太赫茲技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概述

摘" 要：[A2]"太赫茲波在電磁頻譜中處于特殊位置，介于微波與紅外波之間，具有多種物理和化學(xué)特性，在太赫茲無損檢測、太赫茲通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著太赫茲技術(shù)的不斷進(jìn)步，太赫茲頻段在復(fù)合材料檢測、生物化學(xué)分析、人體安檢、空間通信、超高速通信和微系統(tǒng)通信等場景有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥恚掌澩ㄐ抨P(guān)鍵技術(shù)的突破將推動太赫茲技術(shù)的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：[A3]"太赫茲 "通信技術(shù) "無損檢測 "應(yīng)用前景

中圖分類號：O441.4

Overview of Terahertz Technologythe Application and Development of Terahertz Technology

WU Yinghong "ZHU Xiaoyu

NationalThe State Radio Mmonitoring Ccenter Testing Center， BeijJing， 100041 China

Abstract： Terahertz waves occupyis in a special position in the electromagnetic spectrum， between microwave and infrared waves and possess various . It has a variety of physical and chemical properties.， and It has broad application prospects in the fields of terahertz non-destructive testing and terahertz communication. With the continuous advancement of terahertz technology， the terahertz frequency band has great development potential in composite material detection， biochemical analysis， human security inspection， space communication， ultra-high-speed communication and micro-system communication. In the future， breakthroughs in key technologies of terahertz communication will promote the comprehensive development of terahertz technology.

Key Wwords： Terahertz; Communication technology;， Non-destructive testing; ，Aapplicationve"prospect

太赫茲（Terahertz，THz）波是指位于0.1～10 THz（波長為3 000～30 μm）頻率范圍的電磁波，太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、互補(bǔ)性、相干性、穿透性、指紋特性等多種特性。這些特性使太赫茲波在無損檢測、醫(yī)學(xué)成像、化學(xué)分析和太赫茲通信等多個領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。本文從太赫茲頻譜特性、太赫茲技術(shù)應(yīng)用前景、太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)3個方面進(jìn)行闡述。

1 "太赫茲頻譜特性

1.1 "瞬態(tài)性

由于太赫茲脈沖的脈寬極窄，能夠達(dá)到皮秒級（ps，10^-12[A4]" s）乃至亞皮秒級，有很高的時間分辨率。這一特性使太赫茲脈沖成為分析物質(zhì)分子或電子瞬態(tài)變化的理想工具。同時，結(jié)合采樣測量技術(shù)，能夠有效削弱背景噪聲的干擾，從而獲取信噪比較高的太赫茲時域光譜數(shù)據(jù)。

1.2 "低能性

太赫茲波具有極低的光子能量，1 THz的電磁波所攜帶的光子能量僅約為4.1 meV[A5]"，其輻射能量在毫電子伏特級別，僅是X射線輻射能量的百萬分之一左右。因此，太赫茲波不會導(dǎo)致生物樣本光致電離損傷，并且也確保了檢測過程中操作人員的安全性。

1.3 "穿透性

太赫茲輻射具備穿透多種非極性材料與介電材料的能力，如塑料、衣物、陶瓷、紙張等，但對于液體和金屬則難以穿透。這一特性使太赫茲技術(shù)適用于金屬的無損檢測和非透明物體的透視成像。此外，憑借不同物質(zhì)在太赫茲波段展現(xiàn)出的獨(dú)特頻譜特征，還能夠?qū)崿F(xiàn)穿戴式爆炸物、隱蔽武器等的高精度成像與精確識別。

1.4 "相干性

太赫茲檢測對時間與空間有極高的相干性，利用太赫茲脈沖能夠得到樣品與參考的太赫茲時域電場波形，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將時域波形被轉(zhuǎn)換成頻域波形，也可以同步獲取被測樣本的太赫茲光譜振幅與相位信息，進(jìn)而計算出太赫茲吸收譜、折射譜等多種光學(xué)參數(shù)。

1.5 "指紋性

利用太赫茲技術(shù)可以探測到物質(zhì)豐富的物理與化學(xué)信息，如物質(zhì)分子內(nèi)與分子間的相互作用力，偶極子振動與旋轉(zhuǎn)躍遷、大分子自身的骨架振動等，這些信息揭示了相應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)，可以在特殊的頻率處得到太赫茲光譜的特征吸收峰，構(gòu)成該物質(zhì)獨(dú)一無二的“指紋譜”，為物質(zhì)識別提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

1.6 "寬帶性

太赫茲波比毫米波的帶寬更寬，理論上達(dá)到太赫茲級，從而實(shí)現(xiàn)極高的無線傳輸數(shù)據(jù)率。同時，太赫茲信號有更高的鏈路方向性，可以應(yīng)用于特定場景，更具無線傳輸可靠性^[1]。

