论文太赫兹频段开发利用与，本文是太赫兹方面论文范文素材与太赫兹和频段和启示相关专科开题报告范文.
文/ 彭 健
大众对红外线、微波、X 光等名词都很熟悉,却对太赫兹较陌生.太赫兹技术曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一,“太赫兹空白”就像被上帝遗忘的角落,仍待人类研究、发掘.
根据国际电信联盟（ITU）的规定,无线电波的频率范围为3KHz～3000GHz,属于整个电磁波谱中的一小段.即便如此,受到无线电技术和无线电设备的限制,目前ITU也仅将275GHz以下的频段划分给具体的无线电业务使用.275GHz～3000GHz频段如此丰富的频率资源还处于无线电业务的空置区,而这一频段正好是太赫兹频段（THz）的重要组成部分.太赫兹频段（也被业界称为“亚毫米波辐射”）泛指0.1THz～10THz物理频段和0.03mm～3mm波长所对应的物理频段,1THz等于1012Hz等于1000GHz.
近年来,随着技术手段不断进步,太赫兹频段的优点被逐渐发现并应用于多个领域,除了用于高速宽带无线通信以外,还在射电天文、物理成像、安全检测、环境监测等领域有着广阔的应用前景.尤其是在无线通信领域,随着物联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术的快速发展,无线通信已经进入了技术和应用跨越式演进的新时代,流量的爆发式增长使得频谱需求量非常大,而太赫兹频段的频率资源丰富,能够有效弥补频率需求缺口.目前,针对太赫兹频段的开发利用已经在全球范围内呈现出如火如荼的态势.
太赫兹频段具有独特的物理特性,介于微波与远红外线之间,如图1所示.其低频段位于亚毫米波频率范围内,一般运用电子学理论来研究；而高频段位于红外线频率范围内,开发利用主要依靠光子学理论.在完整的电磁波谱上,太赫兹频段两侧的红外和微波技术已经非常成熟,但是对太赫兹频段的开发利用基本上处于起步阶段.其主要原因是,该频段所处的位置正好处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,在研究方面既不完全适用于光子学理论,也不完全适用于微波电子学的理论,可以说该频段是人类尚未完全认知、开发利用的频段之一.实际上,太赫兹科学技术是电子学与光子学两大学科融合的集中体现,并且离不开物理学、化学、材料科学等多个学科的支撑,是一个全新的交叉前沿科学.
广泛的开发利用前景
一是卫星通信.太赫兹频段具有带宽大、载频高、信道数多等特点,可以用于超高速无线通信.外层空间可近似为真空环境,太赫兹电磁波在这种环境下的传输损耗可以忽略不计,大大降低了对发射源的功率要求.与光通信相比,太赫兹的光束角更大,接收器对准难度小.而与微波通信相比,其天线尺寸将大幅降低,有利于系统集成.目前,国际电信联盟已经指定0.22THz频段用于下一代卫星间通信.
二是5G蜂窝网络.太赫兹频段虽然在空气传播中的损耗很大,但是由于其超高传输速率的特性,仍然能够在短距离无线通信领域发挥重要的作用.特别是在5G异构网络中,可以组建小型超高速无线网络.此外,太赫兹通信的定向性较好,可以考虑作为5G超高速无线回程的解决方案.
三是军事通信.太赫兹频段能够同时满足超高传输速度以及高保密性两种要求,非常适合对保密性有严格要求的军事信息领域.一方面,太赫兹频段的传输信号在空气中衰减很快而难以被探测；另一方面,为了增大有效传输距离,一般会采用天线阵列将波束变得更加锋利,这样间接增加了信号捕捉难度,提升了太赫兹通信保密性.此外,太赫兹频段具有超大带宽,可以采用扩展频谱的方案抑制干扰.
