本報告分析了高頻天線的全球發展態勢和我國發展現狀，對天線的趨向高頻化與產業發展態勢和技術預見進行了預測，探討了高頻天線在太赫茲通訊領域的相關應用，提出了技術和產業政策建議。
一、 研究概述天線作為無線電通訊、衛星通訊、雷達和太空探索等系統中不可缺少的裝置，承擔著通訊系統收發訊號的重要作用。作為整個系統中最前端的組成部分，所有通訊資料都需要透過天線來進行傳輸，因此天線效能的好壞直接影響著整個無線通訊系統的效能。行動通訊、衛星通訊和深空探測作為無線通訊的重要領域，是一個國家綜合實力的體現，天線在其中扮演著重要的角色。在軍事方面，高質量的天線能夠更好地保障軍事作戰任務的成功。如今，資訊化、數字化、大資料時代已經到來，對於天線技術的發展也提出了更高的要求。通訊系統不斷向更高頻段、更大頻寬進行發展，要求天線技術不斷向高頻段演進。
目前，天線設計逐漸趨於系統化和複雜化，以應對多頻段、多波束、高頻段等需求。天線的形式也多種多樣，包括貼片天線、喇叭天線、透鏡天線、反射面天線等。為了應對更加複雜的應用場景，大規模 MIMO 技術、同頻全雙工技術、超頻寬低複雜度訊號處理、網路組網機構和空口的最佳化等技術也逐漸湧現出來。
本報告透過分析天線技術在全球發展的態勢和國內的發展現狀，對天線技術的現狀和技術預見進行了預測，探討了高頻天線技術研究過程中會遇到的工程難題，並對產業政策提出建議。
二、 全球發展態勢(一) 系統熱點分佈
傳統微波通常被認為是頻率在 300MHz 以上的電磁波，隨著行動通訊 5G、6G 以及空間通訊技術的發展，毫米波和太赫茲波的應用已經是必然的趨勢，天線與射頻技術正在向更高的頻段演進。其應用範圍已經擴充套件到軍事、醫療、農業、天文學、環境科學等各個方面。在眾多應用方面中，行動通訊由於其快速的發展和變革，被認為是最新興和最有前景的領域之一。未來的行動網路（如 5G 和 6G，衛星網路，無線 LANS，大型資料中心以及晶片內/晶片間通訊）對高容量鏈路的需求正在增加。這要求射頻技術向能滿足更大頻寬的頻段發展。
(二) 頻率分佈及分析
未來行動通訊網路，不僅要針對點對點，還要面對點到多點的資料傳輸。以目前最受關注的 5G 通訊為例，與 4G 相比，5G 頻譜效率需要提升 5~15 倍，能量效率和成本效率提升百倍以上，5G 的容量預計是 4G 的 1000 倍。這使得通訊網路需要更寬的頻譜頻寬。目前情況下，6GHz 以下頻率資源匱乏，很難找到連續的大頻寬滿足 5G 系統需求。行動通訊行業的目光因此開始向高頻段轉移，高頻段開始成為行動通訊發展的重要研究方向。ITU（國際電信聯盟）-RWP5D 為5G 定義了 eMBB（增強移動寬頻）、uRLLC（高可靠低時延）、mMTC（海量機器類通訊）三大場景，如圖 1 所示。
其中 eMBB 場景是速率的提升，主要應對密集城區、室內熱點等大流量場景；uRLLC 場景是降低網路時延，主要應用於無人駕駛、智慧工廠等低時延場景；mMTC 場景是海量大連線，對應的是物聯網等海量機器類通訊的場景。為達到上述願景，5G 頻率將涵蓋低、中、高頻段：6GHz 以下的中、低頻段覆蓋能力強，能夠實現全網覆蓋，滿足高可靠低時延場景和海量機器類通訊場景；6GHz 以上的高頻段擁有連續大頻寬，滿足增強的移動寬頻場景，如圖 2 所示[1]。
國際來看，為搶佔市場先機，美國、歐盟、韓國等全球主要國家紛紛制定 5G 頻譜政策，針對高頻頻譜進行了分配，如表 1 所示[2]。
(三) 高頻天線關鍵技術發展態勢
1. 大規模 MIMO 技術
大規模 MIMO 技術，也稱為多天線技術，已經在無線通訊領域得到了廣泛的應用，比如 4G，在人們的日常生活中，MIMO 技術主要用於通訊網路和 WIFI 熱點。從理論可知，天線的數量對通訊系統的頻率效率、傳輸速率和可靠性都有直接影響，為了保證未來 5G 系統的通訊服務質量，5G 基站配備了大量的天線，提高了 5G 通訊頻譜效率。同時，採用大規模 MIMO 技術使通訊波束集中在規劃範圍內，有效地避免了訊號在不同區域（均為 5G）之間的干擾問題，可以大大降低通訊的傳輸功率。最後，大規模 MIMO 技術的應用顯著提高了網路覆蓋能力和通訊系統的能力，幫助電信運營商充分利用現有的基站地址和頻譜資源，這為 5G 通訊系統的開發和實現提供了巨大的資源放大的便利[4]。但大規模 MIMO 技術的實施依然建立在基站的基礎上，而在對該技術進行研究時，多數都忽視了導頻數目缺乏帶來的不良影響，即導頻汙染，對大規模 MIMO 技術的容量效能造成嚴重影響。基於對這個問題的考慮，有專家認為可以對大規模 MIMO技術服務的使用者進行分類，以此達到所需的導頻支出的目的。
2. 同頻全雙工技術
未來使用 5G 移動通訊技術，除了要求有高水平的頻譜資源支撐外，還需要對頻譜資源進行全面細緻的分析，這就需要使用同頻全雙工技術。同頻全雙工技術是目前最為有效的挖掘手段，效能較高，因此應用逐漸普遍。在 4G 網路中，進行頻譜資源的挖掘分析主要是採用 FDD 和 TDD 兩種方式，但可挖掘的頻譜資源有限，5G 時期，需要加強對同頻全雙工技術的應用，挖掘更多的頻譜資源，為 5G 網路的搭建奠定基礎。同頻全雙工技術不僅對於頻譜資源的挖掘效率高，對於傳輸效率也能穩定提升，可以滿足未來一段時間內的通訊需求。
但是目前研究中發現，同頻全雙工技術在使用時存在一個很大的問題就是在同頻段接受時形成的干擾較大，會影響該技術性能的發揮。基於此，有研究人員提出兩種解決方案：一是使用模擬域自干擾技術，該技術可以在射頻電路中形成抵消訊號，在自干擾訊號較弱時，可以有效進行消除；但如果自干擾訊號較強，會出現資訊傳輸滯後問題。對於同頻全雙工技術應用來說，本技術單獨使用難以滿足需求。二是使用數字域自干擾消除技術，是利用消除演算法排除干擾，還可以與模擬域自干擾技術合用，消除干擾訊號，本技術更加高效方便，但侷限性也較強，會受到發射通道的影響[5]。
3. 毫米波頻段移動通訊技術
上文可以看出，5G 技術的實現需要系統支援更多的頻譜資源，尤其是速度快和容量大的頻譜資源。而利用毫米波頻段移動通訊技術，可以提供更多的頻譜資源，實現速度快和容量大的頻譜資源的傳輸。因此，毫米波段也是國內外對於 5G 乃至下一代行動通訊的研究熱點。但在毫米波頻段移動通訊技術應用時需要注意幾個問題：一是該技術的應用不適合採用接頭方式，需要實現毫米波前端天線有源和無源的一體化，以提高連線效果；二是毫米波前端波長較小，無線網路設計過程和具體環節比較複雜，因此設計時需要將毫米波頻段與中頻子系統分離，這樣可以提高通訊的穩定性。這就對高頻天線的設計提出了更高的要求和挑戰。因此，本文接下來將對高頻天線的研究現狀和趨勢以及技術難點進行討論。
4. 超寬頻低複雜度訊號處理
在 B5G/6G 時代中，毫米波、太赫茲通訊有望使得 100 Gbit/s 甚至 1 Tbit/s 的高速通訊成為可能，這要求模擬數字轉換器（ADC）的取樣率隨著通訊頻寬的增大而增大。然而，要製造出滿足低功耗、小尺寸和高頻寬要求的 ADC 越來越困難。為了解決這一問題，採用低解析度 ADC 進行量化和 ADC 時間交織技術都是值得研究的方向。
5. 網路組網架構和空口的最佳化
