多根天線產(chǎn)生一個或多個具有指向性的波束，將信號能量集中到需要傳輸?shù)囊粋€或多個方向，以保證信號質(zhì)量，并減少對其他用戶間的干擾。通過波束形成的波束其指向或是固定的，或是動態(tài)可調(diào)控的。

2.1 基本原理

相控陣天線是波束形成的技術(shù)基礎(chǔ)。利用多天線產(chǎn)生的電磁波，將在其傳播空間產(chǎn)生波的干涉，根據(jù)疊加原理，在某些方向上因相位相同而增強，而在某些方向上因相位相反而相消。而天線的發(fā)射與接收是遵循互易原理的，這里以圖6所示的接收天線陣列為例說明其原理。

設平面電磁波的入射方向與陣列天線的法向（與陣列天線平面垂直）之間的夾角為，稱為到達角。對于相同的波前，首先到達“0”號天線，如下依次為“1”“2”“3”號。陣列輸出的時間波形如圖中所示。這四路時間波形疊加近似為0。

若在天線的輸出端分別加上的時延，再將這四路信號合路相加，結(jié)果因同相相加而獲得最大輸出。可以證明，電波的波前到達相鄰二天線的“波程差”，為相鄰二天線的間距。這樣，易知到達相鄰二天線的時間差，為光速。即波前到達天線1比到達天線0時間延遲（滯后）；類推，到達天線3比到達天線0滯后3。因此，若令，便得到上面的結(jié)果。時延與電波的相位滯后的關(guān)系是。就是說，將圖中的延時器改用移相器取代，移相器的相移量分別與各天線時延量對應，也得到同樣的結(jié)果。關(guān)于移相器的構(gòu)成和工作原理，在上一講中已有介紹。

根據(jù)天線互易原理，若發(fā)射天線陣列的每一天線輸入端各連接一移相器，設置給定的相移后，也能產(chǎn)生一定指向的波束（見圖7），這里稱為波束角。若一定，波束指向就是固定的。

圖7 由互易原理從接收演繹出發(fā)射相控陣的原理

以上簡要介紹的是相控陣天線的原理，在微波和毫米波頻段，以其構(gòu)成的波束形成天線業(yè)已獲得了廣泛的應用，其技術(shù)也可推廣到太赫茲頻域的低端。

但值得特別注意的是，隨著工作頻率的升高，尤其是到太赫茲頻率后，會遇到“近場”的問題。按照天線輻射電磁場與波的理論，當觀察點與天線超過某一距離時，所觀察到的電磁波為平面波；而當短于該距離時，則為球面波，如圖8所示。

上述距離由瑞利距離（RD）定義：

（2）

式中，為陣列孔徑；為工作波長。對于太赫茲頻率，其波長極短，而UM-MIMO天線陣列則相對很大。表1給出了不同陣列孔徑對應的RD。

我們看到，對于100×100的太赫茲天線陣列，瑞利距離達4.9 m，一些用戶設備可能已處在近場區(qū)中。從圖9可見，在近場區(qū)，波陣面到各天線陣元的到達角是不同的，這為相控陣列的操作處理增加了復雜度，而對遠場區(qū)則簡單得多。

2.2 模擬波束形成與數(shù)字波束形成

模擬波束形成是20世紀60年代出現(xiàn)的，其基本組成如圖10所示。簡而言之，模擬波束形成是利用模擬器件與電路處理模擬信號而得形成波束的。

在發(fā)射與接收端，模擬波束形成都是在射頻上進行的。從發(fā)射一側(cè)看，波束形成器是由移相器網(wǎng)絡和功分器網(wǎng)絡構(gòu)成的。在接收側(cè)，利用功率合路器來合成多路接收到的信號。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，僅有一射頻鏈與波束形成網(wǎng)絡連接，從而產(chǎn)生單個波束。

如圖11所示，當連續(xù)改變移相器的相位時，天線陣列產(chǎn)生的波束將在空間進行掃描，利用此功能，可捕獲對方波束，實現(xiàn)初始接入，也可用來跟蹤移動用戶。

為獲得多波束，將天線陣列劃分為多個子陣，分別與多個射頻鏈和波束形成器連接，如圖12所示。

到了20世紀80年代，出現(xiàn)了數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）技術(shù)，這里，射頻鏈路與天線連接，沒有移相網(wǎng)絡，波束形成是在數(shù)字基帶上進行的，數(shù)字多波束形成系統(tǒng)的組成如圖13所示。在發(fā)端，數(shù)字基帶信號通過數(shù)字波束形成網(wǎng)絡后，經(jīng)數(shù)-模變換，轉(zhuǎn)換為模擬信號，饋送給射頻鏈路接入天線發(fā)射。在收端，接收到的射頻模擬信號經(jīng)模-數(shù)變換，被送到數(shù)字波束形成網(wǎng)絡處理后，還原出發(fā)方原本的數(shù)字基帶信號。

