什么是“太赫茲”?6G技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破就靠它?
5G商用剛剛落地,6G研發(fā)工作正式啟動的消息就已經(jīng)傳來。與6G同時進(jìn)入公眾視野的還有一項(xiàng)新技術(shù),那就是“太赫茲”。太赫茲通信能夠提高信息傳輸速率,大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)6G的關(guān)鍵技術(shù)?!?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/太赫茲">太赫茲”究竟是什么呢?
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202103/424077.htm首先我們要知道什么是電磁波。電磁波,就是電場和磁場的一種周期性的震動,跟其他的波一樣,它也是可以攜帶能量的。電磁波在我們?nèi)粘I钪幸彩请S處可見的,比如說我們經(jīng)常用的手機(jī),手機(jī)的通信就是利用微波,它也是電磁波譜中的一段。
電磁波的頻率決定了通信傳輸?shù)纳舷?,頻率越高意味著通信的速度就越快。THz波段便是國際上預(yù)測的下一代高速無線通信(6G)的關(guān)鍵。它的頻率范圍在0.1THz~10THz之間,介于微波和光波之間,這個區(qū)間也被稱為“THz間隙”,其頻譜區(qū)域提供了更高的可用帶寬,極高的頻率為為了更高的數(shù)據(jù)傳輸提供了可能。
太赫茲波的特性
太赫茲(Terahertz)中,“太”(Tera)是一種數(shù)量級前綴,即10的12次方,因此太赫茲即1000GHz的頻率。
相對于毫米波頻段(30GHz-300GHz)來說太赫茲頻段頻率更高,因此第一個潛在應(yīng)用就是做通信 —— 太赫茲做通信的主要優(yōu)勢在于可用帶寬較大,因此可以實(shí)現(xiàn)非常高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸。也是有人認(rèn)為,太赫茲可能在6G通信中起到重要作用的原因。
· 指紋特性
物質(zhì)的太赫茲光譜包含著豐富的分子結(jié)構(gòu)信息。大部分物質(zhì)晶格的振動以及分子的轉(zhuǎn)動和振動能級之間的躍遷都對應(yīng)于太赫茲波段范圍,每一種物質(zhì)在該波段透射-吸收光譜的位置、強(qiáng)度和形狀均不相同。
因此太赫茲光譜能反映分子種類和結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化,使得它們具有類似指紋一樣的唯一特點(diǎn),所以太赫茲光譜也稱為分子指紋譜。根據(jù)太赫茲波譜的分子指紋特性可以分析研究物質(zhì)成分、微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用關(guān)系。
· 透視特性
根據(jù)已有的研究結(jié)果,太赫茲輻射對有極電介質(zhì)、無極電介質(zhì)及金屬導(dǎo)體的透射性有很大區(qū)別。有極電介質(zhì)存在等效的電偶極矩,金屬導(dǎo)體內(nèi)部則存在大量自由移動的電荷,兩者與太赫茲波相互作用時會出現(xiàn)共振吸收,因此太赫茲波對這兩種物質(zhì)的穿透性很低。而無極電介質(zhì)對太赫茲波不會產(chǎn)生共振吸收效應(yīng),從而具有很強(qiáng)的穿透性。
由此太赫茲成像可以將不同的材質(zhì)加以區(qū)分。很多包裝材料如塑料、紙箱、布料、木材等都屬于無極電介質(zhì),但它們對可見光都是不透明的。故可結(jié)合相應(yīng)技術(shù)對不透明的物體進(jìn)行太赫茲透視成像,作為X射線和超聲等成像技術(shù)的補(bǔ)充,探測材料內(nèi)部缺陷和密封包裝內(nèi)的物品。
· 安全特性
根據(jù)公式 ε=hν,太赫茲波的光子能量只有毫電子伏特的數(shù)量級。例如頻率為1THz的光子能量為4.1meV,約為X射線光子能量的百萬分之一。該能量遠(yuǎn)低于各種化學(xué)鍵的鍵能,不會對物體尤其是生物組織引起有害的電離反應(yīng)。
由于水是極性物質(zhì),所以水對太赫茲波有強(qiáng)烈的吸收,因此太赫茲輻射無法穿透人體的皮膚,對人體的影響只停留在皮膚表層,非常適用于針對人體或其他生物體的活體檢測。
太赫茲技術(shù)的應(yīng)用
太赫茲波綜合了電子學(xué)和光子學(xué)的優(yōu)越性能,具有很多不同于其他電磁波的特殊性質(zhì)。也正是這些特性,使之成為當(dāng)前科技界最熱鬧的前沿領(lǐng)域之一。