未來，隨著高頻毫米波、太赫茲技術在不同通訊場景中的廣泛應用，毫米波、太赫茲環境下的無線通訊組網必將成為研究熱點。根據目前的研究，與低頻段相比，高頻毫米波、太赫茲頻段的波束相對較窄，波束的覆蓋範圍有限，且效能易受障礙物、路損，以及天氣變化影響；因此，由全向天線實現的全向組網技術不能滿足快速查詢網路節點、完成全向組網和節約系統能耗的要求，網路組網架構需要進一步最佳化。
三、 我國發展現狀(一) 系統熱點分佈
5G 時代已經來臨，由於以華為、中興為代表的公司對技術不斷的探索，我國在 5G 領域向世界證明了中國技術的重要性。未來，5G技術將會應用到更多的高精尖領域當中並且同這些技術進行融合，從而進一步提升整體的通訊質量，使人們對於通訊的需求得到最大限度的滿足。2019 年 11 月 3 日，科技部會同發展改革委、教育部、工業和資訊化部、中科院、自然科學基金委在北京組織召開 6G 技術研發工作啟動會。這也標誌著我國已將行動通訊的發展著眼於下一代更高頻段的通訊技術。同時，相較於國外，國內高頻段天線技術在軍事、農業、天文學等各方面的應用仍有一定差距，因此需要投入更多力量進行研究。
(二) 頻率分佈及分析
目前，國內正處於 5G 通訊持續發展階段。2018 年 12 月初，三大運營商均已獲得全國範圍內 6GHz 以下 5G 中低頻段試驗頻率的使用許可，2019 年 6 月 6 日工信部向中國電信、中國移動、中國聯通以及中國廣電發放了 5G 商用牌照，說明目前國內 6GHz 以下 5G 系統已經從試驗網向商用轉變。
相對於 6GHz 以下頻段，5G 高頻波段落地應用還有很多問題有待解決和進一步完善，如高頻器件效能、電磁相容問題、波束賦形和波束管理演算法、鏈路特性等方面。目前，我國三大運營商已累計建設開通約 45 萬座 5G 基站，國內市場使用者數量也達到一定規模，5G 通訊已達到規模商業階段。而在 5G 通訊基礎上進一步升級和擴充套件，以實現更高的資料速率、更高的系統容量、更高的頻譜效率的 6G 通訊技術必將是下一步研究的熱點，而研究也必將面向更高的頻段乃至太赫茲頻段進行展開。
四、 技術預見(一) 高頻天線研究現狀
1. 天線形式
1.1 天線特點
從無源天線到有源天線系統：天線可能會實現智慧化、小型化（共設計）、定製化。因為未來的網路會變得越來越細，我們需要根據周圍的場景來進行定製化的設計，例如在城市區域內布站會更加精細，而不是簡單的覆蓋。5G 通訊將會應用高頻段，障礙物會對通訊產生很大的影響，定製化的天線可以提供更好的網路質量。
天線設計的系統化和複雜化：例如波束陣列（實現空分複用）、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及到整個系統以及互相相容的問題，在這種情況下天線技術已經超越了元器件的概念，逐漸進入了系統的設計。
1.2 天線舉例
印刷或微型天線：基於貼片天線，印刷偶極子和縫隙天線的奈米天線陣列在太赫茲光譜應用的太赫茲範圍內得到了證明。這些天線陣列本質上是窄帶，但 L 形探針饋電，U 形槽貼片和堆疊貼片等技術有助於這些天線陣列的寬頻設計。奈米天線對於移動平臺實施尤其有用，因為它們具有尺寸小和易於整合的優點，如 6G 超快速通訊場景。
金屬天線：在金屬天線的情況下，喇叭天線是大多數太赫茲通訊應用的首選。喇叭天線可用作拋物面反射器天線的主饋源。反射器天線是一種高增益天線，人們對在太赫茲範圍內使用它感興趣。由於太赫茲區域的超窄波長，製造過程中需要高精度的表面光潔度，這會增加成本。具有拋物面反射器的喇叭可用於固定寬頻無線接入應用，其中可整合性不是主要關注點。
基於石墨烯的等離子體天線：在基於石墨烯的等離子體天線中研究動態摻雜效應。介電諧振器天線採用晶片製造技術，效率高達 80％[10][11]。石墨烯是一種奈米材料，在 2004 年透過實驗獲得，厚度是一個原子。碳奈米管和石墨烯奈米帶是石墨烯的衍生物。基於 Yagi Uda石墨烯天線的 MIMO 天線也可以製成可重新配置的配置。與傳統的微製造天線相比，基於石墨烯的奈米等離子體天線具有相對小的尺寸。這些天線的範圍從幾十奈米到幾微米，可以很容易地整合到奈米機器和通訊系統中。當這些奈米等離子體天線響應可以透過材料摻雜來調整時，使用基於石墨烯的天線產生新的機會領域。
兩大類新體制天線技術：包括基於耦合諧振器去耦網路的緊耦合終端天線；基於超材料（超表面）的 MIMO，Massive MIMO 天線陣耦合減小及效能提升技術。襯底整合天線（substrate integrated antenna，即 SIA）、把天線設計在封裝(package integrated antenna，即 PIA 或 AIP)。
1.3 5G 高頻天線整合技術
傳統的有源相控陣天線，當應用平臺或者功能專案變化需要擴大或者縮小陣列天線的口徑時，除了要增加或減少 T/R 元件的數量，還需要重新設計相控陣其他分系統，以適應射頻、中頻、數字訊號與電源介面數量以及負荷能力的變化。因此，具有模組化、通用化和擴充套件效能的天線整合技術得到迅速發展。這技術以子陣模組（單元模組）為基本單元，透過封裝多個相控陣天線通道，整合相控陣其他分系統（如波束形成與幅相校正網路，電源、波束控制、頻率源、波形產生等）的部分功能，大幅度減少介面的型別與數量。
天線整合技術可分為三種形式：
1) 封裝天線
封裝天線（Antenna in Package, AIP）是基於封裝材料與工藝將天線與晶片整合在封裝內實現系統級無線功能的一門技術。它是在一個單獨基板上實現的，該基板可以專門用輻射元件及其饋送線，也可以起到包裝收發器零件和異構整合的作用。出於這個原因，AIP 設計在毫米波收發器的三維整合場景中發揮著關鍵作用，同時提供一個額外的自由度，用來選擇低介電常數和高電阻率的襯底。它具有模組化設計，方便使用，設計自由度高的優點。
2) 外部天線
外部天線（Antenna on Board, AOB）技術是將天線直接做在 PCB基板上，毫米波的前端晶片整合在另外一面。其優點是節省聯結器，採用成熟的 PCB 材料和 SMT 工藝降低成本。其缺點是：PCB 為多層板，存在多階盲埋孔，加工複雜，PCB 很難做成對稱板，存在翹曲風險。
3) 片上天線
片上天線(Antenna on Chip, AOC）技術是透過半導體材料與工藝將天線與其他電路整合在同一晶片上，可以採用 CMOS 族技術進行製造。優點是，在一個大小僅為幾平方毫米的單一模組上，沒有任何射頻互聯和所有射頻與基帶功能的相互整合。缺點是，矽基 AOC 基板的高介電常數和低電阻率嚴重降低匹配頻寬和輻射效率。同時考慮到成本和效能，AOC 技術更適用於太赫茲頻段。
2. 天線頻段
3. 天線應用場景
5G 蜂窩網路：
5G 將融合高低頻技術，採用分層蜂窩網路和異構網路實現高低搭配的全場景覆蓋。Sub6G 系統採用注塑模組振子、對稱 PCB 振子等組成 Massive MIMO，透過主動波束賦形實現三扇區的廣播單波束和多波束覆蓋，同時透過使用者感知和波束反向賦形技術對使用者實時追蹤，提供連續廣域高速的業務覆蓋。另外為了解決 5G 與 2/3/4G 的融合問題，採用前沿的 A+P 方案，利用智慧構造天線技術，將 5G 模組天線和 2/3/4G 偶極子天線融合，滿足自適應蜂窩網路的組網需求。5G 毫米波則採用多層貼片子陣與模數混合移相技術來實現對熱點區域的蜂窩覆蓋，提供瞬時超高速通訊。目前毫米波天線正在向 AiP 和AOC 等前沿方向演進，將天線器件化，實現與有源模組一體封裝，組成 5G 毫米波通訊子細胞，為蜂窩層級網路和異構網路部署提供支撐。
