什么是太赫茲？太赫茲通信的應(yīng)用場景分析

今天講的東西有點(diǎn)超綱了，什么時(shí)候射頻人要去搞太赫茲了？

我覺得終有一天會(huì)的，畢竟射頻這個(gè)名詞沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念l率范圍，只要能夠用作Radio的頻率我們都稱為RF，太赫茲頻率終有一天也會(huì)用在Radio上面。

什么是太赫茲？

電磁波這個(gè)大自然存在的東西，人類在很長的時(shí)間內(nèi)都沒有識(shí)別到，直到一個(gè)偉大的數(shù)學(xué)天才——麥克斯韋，通過總結(jié)法拉第等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)預(yù)言了電磁波的存在，然后在赫茲的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這個(gè)預(yù)言。然后在上個(gè)世界，電磁波的應(yīng)用才真正進(jìn)入到人類社會(huì)，尤其是在無線通信的應(yīng)用中，從最早的1G，一直發(fā)展到現(xiàn)在的5G，將來的6G（鏈接）。對電磁波頻段的需求越來越大，從最初的兆赫茲，到現(xiàn)在的吉赫茲。

移動(dòng)通信中的兩個(gè)G意思是不一樣的，通信的5G中的“G”是Generation 的意思，5G就是第五代，而電磁波頻率的G是指 GHz，1GHz=1000000000Hz，也就是電磁波一秒鐘運(yùn)行1000000000個(gè)周期，5G應(yīng)用的頻率譜并不是5GHz。所以在這個(gè)縮寫里面，英語的缺陷就出來了，漢語的牛X也凸顯出來了。

麥克斯韋的偉大之處是統(tǒng)一了電和磁，也統(tǒng)一的電磁波和光，所以電磁波的頻譜也從長波，短波，微波，毫米波，紅外，光，紫外，以及更高頻率的x-ray， γ-Ray等等。太赫茲波就是電磁波頻率在THz的這一段電磁波頻譜。

太赫茲是多少赫茲呢？

我們截取百度百科中的這段單位換算，以便大家更好的理解。

太赫茲表示10^12 赫茲頻率，也就是每秒鐘變換10^12 次方個(gè)周期。12個(gè)零太長了，所以就用“T”來代替，英語叫做?tera，所以也叫太拉赫茲，簡稱太赫。比它更多“0”的還有PHz（拍赫茲）和EHz（艾赫茲）。這里也要記住一個(gè)英語表示數(shù)字的習(xí)慣，他們以3位為一組，可以用空格或者逗號(hào)隔開，有的國家甚至用點(diǎn)號(hào)隔開。

一般情況下，太赫茲波指的是電磁波頻率在0.1THz到10THz頻率范圍內(nèi)的電磁波，對應(yīng)的波長λ是3mm-30um,也就是在低頻段與毫米波有重合，在高頻段與紅外線有重合，介于毫米波和紅外線之間的一段電磁波頻譜。

這個(gè)頻率范圍也就決定了太赫茲波的應(yīng)用，既有毫米波的波動(dòng)性，又有紅外線光的粒子性，在寬帶通信、雷達(dá)、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來了深遠(yuǎn)的影響。

太赫茲波的研究進(jìn)展

太赫茲波這段頻譜由于波長極短，最長為3mm, 但是又不到紅外線和光的頻段，所以在很長一段時(shí)間內(nèi)，人們的認(rèn)識(shí)非常局限，形成了著名的太赫茲鴻溝，稱為THz Gap。在2004年，美國政府將THz科技評(píng)為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，而日本于2005年1月8日更是將THz技術(shù)列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國之力進(jìn)行研發(fā)。

我國在2005年的香山科技會(huì)議上，邀請國內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。目前國內(nèi)已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)開展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，其中首都師范大學(xué)，是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識(shí)別方面，利用太赫茲對非極性航天材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行無損檢測方面做出了許多開拓性的工作，同時(shí)由于太赫茲射線在安全檢查方面的獨(dú)特優(yōu)勢，首都師范大學(xué)太赫茲實(shí)驗(yàn)室正集中力量研發(fā)能夠用于實(shí)景測試的安檢原型設(shè)備。

另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區(qū)政府、機(jī)構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。

THz研究領(lǐng)域的開拓者之一，美國著名學(xué)者張希成博士稱：“Next-ray, T-Ray！”

太赫茲波的應(yīng)用

太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體，有機(jī)體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜；利用該頻段可以加深和拓展人類對物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)。THz技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、國土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。因此，THz研究對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全有重大的應(yīng)用價(jià)值。

太赫茲技術(shù)在成像，雷達(dá)，通信，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1，太赫茲成像技術(shù)

跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光電工程技術(shù)中心魯遠(yuǎn)甫團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于空間傅里葉譜的新型太赫茲單像素成像技術(shù)。相關(guān)成果以Fourier single-pixel imaging in the terahertz regime為題發(fā)表在應(yīng)用物理領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊Applied Physics Letters上。

太赫茲成像技術(shù)利用了太赫茲波的低能量和非電離波的特性，對人體危害極小，在安檢領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著比較好的應(yīng)用前景。

2，太赫茲雷達(dá)

實(shí)際上太赫茲雷達(dá)也是利用了太赫茲的成像技術(shù)，寬頻太赫茲雷達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)物體進(jìn)行高分辨率的三維成像，而且它還能從光譜數(shù)據(jù)中提取出目標(biāo)物成分的詳細(xì)信息；在陸、海、空、天、電磁五維戰(zhàn)場中，太赫茲都可以對目標(biāo)物進(jìn)行對象識(shí)別。太赫茲的獨(dú)特性能給軍事通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對抗、電磁武器等領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。

前不久我國公布了首部太赫茲太大研制成功的消息，目前探測距離僅有1000米，但是其功能絕對是前所未有，它可以在1000米范圍內(nèi)，穿透周邊的所有障礙物，并對障礙物后面的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，這就是現(xiàn)實(shí)中穿墻術(shù)。對于反恐作戰(zhàn)來說，這絕對是最好的裝備，讓躲在障礙物后面的的恐怖分子無藏身之處。

3，太赫茲通信

作為 6G 潛在技術(shù)之一，太赫茲技術(shù)對數(shù)據(jù)速率提升、超密集連接、低時(shí)延傳輸?shù)染哂蟹e極作用。在2021年發(fā)表在中興通信技術(shù)的一篇文章中對太赫茲在6G通信中的應(yīng)用做了詳細(xì)的分析。