太赫茲技術(shù)及其通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景

梁兆楠，曹彥男

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

1 太赫茲技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 太赫茲波簡(jiǎn)介

太赫茲（Tera Hertz，THz）是一種介于無線電波和光波之間的電磁輻射，是一種頻率的波動(dòng)單位，1 THz=1，000，000，000，000 Hz，一般表示電磁波的頻率。太赫茲（THz）波的頻率范圍是0.1 -10 THz，波長(zhǎng)范圍是0.03 -3 mm。太赫茲波在無線電長(zhǎng)波段與毫米波相重合，在無線電短波段與紅外光相重合，紅外和微波技術(shù)在現(xiàn)代科技發(fā)展的今天，一直發(fā)展的比較成熟，太赫茲是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)，但人們對(duì)太赫茲波段的認(rèn)識(shí)非常有限，故稱為電磁波譜的“太赫茲空隙（THz gap）”。太赫茲波是一種新的、有著獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源，具有頻譜帶寬高、可攜帶信息多、低光子能量、安全性高、定向性好等特性。是交叉前沿領(lǐng)域里一個(gè)全新的非常重要的課題，THz研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有重大的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 太赫茲特性

太赫茲位于微波和紅外之間，目前對(duì)太赫茲的研究主要在電子學(xué)領(lǐng)域和光子學(xué)領(lǐng)域中。太赫茲具備以下特性[1]：

（1）指紋性：大部分物質(zhì)在晶格振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)中引起的能級(jí)躍遷所對(duì)應(yīng)的頻段都在太赫茲頻譜段，因而不同物質(zhì)的光譜位置、強(qiáng)度、形狀均有差異，這種惟一性，常被稱作為太赫茲“指紋譜”。

（2）穿透性：太赫茲輻射對(duì)不同物質(zhì)的透射性的區(qū)別性很大，因此利用太赫茲頻譜成像可以有效的區(qū)分不同物質(zhì)的材質(zhì)，尤其是對(duì)可見光不透明的物體進(jìn)行太赫茲成像，可探知材料內(nèi)部或被遮擋的區(qū)域。

（3）安全性：太赫茲波的光子能量在毫電子伏特量級(jí)，與X射線相比，能量量級(jí)非常低，僅為X射線單光子能量的百萬分之一。而且水對(duì)它具有強(qiáng)烈的吸收，照射在物體上尤其是生物組織，不會(huì)由于太赫茲的照射而產(chǎn)生光的電子電離輻射。

（4）寬頻譜脈沖：太赫茲波的頻譜范圍從幾十個(gè)GHz到幾十個(gè)THz。因此利用太赫茲在測(cè)量領(lǐng)域、在識(shí)別生物領(lǐng)域等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

（5）穩(wěn)定性：太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）技術(shù)是太赫茲光譜技術(shù)的典型代表，是一種全新的相干探測(cè)技術(shù)。THz-TDS系統(tǒng)對(duì)黑體輻射不敏感，可以有效地探測(cè)材料在太赫茲波段的物理信息和化學(xué)信息，穩(wěn)定性也比較好。

（6）相干性：太赫茲波的相干性屬于太赫茲的光學(xué)領(lǐng)域的研究范疇，理論依據(jù)是非線性光學(xué)差頻變換產(chǎn)生，因此THz技術(shù)可以作為一種輻射源，用于機(jī)場(chǎng)、車站等公共場(chǎng)所的安全監(jiān)測(cè)檢測(cè)，現(xiàn)階段，太赫茲 技術(shù)的這一特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于安檢設(shè)備。通過主動(dòng)掃描和被動(dòng)掃描兩種方式完成快速通過式的安全檢查程序。特別是，極性物質(zhì)（例如：水）對(duì)太赫茲波的吸收性比較強(qiáng)，在太赫茲成像技術(shù)中可以利用這個(gè)特性用來分辨生物組織的不同形態(tài)，例如動(dòng)物組織中脂肪和肌肉的分布、燒傷部位的損傷程度、植物葉片組織的水分含量分布等。

太赫茲波有豐富的頻段資源可利用，下面將探討分析太赫茲通信的技術(shù)特點(diǎn)。

2 太赫茲通信技術(shù)特點(diǎn)

2.1 超大帶寬

太赫茲波具有頻譜帶寬高、可攜帶信息多、低光子能量、安全性高、定向性好的技術(shù)特點(diǎn)是未來通信可實(shí)現(xiàn)超寬帶和高速率的最顯著的優(yōu)勢(shì)。相比微波頻段通信，太赫茲頻段如果用于超高速通信，具有非常豐富的頻率資源，可利用的工作帶寬高達(dá)幾十GHz，目前，采用太赫茲技術(shù)的原型通信系統(tǒng)的工作帶寬已經(jīng)可以達(dá)到2GHz[2]。

2.2 超高速率通信能力

太赫茲通信目前可在0.3 THz下實(shí)現(xiàn)48 Gb/s 的雙通道多輸入多輸出實(shí)時(shí)通信，工作頻段在300 GHz以下的最高傳輸速率可達(dá)100 Gb/s[2]。

