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    什么是“太赫兹”?6G技术实现突破就靠它?

    作者:陈玲丽时间:2021-03-31来源:电子产品世界收藏

    5G商用刚刚落地,研发工作正式启动的消息就已经传来。与同时进入公众视野的还有一项新技术,那就是“”。通信能够提高信息传输速率,大幅提升网络容量,被认为是实现的关键技术。“”究竟是什么呢?

    本文引用地址:http://www.0546ztq.com/article/202103/424077.htm

    首先我们要知道什么是电磁波。电磁波,就是电场和磁场的一种周期性的震动,跟其他的波一样,它也是可以携带能量的。电磁波在我们日常生活中也是随处可见的,比如说我们经常用的手机,手机的通信就是利用微波,它也是电磁波谱中的一段。

    电磁波的频率决定了通信传输的上限,频率越高意味着通信的速度就越快。THz波段便是国际上预测的下一代高速无线通信(6G)的关键。它的频率范围在0.1THz~10THz之间,介于微波和光波之间,这个区间也被称为“THz间隙”,其频谱区域提供了更高的可用带宽,极高的频率为为了更高的数据传输提供了可能。

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    太赫兹波的特性

    太赫兹(Terahertz)中,“太”(Tera)是一种数量级前缀,即10的12次方,因此太赫兹即1000GHz的频率。

    相对于毫米波频段(30GHz-300GHz)来说太赫兹频段频率更高,因此第一个潜在应用就是做通信 —— 太赫兹做通信的主要优势在于可用带宽较大,因此可以实现非常高速率的无线数据传输。也是有人认为,太赫兹可能在6G通信中起到重要作用的原因。

    · 指纹特性

    物质的太赫兹光谱包含着丰富的分子结构信息。大部分物质晶格的振动以及分子的转动和振动能级之间的跃迁都对应于太赫兹波段范围,每一种物质在该波段透射-吸收光谱的位置、强度和形状均不相同。

    因此太赫兹光谱能反映分子种类和结构的细微变化,使得它们具有类似指纹一样的唯一特点,所以太赫兹光谱也称为分子指纹谱。根据太赫兹波谱的分子指纹特性可以分析研究物质成分、微观结构及其相互作用关系。

    · 透视特性

    根据已有的研究结果,太赫兹辐射对有极电介质、无极电介质及金属导体的透射性有很大区别。有极电介质存在等效的电偶极矩,金属导体内部则存在大量自由移动的电荷,两者与太赫兹波相互作用时会出现共振吸收,因此太赫兹波对这两种物质的穿透性很低。而无极电介质对太赫兹波不会产生共振吸收效应,从而具有很强的穿透性。

    由此太赫兹成像可以将不同的材质加以区分。很多包装材料如塑料、纸箱、布料、木材等都属于无极电介质,但它们对可见光都是不透明的。故可结合相应技术对不透明的物体进行太赫兹透视成像,作为X射线和超声等成像技术的补充,探测材料内部缺陷和密封包装内的物品。

    · 安全特性

    根据公式 ε=hν,太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特的数量级。例如频率为1THz的光子能量为4.1meV,约为X射线光子能量的百万分之一。该能量远低于各种化学键的键能,不会对物体尤其是生物组织引起有害的电离反应。

    由于水是极性物质,所以水对太赫兹波有强烈的吸收,因此太赫兹辐射无法穿透人体的皮肤,对人体的影响只停留在皮肤表层,非常适用于针对人体或其他生物体的活体检测。

    太赫兹技术的应用

    太赫兹波综合了电子学和光子学的优越性能,具有很多不同于其他电磁波的特殊性质。也正是这些特性,使之成为当前科技界最热闹的前沿领域之一。

    由于THz波的独特性质,它在物理、生物、化学、生物制药、材料科学和电子工程等许多领域得到了应用,其在军事和安全领域,太赫兹技术更是有着广阔的应用前景。

    · 通信技术

    太赫兹通信的应用场景包括短距离高速无线通信、空间通信和复杂军事环境条件下的保密通信等。

    相对于微波通信而言:

    太赫兹通信传输的容量更大。太赫兹波的频段在108~1013Hz之间,可提供高达10GB/s的无线传输速率;

    太赫兹波具有更好的保密性及抗干扰能力;

    太赫兹波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位;

    由于太赫兹波波长相对更短,在完成同样功能的情况下,天线的尺寸可以做得更小,其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。

    相对于光通信而言:

    用光子能量约为可见光的1/40的THz波作为信息载体,能量效率更高;

    THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力,它可以实现全天候的工作。

    目前太赫兹通信还处在关键器件的研究开发、太赫兹通信系统整体结构方案的可行性论证以及实验室的研究与仿真演示阶段,亟需研制高性能的太赫兹固态器件,解决太赫兹信号的调制和信号处理技术,并制定相应的技术标准。

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    THz通信技术应用构想图:太赫兹链路应用于基站间和设备间的数据传输

    因此,太赫兹通信技术可以实现更高速率的信息传输,抢占带宽资源,这不仅具有很高的经济价值,还具有非常高的战略意义。

    · 成像技术

    太赫兹成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特征,其穿透能力介于两者之间,又不会对人体或生物组织造成伤害。太赫兹波在材料研究、安检、生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。

