这篇文档属于类型b，是一篇发表在《Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves》（2023年2月20日在线发表）上的特邀综述文章，题为《Terahertz Beam Steering: From Fundamentals to Applications》。作者包括Yasuaki Monnai（东京大学）、Xuyang Lu（上海交通大学-密歇根大学联合学院）和Kaushik Sengupta（普林斯顿大学）。文章系统回顾了太赫兹（THz）波束控制（beam steering）技术的基础原理、实现方法及应用前景，重点关注了硬件限制下的创新解决方案和新兴应用驱动设计。以下是主要内容的分段阐述：

1. 太赫兹波束控制的必要性

太赫兹频段（0.1-1 THz）因其宽带宽和短波长特性，在6G通信、高分辨率传感和成像等领域潜力巨大。然而，其短波长导致严重的路径损耗（path loss），需通过定向传输补偿。文章基于弗里斯传输公式（Friis transmission formula）量化了损耗与天线增益的关系，指出实现高增益需大孔径天线（aperture area）和动态波束控制，以覆盖非视距（non-line-of-sight）场景。例如，300 GHz频段在10λ距离（约3米）的路径损耗达22 dB，需30 dB天线增益（对应约900 mm²孔径）维持链路。

2. 主流技术：相控阵（Phased Arrays）

相控阵通过控制阵列单元的相位合成波前，分为有源（active）和无源（passive）两类。有源相控阵通过独立振荡器或耦合振荡网络（如H-tree分布或互锁振荡器）实现同步，但面临功耗和规模限制。例如，CMOS技术已实现280 GHz的4×4阵列（±40°扫描）和1.4 THz的振荡器（−13 dBm EIRP）。无源相控阵依赖单振荡器加移相器网络，但低损耗宽带移相器仍是挑战。
关键进展：
- 电子相控阵：如Li等开发的140 GHz中频（IF）移相阵列（5位相位控制）；Abdo等基于Hartley架构的300 GHz收发机（26 Gbaud速率）。
- 光电相控阵：通过空间调制光电流相位实现，如光纤网络馈电的UTC-PD阵列（300 GHz，50°扫描）。
- 移相器技术：包括固态（如GaAs基SRR谐振器）、液晶（如ITO纳米晶电极）和微机电（MEMS）方案（如硅-空气-硅超模波导，550°相移/1.87 dB损耗）。

3. 替代方案：可重构衍射结构

为规避相控阵的硬件限制，文章提出两类被动波束控制方法：

（1）可变结构衍射（Reconfigurable Diffraction）

• 透镜：如移动激发点的半球形硅透镜（550 GHz，±25°扫描）或Luneburg透镜（通过有效介质实现120°离散扫描）。
  
• 光栅（Grating）：如MEMS悬臂阵列（300 GHz，80 μm行程调谐周期）或光诱导硅载流子光栅（740 GHz，非机械调谐）。
  
• 超表面（Metasurface）：CMOS可编程超表面（0.3 THz，±30°扫描）和石墨烯超表面（1.1-1.5 THz，360°相移）通过电调谐实现动态波前调控。
  

（2）频扫色散结构（Frequency Dispersive Structures）

• 漏波天线（Leaky-Wave Antenna）：利用波导泄漏波的频率-角度映射关系。例如：
  
  • 慢波型：微带周期漏波天线（300 GHz，235-325 GHz扫频覆盖38°）。
    
  • 快波型：金属波导缝隙天线（395 GHz，45-48°扫描）或平行板波导（150-500 GHz连续扫描）。
    
• 2D波束控制：通过串并联混合馈电网络实现（240-310 GHz覆盖20°×60°）。
  

4. 应用驱动的系统设计

针对特定场景优化硬件-信号处理协同设计，例如：
- 通信对齐：基于漏波天线的频谱-空间映射（如360-400 GHz频段±40°扫描，1°定位精度），减少传统相控阵的O(n²)搜索复杂度。
- 快速成像：频扫雷达结合逆傅里叶变换实现距离-角度成像（如240线扫描速率12 Hz），或单片太赫兹雷达（通过反向漏波天线检测心跳）。

5. 技术挑战与未来方向

文章总结了当前瓶颈：
- 相控阵：厘米级孔径和半波长间距的集成难题，表面波耦合导致的扫描盲区（scan blindness）。
- 替代方案：液晶的高损耗（~12 dB/360°）、MEMS的速度限制（~0.5 s响应）。
未来方向包括：多学科融合（如拓扑优化逆向设计）、动态极化控制、时空调制波束成形，以及系统级优化（如多天线协同覆盖）。

论文价值与亮点

1. 全面性：首次系统梳理太赫兹波束控制的电子、光电、机械三类技术路径，涵盖基础理论至应用案例。
   
2. 前瞻性：强调“应用驱动设计”的新范式，如物理层信号处理与硬件协同优化。
   
3. 批判性：明确各技术的权衡关系（如频扫带宽与方向性矛盾），为领域研究提供清晰路线图。
   

此综述为太赫兹无线系统设计者提供了方法论参考，并推动了跨学科创新（如CMOS超表面与光子集成电路的结合）。