THz 波段通訊可以用於下一代小細胞，即作為分層蜂窩網路或異構網路的一部分[12]。太赫茲頻段將提供 10m 範圍內的超高速資料。
運營環境不論是靜態還是移動使用者，室內還是室外場景均可。太位元無線區域網（T-WLAN）：太赫茲頻帶通訊在超高速有線網路之間實現無縫互連，例如，光纖鏈路和個人無線裝置如膝上型電腦和類似平板電腦的裝置（無線和有線鏈路之間沒有速度差異）。這將便於靜態和移動使用者在室內使用頻寬密集型應用程式[13][14]。
太位元無線個域網（T-WPAN）：THz 頻段通訊可以實現近距離裝置之間的 Tbps 鏈路。操作環境主要是室內，通常在桌面上。具體應用包括多媒體資訊亭和超高速資訊個人裝置之間的資料傳輸。例如，將藍光光碟的等效內容傳輸到類似平板電腦的裝置可能需要不到一秒的時間[15]。
安全太位元無線通訊：太赫茲頻段還可以在軍事和國防領域實現超寬頻安全通訊鏈路。THz 波段頻率的非常高的大氣衰減和使用非常大的天線陣列來克服有限的通訊距離導致非常窄，幾乎是銳利的波束，極大地限制了竊聽機率。擴頻技術也可用於超寬頻通道頻寬以防止和克服常見的干擾攻擊[16]。
健康監測系統：血液中的鈉，葡萄糖和其他離子，膽固醇、癌症生物標誌物或不同傳染因子的存在可以透過奈米級感測器監測[17]。幾個奈米感測器分佈在身體周圍，定義了人體奈米感測器網路。可用於收集有關患者健康的相關資料。這些奈米感測器與微型裝置（如手機或微型裝置）之間的無線介面可以使用專門的醫療裝置收集所有這些資料並將其轉發給醫療保健提供者。
核，生物和化學防禦：化學和生物奈米感測器可用於以分散式方式檢測有害化學品和生物武器[18]。使用奈米感測器而不是傳統化學感測器的主要好處之一是，化學複合物的存在可以在低至一個分子的濃度下檢測，並且比傳統的微量感測器快得多。然而，考慮到這些感測器需要與分子直接接觸，需要具有非常多奈米感測器節點的網路。透過分散式光譜學，無線奈米感測器網路將能夠收斂分子的資訊在非常短的時間內在宏觀裝置的特定位置組成空氣。
奈米物聯網：奈米級機器與現有通訊網路和最終網際網路的互聯定義了一個真正的網路，被稱為奈米物聯網（IoNT）的物理系統[12]。IoNT 使新的有趣應用程式能夠影響我們的工作方式。 例如，在互連的辦公室中，奈米收發器和奈米天線可以嵌入在每個物件中，以允許它們永久連線到 Internet。結果，使用者可以毫不費力地跟蹤其所有專業和個人物品。
超高速片上通訊：THz 頻段可以在無線片上網路中提供高效且可擴充套件的核心間通訊方式，透過使用平面奈米天線來建立超高速鏈路。這種新穎的方法透過其高頻寬和極低的面積開銷有望滿足區域約束和片上通訊密集型的嚴格要求。更重要的是，使用基於石墨烯的 THz波段通訊將在核心層面提供固有的多播和廣播通訊能力。
(二) 高頻天線應用--太赫茲通訊
太赫茲通訊是一個極具應用前景的技術，THz 波有非常寬的還沒分配的頻帶，並且具有速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好等許多特性，THz 通訊將給通訊系統帶來巨大的技術進步。近幾年來，國內外針對太赫茲技術在通訊方面的應用都取得了長足的進步。從 THz 源到 THz 傳輸、THz 調製方式、THz 探測技術等方面國內均取得了較大的突破。為解決傳輸距離的問題，太赫茲源經歷了半導體太赫茲波輻射源、光學和光子學太赫茲輻射源、真空電子學太赫茲波輻射源，目前在 300GHz 頻率段可以達到瓦級功率，基本可滿足使用需求；為保證高傳輸速率和低誤位元速率，出現了光子晶體、超材料、相變材料、HEMT 結構、石墨烯等型別 THz 調製器，它們都在各自方面展現了對太赫茲波調製的效能；為快速、精確地捕獲目標和接收訊號，對所有接收訊號進行處理，在電通道上採用微弱訊號檢測與處理技術，時域光譜探測技術、啁啾脈衝光譜儀探測技術、量子阱探測器( QWP)等一系列探測技術均用來解決上述問題。基於以上技術的不斷髮展，目前美國、德國、日本、中國研製了從 0.12THz~4.15THz 不同頻段的通訊系統，其中很多涉及到應用的問題也在繼續研究中。
1. 太赫茲通訊概述
太赫茲無線通訊技術作為未來超高速通訊的主要解決方案，近些年來一直受到發達國家的高度重視，尤其對於外層空間衛星間高速無線通訊、地面室內短距離無線通訊及區域網的寬頻移動通訊等領域給予了很大的關注。針對太赫茲無線通訊的巨大應用優勢與前景，美國NASA 很早就已著手太赫茲通訊計劃，國空軍也推出了安全短距離大氣通訊計劃（Air Force Office of Scientific Research, AFOSR ）。
歐盟將太赫茲星際通訊列為太空計劃最主要研究內容，英國Rutherford-Appleton 國家實驗室是主要研究單位，研究主要集中在0.1-1.5THz 頻 率 範 圍 。 歐盟 第五研 究 開 發框 架計劃 也 資 助了WANTED（Wireless Area Networking of THz Emitters and Detectors）工程，旨在研討 Tbps 級 WAN 的可能性。相較之下我國的太赫茲通訊研究還處於劣勢地位。
近年來，隨著太赫茲輻射源和檢測器的進一步發展，以及太赫茲天線、新型調製器、波導、濾波器等功能器件的不斷突破，促進了太赫茲在通訊領域的快速發展。雖然太赫茲通訊還有許多新的技術難題需要進一步的解決，尤其是應用於太赫茲通訊的核心元器件在效能和工作方式上均還需要進一步突破，但無用懷疑，隨著相關技術的發展，THz 通訊技術未來必將會在空間通訊中和近距離通訊中扮演越發重要的作用。
太赫茲通訊技術逐步從元器件研製走向系統整合，世界各國逐步開始針對不同應用目的研究相應的太赫茲系統。元器件也向著更高頻率、更高功率等高效能指標的思路逐步發展，以促進系統向更多的領域擴充套件。太赫茲通訊技術在軍事和民用上的應用逐步明確，包括：短距離保密無線通訊、空間無線通訊、高畫質電檢視像傳輸等領域的高速大容量通訊、彈道導彈成像識別、重要設施近程防護、反恐、太赫茲雷達等。高速大容量太赫茲通訊系統、太赫茲醫學檢測、太赫茲成像系統、近程防護和反恐 THz 探測系統已經成為太赫茲技術應用的重要發展方向，並將獲得各國的大力資助。
2. 太赫茲通訊國內外現狀
2.1 國外研究現狀