四是太赫兹WLAN（无线局域网）.为了解决上网“最后100米”的难题,以WiFi技术为代表的无线局域网发展迅速,目前WiFi已广泛应用于学校、机场、体育馆等多个场景.但由于WiFi使用的是I（Industrial Scientific Medical,工业、科学和医用）免授权频段,无论是2.4GHz频段还是5.8GHz频段,其频谱资源相对有限、信道数量较少,在人口密集的公共区域已经出现AP间相互干扰、速度下降等问题.采用太赫兹频段组建无线局域网,不仅频率资源丰富,并且还具备超高速、低辐射、抗干扰强等优点,特别适合未来3D全息影像通话、VR/AR游戏等应用.
生物医学领域
一是许多生物大分子的转动或者振动能级对应的频率都在太赫兹频段范围内,并且太赫兹成像分辨率高,这使得太赫兹频段在生物医学领域拥有广泛应用的基础；二是太赫兹频段具有一定的穿透能力,与X光射线不同的是,太赫兹频段的光子能量非常低,仅有毫电子伏特,因此不会对照射的生物组织造成损害,从而达到无损活体检查的目的.基于以上优点,利用太赫兹辐射可以通过对癌细胞的表皮成像,实现对皮肤癌等癌症的早期诊断和治疗,并且能在肿瘤手术中实时监测肿瘤组织的清理情况.此外,还可以利用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）来研究转动或者振动能级在太赫兹频段范围内的生物有机大分子,进而指导药物生产和医学研究.
安全检查领域
与太赫兹在医学成像中的应用一样,由于其具有穿透性、可成像等优点,可在机场、火车站、港口、地铁等人口密度大的场所用于安全检查.与传统的X射线成像技术相比,太赫兹光谱成像不仅可以观察安检物体的形状,还可以将物理的光谱信息与积累的频谱数据库进行对比分析,进而分辨出物体的材质属性,使得检测范围不仅仅局限于金属类.并且,太赫兹频段光子能量小,不会对人造成伤害,安全性得到大幅度提升,太赫兹技术在未来安检领域大有可为.
天文学领域
天体和星际辐射蕴藏着丰富的电磁频谱信息,其中有许多是在275GHz频段以上具有更低背景噪声的太赫兹辐射.这就是为什么275GHz以上频段最开始从天文学研究、发展的原因.除了红外线望远镜和哈勃太空望远镜外,人们还发明了太赫兹射电望远镜来研究星系中星际云的复杂物理状态,包括世界上最大的远红外望远镜.
国外太赫兹频段相关进展
国际组织积极引导和规范太赫兹频段的开发利用.
一是ITU对于275GHz～3000GHz频段的潜在有源业务给予高度关注.虽然目前275GHz频率以上的频段未划分给具体的无线电业务使用,但一方面,《无线电规则》已确定可以将其用于无源业务,其中包括射电天文业务、卫星地球探测业务（无源）和空间研究业务（无源）等；另一方面,《无线电规则》也并不排除未来有源业务在该频段的应用.
不仅如此, 随着高功率太赫兹辐射源的出现, 该频段将会有更宽泛的潜在有源业务,诸如无线通信、分子检测、安全检查等.从无线电管理的立场出发,为了避免在275GHz～3000GHz频段内运行的已有无源业务与正在研发、即将应用的有源业务之间出现干扰,需要及时研究这些有源业务的技术特性.鉴于此,ITU于2015年6月发布了《Technologytrends of active services in the frequency range 275-3000GHz》研究报告,旨在督促有意将275GHz～3000GHz频段应用于有源业务的国家,在该频段的频率划分确定之前,务必将可能对既有无源业务产生的有害干扰考虑在内,以保证其正常工作.
二是IEEE等标准化组织积极推进该频段应用的标准化工作.2008年,为了研究275GHz～3000GHz频率范围内的太赫兹通信技术,IEEE802.15成立了THz Interest Group兴趣小组（IGTHz）.2013年7月,该小组演进为IEEE802.15 SG100G研究小组,并公布了太赫兹通信标准研究时间进度表.据最新的资料显示,目前IEEE已正式确定由IEEE 802.15 TG 3d（100G）任务小组开始负责前期成果的标准化工作（包括275GHz以上频率运行的物理层）,并计划发布太赫兹通信的相关标准.