這里簡要說明數(shù)字波束形成網(wǎng)絡的基本原理。當工作于接收模式時，將陣列多個接收通道的信號變換為基帶信號后，利用數(shù)字處理方法，對某一方向的入射信號，通過加權(quán)處理，如圖14（a）所示，補償由于陣元在空間位置不同而引起的傳播波程差導致的相位差，實現(xiàn)同相疊加，從而實現(xiàn)該方向的最大能量接收，完成該方向上的波束形成，來接收有用的期望信號，以此把陣列接收的方向增益聚集在一個指定的方向上，相當于形成了一個“波束”。可以通過改變權(quán)值，使得波束指向不同的方向并實現(xiàn)波束的掃描。通過多通道的并行處理也可以同時形成多個波束。在發(fā)射模式中，根據(jù)所需要發(fā)射波束的方向，通過數(shù)字波束形成網(wǎng)絡確定每路基帶信號的加權(quán)系數(shù)進行加權(quán)運算后，如圖14（b）所示，然后將經(jīng)數(shù)-模變換后信號送到射頻發(fā)射鏈路，由天線陣列向特定方向的空間輻射。

由圖13可見，在發(fā)射和接收時，數(shù)字波束形成網(wǎng)絡的輸出和輸入與射頻鏈路是一對一連接的，射頻鏈通常包括變頻器與放大器（功率放大器或低噪聲放大器）及濾波器等組成，因此導致高的成本，折中的方式是采用模擬與數(shù)字混合的波束形成（Hybrid beamforming）網(wǎng)絡，如圖15所示。可見，混合波束形成網(wǎng)絡中既有射頻鏈路上的模擬波束形成網(wǎng)絡，又有基帶域中的數(shù)字波束形成網(wǎng)絡。

在應用中，混合波束形成可分為如圖16所示的幾種形式：全連接，部分連接和動態(tài)連接。

其中，圖16（a）是全連接架構(gòu)，配備有NRF條射頻鏈和Nt個天線陣元，每一天線陣元輸出是重疊的來自所有射頻鏈的信號。而每一移相器與一射頻鏈連接，所有射頻鏈輸出都加到每一天線元上，以提供高的波束形成增益。圖16（b）為部分連接，是將天線陣列劃分為若干子集；每一射頻鏈與一天線子集連接，每一子陣產(chǎn)生一波束。圖16（c）為動態(tài)連接，是在射頻鏈與模擬波束形成器之間插入一開關(guān)矩陣，根據(jù)應用場景（如用戶的分布），有選擇地將某一或某幾條射頻鏈與模擬波束形成器中的天線陣元和移相器連接。

表2所示為模擬波束形成、數(shù)字波束形成和混合波束形成技術(shù)比較，表3給出了混合波束形成中優(yōu)點、局限性和可行性的比較。

3" "其他波束形成技術(shù)[5][6][9]-[18]

3.1 漏波天線（Leaky-wave Antenna，

LWA）技術(shù)

3.1.1 基本概念和原理

漏波天線是一種行波天線，最傳統(tǒng)的漏波天線由波導壁上開出周期性縫隙而得（見圖17（a）），天線工作時，波導內(nèi)部沿波導軸線傳輸?shù)碾姶挪芰坎粩嗟貜牟▽П谏系闹芷谛钥p隙處漏泄出來，從波導進入自由空間，并產(chǎn)生定向輻射，其波前（相陣面）由沿波導的空間剖面定義（見圖18），隨著波的傳播而線性推進，據(jù)此來實現(xiàn)波束形成和波束控制。

需要說明，行波是電磁波沿導波系統(tǒng)（傳輸線）無反射的傳播；饋送的電磁波呈現(xiàn)行波狀態(tài)分布的天線便是行波天線。行波天線一般都需要在終端連接匹配負載，使之令電磁波得以無反射的傳輸，具有寬帶性能。當輸入頻率進行掃描時，波束角便隨之變化，即產(chǎn)生相應的波束掃描。