美國的防禦遠景研究規劃局（Defense Advanced Research ProjectsAgency，縮寫為 DARPA）開展了名為 THOR（Tera-Hertz OperationalReachback）的研究計劃。該計劃包含研發和評估一系列可用於移動的Ad-Hoc 自由空間光通訊系統的技術。THOR 系統包括空間和地面的雙向的來自於高速 ad-hoc 移動光網路物理層的有源終端和無源終端，空間終端網路構成傳輸和接收 2.5Gbps 的通訊中樞，無源光終端以200Mbps 的速率連線高速的電子資料採集裝置。DARPA 集中資金研究緊湊的電-光束操控的裝置，試圖減小光終端、高速高靈敏度（-47dBm）探測器和高功率（50W）調製鐳射源的大小和重量。美國的JPL 實驗室（Jet Propulsion Laboratory）的亞毫米波先進技術團隊側重於研究 THz 器件在太空中的應用。他們研發 THz 源輻射頻率為0.1THz~5THz，採用外差結構功率可以達到 0.1~10m W，採用雷達結構可以達到 10~1000m W，源的體積為 1×1×1m3，質量為 5~50kg，天線尺寸為 50cm~30m。該器件可以在太空中使用 2~15 年。此外，他們採用的直接探測技術具有寬頻、高靈敏度特性，可以探測整個0.1~30THz 頻段；採用窄帶、中-高階靈敏度的外差探測技術，可以探測 0.1THz~5THz 頻段。布克海文國家實驗室（Brookhaven NationalLaboratory）也開展了名為 Terahertz Lightbeams 的研究。
德國的布倫瑞克工業大學（Technical University of Braunschweig）建立了 THz 通訊實驗室，針對下一代 THz 寬頻無線接入、THz 室內無線通訊的應用背景，對 THz 波傳輸通道特性進行研究，採用射線跟蹤技術模擬、鏈路耦合預算分析的方法，得出室內 THz 通訊鏈路的系統引數估計，對貼片天線陣列作了初步模擬，得到未來室內 THz通訊系統中天線增益的效能。研究表明，室內環境的 THz 通訊的實現需要高增益天線。此外，由於室內無線視距通訊容易被移動物體中斷，可採用介質反射鏡，建立發射機和接收機之間的間接傳輸路徑，使通訊通道更能抵抗陰影衰落。2005 年，他們已成功的將一套在室溫下工作的半導體 THz 調製器與 THz 時域光譜結合起來，利用 THz 寬脈衝，以 75MHz 的重複率來傳輸頻率高於 25KHz 的音訊訊號。2008年，在 0.3THz 頻率成功傳輸一個無線電訊號，實驗距離超過 22 米，這證明了採用 THz 波進行資料傳送的可能性[23]。
日本 NTT 微波系統[24][25]整合實驗室建立了工作在 120GHz 頻段的 THz 波無線通訊實驗系統，資料傳輸速率為 10Gbps，發射功率為10dBm。該系統能傳輸路未壓縮的高畫質晰度數字電視訊號，已於 2005年 8 月獲得日本國際事務與通訊部的許可證。該系統中，採用光外差式的低相位噪聲可調 THz 源，產生 125GHz 的光副載波訊號，將數字訊號輸入到光強度調製器（ASK），對光副載波訊號進行調製，被調製的光副載波訊號透過光放大器放大，輸入到光子 THz 波發射機。在發射機中，一個光電二極體(UTC-PD)將光訊號轉換成 THz 訊號，放大後透過高增益的卡賽格倫天線傳送到接收機上。接收的 THz 訊號經過放大後，用簡單的包絡檢波法解調。系統中的發射機和接收機已製作成毫米波積體電路晶片。接收機內包括一個單位電流增益頻率為 170GHz、最大振盪頻率為 350GHz 的 InP-HEMT。
在 2018 年，NTT 的研究團隊報道了一個基於 80nm InP 工藝的HEMT(High Electron Mobility Transistor)的 300GHz 無線通訊系統，透過如圖所示的方案，在 2.22 米的通訊距離下，利用 16QAM 的調製方式，實現了 100Gbit/s 的通訊速率。
2.2 國內研究現狀
在國內，十一五期間，中國工程物理研究院、浙江大學、中科院上海微系統與資訊科技研究所、中國計量學院、電子科技大學等一批國內單位進行了太赫茲通訊關鍵技術和功能器件的研究並取得了一定的成果。十二五開始，863 成立了太赫茲技術專家組，重點開展太赫茲通訊技術研究，極大促進了我國太赫茲通訊的發展。十三五期間國家立項了太赫茲通訊的重點研發計劃，在國家支援和引導下，以高校和研究院所為代表的科研機構紛紛投入太赫茲研究中，並以不同形式進行了互通協作，共同推動國內太赫茲技術和產業進展。浙江大學採用電控 ZnTe 晶體加壓方式，實現了對 THz 波進行調製，還利用高阻矽與空氣構建了一維的光子晶體實現了太赫茲波窄帶濾波。中國科學院上海微系統所研究團隊研究提出了基於太赫茲量子級聯鐳射器的偏壓特性，實現對於太赫茲輻射輸出的實時調控技術。天津大學和南開大學利用液晶填充的光子晶體，實現了磁控太赫茲頻段的濾波和調製的原理器件。2009 年，電子科技大學與中國計量學院基於矽基光子晶體和磁光子晶體，提出了調製速率可以達到幾十 Kb/s 的 THz 波調製器，以及太赫茲功分器、濾波器等功能器件。2009 年 12 月電子科技大學在 0.1-1THz 頻率範圍內的大調製深度太赫茲調製技術研究方面取得了突破，獲得調製深度達到 50%的太赫茲調製器[26]。
對於通訊系統研究上，與 2007 年法國 S.Barbieri 等人採用的方式類似，2008 年底我國中科院上海微系統所，以曹俊誠教授為核心的THz 研究組在 4.1THz 頻率實現了基於太赫茲量子級聯鐳射器（THzQCL）和太赫茲量子探測器（THz-QWP）的無線通訊演示，並利用該通訊系統成功演示了檔案傳輸，並與 2012 年進一步實現了影片的傳輸，但同樣 THz-QCL 需要工作在低溫，載頻 4.1THz 也不是太赫茲的大氣視窗，在大氣中的傳輸衰減率很大，只能實現非常近距離的無線通訊。電子科技大學基於電磁超材料製備出電控和光控的太赫茲調製器件，調製幅度達到 50%，併成功演示了利用返波管 BWO 系統在0.1-0.15THz 頻段進行的 0.2Kb/s 的光控太赫茲通訊實驗。更進一步，2012 年 6 月，電子科技大學與湖南大學聯合，基於光控和電控結合的方式完成了 THz 無線通訊系統設計與測試，採用載波 0.11THz 的太赫茲波，實現了 11Gb/s 的通訊速率，為今後的太赫茲無線通訊研究開闢了良好道路[27]。
2011 年，中國工程物理研究院在 0.14THz 頻段實現了 10 Gbit/s的 16 QAM 訊號無線通訊，同時進行 4 路 HDTV 訊號的實時傳輸與解調，傳輸距離達到 500 m。2014 年，中國工程物理研究院使用純電子器件方式實現了國內首個 50 m 視距通道下的 0.34 THz 資料鏈路，能實時調製和解調 3 Gbit/s 的資料。研究人員同時基於該鏈路提出了基於 IEEE 802.11b/g 協議的 0.34 THz 無線區域網的通訊協議，是 THz 波用在 WLAN 中可行性的初步驗證。中國工程物理研究院實現了 0.14 THz OOK 通訊系統，達到 15 Gbit/s 的傳輸速率，系統調製解調可用模擬器件直接完成，並結合高階 QAM 調製、諧波混頻以及級聯放大技術。同 OOK 調製方式相比，頻譜利用率高，可用先進數字訊號處理技術進行通道估計與均衡。