    太赫兹波成像技术可以利用相位信息进行成像,许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的,但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化,从而实现对不同材料的鉴别。

    例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李或旅客进行安检就非常理想,它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等;对细胞水平的生物组织进行成像,主要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸收引起能量的变化,例如皮癌即及其它组织表层病变的早期诊断等。

    · 材料检测技术

    太赫兹技术非常适合于用来分析分子,可以通过太赫兹波激发并探测“分子振动旋转状态”来进行光谱分析。它能有效地激发分子进入各种共振模式,使分子振动或转动。在这一过程中,分子吸收能量,在光谱仪中生成某段频率的吸收谱线,然后就可以据此判断出其中含有那些分子。

    由于太赫兹波有较强的穿透率,并且其光子能量低,只有几个毫电子伏特,穿透时不易发生电离,因而可用于安全的无损检测。尤其是对一些塑料泡沫等绝缘材料内部的缺陷和裂纹等进行无损检测和成像,在战略导弹及航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。

    如对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤,已被美国宇航局选择为发射中缺陷检测的技术之一。美国使用了一套基于光学技术的太赫兹波系统,充分证明了太赫兹波可以对航天器燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤。

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    然而,太赫兹成为常规的主流通信技术仍然有不少问题需要克服。首先就是太赫兹频段在城市等环境中的高损耗,意味着如果使用太赫兹通信的话通信距离不可能太远。此外,使用目前的太赫兹技术实现太赫兹电路的效率并不高,意味着基站等场合应用太赫兹的功耗会比使用毫米波还要高。因此,我们认为太赫兹通信或许更有可能首先落地在一些非蜂窝通信的场景下。

    首先,太赫兹通信可能会应用在短距离甚至超短距离通信上。短距离通信包括VR、手机、可穿戴设备之间的互相通信。在这样的短距离通信中,无线传输的损耗可控,因此如果出现需要超高带宽的短距离传输,太赫兹技术将是一个可选项。

    除了短距离之外,还有超短距离通信,例如电子元器件甚至芯片之间的无线数据传输。传统上电子器件之间的数据传输大都采用有线的形式,例如在不同的器件之间通过PCIe这样的方式。然而,在一些应用场景下,使用有线接驳的方式会导致设计变得困难(物理接口需要占据空间),且可靠性较差,安装较为困难(例如需要完全对准才能完成安装,在安装完成后可能受到外力作用使接驳脱落等等)。

    在这种情况下,使用没有物理接口的太赫兹无线互联将是一种可选项,它在能满足数据传输率的同时,也减少了物理设计的尺寸,同时提高了可靠性(无需完全对准即可完成数据互联传输),其概念类似无接触式充电相对传统有线接口式充电的改进,在最大发挥了太赫兹高数据率的优势外,同时避免了太赫兹高传输损耗的问题(因为此类传输的距离通常在毫米数量级)。

    除了短距离通信外,太赫兹通信另一个可能的场景是太空环境中的通信 —— 在太空中,太赫兹的传输损耗大大小于城市环境中,因此太空中卫星间使用太赫兹技术进行高数据率互联也是有不少人探索的领域。

    太赫兹技术发展面临的挑战

    目前太赫兹技术发展受到制约,那么它的难点或者限制它发展的原因最主要的是哪方面呢?

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    首先不能忽略的就是成本,太赫兹技术时域上是超快技术,必须基于更短脉冲的超快激光,那么激光源在价格上就已经是一笔不小的数字,再加上激发介质,晶体制作成本非常高。还有就是天线的半导体材料,这个属于技术垄断也是价格不菲。至于时域高能太赫兹源,air plasma国内能提供的只有几个顶级校所,频域上的太赫兹源,价格比时域的更高。最后研究方向分为电子源和激光源两个方向,一个倍频,一个降频,总之研究资金就是一道硬门槛。

    第二个因素是技术因素。太赫兹技术到现在不过三十年的时间,由于时间积累经验不够多,所以很多技术瓶颈还没有突破,比如天线的阈值功率问题、采样频率与频率宽度矛盾等,另外器件和设备工艺技术也不够发达。

    第三个制约因素就是太赫兹本身的特点了。太赫兹辐射是一种特殊的低能光子,太赫兹位于激光和微波之间的波段,拥有两者都有的一些特征,就像是波粒二象性一样,我既像你又像他,但是还比你们两都特殊。

    太赫兹比激光和微波都有很多的优势(穿透性、指纹性、温和性),能做激光和微波做不了的事情。太赫兹辐射可以从激光出生来,也可以从微波出生来,但是,它好像永远不能像激光或者微波那样简单地“生”出来。这个难度好比是两个辐射产生难度之和,这个跟太赫兹的本性 —— 低能光子有关了。这个算是硬币的另外一面吧。所有这些挑战随着大量研发投入之后可能都会得到好的解决办法,再过个三十年也许太赫兹技术会像现在的激光技术一样发达,按照现在的发展趋势来看这个猜想很有可能。



    关键词: 太赫兹 6G

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