2 "太赫茲技術(shù)應(yīng)用前景

2.1 "太赫茲無損檢測

由于太赫茲波既具有光譜分辨特性，又具有微波頻段的吸收性和穿透性，使其在無損檢測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。下文從復(fù)合材料檢測、生物化學(xué)分析和人體安檢方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1.1 "復(fù)合材料檢測

隨著高性能復(fù)合材料在航空航天、汽車船舶、能源電力等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外對其質(zhì)量特性和安全問題也越來越關(guān)注。目前，復(fù)合材料無損檢測主要聚焦于防護(hù)涂層的厚度檢測與內(nèi)部缺陷檢測，具體有發(fā)動機(jī)外防涂層缺陷、高壓電纜接頭缺陷、船舶涂層厚度等無損檢測。研究人員使用太赫茲技術(shù)對復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，將測得的THz信號轉(zhuǎn)換為二維圖像，并在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練，能夠區(qū)分內(nèi)部微米級缺陷的尺寸和深度。由于太赫茲檢測系統(tǒng)探測器等硬件因素制約，我國太赫茲無損檢測技術(shù)仍處于尚未完全成熟的階段，檢測的同時可以結(jié)合后期算法處理，以保證檢測分辨率和成像質(zhì)量。在復(fù)合材料太赫茲無損檢測方面，首都師范大學(xué)也做了眾多測試分析，在快速掃描檢測技術(shù)、信號去噪技術(shù)、算法優(yōu)化與構(gòu)建、圖像缺陷識別等方面取得顯著進(jìn)展，提高了實(shí)時無損檢測的能力，有效降低了檢測目標(biāo)特性對最終檢測結(jié)果的干擾，缺陷定位更加精準(zhǔn)。[A6]"這有利于建立三維可視化成像系統(tǒng)，為復(fù)合材料無損檢測提供全方位可視化^[2]。

2.1.2 生物化學(xué)分析

太赫茲生物化學(xué)檢測分析主要包括光譜檢測和成像檢測，目前應(yīng)用最廣泛的是THz時域光譜技術(shù)。太赫茲時域光譜系統(tǒng)使用飛秒脈沖激光作為光源，分束器將激光分為兩束，一束是泵浦光，通過光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生THz脈沖；另一束為探測光，通過THz波產(chǎn)生原理的逆過程實(shí)現(xiàn)THz波探測。在探測過程中，可以通過調(diào)整光路延遲線改變兩束激光的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)太赫茲時域信號的采集。可以根據(jù)傅里葉變換和相關(guān)算法，將時域信號轉(zhuǎn)換為樣品的介電常數(shù)、折射率和吸收系數(shù)等參數(shù)。在THz光譜檢測中，透射模式和反射模式和衰減式全反射模式應(yīng)用較為廣泛，可以根據(jù)樣品特性選擇不同的檢測模式。

國內(nèi)外太赫茲生物化學(xué)檢測研究工作發(fā)展迅速。Wang等對小鼠黑色素瘤皮膚組織切片進(jìn)行檢測，在太赫茲頻段中，正常區(qū)域的折射率和吸收系數(shù)均低于黑色素瘤區(qū)域，這可能是黑色素瘤區(qū)域的含水量和核酸密度比正常區(qū)域高所引起^[3]。Hassan等使用反射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)檢測了兔眼角膜組織，發(fā)現(xiàn)在太赫茲頻段中，眼壓與反射率成正比^[4]。太赫茲波會被水強(qiáng)吸收，樣品中的水會影響太赫茲探測，這是目前對太赫茲生物化學(xué)檢測造成困擾的因素之一。需要采取相應(yīng)措施，在實(shí)驗過程中對樣品或測試方式進(jìn)行處理，減小水分子對實(shí)驗的干擾^[5]。

2.1.3 人體安檢

太赫茲安檢系統(tǒng)是太赫茲無損檢測的重要應(yīng)用方向之一。主要分為主動式檢測和被動式檢測，以及掃描成像和焦平面成像等。由于太赫茲具有穿透性，可以實(shí)現(xiàn)非接觸性檢測。并且太赫茲波與X射線不同，光子能量低，不會對人體產(chǎn)生電離傷害，檢測物品的同時，可以對人體進(jìn)行安檢。人體攜帶隱藏危險品，如刀具、槍支等，危險品區(qū)域的太赫茲輻射信號與其他區(qū)域會有所差別，可以根據(jù)太赫茲信號成像，獲取危險品的具體形狀和位置。此外，還可以通過太赫茲光譜檢測技術(shù)分析毒品、爆炸物等危險品，通過特征光譜對其成分進(jìn)行區(qū)分，檢測隱藏危險品形狀的同時，并對其成分進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)安檢可靠性。隨著太赫茲安檢儀的檢測技術(shù)的日益成熟，可以基于太赫茲實(shí)時檢測功能將其設(shè)計成固定式安檢儀或移動式安檢儀，應(yīng)用于機(jī)場、高鐵站等人口密集區(qū)域，為人們提供安檢服務(wù)。

