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在毫米级波长之外,太赫兹领域正在等待

100GHz+ sign with digital globe in the background
太赫兹区域具有独特的优势,包括抗干扰性和实现比5G快1000倍的数据率的能力。

在制定5G的标准时,第三代合作伙伴计划(3GPP)一直在关注毫米波。5G本质上将利用毫米波来适应特定的应用,并提供在较低频率下无法获得的几千兆赫的频谱。但它并没有止步于此。

全世界的研究人员都在探索远高于100GHz的频率,甚至进入太赫兹区域。

目前,无线运营商在实施24GHz和28GHz频率的网络时遇到了很大的困难,所以我们有理由怀疑如何实现一个更高数量级的频率的操作。像所有技术性质的讨论一样,真相在于细节,特别是那些关于不同波长的传播特性。

为了充分了解太赫兹区域,重要的是要认识到它在电磁频谱中的位置,也就是在振荡器用于产生无线电信号和光子学方法产生光的地方。虽然毫米级的波长非常小,但100GHz的全波长却更小,100GHz的波长约为3毫米,10THz的波长仅为0.3毫米。因此,从理论上讲,如果能够克服巨大的挑战,整个系统可以在几分之一英寸内建造。

然而,重要的是要理解,既然在更低的毫米波频率下有如此多的带宽可用,为什么还需要使用这些极高的频率。答案是,定义为100 GHz至10 THz的太赫兹区域具有独特的优势。

这些优势包括:抗干扰性强,因此设备可以在非常近的地方运行;由于传播距离很短,因此本身安全性很高;能够在一个连续的频段上实现1 Tb/s(100万Mb/s)的数据率--比5G快1000倍。一些可能的应用包括高清全息游戏、数据中心的高速无线数据分配、无线认知、传感、成像,以及令人难以置信的定位和精确定位。

这不是一个线性的世界

频率越高,通过空间的损耗就越大,看似合乎逻辑。虽然这是事实,但并没有那么简单。在超高频和微波频率下,路径损耗往往由于分子吸收非常低造成的。但在更高的频谱上,其他因素也会起作用,如降水和树叶的散射,会大大阻碍范围和可靠性。

然而,路径损耗不是线性的,因为大气中的氧气、氢气和其他气体吸收电磁能量的共振频率随频率变化。因此,看下图的数字看来,大气吸收在100GHz(0.1Thz太赫兹)时只比在300GHz时稍高,并继续增加,变化幅度很大,直到10太赫兹 —— 在这个频率上变得极高。


虽然从逻辑上讲,随着大气衰减随频率增加,在太赫兹区域的操作应该是个幻想。但正如该图所示,衰减的进展并不是线性的,而且通过增加极高的增益天线,它可以被大大缓解。(资料来源:《太赫兹的真相》。太赫兹的真相》,卡特-M-阿姆斯特朗,IEEE Spectrum,2012年8月)

很多专家,包括纽约大学坦登工程学院电气和计算机工程教授、纽约大学无线学院创始院长Ted Rappaport博士也指出了这些特点。Rappaport博士指出,只要传输路径两端的天线孔径大小相同,通过空间的路径损耗就会随着频率的增加而呈四级递减。因此,对于给定的射频输出功率和链路两端相同的天线,自由空间中140GHz时的信号强度实际上比73GHz时的信号强度高5.7dB,比28GHz时的信号强度高14dB。

此外,与6GHz以下的频率相比,太赫兹频段的损耗低得令人吃惊,在300GHz以下只增加了约10dB/km。此外,尽管600至800GHz之间的大部分频谱遭受了100至200dB/km的巨大衰减,但在100米的距离上,这只相当于10或20dB,而这恰好是一个小蜂窝的典型覆盖范围。

如果再加上这些频率的天线非常小,成千上万的天线元件可以用来在非常窄的波束宽度上产生巨大的前向增益,那么使用有源相控阵天线技术就可以将相当大的功率指向特定区域。也就是说,300GHz远远低于10THz,在那里,100,000 dB/km的衰减有效地使信号无法长距离传播。尽管如此,仍有可能使用多跳网络或中继器来增加范围。

这些频率在语音和数据通信之外还有许多其他用途,其中最明显的也许是卫星间通信,窄波束信号的固有安全性对确保安全有很大好处。事实上,国防部多年来一直在使用毫米波频率来实现这一目标,并有兴趣在频谱上往上走,以使干扰和拦截信号的难度大大增加。

难,但并非不可能

想实现太赫兹频率的潜力,需要从半导体到网络设计在技术上取得巨大进步。由于很多年内不会用到这些技术--至少在通信方面--研究人员至少还有十年的时间来研究这些问题,可能费时更长。

FCC认识到太赫兹操作带来的技术挑战。2019年,该机构启动了一项名为 "新地平线 "的计划,为在95GHz和3THz间的无牌证频率上进行实验提供了几乎无规则的途径,创建了频谱地平线实验无线电许可证。它在频率范围、功率和发射等规格方面提供了极大的灵活性,唯一的注意事项是,实验者必须避免对现有服务产生干扰,而现有服务显然很少。在116至123GHz、174.8至182GHz、185至190GHz和244至246GHz,有超过21GHz的频谱可用。

 

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