由于THz波的獨(dú)特性質(zhì),它在物理、生物、化學(xué)、生物制藥、材料科學(xué)和電子工程等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,其在軍事和安全領(lǐng)域,太赫茲技術(shù)更是有著廣闊的應(yīng)用前景。
· 通信技術(shù)
太赫茲通信的應(yīng)用場景包括短距離高速無線通信、空間通信和復(fù)雜軍事環(huán)境條件下的保密通信等。
相對于微波通信而言:
太赫茲通信傳輸?shù)娜萘扛?。太赫茲波的頻段在108~1013Hz之間,可提供高達(dá)10GB/s的無線傳輸速率;
太赫茲波具有更好的保密性及抗干擾能力;
太赫茲波束更窄、方向性更好、可以探測更小的目標(biāo)以及更精確地定位;
由于太赫茲波波長相對更短,在完成同樣功能的情況下,天線的尺寸可以做得更小,其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡單、經(jīng)濟(jì)。
相對于光通信而言:
用光子能量約為可見光的1/40的THz波作為信息載體,能量效率更高;
THz波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力,它可以實(shí)現(xiàn)全天候的工作。
目前太赫茲通信還處在關(guān)鍵器件的研究開發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案的可行性論證以及實(shí)驗(yàn)室的研究與仿真演示階段,亟需研制高性能的太赫茲固態(tài)器件,解決太赫茲信號的調(diào)制和信號處理技術(shù),并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
THz通信技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想圖:太赫茲鏈路應(yīng)用于基站間和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸
因此,太赫茲通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高速率的信息傳輸,搶占帶寬資源,這不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,還具有非常高的戰(zhàn)略意義。
· 成像技術(shù)
太赫茲成像技術(shù)相對于可見光和X射線有非常強(qiáng)的互補(bǔ)特征,其穿透能力介于兩者之間,又不會對人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開展得最廣泛的研究。
太赫茲波成像技術(shù)可以利用相位信息進(jìn)行成像,許多干電介物質(zhì)對太赫茲波段基本是透明的,但是折射率不同會引起太赫茲波相位的變化,從而實(shí)現(xiàn)對不同材料的鑒別。
例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車站、機(jī)場對行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想,它可以準(zhǔn)確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等;對細(xì)胞水平的生物組織進(jìn)行成像,主要是測量不同組織及其含水量對太赫茲波的吸收引起能量的變化,例如皮癌即及其它組織表層病變的早期診斷等。
· 材料檢測技術(shù)
太赫茲技術(shù)非常適合于用來分析分子,可以通過太赫茲波激發(fā)并探測“分子振動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”來進(jìn)行光譜分析。它能有效地激發(fā)分子進(jìn)入各種共振模式,使分子振動或轉(zhuǎn)動。在這一過程中,分子吸收能量,在光譜儀中生成某段頻率的吸收譜線,然后就可以據(jù)此判斷出其中含有那些分子。
由于太赫茲波有較強(qiáng)的穿透率,并且其光子能量低,只有幾個毫電子伏特,穿透時不易發(fā)生電離,因而可用于安全的無損檢測。尤其是對一些塑料泡沫等絕緣材料內(nèi)部的缺陷和裂紋等進(jìn)行無損檢測和成像,在戰(zhàn)略導(dǎo)彈及航空、航天結(jié)構(gòu)材料的檢測和評估方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
如對航天飛機(jī)燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷,已被美國宇航局選擇為發(fā)射中缺陷檢測的技術(shù)之一。美國使用了一套基于光學(xué)技術(shù)的太赫茲波系統(tǒng),充分證明了太赫茲波可以對航天器燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷。