2.2 太赫茲通信

太赫茲波處于電子學(xué)向光子學(xué)過渡的領(lǐng)域，作為微波的延伸，太赫茲波的通信帶寬遠(yuǎn)大于微波，傳輸速度更快，容量更大。下文將從空間通信、超高速通信和片上通信方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2.1 空間通信

近地面空中的水分子會影響太赫茲波的傳播過程，在大氣中，由于水分子的吸收，太赫茲波有明顯衰減，嚴(yán)重影響太赫茲波傳播距離和通信速率。高空中的水分子減少，太赫茲波衰減顯著降低。因此，太赫茲波可以應(yīng)用于空間通信。太赫茲波在外層空間進(jìn)行無損傳輸時，可以用較低的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，實(shí)現(xiàn)高可靠、高數(shù)據(jù)速率通信，不同條件下能夠在地面站和衛(wèi)星之間建立可靠鏈路，能夠避免地球輻射噪聲的干擾，滿足空間通信需求。因此，太赫茲波可以在空間通信中應(yīng)用，如星地、衛(wèi)星之間的超高速率通信等。此外，太赫茲技術(shù)能夠運(yùn)用相控陣天線機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對空中飛行平臺的動態(tài)且靈活的追蹤。它還可以應(yīng)用于低軌衛(wèi)星與空間站間的高速信息傳輸，以及構(gòu)建空間站內(nèi)部的高速無線局域網(wǎng)，滿足行星表面近距離通信的需求。綜上，太赫茲通信被認(rèn)為在衛(wèi)星對衛(wèi)星、衛(wèi)星對地的寬帶高速信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這是實(shí)現(xiàn)天空地一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。

2.2.2 "超高速通信

當(dāng)前，元宇宙相關(guān)的沉浸式服務(wù)如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和全息通信正以前所未有的速度蓬勃發(fā)展，這些場景對傳輸速率、延遲時間、接入容量與感知體驗有嚴(yán)格的要求。例如：為確保虛擬現(xiàn)實(shí)視頻數(shù)據(jù)的順暢傳輸，至少需要數(shù)十Gbps的空口速率。同時，隨著太赫茲通信技術(shù)與智能反射面技術(shù)的融合，將提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果，進(jìn)一步推動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。在未來的教育、醫(yī)療、培訓(xùn)等多場景中，太赫茲通信將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。從網(wǎng)絡(luò)覆蓋與應(yīng)用場景的角度來說，太赫茲通信技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建方面，它可以助力構(gòu)建微蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高熱點(diǎn)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。太赫茲通信具有超高速傳輸能力和超大帶寬，對于數(shù)據(jù)中心和固定無線接入等數(shù)據(jù)交互要求超高的場景，太赫茲通信可以縮短數(shù)據(jù)處理時間，提高傳輸效率。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等新興技術(shù)，太赫茲通信能夠滿足多種高速率通信應(yīng)用場景，推動6G時代向前發(fā)展。

2.2.3 "微系統(tǒng)通信

由于太赫茲頻段的短波長特性，可以利用太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的微小化，通信的路徑損耗將有效減少。隨著石墨烯等新型材料的蓬勃興起，可以將器件做到微毫甚至微納尺寸大小，太赫茲頻段在無線微觀網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域具有獨(dú)特價值，太赫茲頻段可以用于集成電路的片上或片間無線通信，優(yōu)化芯片性能。它能夠為可穿戴或植入式電子設(shè)備提供技術(shù)支持，能夠無縫應(yīng)用于健康監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)各項指標(biāo)的精準(zhǔn)檢測，助力醫(yī)療與健康管理領(lǐng)域發(fā)展。通過這些設(shè)備，用戶的人體數(shù)據(jù)可以被實(shí)時收集，從而實(shí)現(xiàn)從宏觀通信到微觀通信的全面6G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。并且太赫茲波光子能量低，對人體不會造成損傷，檢測更為安全可靠。

