面向5G/6G及未来无线通信的MHz-THz频谱融合技术前沿研究

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Guest Editorial

本专刊聚焦5G/6G通信系统发展中的频谱资源瓶颈问题，收录了19篇关于MHz-THz频段融合技术的创新研究成果。研究人员通过微波光子学、人工智能优化、新型超表面结构等跨学科方法，在无线能量传输、毫米波集成电路、太赫兹系统等方向取得突破性进展，为下一代无线通信系统的低功耗、高集成度发展提供了重要理论支撑和技术路径。

　　

随着第五代移动通信（5G）技术的规模化商用和第六代移动通信（6G）研究序幕的拉开，无线通信领域正面临前所未有的机遇与挑战。频谱资源作为无线通信的基石，其开发与利用直接决定了系统性能的上限。当前，sub-6 GHz频段已日趋拥挤，难以满足未来万物互联时代对超高数据传输速率、超低时延和海量连接的需求。因此，将通信频谱向更高频段扩展，开发利用毫米波（millimeter-wave）、太赫兹（Terahertz, THz）等频段资源，成为国际学术界和工业界关注的焦点。然而，高频段信号传输存在路径损耗大、易受阻挡、器件设计复杂等一系列技术瓶颈，亟需在基础理论、关键器件及系统架构上进行创新突破。

在此背景下，2025年5月在中国西安举行的第12届IEEE MTT-S国际无线研讨会（IEEE IWS 2025）汇集了全球该领域的顶尖专家学者，共同探讨MHz至THz全频谱融合技术的发展路径。本次会议共收到来自11个国家和地区的568篇投稿，经过148名技术程序委员会（TPC）成员采用双盲（double-blind）评审方式严格筛选，最终403篇论文被接收进行口头或海报展示，其中360篇被IEEE Xplore数字图书馆收录。基于会议的优秀成果，《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊组织出版了本期迷你专刊，从投稿的48篇扩展论文中最终遴选出19篇高质量研究论文，涵盖了从基础理论到前沿应用的多个方面，集中反映了当前无线技术领域的最新进展。

为了系统解决上述高频段通信面临的挑战，研究人员在本专刊收录的论文中应用了多项关键技术方法。这些方法主要包括：基于电磁理论（Electromagnetics）的建模与微波设计优化、人工智能（AI, Artificial Intelligence）辅助的电路分析与综合、先进半导体工艺（如氮化镓GaN）制备微波功率器件、增材制造（Additive Manufacturing）用于微波无源组件成型、以及基于超材料（Metamaterials）和频率选择表面（FSS, Frequency-Selective Surfaces）的新型电磁波调控技术。研究涉及的样本或数据来源包括仿真平台、实验测量系统以及公开数据集，确保了研究结果的可靠性和有效性。

微波与毫米波有源电路

该部分研究致力于提升高频段有源器件（如放大器、振荡器、混频器）的性能。研究人员通过优化晶体管模型、改进电路拓扑结构以及采用新型半导体材料（如GaN），成功设计出具有更高输出功率、更宽工作带宽和更高效率的毫米波单片微波集成电路（MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit）。例如，一项研究通过引入分布式放大结构，在E波段实现了创纪录的增益平坦度和输出功率，为毫米波中继通信提供了核心芯片解决方案。

微波无源电路

无源电路（如滤波器、耦合器、天线）是无线系统的关键组成部分。研究重点集中在小型化、高性能和可重构设计上。利用低温共烧陶瓷（LTCC, Low-Temperature Cofired Ceramic）、硅基光刻等工艺，研究人员设计了多种新型微型滤波器，其带外抑制能力和插入损耗指标得到显著改善。同时，基于基片集成波导（SIW, Substrate Integrated Waveguide）技术的无源电路展现出良好的集成潜力和电磁兼容特性。

频率选择表面与新型超表面结构的电磁操控特性

超表面（Metasurface）作为一种二维人工电磁材料，为实现对电磁波振幅、相位、极化方式的灵活调控提供了新范式。本专刊的多篇论文报道了基于可调谐材料（如液晶、相变材料）或特殊几何构型的超表面设计，能够动态实现波束扫描、雷达散射截面（RCS, Radar Cross-Section）缩减、异常反射等功能。这些结构在提升天线增益、构建智能隐身表面以及太赫兹成像系统中有广阔应用前景。

人工智能赋能的微波电路分析与优化方法

面对复杂电磁系统设计中的高维参数优化难题，人工智能技术展现出强大潜力。研究人员将深度学习（Deep Learning）、强化学习（Reinforcement Learning）等AI算法应用于微波器件的建模、逆向设计和性能预测中。研究表明，AI方法能够大幅缩短设计周期，并发现传统经验难以企及的高性能设计点，为实现微波电路的自动化、智能化设计奠定了基础。

本期专刊的研究成果表明，通过跨频段技术融合与多学科方法创新，是推动5G向6G平滑演进的有效途径。MHz-THz频谱的协同利用，不仅能够缓解低频段的频谱拥堵问题，更能解锁诸如超高精度定位、沉浸式通信、无线内联（wireless interior connectivity）等全新应用场景。专刊中关于无线能量传输（WPT, Wireless Power Transfer）和物联网（IoT, Internet of Things）器件的研究，则为实现低功耗、自供能的泛在物联网节点提供了可能，契合了绿色通信的发展理念。

然而，研究也指出，迈向太赫兹通信之路仍充满挑战。例如，太赫兹波在大气中的传播特性、高集成度下芯片的散热问题、以及大规模天线阵列的成本控制等，都是未来需要攻克的关键技术难点。此外，AI模型在微波设计中的可解释性、通用性以及其对实验误差的鲁棒性，也需要进一步深入研究。

综上所述，本期《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》迷你专刊集中展示了无线技术领域，特别是在微波-太赫兹频谱融合方向的最新研究进展。这些工作不仅深化了我们对高频电磁现象的理解，更推动了关键器件和系统技术的边界。正如四位大会主题报告人——西安电子科技大学的马晓华教授、加拿大卡尔顿大学的Qi-Jun Zhang教授、意大利佩鲁贾大学的Cristiano Tomassoni教授以及沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的Atif Shamim教授所强调的，跨学科合作与国际交流是应对未来挑战的关键。本期专刊的出版，无疑将为全球研究人员在该领域的持续探索提供宝贵的参考和启发，助力构建更加高效、智能和可持续的未来无线网络。