太赫茲關(guān)鍵技術(shù)及在通信里的應(yīng)用

太赫茲被稱為改變未來十大技術(shù)之一，是當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)技術(shù)，在空間科學(xué)、無源遙感、安全檢測、生物醫(yī)學(xué)和天文觀測等方面有著顯著性能優(yōu)勢，今天我們一起來學(xué)習(xí)一下太赫茲和其在通信里的應(yīng)用。

太赫茲波在自然界中隨處可見，我們身邊的大部分物體的熱輻射都是太赫茲波。它是位于微波和紅外短波之間的過渡區(qū)域的電磁波，在電子學(xué)領(lǐng)域，這段電磁波稱為毫米波和亞毫米波，在光學(xué)領(lǐng)域，又被稱為遠(yuǎn)紅外射線。一般我們稱頻率范圍0.1-10THz，其波長為3mm-30um的電磁波為太赫茲波，而有些場景下特指0.3-3THz，還有些時候可定義廣義的太赫茲波到100THz。

太赫茲在電磁波譜中的位置

在早期由于沒有高效率的發(fā)射源和靈敏的探測儀器，這一段的電磁波并沒有引起過多的注意，也沒有進(jìn)行深入的研究，在電磁波譜中也被稱為太赫茲空隙（THz Gap），隨著光電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)研究也有了飛速的發(fā)展。因?yàn)槠湓陔姶挪ㄗV中位置的特殊性，科學(xué)家們在研究太赫茲技術(shù)時一般從兩個方向進(jìn)行研究，即從長波方向的電磁學(xué)或電子學(xué)領(lǐng)域和從短波方向的光學(xué)領(lǐng)域研究，這兩個方向的物理特性也有著顯著的不同。

一方面，低頻電磁波的發(fā)射來源于電荷的宏觀運(yùn)動，隨著電磁頻率越來越大，一些低頻可忽略的效應(yīng)的影響會越來越明顯，比如，雜散電容效應(yīng)。所以，一些經(jīng)典的電磁波源和電子元器件無法適應(yīng)于太赫茲波段，必須開發(fā)更快速和尺度更小的電子元件來滿足這一波段的需求。而光波則來源于電子的量子躍遷，太赫茲輻射光子能量的兩個能級只差只有毫電子伏，這一能級差甚至小于大多數(shù)晶體光學(xué)聲子的能量，因此會受到熱馳豫效應(yīng)的嚴(yán)重影響，要獲得這一波段高效率的光源，必須有效地避免熱馳豫效應(yīng)的影響。

另一方面，對于低頻的電磁波，由于電磁波的波長一般大于元器件的尺寸，因此在處理電磁場與元器件相互作用時，可以把電磁場看做是均勻分布的，而與此相反地，光學(xué)元器件的尺寸則遠(yuǎn)大于光的波長，所以在研究光學(xué)問題時，不能再認(rèn)為光場是均勻分布的，而是認(rèn)為介質(zhì)在光學(xué)波長范圍內(nèi)是均勻的。

這意味著，對于太赫茲來說，不能僅僅只通過電磁學(xué)和光學(xué)來近似的研究，需要根據(jù)不同的情況，再結(jié)合兩個方向的特性開發(fā)新的技術(shù)，這也是很長的一段時間里電磁波頻譜中存在一個太赫茲空隙的原因。

我們知道5G中引入更大的帶寬的毫米波，與毫米相比太赫茲頻譜更加豐富，太赫茲擁有更寬的帶寬資源，信息傳播的容量高，傳輸能力強(qiáng)，理論上可以達(dá)到100Gbit/s以上的高速數(shù)據(jù)傳輸，其波束更窄，方向性也更好，抗干擾能力強(qiáng)，波長也更加的短，也易于實(shí)現(xiàn)小型化，雖然太赫茲波也具有一定的光學(xué)特性，但不像光通信，它不受環(huán)境光源產(chǎn)生的環(huán)境噪聲的影響，而且在霧，灰塵等不利的氣候條件下，也有著不錯的性能。相比較之下，太赫茲具有傳輸容量大、安全性高、穿透性好等特性，在無線通信領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢，被業(yè)界廣泛認(rèn)為是6G的候選技術(shù)。

無線通信技術(shù)比較

在2019年的世界無線電通信大會（WRC-19）上通過了275 GHz-296 GHz、306GHz-313 GHz、318 GHz-333 GHz和356 GHz-450 GHz頻段共137GHz帶寬資源可無限制條件的用于固定和陸地移動業(yè)務(wù)應(yīng)用，本次大會也首次明確275GHz以上太赫茲頻段地面有源無線電業(yè)務(wù)應(yīng)用可用頻譜資源，并將有源業(yè)務(wù)的可用頻譜資源上限提升到450GHz。

6G通信以數(shù)萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生為愿景，太赫茲技術(shù)可作為一種非常重要的接口技術(shù)方案，可將太赫茲適用于多種通信應(yīng)用場景。

在地面通信應(yīng)用中，太赫茲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超高速無線移動場景，比如，全息通信，通信感知一體化，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，元宇宙等大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膽?yīng)用。5G利用毫米波技術(shù)引入了固定無線接入場景，這種場景對太赫茲技術(shù)也同樣適用，可以將其作為毫米波的補(bǔ)充。另外，太赫茲的高速率傳輸也為高速無線回傳技術(shù)提供了條件，通過無線回傳可以有效降低光纖部署的成本，基站的部署也更加的靈活，尤其是在河流，沙漠，高山等自然條件復(fù)雜的環(huán)境中。同時，還可以通過太赫茲技術(shù)構(gòu)建無線數(shù)據(jù)中心，這將大大降低部署空間以及部署成本。

除了地面通信之外，也可以利用太赫茲波實(shí)現(xiàn)空天海地一體化通信，可以在衛(wèi)星，無人機(jī)，飛艇等天基平臺和空基平臺上，搭建和運(yùn)行太赫茲通信設(shè)備，這得益于太赫茲波在外層空間的近乎無損耗傳播，使得信號可以傳播很遠(yuǎn)的距離。這將實(shí)現(xiàn)太空，天空，海洋，偏僻地面的多位一體的信號覆蓋。

空天地一體化通信

隨著未來對太赫茲技術(shù)的持續(xù)突破，可以利用太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的微小化，可以將器件做到微毫甚至微納尺寸大小，加上生產(chǎn)工藝的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)片上各節(jié)點(diǎn)無線通信。另外，隨著新型材料的研發(fā)和技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建人體的體內(nèi)局域網(wǎng)也成為可能。

通信系統(tǒng)微型化

在當(dāng)今背景下，太赫茲技術(shù)對我國重要性不言而喻，掌握了太赫茲技術(shù)就掌握了主動權(quán)，而避免了卡脖子帶來的被動局面。

審核編輯：黃飛

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