发达国家和地区大力推动太赫兹频段的开发利用.
美国.美国政府很早就意识到太赫兹频段的潜在学术价值和应用价值,于2004年将太赫兹技术列为“改变未来世界的十大技术”之一.在随后的两年时间里,美国政府进一步将太赫兹技术明确为国防重点科学.美国从事太赫兹技术研究工作的主要机构包括知名大学和国家重点实验室.其中,知名大学主要以常青藤盟校为核心,而国家实验室涵盖了国家加速器实验室（SLAC）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）以及布鲁克海文国家实验室（BNL）等.除此之外,诸如贝尔和IBM这样的ICT（Information Communication Technology,信息通信技术）公司同样展开了太赫兹技术方面的研究.另一方面,政府对太赫兹技术的研发提供了重要的资金支持,包括国家航天局（NASA）、国家基金会（N）、能源部（DOE）在内的多个美国政府机构,都连续性地对太赫兹技术研究进行了大规模投入.
欧洲.欧洲第五、第六框架研究计划（ F r a m e w o r kProgramme Five/Sixth,简称FP5/FP6）为欧洲地区跨国、企业间联合研发太赫兹技术提供了充足的研发资金保障.2000年以后,在FP5和FP6中的信息社会技术项目里（Information SocietyTechnology Programme,简称IST）,太赫兹通信、太赫兹生物医学等领域成为研究热点.包括英国卢瑟福·阿普尔顿国家实验室、剑桥大学、利兹大学、思克莱德大学、德国卡尔斯鲁厄大学、汉堡大学、俄罗斯国家科学院等科研机构,都积极开展太赫兹技术的研究工作.在资金和研究团队强有力的保障下,欧洲地区的太赫兹技术研发取得了很多成功.其中,英国不仅研发了l-10THz频率范围内的宽频半导体振动器和检波器,还通过对相关企业的风险投资,商用了小型医用太赫兹脉冲成像装置；法国在对太赫兹频段所需的信号处理装置进行了重点研究；德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所搭建了一套工作在220GHz频段的无线通信演示系统,其在1公里的范围内实现了高达40Gbps的超高速率传输.
日本.2005年年初,日本将太赫兹技术明确为该国重点突破的“未来十项重大支柱技术”之首.资金方面,日本政府在国家第3期科学技术基本计划（2006～2010）给予了太赫兹技术研发重点支持.研究队伍方面,包括大学、大阪大学、京都大学、工业大学等知名高校,日本理化学研究所（RIKEN）、日本产业技术综合研究所（AIST）、日本信息与通信技术所（NICT）等顶尖研究机构以及NTT在内的科技公司都大力开展太赫兹技术的研发工作.早在2006年,日本就成功搭建了1.5公里的全球首个太赫兹无线通信演示系统.2012年,日本工业大学利用542GHz频段的载波,实现了3Gbps的高速传输速率.除此之外,日本还与欧洲、北美等地区合建了阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵（ALMA）,成为世界最强射电望远镜之一.
对中国开发利用太赫兹频段的启示
开展太赫兹频段相关频率划分和规划的预先研究.
一是梳理出中国275GHz～3000GHz频段范围内已有的无源业务.从国际趋势来看,随着空白低频资源的密集使用和无线电技术发展的现实需要,275GHz～3000GHz频段将很可能在未来几年内划分给具体的有源无线电业务使用.在此之前,摸清该频段内现存的无源业务,将为中国今后在国际上争取频率划分的有利地位打下坚实基础.二是提前研究275GHz～3000GHz频段范围内潜在有源业务与无源业务的共存方案.首先,在全国范围内调研,对该频段范围内现有的（潜在）有源业务进行集中摸底,特别是通信、安全检查、生物医学等重点领域.其次,在梳理出无源业务以及调研出（潜在）有源业务的基础上,研究两者之间的共存方案.通过限制功率大小等技术手段,避免今后有源业务正式使用后与现存无源业务产生有害干扰.三是积极参与该频段范围的无线电管理国际事务.一方面,紧跟ITU步伐,按照ITU的统一部署开展我国275GHz～3000GHz频段的相关管理工作.另一方面,要结合我国实际情况,在前期工作基础上,形成关于275GHz～3000GHz频段的有关议题提交给ITU,力争在太赫兹频谱资源开发利用领域取得先机.