隨著天線技術(shù)的進步，陸續(xù)出現(xiàn)了各種類型的漏波天線。按幾何結(jié)構(gòu)可有周期性和非周期性的兩大類。前者以接近波導波長的周期呈周期性排列，作為例子，圖17（a）為開縫波導漏波天線，圖17（b）為有周期性分支排列的微帶型漏波天線，非周期性結(jié)構(gòu)如圖17（c）所示的窄壁開槽的波導漏波天線，圖17（d）則為開縫的平板波導漏波天線。

根據(jù)行波在漏波天線中傳播時相速的不同，即波導中的傳播常數(shù)（）與自由空間中電磁波的波數(shù)（）的關(guān)系，可分為慢波型和快波型兩種漏波天線（見圖16）。前者波相速低于光速（），而后者是波相速大于光速（）。

之前的講座曾說明，導（行）波要能輻射到自由空間成為電磁波，對于慢波結(jié)構(gòu)必需滿足以下的相位匹配條件：

（3）

式中，與的定義已如上述；為慢波周期性結(jié)構(gòu)單元（如柵格）數(shù)；為波束角（參見圖16（a））。當時，通過頻率掃描，改變和，可從負向轉(zhuǎn)到正向，即產(chǎn)生波束掃描。

再來看圖19（b）快波結(jié)構(gòu)的情形。這時其間的相速超過光速，使得，這時波導內(nèi)的波長長于同頻率自由空間的波長。即使無周期性慢波結(jié)構(gòu)，也可為實數(shù)，使行波不斷地泄漏到自由空間去。這樣，上式可表示為

（4）

值得注意的是，大多數(shù)情況下，一般的快波結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生前向波束（）；若采用左/右手材料（CRLH）傳輸線，在一部分頻帶內(nèi)使，可解決獲得的問題，即可產(chǎn)生前向和反向指向的波束。

3.1.2 慢波型漏波天線的實現(xiàn)舉例

慢波型漏波天線可采用介質(zhì)加載的TEM傳輸線或介質(zhì)波導來實現(xiàn)；通常具有周期性結(jié)構(gòu)的漏波天線也是慢波型的，圖17（a）所示的在波導寬壁上周期性開槽所構(gòu)成的天線是典型的慢波型漏波天線，前面已作說明。

利用準TEM模式的微帶線。如圖17（b）所示，以低損耗環(huán)烯烴聚合物（COP）為基片，在微帶傳輸線上下兩側(cè)連接周期性分支短截線，將波導模式轉(zhuǎn)換成TE模（圖20），利用其產(chǎn)生TE極化的定向波束。作為沿微帶線的橫向電場是鏡像對稱的，兩側(cè)交錯的短截線可以使陣列密度加倍，以提高輻射效率，抑制柵瓣，并在橫向上加寬孔徑。

實驗表明，當這種天線從235 GHz到325 GHz進行頻率掃描時，可獲得－23°～＋15°指向的波束掃描。

表面波也被認為是另一種慢波，它沿著兩種不同媒質(zhì)的界面?zhèn)鞑ィ溲亟缑娲怪狈较蛏蟼鞑フ穹手笖?shù)衰減，是一種消散波（參見技術(shù)講座：太赫茲射頻器件與電路，《數(shù)字通信世界》2023年12月），由于表面波的場受到約束相對寬松，通過在表面上引入弱擾動，它們很容易被發(fā)射到自由空間中。支持表面波的結(jié)構(gòu)可以由電介質(zhì)板或亞波長波紋金屬構(gòu)成。后者以表面等離子體激元的形式維持表面波，不會被亞波長尺度的波紋散射。雖然使用介電板有利于減少傳輸損耗，但是使用波紋板金屬能提供更好的色散控制。

3.1.3 快波型漏波天線的實現(xiàn)舉例

如圖17（c）所示的矩形波導一側(cè)窄壁開槽的漏波天線（βlt;k0）是快波型漏波天線一例，它原先用于微波頻段，原則上也可用于太赫茲頻率，但因工藝制作的困難，改成了圖17（d）所示的平板波導。TE1模式是最低階橫向電模，其模式指數(shù)小于1，或者相當于βlt;k0。輻射槽沿傳播方向開在頂部金屬板上。平板波導去掉了矩形波導的側(cè)（窄）壁，消除了工作于太赫茲頻率時趨膚深度性能惡化而造成的導體損耗。

據(jù)研究，平板波導TE1傳播常數(shù)為

（5）

式中，為自由空間波數(shù)（=}；為光速；為平板波導上、下板間距。在平板波導頂面的開槽上，產(chǎn)生漏波輻射應滿足TE1模與自由空間電磁波相位匹配的條件是

