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太赫兹关键技术及在通信里的应用

RF/无线

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描述

太赫兹被称为改变未来十大技术之一,是当今世界研究的热点技术,在空间科学、无源遥感、安全检测、生物医学和天文观测等方面有着显著性能优势,今天我们一起来学习一下太赫兹和其在通信里的应用。

太赫兹波在自然界中随处可见,我们身边的大部分物体的热辐射都是太赫兹波。它是位于微波和红外短波之间的过渡区域的电磁波,在电子学领域,这段电磁波称为毫米波和亚毫米波,在光学领域,又被称为远红外射线。一般我们称频率范围0.1-10THz,其波长为3mm-30um的电磁波为太赫兹波,而有些场景下特指0.3-3THz,还有些时候可定义广义的太赫兹波到100THz。

太赫兹

太赫兹在电磁波谱中的位置

在早期由于没有高效率的发射源和灵敏的探测仪器,这一段的电磁波并没有引起过多的注意,也没有进行深入的研究,在电磁波谱中也被称为太赫兹空隙(THz Gap),随着光电子技术和半导体技术的发展,太赫兹技术研究也有了飞速的发展。因为其在电磁波谱中位置的特殊性,科学家们在研究太赫兹技术时一般从两个方向进行研究,即从长波方向的电磁学或电子学领域和从短波方向的光学领域研究,这两个方向的物理特性也有着显著的不同。

一方面,低频电磁波的发射来源于电荷的宏观运动,随着电磁频率越来越大,一些低频可忽略的效应的影响会越来越明显,比如,杂散电容效应。所以,一些经典的电磁波源和电子元器件无法适应于太赫兹波段,必须开发更快速和尺度更小的电子元件来满足这一波段的需求。而光波则来源于电子的量子跃迁,太赫兹辐射光子能量的两个能级只差只有毫电子伏,这一能级差甚至小于大多数晶体光学声子的能量,因此会受到热驰豫效应的严重影响,要获得这一波段高效率的光源,必须有效地避免热驰豫效应的影响。

另一方面,对于低频的电磁波,由于电磁波的波长一般大于元器件的尺寸,因此在处理电磁场与元器件相互作用时,可以把电磁场看做是均匀分布的,而与此相反地,光学元器件的尺寸则远大于光的波长,所以在研究光学问题时,不能再认为光场是均匀分布的,而是认为介质在光学波长范围内是均匀的。

这意味着,对于太赫兹来说,不能仅仅只通过电磁学和光学来近似的研究,需要根据不同的情况,再结合两个方向的特性开发新的技术,这也是很长的一段时间里电磁波频谱中存在一个太赫兹空隙的原因。

我们知道5G中引入更大的带宽的毫米波,与毫米相比太赫兹频谱更加丰富,太赫兹拥有更宽的带宽资源,信息传播的容量高,传输能力强,理论上可以达到100Gbit/s以上的高速数据传输,其波束更窄,方向性也更好,抗干扰能力强,波长也更加的短,也易于实现小型化,虽然太赫兹波也具有一定的光学特性,但不像光通信,它不受环境光源产生的环境噪声的影响,而且在雾,灰尘等不利的气候条件下,也有着不错的性能。相比较之下,太赫兹具有传输容量大、安全性高、穿透性好等特性,在无线通信领域具有显著的优势,被业界广泛认为是6G的候选技术。

太赫兹

无线通信技术比较

在2019年的世界无线电通信大会(WRC-19)上通过了275 GHz-296 GHz、306GHz-313 GHz、318 GHz-333 GHz和356 GHz-450 GHz频段共137GHz带宽资源可无限制条件的用于固定和陆地移动业务应用,本次大会也首次明确275GHz以上太赫兹频段地面有源无线电业务应用可用频谱资源,并将有源业务的可用频谱资源上限提升到450GHz。

6G通信以数万物智联、数字孪生为愿景,太赫兹技术可作为一种非常重要的接口技术方案,可将太赫兹适用于多种通信应用场景。

在地面通信应用中,太赫兹技术可以实现超高速无线移动场景,比如,全息通信,通信感知一体化,虚拟现实和增强现实,元宇宙等大数据量传输的应用。5G利用毫米波技术引入了固定无线接入场景,这种场景对太赫兹技术也同样适用,可以将其作为毫米波的补充。另外,太赫兹的高速率传输也为高速无线回传技术提供了条件,通过无线回传可以有效降低光纤部署的成本,基站的部署也更加的灵活,尤其是在河流,沙漠,高山等自然条件复杂的环境中。同时,还可以通过太赫兹技术构建无线数据中心,这将大大降低部署空间以及部署成本。

太赫兹

除了地面通信之外,也可以利用太赫兹波实现空天海地一体化通信,可以在卫星,无人机,飞艇等天基平台和空基平台上,搭建和运行太赫兹通信设备,这得益于太赫兹波在外层空间的近乎无损耗传播,使得信号可以传播很远的距离。这将实现太空,天空,海洋,偏僻地面的多位一体的信号覆盖。

太赫兹

空天地一体化通信

随着未来对太赫兹技术的持续突破,可以利用太赫兹技术实现通信系统的微小化,可以将器件做到微毫甚至微纳尺寸大小,加上生产工艺的发展,实现片上各节点无线通信。另外,随着新型材料的研发和技术的发展,构建人体的体内局域网也成为可能。

太赫兹

通信系统微型化

在当今背景下,太赫兹技术对我国重要性不言而喻,掌握了太赫兹技术就掌握了主动权,而避免了卡脖子带来的被动局面。

审核编辑:黄飞

 

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