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太赫茲通信技術(shù)簡(jiǎn)單介紹_發(fā)展及應(yīng)用

2018年01月08日 11:14 網(wǎng)絡(luò)整理 作者: 用戶(hù)評(píng)論(0

1、太赫茲通信技術(shù)介紹

太赫茲(Terahertz,1THz=1012Hz)泛指頻率在0.1~10THz波段(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為30~3000μm)范圍內(nèi)的電磁波,介于紅外微波之間。太赫茲波的位置處于宏觀(guān)電子學(xué)向微觀(guān)光子學(xué)的過(guò)渡階段。以往由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生和檢測(cè)的方法,因此對(duì)太赫茲波的研究較為有限,使其成為電磁波譜研究上的“太赫茲空隙”(TerahertzGap)。太赫茲波在電磁波頻譜中所處的位置如圖1所示。

太赫茲通信技術(shù)簡(jiǎn)單介紹_發(fā)展及應(yīng)用

圖1太赫茲波在電磁波頻譜中的位置圖

太赫茲通信技術(shù)的快速發(fā)展使得太赫茲通信越來(lái)越受到國(guó)際各國(guó)的關(guān)注和重視。

我國(guó)在太赫茲通信技術(shù)研究方面主要研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究成果見(jiàn)表1。

表1國(guó)內(nèi)太赫茲通信技術(shù)相關(guān)研究成果

太赫茲通信技術(shù)簡(jiǎn)單介紹_發(fā)展及應(yīng)用

2、太赫茲通信的技術(shù)特點(diǎn)

由于太赫茲波處在電磁波譜的特殊位置,使其具有很多獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和性質(zhì)。從頻譜上看,太赫茲波在整個(gè)電磁波譜中處在微波與紅外波之間;從光學(xué)領(lǐng)域看,太赫茲波被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外射線(xiàn);從能量上看,太赫茲波段的能量介于電子和光子之間。太赫茲光波不僅擁有與光相同的直進(jìn)性,還具有與電波相似的穿透性和吸收性。太赫茲波的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

(1)太赫茲波的穿透性強(qiáng)

由于太赫茲波自身包含豐富的光譜信息,且具有很好的光譜分辨特性,對(duì)很多介電材料與非極性液體具有良好的穿透性。因此,太赫茲波不僅可以作為探測(cè)材料性質(zhì)的檢測(cè)工具,還可以作為通信工具在煙霧、沙塵等惡劣環(huán)境下進(jìn)行通信工作。

(2)太赫茲波的光子能量較低

根據(jù)測(cè)量結(jié)果,頻率為1THz的太赫茲波僅具有4.1meV的光子能量,約為X射線(xiàn)光子能量的百分之一量級(jí),因此太赫茲波不易對(duì)生物組織產(chǎn)生傷害。相比于傳統(tǒng)使用DWDM等技術(shù)進(jìn)行有線(xiàn)光通信而言,太赫茲通信的能量效率更高。

(3)太赫茲通信傳輸?shù)娜萘看?/strong>

相對(duì)于微波通信而言,由于太赫茲波的頻段在108~1013Hz之間,比微波通信高出l~4個(gè)數(shù)量級(jí),使得太赫茲波的傳輸信息量更大。同時(shí),太赫茲通信與高階的編碼調(diào)制技術(shù)相結(jié)合,可進(jìn)一步提升無(wú)線(xiàn)通信的傳輸容量,滿(mǎn)足大容量傳輸場(chǎng)景的通信要求。

(4)太赫茲波方向性好,保密程度高

由于太赫茲波束比微波更窄,且能夠有效地抑制背景輻射噪聲的影響,因此可以保證信息傳送精度的同時(shí),使太赫茲通信滿(mǎn)足具有更好的保密性能。

(5)太赫茲通信更適合于短距離通信場(chǎng)景

由于強(qiáng)極性液體對(duì)太赫茲波有較強(qiáng)的吸收作用,因此太赫茲波在空氣中傳播時(shí),水分子將對(duì)其造成傳送損耗,因此太赫茲通信更適合于短距離的通信。

3、太赫茲通信技術(shù)的應(yīng)用

隨著各國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)太赫茲技術(shù)的深入研究和突破,太赫茲波在空間通信、安全檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和天文觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域均具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用。

太赫茲波的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下:

(1)在空間通信方面

在空間通信方面,太赫茲波可以作為高速寬帶的通信載體。太赫茲波通信具有極高的方向性和穿透能力,因此適用于惡劣環(huán)境下的短距離保密通訊,也適用于高帶寬需求的衛(wèi)星通信領(lǐng)域。國(guó)際通訊聯(lián)盟已經(jīng)指定0.12和0.22THz兩個(gè)頻段分別用于下一代地面無(wú)線(xiàn)通信與衛(wèi)星間通信。

(2)在安全檢測(cè)方面

在安全檢測(cè)方面,太赫茲波對(duì)很多非極性物質(zhì)有很強(qiáng)的穿透能力,可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)和高分辨率的成像。在軍事偵察、可疑危險(xiǎn)品、有毒有害物品檢測(cè)等方面提供技術(shù)保證。

(3)在生物醫(yī)學(xué)方面

在生物醫(yī)學(xué)方面,太赫茲波易被極性分子吸收,光子能量低。因此,太赫茲波可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有眾多的應(yīng)用場(chǎng)景提供新型的醫(yī)療手段,如醫(yī)療樣品的人體燒傷程度檢測(cè),生物傳感探針治療等。

(4)在天文觀(guān)測(cè)方面

在天文觀(guān)測(cè)方面,太赫茲波波段比其他波段具有更低的背景噪聲,同時(shí)借助強(qiáng)極性液體對(duì)太赫茲波有

較強(qiáng)的吸收作用的特性,可以對(duì)宇宙中諸多物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。太赫茲波也被廣泛地應(yīng)用于恒星形成、星系演化以及宇宙學(xué)等方面的研究領(lǐng)域中。

4、太赫茲通信的發(fā)展趨勢(shì)

太赫茲通信的技術(shù)研究方向主要有以下幾個(gè)方面:

(1)高功率的太赫茲源

目前,太赫茲通信系統(tǒng)的太赫茲源輸出功率通常偏低。太赫茲源的功率高低直接決定了太赫茲通信系統(tǒng)的傳輸距離和信息傳送質(zhì)量。而且,在保證太赫茲源功率提高的同時(shí),還必須考慮太赫茲源工作穩(wěn)定性、安全性等方面的要求。

(2)調(diào)制技術(shù)和調(diào)制器件的研究

太赫茲通信系統(tǒng)的理論研究相對(duì)較多,實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)較少,且傳輸性能不高。研究和采用適合太赫茲通信傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)和調(diào)制器件,將大幅提高信號(hào)傳輸性能,使其應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛。

(3)優(yōu)化高靈敏的太赫茲探測(cè)技術(shù)

不同傳輸環(huán)境對(duì)太赫茲通信的探測(cè)技術(shù)存在不盡相同的影響,因此需進(jìn)一步研究采用合適、高效的電子處理技術(shù),提高太赫茲探測(cè)技術(shù)的靈敏度,進(jìn)一步提高太赫茲通信系統(tǒng)的能力和優(yōu)勢(shì)。

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