復旦大學課題組在太赫茲通訊方面也取得了許多進展。在訊號源的產生方面，2017 年，實現了基於平衡預編碼光學四倍頻技術的 D波段向量 QPSK 毫米波產生，這是首次在不使用光學濾波器的情況下使用一個馬赫曾德爾調製器產生 D 波段向量毫米波。在調製格式方面，於 2017 年研究了在太赫茲系統中使用機率整形調製的 16 QAM訊號傳輸，結果顯示，與傳統的等機率分佈 16 QAM 相比，機率整形能帶來較大的誤位元率改善，提升系統性能。使用 MIMO 系統、多載波以及偏振複用等技術都能使系統速率大幅提升。於 2017 年實現了首個多載波 2×2 MIMO THz 鏈路，能傳輸 6 路 20 Gbit/s 的 PDMQPSK 訊號，在多載波 MIMO 太赫茲通訊的領域有了新的進展，在高速通訊方面，使用機率整形、奈奎斯特整形、查詢表等先進數字訊號處理技術，能顯著提升系統性能。實現 D 波段光子輔助向量毫米波訊號的無線傳輸，能夠在 3.1 m 的無線距離上同時傳輸兩路 PS-64QAM調製的毫米波訊號，淨速率達到 1.056 Tbit/s，該成果是目前世界上THz 通訊系統的最高速率
3. 太赫茲通訊關鍵技術
3.1 太赫茲源
太赫茲波位於毫米波波段與紅外光波段之間，代表了從經典機制傳輸理論到量子機制體傳輸理論的重要轉變。作為微波電子學和光學領域的過渡區，太赫茲波在無線通訊應用方面有著很多獨特的性質，然而由於缺乏穩定的大功率太赫茲訊號發射源，太赫茲領域的發展至今一直很緩慢。大功率 THz 波發射源依舊相當缺乏[33]。
（1）半導體太赫茲波輻射源
半導體太赫茲波輻射源一般體積小、可調諧、使用方便。較為常見的有 Impatt、Gun 振盪器、共振隧道二極體(RTD) 及量子級聯鐳射器( QCL) 等。其中，QCL 以異結構半導體(Ga As/AIGa As) 的導帶中的次能級間的躍遷為基礎，利用縱向光學聲子的諧振產生粒子數反轉的一種鐳射器，是正在研究的重點器件。1994 年，Federico Capasso等人率先發明 QCL。2000 年，中國率先研製出 5 至 8 微米波段半導體 QCL。2002 年，義大利和英國研製出了 4.4 THz、2 mW(溫度 8 K)的 QCL。此後，逐漸降低頻率，提升了脈衝的功率。2004 年，美國研製的 QCL 達到了 2.1 THz、連續波功率 1 m W ( 溫 度 93K) 、脈衝功率 20 m W。2005 年，美國研製出 137 K、200 m W 的 QCL。2007年，哈佛研發出 170 K、3 THz 的 QCL。2009 年，Kumar 等人研製出基於對角躍遷的 186 K、3.9 THz 的 QCL，峰值功率達 5 mw。2010年 8 月，美國和英國利用一種“超材料”研製成功新型太赫茲半導體鐳射器，使光波準直效能與傳統太赫茲光源相比顯著改善。中國科學院在“十五”期間研製了激射頻率為 3.2 THz 的 QCL。2014 年 2 月17 日，英國利茲大學開發出了世界上功率最大的太赫茲鐳射器晶片―― QCL，輸出功率超過了 1 W，比 2013 年維也納團隊的記錄高出一倍以上。共振隧道二極體(RTD) 是透過量子共振隧穿效應工作的奈米器件，也是目前正在研究的關鍵器件之一。2013 年 12 月 16 日，日本開發出了可在室溫下工作、基本振盪頻率為 1.42 THz 的共振隧道二極體。
（2）光學和光子學太赫茲輻射源
該類輻射源主要是透過超短鐳射脈衝、紅外光泵浦、非線性差頻及參量過程等幾種方式產生的。其中，利用超短鐳射脈衝產生輻射波是當前研究的重點，主要有兩種方式：①利用瞬時光電導。即在光電導的表面澱積金屬，製成偶極天線電極，再利用飛秒鐳射照射電極之間的光電導半導體材料，會瞬時在表面產生大量電子空穴對，形成光電流，進而產生太赫茲輻射；②利用光整流。即利用電光晶體作為非線性介質，使超快鐳射脈衝進行二階非線性光學過程或者高階非線性光學過程來產生太赫茲電磁脈衝。目前已經發展了很多基於飛秒鐳射脈衝和非線性光學晶體的太赫茲鐳射源。如太赫茲光導天線、非線性差頻、光整流、太赫茲參量振盪器和光學 Cherenkov 輻射和放大器( TPG，TPO，TPA) 等等。在採用光學技術獲得的太赫茲源中，量子級聯鐳射器（QCL）是被認為最有前途的固態太赫茲源。THz-QCL 有兩個突出特點：首先，作為一種能級間的單極器件，它利用了電子在不同能級躍遷來輻射太赫茲波；其次，QCL 採用級聯結構，通常具有幾十到幾百個級聯重複單元組成，激發出的電子在每個週期內重複躍遷釋放能量，以此來提高器件整體輸出功率。
（3）真空電子學太赫茲波輻射源
真空電子放大器具有大功率的特點，在 300GHz 頻率段可以達到瓦級功率。太赫茲真空電子放大器的主要研製難點在於微細關鍵尺寸的精密加工，為此將創新性地採用微電子工藝和機械加工技術相結合的製造方法。此外，還應解決微細電子注的產生與傳輸、太赫茲訊號的高效率輸入/輸出、放大器內部真空環境的維持等一系列技術問題。真空電子學太赫茲波輻射源主要包括:相對論電子器件、太赫茲奈米速調管、太赫茲迴旋管、太赫茲返波振盪器(BWO)、擴充套件互作用振盪器(EIO)以及單行載流子光電二極體(UTC－PD)。
1) 相對論電子器件。主要包括:自由電子鐳射器(FEL)、等離子體尾場契倫科夫輻射和儲存環太赫茲輻射源。其中，FEL 的頻譜連續可調、範圍廣、峰值功率及平均功率較大、相干性好。2012 年 1 月，美國利用 l MeV 靜電加速器的 FEL，在 2 mm 到 500 微米，0.15～6 THz，產生 1kw 的準連續波。儲存環太赫茲輻射源，可產生 0.03～30THz 的太赫茲波，亮度超過現有輻射源 9 個數量級。
2) 太赫茲波奈米速調管。該器件將微電子加工技術、奈米技術和真空電子器件技術融合在一起，能產生毫瓦級的輸出功率，電壓低，不需要磁場，具有低色散、長工作壽命等特點。目前，美國研製出頻率為 0.3～3.0 THz，當工作電壓為 500 V 時，連續波輸出功率可高達50 m W 的奈米速調管。
3) 太赫茲迴旋管。迴旋管是快波器件，能在很高的頻率下產生高脈衝功率，可達到千瓦級，平均功率也較高。美國海軍研製出具有超高磁場（16.6T）的太赫茲迴旋管振盪器，工作頻率為 500～1 000 GHz，輸出功率數百瓦。日本 Fukui 大學研製出了 0.889 THz，輸出功率達數萬瓦的太赫茲迴旋管。俄羅斯正在研製 1 THz 的迴旋管，脈寬 100μs，脈衝磁場 40 T，電流 5 A，電壓 30 k V，輸出功率可達 10 k W。我國成都電子科技大學分別於 2008 年和 2009 年在國內首次成功研製了 0.22 THz 脈衝功率大於 2 k W 的一次諧波和 0.42 THz 脈衝功率千瓦級二次諧波 THz 迴旋管。
4) 太赫茲返波振盪器( BWO)。BWO 是一種經典電真空微波源慢波器件。俄羅斯研製的 BWO 可以產生 180～1 110 GHz、輸出功率 3～50 m W 的電磁輻射。美國 NASA 正在開發工作頻率 300 GHz～1.5 THz 的 BWO。
5) 擴充套件互作用振盪器(EIO)。CPI 公司於 2007 年研製出 220 GHz的 EIO，電壓 1 k V，電流 105 A，平均功率 6 W，具有 2%的機械調諧，重量不超過 3 kg。德國 FGAN 公司研製出了 220 GHz、脈衝功率35 W、佔空比 0.005%的 EIO。
6) 單行載流子光電二極體 (UTC-PD)。2004 年，研製成功以單行電子作為活性載流子的新型光電二極體，具有高速度和高飽和輸出特性，輸出功率為 2.6μW，頻率 1.04 THz，適合在 10 Gb /s 的 THz無線通訊中應用。
