一种卫星间太赫兹通信系统构架及其信息传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星间太赫兹通信系统构架，包括设置在卫星平台上的发射机和接收机，当太赫兹频率范围为小于10THz的低频段时，所述发射机采用巨量太赫兹天线阵；当太赫兹频率范围在10THz～30THz的高频段时，所述发射机是太赫兹激光器；太赫兹频率范围为上述低频段或高频段时，所述接收机均为巨量太赫兹天线阵；所述巨量太赫兹天线阵包含有104～107数量级的天线阵元，所述巨量太赫兹天线阵利用半导体工艺制作，将若干个工作在不同波长的天线阵元利用同一个工艺来实现，从而实现多频率MIMO体制；所述接收机接收太赫兹波后将通过一检波量子器件提取信息，并采用若干个天线阵元驱动同一个检波量子器件。本发明专利技术系统构架融合了红外激光通信和毫米波通信的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型的基于太赫兹频段的用于卫星间通信的收发机体系结构。
技术介绍
传统的星间链路主要依靠微波通信技术和激光通信技术。为了满足日益增长的空间中星间通信数据量的要求，微波带宽不断提高，如美国新一代的军事卫星通信系统星间链路的工作频率达到了60GHz。但微波通信面临的巨大问题是空间链路衰减，而星间通信的特点恰恰是超远距离。空间激光通讯方式由于激光的相干性，使得其与微波相比较基本上没有路径衰减。但远距离激光通信使用的激光光束散角非常小，在实际应用中空间平台高达数十μrad的抖动会影响到安装于平台上的空间激光通信系统的光学发射或接收天线，使其产生摆动。这种摆动严重时会使空间激光通信中断，更多的时候会使激光通信系统的误码率增加，通信质量下降。因而空间激光通信的特点使得其在远距离通信中在对准与跟踪系统的要求上非常苛刻。太赫兹(THz)频段高于毫米波而低于长波红外，其频段范围在0.3THz至30THz之间(波长1mm～10μm)。相比于微波通信：1)THz通信传输的容量更大，在带宽上远大于微波几百兆的带宽，能够进行Gb/s量级的通信；2)THz波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位；3)THz波具有更好的保密性及抗干扰能力；4)由于THz波波长相对更短，在完成同样功能的情况下天线的尺寸可以做得更小，其他系统结构也可以做得更加简单、经济。相比于激光通信：1)THz波的光子能量约为可见光的1/40，其r>作为信息载体的能量效率更高；2)THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，可以实现全天候的工作；3)波束角比激光大，波束覆盖面积更大，使得接收器在一定范围内都可以正确的进行接收，放宽了捕获跟踪APT的要求，扩大了通信的距离。
技术实现思路
本专利技术提出一个全新的卫星间太赫兹通信构架：PHOTRONIC通信体系。其特点是融合了红外激光通信(光子学：PHOTONIC)和毫米波通信(电子学:ELECTRONIC)的优点。为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种卫星间太赫兹通信系统构架，包括设置在卫星平台上的发射机和接收机，当太赫兹频率范围为小于10THz的低频段时，所述发射机采用巨量太赫兹天线阵；当太赫兹频率范围在10THz～30THz的高频段时，所述发射机是太赫兹激光器；太赫兹频率范围为上述低频段或高频段时，所述接收机均为巨量太赫兹天线阵；所述巨量太赫兹天线阵包含有104～107数量级的天线阵元，所述巨量太赫兹天线阵利用半导体工艺制作，将若干个工作在不同波长的天线阵元(因为每个太赫兹天线阵元也由接收不同波长的子天线阵元组成，这样的复合太赫兹天线阵元再组成太赫兹天线阵列)利用同一个工艺来实现，从而实现多频率MIMO体制；所述接收机接收太赫兹波后将通过一检波量子器件提取信息，并采用若干个天线阵元驱动同一个检波量子器件。所述检波量子器件是基于等离子高电子迁移率晶体管。利用本专利技术卫星间太赫兹通信系统构架实现信息传输的方法是：将信息信号压缩编码后调制为电信号并加载在太赫兹源上，该太赫兹源是经巨量太赫兹天线阵形成窄波束向外辐射或是激光光源；接收端巨量太赫兹天线阵在电子波束指向控制(BeamSteering)的调整下，实现发射波束与接收波束的对准；接收到的太赫兹信号经过量子器件探测后被送到后级的解码解压缩电路，最终还原出信息信号。在频率小于10THz的太赫兹低频范围，发射机采用巨量太赫兹天线阵，利用天线阵波束形成与能量合成的技术实现窄波束的大功率输出以拟制路径衰减。此外，天线阵的电子扫描方式能快速调波束方向，实现发射波束与接收的对准。接收机也采用巨量天线阵，通过天线阵金属中自由电子的谐振，达到能量聚集与增强的效果，并能从各种波长的电磁波中选择出所需要波长(如同收音机的电台选择)，实现单频‘单色’接收，拟制其他波长信号的干扰。