（6）

于是有

（7）

式中，為自由空間電磁波傳播方向與平板波導傳播方向之間的夾角，簡稱波束角（參見圖14（d），與前面的定義有所不同）。

將式（7）反推得知也是的函數(shù)。當頻率從150 GHz到500 GHz進行掃描時，波束角可從+5°變化到+80°，參見圖21。

以上是平板波導高度（二平板間間距）b為固定的情況。若b的數(shù)值沿傳播方向產(chǎn)生漸變，則對性能如帶寬、掃描角等均有改善。

圖21 由頻率掃描產(chǎn)生波束掃描

3.2 光學技術(shù)

3.2.1 路徑長度光學（Path-Length Optics）技術(shù)

當電磁波穿過電介質(zhì)時，它會獲得一與傳播的距離（）、相關(guān)介質(zhì)折射率（）和頻率成比例的相位延遲

（8）

式中，（）為自由空間波數(shù)。這樣，該相位可通過控制波傳播所經(jīng)距離，或相關(guān)介質(zhì)折射率，或其二者來達到需要的數(shù)值。因此，一電磁波通過一介質(zhì)（假定）片所產(chǎn)生時延，等效為經(jīng)一段自由空間的傳播時延。通過改變作為橫向位置的函數(shù)的板厚度，這種效果可以實現(xiàn)給定的相位分布，并由此產(chǎn)生期望的光束控制操作。

此外，還可以通過由導電材料構(gòu)成的成形反射器來控制相位。反射器不同點的相對深度，確定了入射波傳播到反射器再反射回來所獲得的相移，據(jù)此，可以實現(xiàn)各種光束控制技術(shù)。

（1）傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法。路徑長度光束控制裝置最普遍的例子是介質(zhì)透鏡。利用它構(gòu)成的介質(zhì)透鏡天線可用于聚焦、產(chǎn)生多波束等，在本技術(shù)講座“太赫茲天線（一）”（《數(shù)字通信世界》2004年3月）已做介紹。

（2）人工介質(zhì)。人工介質(zhì)是一種人造的周期性亞波長結(jié)構(gòu)。例如，在亞波長陣列電介質(zhì)材料中加入人為的空氣孔獲得的人工介質(zhì)，其有效折射率介于大塊介質(zhì)和空氣的折射率之間。該折射率取決于孔半徑和孔密度，因此它可以通過改變孔的位置和尺寸來控制。利用本征硅已經(jīng)構(gòu)建了類似于傳統(tǒng)的透鏡，其有效折射率（與器件厚度相反）隨著位置而變化，以此獲得所需的輸出相位面。此裝置被稱為梯度折射率（GRIN）透鏡，與傳統(tǒng)透鏡相比，其突出優(yōu)點是具有大的帶寬，達到0.4～1.6 THz，而剖面厚度僅為100μm。此外，它還降低了折射率，可以更好地與自由空間匹配，從而提高效率。此設備可采用3D打印技術(shù)制造。

此外，也可以采用全金屬結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)人工電介質(zhì)。這種透鏡由一段短波導二維陣列構(gòu)成。這些波導的工作頻率接近其截止頻率，以快波傳播。基于這種快波性質(zhì)，介質(zhì)的有效折射率小于1。這意味著相位波前相對于自由空間是加速的，而不是如在傳統(tǒng)媒體中是延遲的，因此，這種類型的透鏡的曲率是凹的，而相同功能的傳統(tǒng)透鏡是凸面的。這種等效的媒質(zhì)已經(jīng)被用作太赫茲透鏡（參見圖22（b））。需要指出，采用快波模式的的帶寬受限于非TEM模式的色散特性。

（3）“捆綁”相位（Wrapped Phase）。當優(yōu)先考慮設備的緊湊性時，步進（階梯）和“捆綁”相位處理可能是一種好的選擇。對于這樣的設備，首先選擇工作頻率，之后，選擇合適的相位量化級別，然后將其轉(zhuǎn)換成適當?shù)奈锢聿介L。這種處理比基于幾何曲線的光學方式更為緊湊，然而，粗糙的量化會導致性能變差，因為“捆綁”相位針對單頻而得，一旦工作頻率偏離此頻率時，所產(chǎn)生的波束圖形將大大變壞，包括色散，帶寬等。因此，使用步進相位器件時，要在緊湊性、孔徑、性能和帶寬之間進行折中。

