关于太赫兹波通信技术研究现状分析及展望

王娜安　振波

摘要：太赫兹波，是频率为0.1～10太赫兹的电磁波。其波长的辐射在该频带范围从0.03mm到3mm（或100μm）。是处于微波与光波之间的频段，尚未得到完全的开发利用。由于技术限制，太赫兹波在通信范畴内的应用却一直未能有效实现。笔者从多个技术角度对太赫兹波的应用以及面临的困难进行了简要阐述并对其进行了展望。

关键词：无线电通信 太赫兹波 通信技术 信号调制

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0029-01

1 前言

太赫兹波的概念虽然早已经被人类所提出，但是在上世纪八十年代，太赫兹波被正式命名，对其特性的研究和发现，却是九十年代之后的事情。在此之前，其一直被简单地划归远红外线的范畴。由于技术限制，太赫兹波在通信范畴内的应用却一直未能有效实现。

而随着技术的发展，电磁波波源和光源更加稳定。太赫兹波才能够得以有效应用。太赫兹波具有高抗噪性、高传输稳定性、瞬态性等优势，同时其带宽高，能耗低，穿透性高。因此，太赫兹波与微波以及光波相比，具有更高的信息传递优势。目前的技术水平对于太赫兹波皮秒量级的脉宽可以有效分辨。对宇宙微波背景有较强的抗噪性。

2 目前太赫兹波技术的主要研究成果

2.1 太赫兹波辐射源

目前，广泛应用的太赫兹波辐射源主要有两种，首先是半导体太赫兹波辐射源。该种辐射源具有体积小、使用方便、能耗低的特点。目前使用较为广泛的有Impatt、Gun振荡器，光子产生方面有QCL等。目前较为主流和先进的太赫兹信号源可以达到200mW的脉冲功率。并且已经产生了太赫兹波成像技术；其次是基于光学和光子学的太赫兹波辐射源。以飞秒级的激光脉冲形成光电流，产生太赫兹辐射脉冲。

2.2 太赫兹波调制技术

利用无线电传输信号，就必须对无线电波进行调制。在2003年，科研人员就已经通过半导体结构和电控结构对太赫兹波进行调制。但效果不佳，且只能在低于80k的温度下进行工作。由于太赫兹波频率过高，传统的无线电调制技术很难对其进行调制。所以一般采用电磁波代替电流信号的调制方法进行调制。该方法可以在较高的工作温度下实行，而且大幅度地提高了数据的传输速率。在解调方面，目前也只能通过间接的方法对太赫兹波的震荡进行检测。

2.3 太赫兹波脉冲规律的研究

太赫兹波的的波长介于微波与光波之间，略长于红外线。因此，太赫兹波的传输过程中容易发生衍射。同时，太赫兹波在传播过程中，也极易受到介质的散射作用影响。即散射颗粒越小，介质对于太赫兹波的散射作用越明显。在空气中传播时，受空气中极性分子所带电荷的影响，太赫兹波容易被极性分子所吸收。进一步加强了太赫兹波的衰减。目前，较为知名的120GHz无线电通信技术，仅仅可以通过亚太赫兹波实现10m以内的近距离通信和1km左右的远距离通信。但是，相较于红外线传输技术，这已经是一项较为重要的进步。

3 太赫兹波通信的应用优势及存在问题

相对于目前已经得到广泛应用的微波通信技术，太赫兹波具有更为稳定的特点。其极高的频率，极小的波长使得太赫兹波通信技术拥有了更高的信息容量和传输速率，其理论传输速率最高可以达到10Gb/s。太赫兹波的理论频带宽度，高出了微波通信频带宽度1～4个数量级。而太赫兹波较短的波长也使其波束较窄，这样，太赫兹波就具有较强的方向性，可以减小天线尺寸，简化设备结构。而相对于光波通信来说，太赫兹波具有更强的穿透性。可以减小天气对于电磁波信号传输效果的影响，同时能量利用率较高。因此，在解决了辐射源稳定性的问题之后，太赫兹波传输在未来必将是一种高穿透性、高速率、低能耗的电磁波通信手段。

但是目前在太赫兹波通信的应用上，依然存在着很多的技术瓶颈无法突破。例如目前很难保证太赫兹波在大气传输过程中的频段稳定性。即使频段得到了稳定的控制，也很难在当前的技术范围内找到一种合适的调制技术对波段进行控制。其次，由于太赫兹波通信信号源载波功率较低，必须对太赫兹波进行间接调制才能够实现信息传输。而实际应用中，在技术上要求的载波功率通常要高于实际的太赫兹载波功率。因此，必须通过完善太赫兹载波信号放大技术进行调制与解调。然而，此项技术还没能有效实现。其三，虽然在理论上，太赫兹波的传输稳定性很高，但是还不能够完全满足商业化、普及化应用的需求。频率不足、传输性能不足、调制和探测技术不成熟也就成为了太赫兹波通信技术发展的重大瓶颈。综上所述，太赫兹波的最终大规模应用还需要克服调制的高效性、信号源的稳定性、更为有效的接收技术和信号放大技术才能够真正得到大规模的实际应用。

4 太赫兹波通信技术的应用前景以及展望

理论上讲，电磁波的频段是无穷多的。但是就实际应用上来说，各个频段都有着不同的特性，导致了人类必须针对各个频段的个性，来开发符合实际的电磁波应用技术。单就太赫兹波通信技术的个性来讲，其目前发展前景颇具优势，但是在一些高频率波段的延伸还有所不足。但是，就目前人们大规模应用的短距离无线通信技术来讲，人类已经在该领域取得了重大突破。例如，在商品化的电子终端设备上，目前已经很难再看到红外线传输设备的身影，取而代之的是蓝牙技术和无线局域网技术。而高速率的太赫兹波通信技术在短距离设备上的应用，必将取代上述两种技术，成为短距离通信的主流技术；虽然太赫兹波在大气中的传输容易受到各种极性分子、离子和散射粒子的影响，但是在外层空间的航天器中可以广泛应用；目前的无线设备的数据传输速度，已经很难满足广域网的数据传输速度，但太赫兹波通信技术的应用，可以使无线终端的数据传输速度提升1～2个数量级，大大满足了信息时代的需要。

参考文献

[1]李纪舟，蒋文涛.太赫兹波通信技术研究现状及展望[J].通信技术，2014（04）.

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[3]李勇，翟晓霞，张文静.太赫兹高增益天线研究[J].无线电通信技术，2015（04）.