2.3 高傳播損耗

根據(jù)電磁波的傳播特性，太赫茲波的頻段由于頻率高，所以傳播與損耗也更大。太赫茲通信具備超大帶寬、超高速率兩大優(yōu)點(diǎn)，也存在路徑損耗大、穿透性差、易被遮擋等缺點(diǎn)。因此，如何利用好太赫茲的優(yōu)點(diǎn)，弱化其缺點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)不同的通信應(yīng)用場(chǎng)景，以及成像感知等應(yīng)用技術(shù)的融合，是太赫茲通信技術(shù)研究的主要目標(biāo)。

3 太赫茲應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 太赫茲移動(dòng)通信

國(guó)際通信聯(lián)盟已經(jīng)明確，在5G移動(dòng)通信后的下一代地面無線通信的頻段已經(jīng)指定為0.12 THz，未來將是太赫茲通信時(shí)代[5]。太赫茲波的頻率相比微波頻段通信，具有非常豐富的頻率資源，首先5G通信在毫米波頻段最大工作帶寬為800 MHz，而太赫茲頻段0.1-10 THz，可利用的工作帶寬高達(dá)幾十GHz，比目前通信領(lǐng)域使用的微波頻率高數(shù)十倍至數(shù)百倍，能提供10 Gb/s以上的無線傳輸速率。因此，利用太赫茲波將會(huì)解決信息傳輸?shù)膬纱髥栴}：一是信息傳輸受制于帶寬的問題，二是滿足未來用戶使用對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)速度的需求。

3.2 軍事通信

在國(guó)際上，太赫茲 技術(shù)一直受到各國(guó)軍事部門的高度重視。美國(guó)十分重視太赫茲技術(shù)的發(fā)展，早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)的DARPA就陸續(xù)啟動(dòng)一系列項(xiàng)目用來研究在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下如何建立有效的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，DARPA（Defense Advanced Research Project Agency，國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局）是美國(guó)國(guó)防部專門成立用來研究軍事前沿科技的單位。DARPA后續(xù)還啟動(dòng)了“太赫茲作戰(zhàn)延伸后方”項(xiàng)目計(jì)劃，該項(xiàng)目研究的“技術(shù)”與現(xiàn)有的通信射頻鏈路相比較，數(shù)據(jù)速率是微波通信射頻鏈路的40 倍。而該“技術(shù)”使用的設(shè)備尺寸、重量、功耗乃至成本則僅為微波通信設(shè)備的十分之一左右[3]。隨著基礎(chǔ)器件的關(guān)鍵技術(shù)成熟度增加、成本下降、穩(wěn)定性增強(qiáng)，太赫茲通信憑其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，利用基礎(chǔ)器件的優(yōu)勢(shì)，在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景會(huì)一片光明。

3.3 天基通信

天基通信系統(tǒng)是一種衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與無人機(jī)、與地面地基站之間的高速通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，用于超寬帶無線通信傳輸速率高，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，THz用于衛(wèi)星通信可以獲得10 GB/s的無線傳輸速度，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就意味著用THz 技術(shù)建立衛(wèi)星通信可以實(shí)現(xiàn)極高的帶寬，同時(shí)由于傳輸速度快，兼具了高保密性。天基通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，是在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下建立的指揮作戰(zhàn)的無線網(wǎng)絡(luò)，不同作戰(zhàn)單位，包括地面站、地面指揮中心與各個(gè)小組節(jié)點(diǎn)之間的一整套無線鏈路，通過電（光）纜與衛(wèi)星建立鏈路連接，從而實(shí)現(xiàn)通信的目的[3]。

雖然目前的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，全世界對(duì)能夠進(jìn)行高效的THz發(fā)射天線和發(fā)射源還有一些技術(shù)難題沒有攻克，但是，隨著這些問題的解決，滿足這些條件的THz發(fā)射激光源和接受設(shè)備的研制成功，利用太赫茲波組建的軍事通信系統(tǒng)一定會(huì)越來越隱蔽、越來越難以破壞[4]。

4 太赫茲通信技術(shù)應(yīng)用的未來和展望

太赫茲通信的最終實(shí)現(xiàn)還有大量的關(guān)鍵性技術(shù)需要突破，但隨著通信技術(shù)和太赫茲技術(shù)在各自領(lǐng)域內(nèi)的不斷突破，尤其是高頻太赫茲器件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，太赫茲波將依托其頻率帶寬資源的優(yōu)勢(shì)，會(huì)逐步成熟。

未來，太赫茲應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)突破主要是以下幾點(diǎn)：一是如何與其他形態(tài)的低頻網(wǎng)絡(luò)融合；二是如何應(yīng)用于不同維度和不同尺度的通信場(chǎng)景；三是如何應(yīng)用不同場(chǎng)景的太赫茲通信系統(tǒng)的部署方案。

未來，全球化發(fā)展對(duì)信息傳輸?shù)囊髸?huì)越來越高，各種通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)也會(huì)各式各樣，但其最終都會(huì)歸結(jié)到如何能夠使用更大的帶寬、更高的速率、更加多樣化的通信能力。作為未來通信應(yīng)用的重要手段之一，太赫茲具備以上所有特點(diǎn)，具備超寬的頻率范圍，具備超大的帶寬，可滿足未來通信對(duì)快速、有效、準(zhǔn)確以及多元化應(yīng)用的需求。隨著太赫茲通信技術(shù)的逐步成熟，終將成為通信系統(tǒng)的重要組成部分。