據(jù)報導，已研制出太赫茲透射式步進相位折射光學設備，是采用硅材料制作的。因為本征硅可以具有非常低的耗散且蝕刻技術(shù)成熟，非常適合于制造具有這些設備，比傳統(tǒng)鏡片薄得多，其厚度小于500 μm。

除硅外，還可采用聚丙烯（Polypropylene）制作此設備，其折射率低于硅的，故與自由空間能較好匹配，但要以增加物理厚度為代價。

圖22給出了利用路徑長度光學構(gòu)成的太赫茲聚焦器件實例。

3.2.2 光饋網(wǎng)絡

一個完整的利用光饋的太赫茲波形成網(wǎng)絡如圖23所示。首先是通過光混頻器一類的非線性器件將光波轉(zhuǎn)換為太赫茲導行波并對其相控后，用太赫茲陣列天線向空間輻射。

作為例子，是圖24所示的利用兩路不同頻率的紅外光束通過非線性光學器件（如光混頻器）獲得差拍的太赫茲波。在圖24（a）的裝置中，其中一路紅外光束傾斜入射以產(chǎn)生相位梯度，另一路則保持垂直非線性光學器件（設其為平面型）入射。這樣，二者的波陣面將產(chǎn)生一與波程差對應的相位差。此二連續(xù)波通過非線性光學器件后，將產(chǎn)生差拍的太赫茲波。差拍過程中，保存著之前二連續(xù)波的相位差信息，使得太赫茲波的相位面也與非線性光學器件平面出現(xiàn)相應的夾角，隨著輸入的一路紅外泵浦傾斜擺動，導致太赫茲的輻射方向的轉(zhuǎn)動，即通過此舉實現(xiàn)輸出太赫茲波的掃描。圖24（b）是太赫茲波波束掃描的圖形。

圖24中，入射角是指注入二連續(xù)波的相位差，在非線性作用的情況下，所產(chǎn)生的掃描角（T）是不同的。

3.3 智能無源陣列

智能無源陣列包括智能反射表面（IntelligentRe?ecting Surface，IRS）又稱可重構(gòu)智能表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces，RIS）和智能透射平面。

在上一講中，我們已介紹了IRS的構(gòu)成和工作機理。這里需要強調(diào)的是，反射波束所需的反射角度是通過控制器控制IRS中有關(guān)陣元的移相器的相移或其他方法來獲得的。例如，圖25是一種利用液晶材料制備的超過56×56單元的電控可編程超表面，該可重構(gòu)超表面由上下A、B層金屬電極及中間層液晶組成，其中，A層為沿著x方向的行電極，B層是沿著y方向的列電極。兩層電極形成交叉架構(gòu)，中間為雙頻液晶層。引入此交叉開關(guān)架構(gòu)，通過行列編碼的模加運算，實現(xiàn)太赫茲波束在半空間的自由掃描。研究表明，僅用2N根控制線便可實現(xiàn)N×N陣列可編程超表面的二維波束調(diào)控。即對于1比特相位編碼，當行列交叉點的相位編碼等于行、列編碼的模2加法運算（帶進位）時，可以實現(xiàn)任意方向的波束偏轉(zhuǎn)。此方案的突出優(yōu)點是極大地簡化了可編程器件的饋電網(wǎng)絡。

需要說明，液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)，它既有液體的流動性，又有晶體的各向異性。通過對每個金屬貼片施加不同電壓，可使其貼片下方或上方區(qū)域的液晶的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使得單元的輻射能量達到最小或最大狀態(tài)，據(jù)此調(diào)控每個單元的電壓現(xiàn)波束掃描。

透射陣列天線（或簡稱透射陣列或分層透鏡天線）是一種相移表面（Phase-Shifting-Surface，PSS），如圖26所示。它能夠聚焦來自源天線的電磁輻射以產(chǎn)生高增益波束。發(fā)射陣列由放置在源（饋電）天線上方的陣列組成。這些近似于平面的薄表面起介質(zhì)透鏡的作用。與相控陣不同，透射陣列不需要饋電網(wǎng)絡，因此損耗可以大大降低。而與反射陣列相比，它們的優(yōu)勢在于避免了饋電的堵塞。

需要指出，此結(jié)構(gòu)可工作于發(fā)射或接收模式，電磁波可從某個方向發(fā)射進入陣面。焦距F和口面尺寸D是兩個基本參數(shù)，F(xiàn)/D決定了該陣列口面的效率；而輻射器的口面則決定其照射到陣列板面的效率。陣列單元有三層，最上面的為發(fā)射層，可采用石墨烯或金屬貼片，最下層為變?nèi)莨芑騊IN管，或肖特基二極管，在中間層加入偏置的控制下，產(chǎn)生所需的電容量，與二極管串聯(lián)電阻構(gòu)成一移相器，輻射源的電磁波在接收層處引入附加的相移；改變偏置就可控制發(fā)射波的波束指向。