然而,太赫茲成為常規(guī)的主流通信技術(shù)仍然有不少問題需要克服。首先就是太赫茲頻段在城市等環(huán)境中的高損耗,意味著如果使用太赫茲通信的話通信距離不可能太遠(yuǎn)。此外,使用目前的太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)太赫茲電路的效率并不高,意味著基站等場合應(yīng)用太赫茲的功耗會比使用毫米波還要高。因此,我們認(rèn)為太赫茲通信或許更有可能首先落地在一些非蜂窩通信的場景下。
首先,太赫茲通信可能會應(yīng)用在短距離甚至超短距離通信上。短距離通信包括VR、手機(jī)、可穿戴設(shè)備之間的互相通信。在這樣的短距離通信中,無線傳輸?shù)膿p耗可控,因此如果出現(xiàn)需要超高帶寬的短距離傳輸,太赫茲技術(shù)將是一個可選項(xiàng)。
除了短距離之外,還有超短距離通信,例如電子元器件甚至芯片之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)上電子器件之間的數(shù)據(jù)傳輸大都采用有線的形式,例如在不同的器件之間通過PCIe這樣的方式。然而,在一些應(yīng)用場景下,使用有線接駁的方式會導(dǎo)致設(shè)計(jì)變得困難(物理接口需要占據(jù)空間),且可靠性較差,安裝較為困難(例如需要完全對準(zhǔn)才能完成安裝,在安裝完成后可能受到外力作用使接駁脫落等等)。
在這種情況下,使用沒有物理接口的太赫茲無線互聯(lián)將是一種可選項(xiàng),它在能滿足數(shù)據(jù)傳輸率的同時,也減少了物理設(shè)計(jì)的尺寸,同時提高了可靠性(無需完全對準(zhǔn)即可完成數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸),其概念類似無接觸式充電相對傳統(tǒng)有線接口式充電的改進(jìn),在最大發(fā)揮了太赫茲高數(shù)據(jù)率的優(yōu)勢外,同時避免了太赫茲高傳輸損耗的問題(因?yàn)榇祟悅鬏數(shù)木嚯x通常在毫米數(shù)量級)。
除了短距離通信外,太赫茲通信另一個可能的場景是太空環(huán)境中的通信 —— 在太空中,太赫茲的傳輸損耗大大小于城市環(huán)境中,因此太空中衛(wèi)星間使用太赫茲技術(shù)進(jìn)行高數(shù)據(jù)率互聯(lián)也是有不少人探索的領(lǐng)域。
太赫茲技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
目前太赫茲技術(shù)發(fā)展受到制約,那么它的難點(diǎn)或者限制它發(fā)展的原因最主要的是哪方面呢?
首先不能忽略的就是成本,太赫茲技術(shù)時域上是超快技術(shù),必須基于更短脈沖的超快激光,那么激光源在價(jià)格上就已經(jīng)是一筆不小的數(shù)字,再加上激發(fā)介質(zhì),晶體制作成本非常高。還有就是天線的半導(dǎo)體材料,這個屬于技術(shù)壟斷也是價(jià)格不菲。至于時域高能太赫茲源,air plasma國內(nèi)能提供的只有幾個頂級校所,頻域上的太赫茲源,價(jià)格比時域的更高。最后研究方向分為電子源和激光源兩個方向,一個倍頻,一個降頻,總之研究資金就是一道硬門檻。
第二個因素是技術(shù)因素。太赫茲技術(shù)到現(xiàn)在不過三十年的時間,由于時間積累經(jīng)驗(yàn)不夠多,所以很多技術(shù)瓶頸還沒有突破,比如天線的閾值功率問題、采樣頻率與頻率寬度矛盾等,另外器件和設(shè)備工藝技術(shù)也不夠發(fā)達(dá)。
第三個制約因素就是太赫茲本身的特點(diǎn)了。太赫茲輻射是一種特殊的低能光子,太赫茲位于激光和微波之間的波段,擁有兩者都有的一些特征,就像是波粒二象性一樣,我既像你又像他,但是還比你們兩都特殊。
太赫茲比激光和微波都有很多的優(yōu)勢(穿透性、指紋性、溫和性),能做激光和微波做不了的事情。太赫茲輻射可以從激光出生來,也可以從微波出生來,但是,它好像永遠(yuǎn)不能像激光或者微波那樣簡單地“生”出來。這個難度好比是兩個輻射產(chǎn)生難度之和,這個跟太赫茲的本性 —— 低能光子有關(guān)了。這個算是硬幣的另外一面吧。所有這些挑戰(zhàn)隨著大量研發(fā)投入之后可能都會得到好的解決辦法,再過個三十年也許太赫茲技術(shù)會像現(xiàn)在的激光技術(shù)一樣發(fā)達(dá),按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢來看這個猜想很有可能。
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