3.2 太赫茲調製技術
高效、可靠的調製技術是高傳輸速率和低誤位元速率的保證。THz 波用於通訊可以獲得 10GB/s 的無線傳輸速度，這比當前的超寬頻技術還要快幾百到一千倍。如此高的傳輸速度對調製技術要求很高。由於通訊系統位於外層空間，因此通道的自由空間部分無起伏衰落現象。只引入白高斯噪聲，呈現恆參通道的特徵。因此，在空間通訊系統中，根據調製方式的不同，對模擬調製和數字調製分別有如下要求：模擬調製要求可以增加系統的傳輸頻寬。提高系統的傳輸容量，同時有利於改善傳輸質量。數字調製應選擇儘可能少地佔用頻帶，而又能高效利用有限頻帶資源，抗衰落和干擾效能強的調製技術；採用的調製訊號的旁瓣應較小，以減少相鄰通道之間的干擾.同時在太赫茲通訊系統中，調製器作為關鍵器件之一備受關注。
由於太赫茲頻段的特殊性，現有的微波段調製技術在太赫茲波段都無法發揮作用，應用於光波段的調製技術和調製器也不能應用於 THz波段。因而採用新型電子材料及結構設計，研製出高速寬頻太赫茲波調製器，成為了 THz 調製器的必備途徑。近年來隨著越來越多的材料被投入到 THz 調製器件研發中，THz 調製器也快速發展著，出現了光子晶體、超材料、相變材料、HEMT 結構、石墨烯等型別 THz 調製器，它們都在各自方面展現了對太赫茲波調製的效能。
2003 年，Kersting 等人利用 AIGa As / Ga As 量子阱實現低溫環境下的太赫茲波訊號的相位調製；2005 年 Liu 等人透過低溫生長的Ga As 製成偶極子天線製成中心頻率在 0.3～0.4 THz、100 cm、系統頻寬 20 k Hz 的調變解調器。2006 年 Chen 等人利用週期結構的人工複合媒質，實現電壓幅度調製，幅度調製率達到 50%。2009 年，H.T.Chen 等提出了線性電控超材料相位調製器，外加 16 V 偏壓時，在 0.81 THz 頻點處，材料透射係數由無外加偏壓時的 0.56 下降到0.25，透射振幅下降了 50% ，在 0.89 THz 頻點處，可實現π/6 的相移。2012 年 11 月，諾特丹大學研發了用石墨烯設計的寬頻太赫茲波調製器，可以在很大的頻率範圍內調製太赫茲波，處理能力是之前的太赫茲寬頻調製器的兩倍多。目前，美國正嘗試利用電磁波代替電流訊號製造新型太赫茲波訊號調製器，期望傳輸速率達到每秒萬億位元組，比目前的電流調製系統快 100 倍。2000 年美國 Rensselaer 大學R.Kersting 等人利用 Ga As/Al Ga As 設計太赫茲波相位調製器，但該調製器調製速率低，並且需要在 10K 低溫下執行。2004 年，德國Braunschweig 大學進行了可以在室溫下工作的新型半導體太赫茲波調製器研究。該調製器調製深度約為 3%。2004 年日本的 NTT 公司對半導體太赫茲波調製器進行了深入的研究，該調製器具有低電壓、小尺寸、快速工作的特點，該研究成果已經申請了美國專利（PatentNo.：US7355778B2）。2008 年美國的 MIT 對半導體基的寬頻調製器進行了研究，該調製器能在高電壓條件下工作，其研究成果已經申請了專利（Patent No.：US7680383B1）。2007 年，捷克 L.Fekete 採用光控一維光子晶體實現了太赫茲波調製器，響應速率接近 330ps，但是隻有很小的調製深度。美國 Los Alamos 國家實驗室 H.T.Chen 等人於 2006 年提出的基於超材料的太赫茲波調製器構想，2008 年實現了用電場控制亞波長金屬孔陣列結構來調製太赫茲波，獲得調製深度為52%的太赫茲波調製器，該有源超材料的太赫茲波調製器已經申請了美國的發明專利（專利號：US7826504B2，US7826504B2）。但是該調製器受到自身電極結構電容的影響，最大調製速率只有幾 Kbps，離實用還有一定的距離。2008 年，丹麥 D.G.Cooke 利用光激勵鍍膜矽平板波導結構觀測到了對太赫茲波的調製，調製深度達到 70%。2009年德國 Kaiserslautern 大學 O.Paul 等人採用電壓控制超材料陣列獲得調製速率100kbps太赫茲波調製器，但是調製深度僅為36%。2011年，美國 Willie J.padilla 教授採用高電子遷移率電晶體（HEMT）和電磁超材料結合，實現了調製速率高達 10MHz 的 HEMT 型 THz 調製器，但該調製器一方面工藝複雜成本高，另一方面實現的調製深度不超過30%，且只能在 0.46THz 頻點工作，大大限制了其實際應用。
3.3 太赫茲波訊號探測技術
THz 空間通訊系統中，特別是高頻段，由於波束較小，接收端接收到的訊號比較微弱，又加之在高背景噪聲場的干擾情況下，會導致接收端信噪比 S/N< 1。為快速、精確地捕獲目標和接收訊號，通常採取兩方面的措施，一是提高接收端的靈敏度，達到 n W ~p W 量級；其次是對所有接收訊號進行處理，在電通道上採用微弱訊號檢測與處理技術。
1) 傳統探測技術
基於傳統手段的探測技術主要有超導混頻技術(SIS)、熱電子測熱電阻(HEB)混頻技術和肖特基勢壘二極體(SBD)技術。SI 探測頻率約為 0.1～1.2 THz，需在液氦溫度下工作。HEB 主要用於探測 1 THz以上的輻射訊號，最高探測頻率達 5 THz，噪聲溫度約為量子極限的10 倍。目前，SBD 技術運用的比較廣泛，可用在 4～300 K 溫度內的直接式探測器，也可用作外差式接收單元混頻器的非線性元件。2012年11月，中國研製出截止頻率達到3.37 THz的太赫茲肖特基二極體。2) 時域光譜探測技術
目前研究的時域光譜探測技術主要包括：①光電導相干探測技術，使用光電導半導體天線進行接收，利用探測光在半導體上產生的光電流與太赫茲驅動電場成正比的特性，測量太赫茲波的瞬間電場；②電光探測技術；即將鈦寶石鐳射器提供的飛秒脈寬鐳射脈衝分成兩束，一束較強的鐳射束透過延遲成為泵浦光，激發發射器產生電磁波，另一束鐳射束作為探測光與太赫茲波脈衝匯合後同步透過電光晶體，把太赫茲波在電光晶體上引起的折射率變化轉變成探測光強的變化，再用平衡二極體接收並輸入鎖相放大器，然後再經計算機進行處理和顯示。
3) 啁啾脈衝光譜儀探測技術
該技術產生自傳統的太赫茲互相關探測技術，克服了互相關技術中測量速度較慢的缺點，時間解析度與信噪比較高。但是，由於該技術中的光譜儀引入了傅立葉變換，在時間解析度上有限制，使太赫茲時間波形發生了畸變。
4) 量子阱探測器( QWP)
QWP 是應用在太赫茲波段的一種新型量子阱紅外光電探測器，是基於帶內光致激發，將導帶阱內的束縛態電子激發到連續態。它一般採用 Ga As/AIGa As 材料，具有較強的光譜解析度，是一種窄帶探測器。
5) 光電導取樣技術