還要說明，當輻射源為射頻信號產(chǎn)生器時，需振蕩器和放大器等有源器件，從而增加了復雜度和功耗，這種架構(gòu)稱為大型智能表面（Large Intelligent Surface，LIS），它與IRS的比較參見圖27。當信號產(chǎn)生器安放在LIS附近時，可減少時延，對于要求短時延的MIMO是一種較好的選擇。

`綜上所述，表4列出了所介紹的幾種波束形成技術(shù)的特點和性能比較。

4" "結(jié)束語

為適應6G大容量、高速傳輸業(yè)務的需要，UM-MIMO是發(fā)展的必然趨勢，本講座介紹了若干UM-MIMO技術(shù)，它們?yōu)?G應用提供了有力的技術(shù)支持，當然要付諸實現(xiàn)，還面臨著許多挑戰(zhàn)，這也促進了更進一步深入的研究。■

參考文獻

[1] Boyu NING，et al. Beamforming Technologies for Ultra-Massive MIMO in Terahertz Communications[J]. IEEE Open journal of the Communications society， Volume 4，614-658， 2023.

[2] Chong Han，et al. Beamforming Technologies for Ultra Massive MIMO in Terahertz Communications[J]. IEEE/CIC International Conference on Communications 10-12 August 2023//Dalian， China

[3] Ping Yang， et al. 6G Wireless Communications： Vision and Potential Techniques[J]. IEEE Network July/August， 70-75， 2019.

[4] FANYPCB，5G基站引入大規(guī)模陣列天線[Z]．微信公眾號：凡億PCB， 2020-10-30.

[5] Daniel Headland，et al.Tutorial： Terahertz beamforming， from concepts to realizations[J]. APL Photonics 3， 051101 （2018）.

[6] Yasuaki Monnai， et al. Terahertz Beam Steering： from Fundamentals to Applications[J]. Journal of Infrared， Millimeter， and Terahertz Waves 44：169–211， 2023.

[7] Hadi Sarieddeen， et al. An Overview of Signal Processing Techniques for Terahertz Communications[J]. Proceedings of the IEEE10.1109/JPROC.3100811.2021.

[8] 甘仲民，等．毫米波通信技術(shù)與系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[9] Nicholas J， et al. Frequency-division multiplexing in the terahertz range using a leaky-wave antenna[J]. Nature Photonics，" Vol. 9， | www.nature.com/naturephotonics，November， 2015.

[10] Mendis， R，et al. Comparison of the lowest-order transverseelectric （TE1） and transverse-magnetic （TEM） modes of the parallel-plate waveguide for terahertz pulse applications[J]. Opt. Express 17， 14839–14850， 2009.

[11] N. J. Karl，et al. Frequency-division multiplexing in the terahertz range using a leaky-wave antenna[J]. Nature Photonics， vol. 9， no. 11， 717–720， 2015.

[12] K. Murano，Low-profile terahertz radar based on broadband" leaky-wave beam steering， IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology， vol. 7， no. 1， 60–69， 2016.

[13] Kimmo Rasilainen，et al.Hardware Aspects of Sub-THz Antennas and Reconfigurable Intelligent Surfaces for 6G Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， Vol. 41， No. 8， August ， 2023.

[14] Weili Li，etal. Modulo-addition operation enables terahertz programmable metasurface for high-resolution two dimensional beam steering[J]. SCIENCE ADVANCES，18 October 2023.

[15] A. H. Abdelrahman， et al. Analysis and Design of Transmitarray Antennas[J]. Morgan Claypool， Synthesis Lectures on Antennas， January 2017， Vol. 6， No. 1， 1st ed.， San Rafael， CA， USA，" 7-12， 39-47， 2017.

[16] T. A. Hill.Millimetre Wave Lens and Transmitarray Antennas for Scan Loss Mitigation[D]， PhD thesis， University of Surrey， UK， 2020.

[17] S. Hu，et al. Beyond massive MIMO： The potential of data transmission with large intelligent surfaces[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， vol. 66， no. 10， 2746–2758， 2018.

[18] A. Faisal， et al. Ultra-massive MIMO systems at terahertz bands： Prospects and challenges[Z]，arXiv：1902.11090， 2019.