關于太赫茲波通信技術研究現狀分析及展望

王娜安　振波

摘要：太赫茲波，是頻率為0.1～10太赫茲的電磁波。其波長的輻射在該頻帶范圍從0.03mm到3mm（或100μm）。是處于微波與光波之間的頻段，尚未得到完全的開發利用。由于技術限制，太赫茲波在通信范疇內的應用卻一直未能有效實現。筆者從多個技術角度對太赫茲波的應用以及面臨的困難進行了簡要闡述并對其進行了展望。

關鍵詞：無線電通信 太赫茲波 通信技術 信號調制

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0029-01

1 前言

太赫茲波的概念雖然早已經被人類所提出，但是在上世紀八十年代，太赫茲波被正式命名，對其特性的研究和發現，卻是九十年代之后的事情。在此之前，其一直被簡單地劃歸遠紅外線的范疇。由于技術限制，太赫茲波在通信范疇內的應用卻一直未能有效實現。

而隨著技術的發展，電磁波波源和光源更加穩定。太赫茲波才能夠得以有效應用。太赫茲波具有高抗噪性、高傳輸穩定性、瞬態性等優勢，同時其帶寬高，能耗低，穿透性高。因此，太赫茲波與微波以及光波相比，具有更高的信息傳遞優勢。目前的技術水平對于太赫茲波皮秒量級的脈寬可以有效分辨。對宇宙微波背景有較強的抗噪性。

2 目前太赫茲波技術的主要研究成果

2.1 太赫茲波輻射源

目前，廣泛應用的太赫茲波輻射源主要有兩種，首先是半導體太赫茲波輻射源。該種輻射源具有體積小、使用方便、能耗低的特點。目前使用較為廣泛的有Impatt、Gun振蕩器，光子產生方面有QCL等。目前較為主流和先進的太赫茲信號源可以達到200mW的脈沖功率。并且已經產生了太赫茲波成像技術；其次是基于光學和光子學的太赫茲波輻射源。以飛秒級的激光脈沖形成光電流，產生太赫茲輻射脈沖。

2.2 太赫茲波調制技術

利用無線電傳輸信號，就必須對無線電波進行調制。在2003年，科研人員就已經通過半導體結構和電控結構對太赫茲波進行調制。但效果不佳，且只能在低于80k的溫度下進行工作。由于太赫茲波頻率過高，傳統的無線電調制技術很難對其進行調制。所以一般采用電磁波代替電流信號的調制方法進行調制。該方法可以在較高的工作溫度下實行，而且大幅度地提高了數據的傳輸速率。在解調方面，目前也只能通過間接的方法對太赫茲波的震蕩進行檢測。

2.3 太赫茲波脈沖規律的研究

太赫茲波的的波長介于微波與光波之間，略長于紅外線。因此，太赫茲波的傳輸過程中容易發生衍射。同時，太赫茲波在傳播過程中，也極易受到介質的散射作用影響。即散射顆粒越小，介質對于太赫茲波的散射作用越明顯。在空氣中傳播時，受空氣中極性分子所帶電荷的影響，太赫茲波容易被極性分子所吸收。進一步加強了太赫茲波的衰減。目前，較為知名的120GHz無線電通信技術，僅僅可以通過亞太赫茲波實現10m以內的近距離通信和1km左右的遠距離通信。但是，相較于紅外線傳輸技術，這已經是一項較為重要的進步。

3 太赫茲波通信的應用優勢及存在問題

相對于目前已經得到廣泛應用的微波通信技術，太赫茲波具有更為穩定的特點。其極高的頻率，極小的波長使得太赫茲波通信技術擁有了更高的信息容量和傳輸速率，其理論傳輸速率最高可以達到10Gb/s。太赫茲波的理論頻帶寬度，高出了微波通信頻帶寬度1～4個數量級。而太赫茲波較短的波長也使其波束較窄，這樣，太赫茲波就具有較強的方向性，可以減小天線尺寸，簡化設備結構。而相對于光波通信來說，太赫茲波具有更強的穿透性。可以減小天氣對于電磁波信號傳輸效果的影響，同時能量利用率較高。因此，在解決了輻射源穩定性的問題之后，太赫茲波傳輸在未來必將是一種高穿透性、高速率、低能耗的電磁波通信手段。

但是目前在太赫茲波通信的應用上，依然存在著很多的技術瓶頸無法突破。例如目前很難保證太赫茲波在大氣傳輸過程中的頻段穩定性。即使頻段得到了穩定的控制，也很難在當前的技術范圍內找到一種合適的調制技術對波段進行控制。其次，由于太赫茲波通信信號源載波功率較低，必須對太赫茲波進行間接調制才能夠實現信息傳輸。而實際應用中，在技術上要求的載波功率通常要高于實際的太赫茲載波功率。因此，必須通過完善太赫茲載波信號放大技術進行調制與解調。然而，此項技術還沒能有效實現。其三，雖然在理論上，太赫茲波的傳輸穩定性很高，但是還不能夠完全滿足商業化、普及化應用的需求。頻率不足、傳輸性能不足、調制和探測技術不成熟也就成為了太赫茲波通信技術發展的重大瓶頸。綜上所述，太赫茲波的最終大規模應用還需要克服調制的高效性、信號源的穩定性、更為有效的接收技術和信號放大技術才能夠真正得到大規模的實際應用。

4 太赫茲波通信技術的應用前景以及展望

理論上講，電磁波的頻段是無窮多的。但是就實際應用上來說，各個頻段都有著不同的特性，導致了人類必須針對各個頻段的個性，來開發符合實際的電磁波應用技術。單就太赫茲波通信技術的個性來講，其目前發展前景頗具優勢，但是在一些高頻率波段的延伸還有所不足。但是，就目前人們大規模應用的短距離無線通信技術來講，人類已經在該領域取得了重大突破。例如，在商品化的電子終端設備上，目前已經很難再看到紅外線傳輸設備的身影，取而代之的是藍牙技術和無線局域網技術。而高速率的太赫茲波通信技術在短距離設備上的應用，必將取代上述兩種技術，成為短距離通信的主流技術；雖然太赫茲波在大氣中的傳輸容易受到各種極性分子、離子和散射粒子的影響，但是在外層空間的航天器中可以廣泛應用；目前的無線設備的數據傳輸速度，已經很難滿足廣域網的數據傳輸速度，但太赫茲波通信技術的應用，可以使無線終端的數據傳輸速度提升1～2個數量級，大大滿足了信息時代的需要。

參考文獻

[1]李紀舟，蔣文濤.太赫茲波通信技術研究現狀及展望[J].通信技術，2014（04）.

[2]呂治輝，張棟文，趙增秀，袁建民.太赫茲雷達技術研究[J].國防科技，2015（02）.

[3]李勇，翟曉霞，張文靜.太赫茲高增益天線研究[J].無線電通信技術，2015（04）.