盼望著，盼望著，5G來(lái)了，6G的腳步也近了。除了做好現(xiàn)有的技術(shù)工作，作為通信人還要不斷關(guān)注新技術(shù)的發(fā)展，真心不易！無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的容量在過(guò)去十幾年中呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求持續(xù)增加。在未來(lái)幾年內(nèi)，這一增長(zhǎng)預(yù)計(jì)還會(huì)加速，甚至超過(guò)第五代（5G）無(wú)線通信6-8倍的容量。也許下一代無(wú)線通信技術(shù)會(huì)將工作頻率推入太赫茲（THz） 范圍，以滿(mǎn)足這一預(yù)測(cè)的需求。

就這樣有關(guān)太赫茲研究的消息鋪天蓋地地來(lái)了，即使不能說(shuō)是排山倒海，也可以說(shuō)是鱗次櫛比了。索性太赫茲的系統(tǒng)還處于“花褪殘紅青杏小”的階段，并不成熟，要想解決通信系統(tǒng)中從信源到發(fā)射，到信道，再到接收的一攬子問(wèn)題，還有太多的不完善，研究成果也是星星點(diǎn)點(diǎn)，無(wú)法形成一整套可靠而有效的系統(tǒng)。后面會(huì)陸續(xù)梳理一些有關(guān)太赫茲方面星星點(diǎn)點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)展，供大家了解。也真心希望星星之火，可以燎原......

太赫茲?rùn)n案

太赫茲的命名來(lái)源于它的振蕩頻率在10^12 Hz（1THz=10^12 Hz）。電磁波譜的太赫茲部分介于光學(xué)和電子區(qū)域（紅外和微波波長(zhǎng)）之間。在電子學(xué)領(lǐng)域里，這一頻段的電磁波又被稱(chēng)為毫米波和亞毫米波；而在光譜學(xué)領(lǐng)域，它也被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外（IR：Infrared Radiation）射線。一般稱(chēng)謂的太赫茲波段，其頻率范圍為0.1～10 THz，在有些場(chǎng)合特指0.3～3 THz，還有些時(shí)候被賦予一種廣義的定義，其頻率范圍可包含高達(dá)100 THz的波，這包括整個(gè)中，遠(yuǎn)紅外波段，如下圖所示。

自然界中擁有大量的太赫茲輻射源，我們身邊絕大多數(shù)物體的熱輻射都在太赫茲波段。所有發(fā)光物體的50%的能量和宇宙大爆炸的98%的光子能量都位于亞毫米波段和遠(yuǎn)紅外區(qū)域。即便如此，在20世紀(jì)八十年代以前，也并沒(méi)有能夠高效率地產(chǎn)生太赫茲的發(fā)射源和靈敏的探測(cè)設(shè)備。所以不像微波和光學(xué)，太赫茲技術(shù)的發(fā)展非常的受限。

近三四十年來(lái)，隨著超快光電子技術(shù)、半導(dǎo)體等技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波提供了穩(wěn)定、可靠的光源，太赫茲波的研究才被廣泛地開(kāi)展起來(lái)。特別是在太赫茲光譜和成像等技術(shù)被開(kāi)發(fā)之后，太赫茲技術(shù)表現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。如今對(duì)太赫茲波的研究涉及物理、化學(xué)和生物學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，一些成果已經(jīng)被應(yīng)用于材料、國(guó)防、醫(yī)學(xué)、信息等技術(shù)領(lǐng)域。

從最基本的說(shuō)起：

由于太赫茲波段處于電子學(xué)和光學(xué)這兩個(gè)研究領(lǐng)域之間，所以?xún)H僅利用電子學(xué)或者光學(xué)的技術(shù)和器件都不能完全滿(mǎn)足太赫茲波的需要，只有結(jié)合兩方面的知識(shí)，開(kāi)發(fā)全新的技術(shù)和元器件，以適應(yīng)太赫茲波獨(dú)特的性質(zhì)，才能對(duì)該波段的電磁波進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā)利用，這就是在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里電磁波譜存在著一個(gè)太赫茲空隙的原因，下圖顯示了低頻電磁波和光波發(fā)射的不同機(jī)制。

我們所熟知的右邊的電路形式，是電子學(xué)領(lǐng)域的頻率計(jì)算公式ω=1/√(LC)，或者f=1/[2π√(LC)]，其中f為頻率，單位為；L為電感，單位為亨利(H)；C為電容，單位為法拉(F)。LC振蕩電路,是指用電感L、電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路,用于產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)。

左邊光波發(fā)射的機(jī)制呢？首先要說(shuō)說(shuō)這個(gè)h，普朗克常量，馬克思.普朗克在1900年研究物體熱輻射的規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hν，ν為輻射電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數(shù)（6.62607015×10^-34焦耳·秒），而?=h/(2π)，念做"h拔"，是角動(dòng)量的最小衡量單位，即角動(dòng)量量子。普朗克常數(shù)用以描述量子化、微觀下的粒子，如電子及光子。例如，一束具有固定頻率 ν 的光，其能量 E可表示為：E=hν。

所以1 THz的波長(zhǎng)為0.3mm，1 THz的光子能量為：

hν=6.62607015×10^-34J·s×10^12Hz =6.62607015×10^-22J，

若以eV·s（電子伏特·秒）為能量單位，則1 THz的光子能量為：

hν=(6.62607015×10^-34J·s)×(10^-12Hz)/(1.602176634×10^-19J)=4.1meV

什么是電子伏特呢？一個(gè)eV是指一個(gè)電子（或其他單電荷（q=1.6*10^-19庫(kù)侖）粒子）在經(jīng)歷1伏特的電勢(shì)差時(shí)獲得的能量。

1 eV=1.602176634×10^-19焦耳；1 meV，即1毫電子伏0.001 eV。

這個(gè)能量是非常小的，相比于X射線的千電子伏特的光子能量，太赫茲輻射的光子能量在毫電子伏特的數(shù)量級(jí)。這個(gè)數(shù)量級(jí)別的能量低于各種化學(xué)鍵的鍵能，所以不會(huì)引起各種有害的電離反應(yīng)，對(duì)人體和生物體是安全的，這對(duì)一些針對(duì)身體的安全檢查和對(duì)生物樣品的檢測(cè)等應(yīng)用非常重要。下圖可以看到從光子能量的角度出發(fā)，各個(gè)波段的電磁波能量：

今天先介紹這么多，有關(guān)太赫茲的其他故事，我們下回再見(jiàn)。

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