光電導取樣是基於光導天線（PCA,photoconductive antenna）發射極發展起來的太赫茲脈衝訊號探測技術。為了探測太赫茲訊號，首先將未加偏置的 PCA 放置在太赫茲光路中，並且利用一個光脈衝門控對其進行控制，而這個光脈衝門控與泵浦光有可調節的時間延遲關係。門控（探測）脈衝能產生流過 PCA 的電流，並與電測量系統相連。當太赫茲電場加在 PCA 上時，探測到的差分電流與 T-射線電場成比例。光探測脈衝的持續時間遠遠短於 T-射線脈衝，所以透過改變兩個光脈衝之間的時間延遲，就可以“取樣”出 T-射線的波形。其中探測到的太赫茲訊號是入射太赫茲脈衝與 PCA 響應函式的卷積。在實際的光譜實驗中，探測器和發射極的響應可以透過解卷積來求得，也將訊號與參考脈衝正交化來求得。
4. 太赫茲通訊系統舉例
4.1 日本 NTT 的 0.12 THz,0.3 THz 通訊系統
日本 NTT 公司在國際上較早開展了太赫茲通訊技術研究，採用ASK,OOK 體制，先後基於光電結合和全電子學的方式研究了 0.12THz 通訊系統並進行了演示驗證實驗，最近又研究了 0.3 THz 的通訊系統。
2004 年~2006 年期間，NTT 公司採用基於 UTC-PD 的光電變換太赫茲源和光學 MZM 調製的發射機，以及肖特基二極體檢測接收機研製了 0.125 THz 通訊系統。使用 62.5 GHz 訊號調製光波，透過平面分波電路產生相隔 0.125 THz 光訊號，此光訊號受發射資料(資料先由光訊號轉換為電訊號)的調製，然後進入 UTC-PD 進行光電轉換，產生 0.125 THz 的調製波，經過放大後饋入天線發射；接收端經天線後進入低噪放、檢波器變成基帶訊號，經過放大、時鐘資料恢復、電-光轉換成光訊號資料輸出。採用該系統進行了 10 Gbps,300 m~800 m 的傳輸實驗，成為國際太赫茲通訊的標誌性成果。隨著 In P HEMTTMIC 技術的發展，NTT 公司研究了全電子學 0.12 THz 發射機代替了原來的光電變換髮射機，5.625 GHz 訊號經 8 倍頻至 0.125 THz，而輸入的光訊號資料經光-電轉換為電訊號資料後對 0.125 THz 載波進行 ASK 調製，然後經過二級放大器放大後(40 m W)輸出至天線。接收端仍然採用肖特基二極體檢測技術來實現。
NTT 公司利用 0.12 THz 系統做了許多實用性的實驗。2008 年將該系統用於北京奧運會賽事直播演示；2009 年進行了 5.8 km 的遠距離傳輸實驗，還進行了雨衰統計實驗；2010 年使用天線極化複用技術實現雙向 10 Gbps 或單向 20 Gbps 傳輸速率；2012 年在前面極化複用的模式變化器基礎上進行了改進，實現了雙向 10 Gbps 與 10 Gb E 的無縫連線。
在 0.12 THz 通訊系統的基礎上，NTT 公司將載頻提高至 0.3 THz，發射機採用的是光電變換太赫茲源，但不是基於單臺鐳射器脈衝調製後的光學梳狀譜，而是用 2 臺可調諧鐳射器耦合放大後由 UTC-PD差頻變換為太赫茲波輸出，接收機仍然採用肖特基二極體檢測技術，由於 0.3 THz 的 UTC-PD 輸出沒有合適的放大器，使用了 2 個介質透鏡來提高天線的增益，總髮射天線、接收天線增益分別為 40 d Bi，35d Bi。採用 ASK 調製，在 0.5 m 距離實現 16 Gbps 傳輸； 2012 年，將傳輸速率提高至 24 Gbps。
4.2 德國 Fraunhofer IAF 的 0.22 THz,0.24 THz 通訊系統
德國 IAF 研究所基於其固態電子學基礎，與 KIT(KarlsruheInstitute of Technology)等單位一起，近幾年推出了 TMIC 實現的太赫茲通訊系統，引領了全電子學太赫茲高速無線通訊技術的發展。2011年德國 IAF 完成了基於 InP mHEMT TMIC 的全固態 0.22 THz 通訊系統，並實現了 OOK 與 QAM 兩種體制。發射機主要由 12 倍頻鏈、功放、二倍頻器、混頻調製器和 LNA(Low Noise Amplefier)（用作功放）組成，接收機的組成與發射機組成差不多。整個發射機全部整合為一塊 TMIC 晶片，接收機也是一塊 TMIC 晶片。
利用該系統進行了 QAM 體制的低速傳輸和 OOK 體制的高速傳輸。分別採用 16QAM，64QAM，128QAM，256QAM 調製進行了 DVB-C 資料傳輸，64QAM 的傳輸位元速率為 10 Mbps，256QAM 的傳輸位元速率為 14 Mbps，在相距 1 m 時誤位元速率分別為 1×10-8和 9.1×10-4。在進行 OOK 調製傳輸時，傳輸碼速率從 7.5 Gbps 到 25 Gbps，距離為 0.5m到 2 m。 2013 年 5 月，德國 IAF 在其網頁上報道了新的研究成果，在 0.24 THz 上基於全電子學方式實現了 40 Gbps 速率、1 km 距離的無線傳輸，採用 m HEMT 工藝研究的發射機和接收機 TMIC 晶片僅有 4 mm×1.5 mm 大小，創造了基於 TMIC 全電子學方式實現的太赫茲高速無線通訊的新世界紀錄，標誌著太赫茲將可取代光纖實現“最後一公里”的無線傳輸。2013 年 10 月，德國 IAF 在 Nature Photonics
上報道了其最新研究成果，採用光電變換的發射機（光學梳狀譜+UTC-PD，UTC-PD 由日本 NTT 研製）和電子學的 m HEMT TMIC接收機晶片，基於 QPSK,8QAM,16QAM 多元調製體制，在 0.24 THz實現了 100 Gbps 速率、20 m 距離的無線傳輸和離線軟體解調，再次創造了新的世界記錄。報道中提到進一步的研究方向：研究提高頻譜利用率的技術（如極化複用、頻分複用、空分複用等），期望在 0.2THz~0.3 THz 的大氣視窗內向 1 Tbps 速率邁進；在 UTC-PD 的輸出增加 TMIC 放大器，採用高增益天線，實現 1 km 以上的傳輸距離；研究電子學和光子學的單片或混合異構整合技術，以實現小巧的太赫茲收發系統。
4.3 中國工程物理研究院的 0.14 THz、0.34 THz 高速無線通訊系統
中國工程物理研究院（電子工程研究所和太赫茲研究中心）研究了一種先進的“16QAM 正交調製+次諧波混頻+多級放大”的太赫茲高速無線通訊技術體制，頻譜利用率高，便於功率級聯和遠距離通訊。在實現技術路線方面，採用了全電子學的技術途徑，即基於固態肖特基二極體研製倍頻源和混頻器，基於 MEMS 技術研製濾波器，基於微納電真空技術研製摺疊波導行波管放大器，基於並行結構的高速訊號處理技術實現調製解調等。2010 年底完成了 0.14 THz/16QAM10Gbps 的 0.5 km 無線傳輸實驗(離線軟體解調)；2011 年進行了 1.5km 無線通訊實驗，包括 2 Gbps 16QAM 實時解調和 10 Gbps 16QAM的離線軟體解調。實驗表明：當傳輸速率為 2 Gbps，採用實時解調，誤位元速率為 1×10-7；當傳輸速率為 10 Gbps，採用軟體解調，誤位元速率優於 1×10-6。目前正在開展固態功率合成和摺疊波導行波管放大器研究，以實現更遠傳輸距離。
在此基礎上，2012 年中國工程物理研究院進一步實現了 0.34 THz16QAM 3 Gbps 實時解調通訊系統，完成了 50 m 無線傳輸實驗。當傳輸速率為 3 Gbps 時，誤位元速率優於 1×10-6。利用該系統還進行了基於 IEEE 802.11 的 WLAN 通訊實驗。目前中國工程物理研究院正在開展 0.14 THz~0.34 THz 的 TMIC 晶片技術研究，以及速率 10 Gbps以上到幾十 Gbps 的超高速太赫茲調製解調技術研究。
