關(guān)于太赫茲波通信技術(shù)研究現(xiàn)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(fā)利用。由于技術(shù)限制，太赫茲波在通信范疇內(nèi)的應(yīng)用卻一直未能有效實(shí)現(xiàn)。筆者從多個(gè)技術(shù)角度對(duì)太赫茲波的應(yīng)用以及面臨的困難進(jìn)行了簡要闡述并對(duì)其進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無線電通信 太赫茲波 通信技術(shù) 信號(hào)調(diào)制

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0029-01

1 前言

太赫茲波的概念雖然早已經(jīng)被人類所提出，但是在上世紀(jì)八十年代，太赫茲波被正式命名，對(duì)其特性的研究和發(fā)現(xiàn)，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(yuǎn)紅外線的范疇。由于技術(shù)限制，太赫茲波在通信范疇內(nèi)的應(yīng)用卻一直未能有效實(shí)現(xiàn)。

而隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁波波源和光源更加穩(wěn)定。太赫茲波才能夠得以有效應(yīng)用。太赫茲波具有高抗噪性、高傳輸穩(wěn)定性、瞬態(tài)性等優(yōu)勢，同時(shí)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(yōu)勢。目前的技術(shù)水平對(duì)于太赫茲波皮秒量級(jí)的脈寬可以有效分辨。對(duì)宇宙微波背景有較強(qiáng)的抗噪性。

2 目前太赫茲波技術(shù)的主要研究成果

2.1 太赫茲波輻射源

目前，廣泛應(yīng)用的太赫茲波輻射源主要有兩種，首先是半導(dǎo)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(diǎn)。目前使用較為廣泛的有Impatt、Gun振蕩器，光子產(chǎn)生方面有QCL等。目前較為主流和先進(jìn)的太赫茲信號(hào)源可以達(dá)到200mW的脈沖功率。并且已經(jīng)產(chǎn)生了太赫茲波成像技術(shù)；其次是基于光學(xué)和光子學(xué)的太赫茲波輻射源。以飛秒級(jí)的激光脈沖形成光電流，產(chǎn)生太赫茲輻射脈沖。

2.2 太赫茲波調(diào)制技術(shù)

利用無線電傳輸信號(hào)，就必須對(duì)無線電波進(jìn)行調(diào)制。在2003年，科研人員就已經(jīng)通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和電控結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波進(jìn)行調(diào)制。但效果不佳，且只能在低于80k的溫度下進(jìn)行工作。由于太赫茲波頻率過高，傳統(tǒng)的無線電調(diào)制技術(shù)很難對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。所以一般采用電磁波代替電流信號(hào)的調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制。該方法可以在較高的工作溫度下實(shí)行，而且大幅度地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。在解調(diào)方面，目前也只能通過間接的方法對(duì)太赫茲波的震蕩進(jìn)行檢測。

2.3 太赫茲波脈沖規(guī)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(fā)生衍射。同時(shí)，太赫茲波在傳播過程中，也極易受到介質(zhì)的散射作用影響。即散射顆粒越小，介質(zhì)對(duì)于太赫茲波的散射作用越明顯。在空氣中傳播時(shí)，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(jìn)一步加強(qiáng)了太赫茲波的衰減。目前，較為知名的120GHz無線電通信技術(shù)，僅僅可以通過亞太赫茲波實(shí)現(xiàn)10m以內(nèi)的近距離通信和1km左右的遠(yuǎn)距離通信。但是，相較于紅外線傳輸技術(shù)，這已經(jīng)是一項(xiàng)較為重要的進(jìn)步。

3 太赫茲波通信的應(yīng)用優(yōu)勢及存在問題

相對(duì)于目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的微波通信技術(shù)，太赫茲波具有更為穩(wěn)定的特點(diǎn)。其極高的頻率，極小的波長使得太赫茲波通信技術(shù)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(dá)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(qiáng)的方向性，可以減小天線尺寸，簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)。而相對(duì)于光波通信來說，太赫茲波具有更強(qiáng)的穿透性?？梢詼p小天氣對(duì)于電磁波信號(hào)傳輸效果的影響，同時(shí)能量利用率較高。因此，在解決了輻射源穩(wěn)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(yīng)用上，依然存在著很多的技術(shù)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(wěn)定性。即使頻段得到了穩(wěn)定的控制，也很難在當(dāng)前的技術(shù)范圍內(nèi)找到一種合適的調(diào)制技術(shù)對(duì)波段進(jìn)行控制。其次，由于太赫茲波通信信號(hào)源載波功率較低，必須對(duì)太赫茲波進(jìn)行間接調(diào)制才能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸。而實(shí)際應(yīng)用中，在技術(shù)上要求的載波功率通常要高于實(shí)際的太赫茲載波功率。因此，必須通過完善太赫茲載波信號(hào)放大技術(shù)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。然而，此項(xiàng)技術(shù)還沒能有效實(shí)現(xiàn)。其三，雖然在理論上，太赫茲波的傳輸穩(wěn)定性很高，但是還不能夠完全滿足商業(yè)化、普及化應(yīng)用的需求。頻率不足、傳輸性能不足、調(diào)制和探測技術(shù)不成熟也就成為了太赫茲波通信技術(shù)發(fā)展的重大瓶頸。綜上所述，太赫茲波的最終大規(guī)模應(yīng)用還需要克服調(diào)制的高效性、信號(hào)源的穩(wěn)定性、更為有效的接收技術(shù)和信號(hào)放大技術(shù)才能夠真正得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

4 太赫茲波通信技術(shù)的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用上來說，各個(gè)頻段都有著不同的特性，導(dǎo)致了人類必須針對(duì)各個(gè)頻段的個(gè)性，來開發(fā)符合實(shí)際的電磁波應(yīng)用技術(shù)。單就太赫茲波通信技術(shù)的個(gè)性來講，其目前發(fā)展前景頗具優(yōu)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(guī)模應(yīng)用的短距離無線通信技術(shù)來講，人類已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了重大突破。例如，在商品化的電子終端設(shè)備上，目前已經(jīng)很難再看到紅外線傳輸設(shè)備的身影，取而代之的是藍(lán)牙技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)。而高速率的太赫茲波通信技術(shù)在短距離設(shè)備上的應(yīng)用，必將取代上述兩種技術(shù)，成為短距離通信的主流技術(shù)；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(yīng)用；目前的無線設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度，已經(jīng)很難滿足廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度，但太赫茲波通信技術(shù)的應(yīng)用，可以使無線終端的數(shù)據(jù)傳輸速度提升1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，大大滿足了信息時(shí)代的需要。

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