在10THz～30THz(波长为30微米～10微米)的太赫兹高频段，发射机采用调制的激光，但接收采用巨量天线阵的方式。由于卫星平台的机械振动等元素导致发射的激光随平台随机摆动，尽管接收端有光斑摆动，但接收端采用多个巨量天线阵来进行接收。每一个天线阵都可以被此激光束扫到，相当于不同的天线阵在时间域内不同时刻接收到激光信号。由于电子时钟(GHz量级)远远快于机械的抖动频率，使得接收到信号后可以通过电子处理的方式将这些不同天线阵接收到的信号进行拼接合成，实现大数据率的接收，克服了传统激光通信由于光斑摆动而导致的传输数据率降低的缺点。此外，由于通信不需要相干性，可以缓解对准的压力，使得对于天线阵的几何形状和相对物理位置的要求不是那么苛刻，所以在升空过程中可以将很多巨量天线阵堆叠起来。到了太空以后再展开，以扩大天线阵的等效口径。由于所提出的巨量天线阵是利用半导体工艺来制作的，可以将若干个工作在不同波长的天线阵元利用同一个工艺来实现。也就是实现了多频率的接收。这样就可以采用多频率的多输入接收和多频率发射，及多频率MIMO体制。天线接收太赫兹波后将通过量子器件直接检波的方式提取信息。为了提高量子器件的接收效率，可以采用多天线阵元来驱动同一个量子器件的方式。检波量子器件可以是基于等离子高电子迁移率晶体管(PlasmonicHEMT)。该器件将太赫兹金属天线上的类表面等离子激元引入到沟道长度小于100nm的Plasmonic-HEMT的栅极，由于栅极沟道尺寸与电子的平均自由程可比拟，动量弛豫时间长于电子的渡越时间，弹道输运控制着源漏之间的电子运动。HEMT在外加偏压所形成的非对称边界条件下，沟道内最初稳定的电子流体将变得不稳定。由于源漏之间的发射使得不稳定的电子流体相干放大形成等离子体共振。在如此短的短沟道HEMT中形成的等离子体的波速可以达到108cm/s以上，远远高于普通HEMT中的电子漂移速度。采用PlasmonicHEMT有许多的优点，第一，等离子波传播速度快，克服了传统热探测器响应速度太慢的缺点；第二，在场效应晶体管中，可以获得较高的沟道电子浓度，而这可以进一步提高等离子体振荡的频率；第三，等离子体共振的频率随着场效应晶体管栅长的减小而增大，通过改变栅长可以增大探测范围；第四，等离子共振可以在室温下实现，相对于需要制冷装置以达到极低温度才有高响应率的子带跃迁量子阱结构太赫兹探测器来说，采用场效应晶体管有着极大的优势。附图说明图1是本专利技术的PHOTRONIC通信体系结构示意图。图2是太赫兹高频段采用激光发射与巨量天线阵接收结合PHEMT探测所实现的收发系统实例。具体实施方式...

【技术保护点】
一种卫星间太赫兹通信系统构架，包括设置在卫星平台上的发射机和接收机，其特征在于：当太赫兹频率范围为小于10THz的低频段时，所述发射机采用巨量太赫兹天线阵；当太赫兹频率范围在10THz～30THz的高频段时，所述发射机是太赫兹激光器；太赫兹频率范围为上述低频段或高频段时，所述接收机均为巨量太赫兹天线阵；所述巨量太赫兹天线阵包含有104～107数量级的天线阵元，所述巨量太赫兹天线阵利用半导体工艺制作，将若干个工作在不同波长的天线阵元利用同一个工艺来实现，从而实现多频率MIMO体制；所述接收机接收太赫兹波后将通过一检波量子器件提取信息，并采用若干个天线阵元驱动同一个检波量子器件。

【技术特征摘要】
1.一种卫星间太赫兹通信系统构架，包括设置在卫星平台上的发射机和接收机，其特
征在于：
当太赫兹频率范围为小于10THz的低频段时，所述发射机采用巨量太赫兹天线阵；
当太赫兹频率范围在10THz～30THz的高频段时，所述发射机是太赫兹激光器；
太赫兹频率范围为上述低频段或高频段时，所述接收机均为巨量太赫兹天线阵；
所述巨量太赫兹天线阵包含有104～107数量级的天线阵元，所述巨量太赫兹天线阵利用
半导体工艺制作，将若干个工作在不同波长的天线阵元利用同一个工艺来实现，从而实现
多频率MIMO体制；
所述接收机接收太赫兹波后将通过一检波量子器件提取信息，并采用若干个天线阵元
驱动同一个检波量子器件。
2.根据权利要求1所述一种卫星间太赫兹通信系统构架，其特征在于：所述检波量子
器件是基于等离子高电子迁移率晶体管。
3.一种卫星间太赫兹通信系统的信息传输方法，其特征在于，利用如权利要求1或2
所述的卫星间太赫兹通信系统构架，实现信息传输的步骤是：将信息信号压缩编码后调制
为电信号并加载在太赫兹源上，该太赫兹源是经巨量太赫兹天线阵形成窄波束向外辐射或
是激光光源；接收端巨量太赫兹天线阵在电子波束指向控制的调整下，实现接收波束与发
射...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈霏，马建国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12