4.4 美國 Bell 實驗室的 0.625 THz 通訊系統
美國 Bell 實驗室的 0.625 THz 通訊系統是目前報道的採用全電子學方式實現的最高載波頻率的太赫茲通訊系統。它基於肖特基二極體，採用 4 個二倍頻器和 1 個 3 倍頻器，組成級聯的倍頻太赫茲源，輸出功率為 1 m W。接收機採用肖特基二極體檢測器。基於雙二進位制(Duobinary)基帶調製制式，傳輸速率為 2.5 Gbps，傳輸距離為數米。
4.5 中科院微系統與資訊科技研究所的 4.13 THz 通訊系統
在 2 THz 以上，太赫茲源一般只能採用鐳射器方法實現，如量子級聯鐳射器(QCL)、氣體鐳射器、自由電子鐳射器等。由於 QCL 基於半導體技術實現，便於整合，引起了人們的廣泛研究興趣，大部分研究集中在 QCL 本身和成像應用，但也有少量研究探討了它在通訊中的應用。國外在 3.8 THz 基於 QCL 和 QWP(Quantum Well Photodetector)開展了無線通訊實驗。國內中科院微系統與資訊科技研究所在 4.1THz 基於 QCL 和 QWP 先後開展了音訊、檔案和影片通訊實驗，系統構成和 1 Mbps 傳輸實驗，採用 OOK 數字調製，傳輸距離為 2.2 m。
4.6 北京師範大學 310GHz 太赫茲通訊系統設計
該系統和中國工程物理研究院的太赫茲系統設計原理一致，同時兼具了結構簡單小巧，易於攜帶的優點，且後期功率提升潛力明顯，便於開展室內太赫茲通訊實驗。該系統採用純電子學方法，射頻訊號源產生頻率為 19.375Ghz 的射頻訊號，經過倍頻器上倍頻，使用電訊號混頻器產生調製訊號，經放大後由天線傳送。發射端採用美國 VDI諧波混頻器中的零中頻發射機，接收端採用諧波混頻零中頻接收機。透過鏈路預算搭建實際通訊系統，該系統可以實現 1m 距離範圍內的10Gbps 無誤碼高速無線資料傳輸。速率提高，解調得到的訊號容易失真，當速率達到 11Gbps 時，誤位元速率為 5×10-6，實現了室內段距離GBP 量級高速無線傳輸。
五、 工程難題(一) 電大尺寸的設計和計算問題
以電大尺寸反射板前放置寬頻偶極子天線的結構為例，採用商業軟體（CST）與自程式設計序相結合的方法，先使用商業軟體模擬建立粗略模擬模型，再用自程式設計序進一步數值計算得到精細模型，在此基礎上採用最佳化演算法進行天線尺寸引數最佳化設計，以實現水平全向高均勻度、高增益的天線設計目標[19]。
(二) 大口徑天線介質損耗
在高頻電場和低溫下，有一類與介質內鄰結構的緊密度密切相關的介質損耗稱為結構損耗。這類損耗與溫度關係不大，耗功隨頻率升高而增大。
在介質發生緩慢極化時（鬆弛極化、空間電荷極化等），帶電粒子在電場力的影響下因克服熱運動而引起的能量損耗。一些介質在電場極化時也會產生損耗，這種損耗一般稱極化損耗。位移極化從建立極化到其穩定所需時間很短（約為 10-16～10-12 s），這在無線電頻率（5×10 12Hz 以下）範圍均可認為是極短的，因此基本上不消耗能量。其他緩慢極化（例如鬆弛極化、空間電荷極化等）在外電場作用下，需經過較長時間（10-10 s 或更長）才達到穩定狀態，因此會引起能量的損耗。若外加頻率較低，介質中所有的極化都能完全跟上外電場變化，則不產生極化損耗。若外加頻率較高時，介質中的極化跟不上外電場變化，於是產生極化損耗。
用功率反射法測量天線罩介質損耗可以將網路的損耗問題轉化為電壓駐波比問題來解決，由於前者的微小變化可以引起後者的顯著變化，故測量精度可以提高。另外功率反射法中的天線罩試樣體積小、易製作，該法不受環境條件影響，測量值極穩定[21]。
(三) 電磁相容問題
高頻的類比訊號建議採用同軸式隔離線。高頻電流環路面積 S 越大，EMI 輻射越嚴重。高頻訊號電流流經電感最小路徑。當頻率較高時，一般走線電抗大於電阻，連線對高頻訊號就是電感，串聯電感引起輻射。電磁輻射大多是 EUT 被測裝置上的高頻電流環路產生的，最惡劣的情況就是開路之天線形式。對應處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，儘量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續的佈線或有天線效應之元器件過長的插腳。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務之一，就是想方設法減小高頻電流環路面積 S。
相比於直流、低頻交流激勵源，高頻交流源的輻射相當大。在接收天線與激勵源相距 1m 時，激勵源訊號高出本底噪聲 50-60dB。除此之外，諧波的功率也不可忽視，高出本底噪聲功率 20-30dB。透過採用接地、濾波及遮蔽技術可大幅度改善天線電磁相容性[22]。
(四) PCB 及工藝加工問題
高頻天線處於毫米波頻段，傳輸插損高，波長短，天線振子的尺寸也較小，一般都在毫米級別。這些特徵決定了高頻天線和包括功分，PA，LNA，移相器及開關電路等有源前端電路部分的互聯一般不能使用射頻跳線或聯結器進行連線，多數都是在一塊PCB板上進行互聯。下圖是目前業內採用最多的 5G 高頻天線板的一個示例。圖中藍色方塊是有源多功能前端晶片，黃色的方塊是天線振子，深藍色線段是高頻功分網路，灰色齒狀是散熱片。有源晶片和天線振子的互聯採用 PCB 過孔連線。晶片的 Pin 腳數量很多，Pin 腳間距很小（多數是0.4mm），屬於高密器件，很多電路走線，打孔及晶片貼片的要求都會達到目前工藝的極限。這些都會大大增加高頻天線板設計，PCB 加工及器件貼片的難度。
由於天線板包括天線和有源電路設計，天線在 PCB 設計時需要考慮饋電層，耦合層和貼片層，每一層對介質厚度都有特殊的要求，和純有源電路 PCB 的要求很不相同，這樣會在單板設計 PCB 疊層時要考慮很多因素，儘量做到疊層對稱，減少 PCB 加工及貼片時的翹曲風險，這些要求也大大增加了 PCB 單板設計和加工的難度。
另外，高頻天線板設計和製造首先考慮的是 PCB 材料的選擇。由於同樣的射頻走線在毫米波頻段相對於低頻點插損會高很多，並且由於天線設計和射頻走線線寬的要求，高頻天線 PCB 板材一般都要求低 DK（介電常數），低 Df（損耗角正切）材料。目前比較通用的符合這類要求的 PCB 材料型別有 PTFE，碳氫樹脂和 PPO 樹脂。PTFE材料是熱塑性材料，一般不適合於多次壓合的多層板設計。碳氫樹脂半固化片的流動性不是很好，在高頻天線這方面應用不是太多。目前多數廠家高頻天線 PCB 材料選擇 PPO 樹脂，這種材料 Dk，Df 效能較好，加工效能較好，綜合考慮是一款較理想的高頻天線電路單板材料。
高頻天線板的挑戰還包括陣面功分網路的設計，天線散熱問題的解決，高效能天線的實現，通道間隔離等等問題。每個問題的解決都需要各個廠家付出很大的努力來達成。
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