以太赫兹通信为着力点,集中力量突破重点应用.
从目前国内外对太赫兹科学技术的研究进展来看,在基础科学研究方面,主要集中于太赫兹辐射源、太赫兹波传输、探测机理等领域,而太赫兹技术应用主要集中在太赫兹通信以及太赫兹成像等领域.一要理顺基础科学研究和技术应用的关系.太赫兹基础科学研究是太赫兹技术应用的基础,只有进一步研究清楚太赫兹辐射源产生机理、传输特性等基础问题,才能更好地服务于具体的技术应用.反过来,太赫兹技术应用会进一步推动太赫兹基础科学的研究.二者互为条件、相互促进,因此必须加强太赫兹基础科学研究和技术应用的合作.二要抓住重点、全力突破太赫兹通信.从3G、4G到5G的无线通信发展路径来看,人们对于无线通信大带宽、低延时和高可靠性的要求越来越高,而太赫兹通信具备的优点足以满足后5G时代的性能要求.在2016年国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》中,太赫兹通信已经成为“发展新一代信息技术”的重点之一,集中力量突破太赫兹通信,对于带动太赫兹基础科学研究及技术应用都有着极为重要的意义.
为开发利用太赫兹技术营造良好环境.
一是成立太赫兹产业联盟.从我国研发合作情况来看,目前高校、研究所等研究机构依托太赫兹科学协同创新中心,其合作相对紧密.但是,研究界与产业界之间的合作相对缺乏.成立太赫兹产业联盟,可以为研究机构与下游企业间搭起一座沟通的桥梁,不仅能够提升太赫兹基础研发成果的转化速度,更可以加快我国太赫兹技术产业化进程,进而实现技术研发和产业布局的协同发展.此外,产业联盟还可以作为我国太赫兹技术对外交流合作的平台,在技术研发和标准制定的过程中,与IEEE等相关国际标准化机构,以及其他国外相关研究组织开展多种形式的技术交流活动,加大太赫兹技术研发的对外开放性,避免“闭门造车”.二是为太赫兹技术研发提供资金保障.一方面,财政科研可以继续通过国家重点基础研究发展计划（973计划）以及国家高技术研究发展计划（863计划）等专项,加大对太赫兹技术研发的资金支持,同时要引导和鼓励地方政府加大投入.另一方面,要创新财政科技投入方式,加强财政资金和金融手段的协调配合,综合运用创业投资、风险补偿、贷款贴息等方式,充分发挥财政资金的杠杆作用,引导金融资金和民间资本进入太赫兹技术研发领域,为太赫兹技术研发提供充足的资金保障.
（作者单位系赛迪智库无线电管理研究所）
I
I（Industrial Scientific Medical）频段即工业、科学和医用频段,由美国联邦通信委员会（FCC）分配,无需许可证,只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W）,并且不要对其他频段造成干扰即可.I S M 是由I T U-R（国际通信联盟无线电通信局）定义,其频段在各国的规定并不统一.如在美国,分为工业（902MHz ～ 9 2 8 M H z ） 、科学研究（ 2 . 4 2 G H z ～ 2 . 4 8 3 5 G H z ） 和医疗（ 5 . 7 2 5 G H z ～ 5 . 8 5 0 G H z ） ； 在欧洲,9 00MHz的频段则有部分用于G通信,用于I的低频段为868MHZ和433MHz.
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