太赫兹高速通信电子学通信方案

太赫兹高速通信电子学通信方案

钱程

中国计量大学  浙江 杭州  310000

摘要：太赫兹是一种很有发展价值的电磁辐射,在很多领域都有着重要应用。本文主要介绍了太赫兹技术原理和特点。目前,国内外学术界已经开始研究制造出有很多的不同封装形式组成的新一代光纤通信技术系统和一系列新型结构的微波中继器系统以及一系列相关技术产品用以有效满足社会对于无线信息传输安全、数据可靠传输可靠性及传输保密功能等诸多需求;太赫兹通信技术简介作为世界近年来信息领域中形成主流的通信新技术,太赫兹传输技术一直在社会各经济领域里得到政府高度和重视。本文将主要地阐述介绍了有关太赫兹技术的发展前景及应用。

一、基本概念

1.1太赫兹波

太赫兹波通常是指电磁波频率大约在0.1~至10THz左右的高频电磁辐射,从其电磁频谱密度上去看,太赫兹波的电磁波频率分布在无线的电波谱和光波频谱之间;但是从辐射能量范围上来看,太赫兹波分布在电子能量和光子能之间。太赫兹波两侧采用的基本上是今天已经比较非常接近成熟技术的远红外技术和微博技术,但是太赫兹微波技术方面却又基本上目前还是有一个技术空白,究甚其原因应该是由于太赫兹波理论不太完全可以适用于现代无线的电波理论和研究,也不能够完全地适用于现代光波理论与研究。[i]太赫兹波成像在新型半导体材料领域、高温超导材料的物理化学性质分析研究方法领域、断层显微成像检测技术领域、无标记的基因的检查研究领域、细胞水平的微波成像诊断领域、化学的和其他生物样品的无损检查方法领域,以及无线宽带移动通信、微波成像定向成像领域等诸多研究领域内有很广泛深入的研究应用与前景。[ii]研究太赫兹频段技术将直接推动各个阶段其他电子学理论技术研究开发工作方式的更重大变革发展,同时它对目前已发展完善起来的其他固态电子学原理和模拟电路技术领域也均将由此提出的重大新挑战。可以进一步确定太赫兹通讯技术也将仍然是一个本世纪发展重大飞跃的重要新兴的科学技术领域之一。太赫兹微波技术本身之所以会在世界上拥有存在着如此多的大频谱范围内的如此巨大的吸引力,主要原因的是由于太赫兹波的本身所具有的明显的优势有了以下的这些突出特点:有了大概有了一半以上的宇宙空间光子能量、很大比例的相当一部分的行星际分子的特征谱线也都包含在有了太赫兹波技术的大频率范围内[iii];还有其中很大部分的和一部分的有机物质分子中的原子转动的跃迁和粒子振动的跃迁、半导体材料中的粒子的带能和微带能量跃迁均局限在了太赫兹波范围内的[iv];同时太赫兹波技术还能做到像一般的无线反射和电波技术一样能够有效穿透到很多有机非金属性物体分子和穿透很多导电非极性材料,穿透到很多有害烟雾气体颗粒和穿透很多有害空气污染物中的附着的一些微小的浮尘和粒子;另外由于太赫兹光子波所实际可以直接拥有的光辐射的能量比一般比较的要小,相比于之相对于的普通的X射线,太赫兹波目前还并不会真正能够直接引起在任何一种生物组织器官内发生的光致电离。因此,太赫兹辐射探测新技术理论运用在空间物体的探测及成像、医疗远程检测诊断、射线天文、宽带空间传输通信、雷达卫星定位等前沿研究前沿领域应用里都会同样的具有其巨大而无比宝贵的应用基础科学前沿理论研究重要学术价值基础地位和具有重要的实际与科技与应用研究发展前景。[v]

1.2太赫兹波的应用

太赫兹波成像在军用雷达领域、目标定位识别仪领域、引信探测及激光精确目标制导等领域中等有多个专业方面已经具有其理论设计上潜在的军事应用和前景。[vi]比如雷达可以直接利用太赫兹波方向性比较强成像的物理特点,可用于直接制作出高分辨率成像的军用雷达。[vii]也就是可以直接利用太赫兹波可穿透固体物质而成像的光学特点,用于直接探测到隐藏在地面覆盖物上或者尤其是处于烟尘、大雾背景中的军事设备。同时它还具有可以直接利用太赫兹波来穿透烟雾沙尘颗粒的穿透能力,做到了全天候的导航系统,避免了恶劣条件下的航行困难。目前的雷达隐形技术尚远远不能完美对抗太赫兹频段,因此利用以太赫兹波谱作为雷达辐射源的雷达才能够真正获取隐身飞行器的雷达图像。成像及识别技术也是太赫兹技术应用的下一个更重要的应用空间领域,可以轻松实现远距离对地面目标影像的精确监视、追踪、识别等,同时它也同时可以用于实现高分辨率多目标光谱立体成像、三维立体成像。太赫兹波无线通信设备除了具有无线信号传输系统的数据传输速度快,同时由于设备天线还同时可以提供具有较高的方向性和穿透力极强及耐穿透性更强等的天线设计技术特点,因此太赫兹波无线信号也会更多适合于被设计用于高安和全高保密标准的军用卫星和无线遥控通信及测控设备系统以及中前期及在战时应用的中高速和较低延迟的中短距离微波及无线卫星遥控与通信系统。[viii]

太赫兹波探测器拥有直接隔着织物来探测金属制品表面的强大能力,可用于机场、地铁出入口等多种重要易燃易爆场所进行的现场安全的防暴和检查。

[ix]基本参数太赫兹波的探测功能不仅是可以成像分辨出隐藏物的几何形状,同时它还可以能够成像检测隐藏物品里的危险化学成分,也就是说通过太赫兹波也有成像探测危险爆炸物以及危险生化武器等危险品的检测能力,可用于对可疑人员车辆及危险邮件包裹的安全检查还包括可以做到对战场化学成分的寻迹等。

二、太赫兹器件

2.1太赫兹源发射器

目前用于太赫兹微波源发射器上的技术研究方向主要的有差位频振发生装置(differencefrequencygenerator,DFG),太赫兹波束参量振荡器装置(Terahertzparameteroscillator, TPO)及其一些他的THz波源发生器。[x]

集成由提供了调制功能的光混频微波器件阵列产生信号的太赫兹波器件阵列[xi]。工作时间范围在波长达1550纳米级以上的重离子束辐照下用In0.53或Ga0.47As材料所能制作出来的新型光混频复合微波器件。[xii]光混频波器件阵列的阵列集成技术可帮助大幅的提高光混频微波器件阵列的微波系统输出总功率。无线链路的发射机单元一般主要由微波基带模块、射频模块、功率传输控制/功率控制器模块组成和天线模块的共同模块构成,其中典型的微波射频系统模块应包括主要由发射机模块、功率传输控制功率放大器天线模块等组成和锁相振荡器构成模块(phase-lockedoscillator,PLO)构成。

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作者简介：钱程（1999.11-），男，汉族，上海，本科在读，研究方向：太赫兹技术。