3 "太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1 "太赫茲核心器件研制

太赫茲通信的核心組件與模塊包括模擬鏈路中的多個關(guān)鍵要素，如太赫茲天線、功率放大器、混頻器、濾波器、倍頻器、低噪聲放大器等，同時還包括了超寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片、數(shù)字基帶處理芯片等。在220 GHz頻段上，國內(nèi)研發(fā)的芯片單片輸出功率大約為40 mW。若要實(shí)現(xiàn)10 W的輸出功率，理論上需要大約360片這樣的芯片進(jìn)行功率合成，但這會導(dǎo)致總功耗超過200 W。相比之下，行波管功率放大器在220 GHz頻段可以達(dá)到20 W的輸出功率，但其功率效率卻低于10%，這對散熱來說是個巨大難題^[6]。從全球范圍來看，高性能的太赫茲源、太赫茲探測器等器件的研發(fā)仍是太赫茲領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，同時也是[A7]"太赫茲技術(shù)廣泛應(yīng)用的[A8]"瓶頸。當(dāng)前，石墨烯技術(shù)和離子體技術(shù)等已被應(yīng)用于太赫茲領(lǐng)域，這些技術(shù)為提升器件性能提供了有力的支持。

3.2 "寬帶信號高速處理技術(shù)

太赫茲信號具有大帶寬，實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸離不開高精度與高采樣率的信號處理技術(shù)。2023年，電子科技大學(xué)成功研發(fā)了一款工作頻率為0.22 THz、空口傳輸速率高達(dá)83.2 Gbps的太赫茲高速通信演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠傳輸8 K分辨率、60幀的轉(zhuǎn)播信號，而且傳輸時延僅為48[A9]" us，為太赫茲通信的實(shí)際應(yīng)用提供了參考案例。然而，當(dāng)前市場上正式商用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率大約在5～[A10]"12 Gbps之間，這在一定程度上限制了可用信號帶寬^[7]。因此，為緩解寬帶高速信號處理需求與現(xiàn)有硬件資源限制之間的矛盾，推動太赫茲通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要設(shè)計出低復(fù)雜度的寬帶高速信號處理架構(gòu)和創(chuàng)新的信號處理算法，以確保通信與感知性能的高效實(shí)現(xiàn)。

3.3 "信道測量與建模

太赫茲波因其難以穿透金屬和水的特性而在不同氣象條件下傳播差異顯著。為提高頻譜利用率，必須對太赫茲頻段的通信信道進(jìn)行精確建模與研究，這也能夠用于指導(dǎo)太赫茲無線通信網(wǎng)絡(luò)的布局，助力太赫茲通信應(yīng)用的落地。因此，太赫茲信道建模研究需要涵蓋多種應(yīng)用場景下的傳播模型，旨在為未來的實(shí)際應(yīng)用場景部署提供支撐。目前，在極高頻段以及涉及大范圍測量的場景下，缺乏成熟的測量工具與專門的測量方法。這就需要充分利用太赫茲頻段的多普勒效應(yīng)、分子吸收、漫反射等特性，精確分析信道測量過程。

4 "結(jié)語

太赫茲頻譜的特殊優(yōu)勢使其在無損檢測和高速通信方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ掌潤z測技術(shù)的廣泛應(yīng)用將進(jìn)一步推動人體安全檢查、材料質(zhì)量把控和生物化學(xué)分析等無損檢測領(lǐng)域的發(fā)展。太赫茲核心器件研制、寬帶信號高速處理和信道測量與建模等技術(shù)是目前太赫茲通信亟[A11]"須解決的重要問題。太赫茲通信在6G發(fā)展中扮演著重要角色，大力研究太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)將為超高速、空間通信、微尺度通信提供技術(shù)支持，能夠應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)等場景，為用戶帶來更加豐富、沉浸式的交互體驗，推動太赫茲產(chǎn)業(yè)鏈的全面快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]徐梓丞.無線通信應(yīng)用太赫茲技術(shù)研究進(jìn)展[J].微電子學(xué)，2022，52（3）：351-357.

[2]金玉環(huán)，朱鳳霞，封建欣.基于太赫茲技術(shù)的復(fù)合材料無損檢測研究綜述[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報， 2023，21（11）：1295-1305.

[3]LI D，YANG Z，F(xiàn)U A，et al.Detecting melanoma with a terahertz spectroscopy imaging technique[J].Spectrochimica Acta Part A Molecular and Biomolecular Spectroscopy， 2020，234：118229.

[4]Chen A，Virk A，Harris Z，et al.Non-contact terahertz spectroscopic measurement of the intraocular pressure through corneal hydration mapping[A12]"[J].Biomedical optics express，2021，12（6）：3438-3449.

[5]郭緣森，陳利剛，顏?zhàn)R涵，等.太赫茲生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].紅外與毫米波學(xué)報，2024，43（5）：642-656.

[6]李寧，宋瑞良，鄭翔.淺談太赫茲高速通信在空間網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].國際太空，2024（10）：33-36.

[7]陳智，劉軻，李玲香，等.太赫茲通信感知一體化技術(shù)綜述[J].中國科學(xué)（信息科學(xué)），2024，54（5）：1215-1235.