文 陳俊俊 胡書盛 徐梓淇

近日，中國(guó)航天科工二院25所在北京完成國(guó)內(nèi)首次太赫茲軌道角動(dòng)量的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)。研究人員利用高精度螺旋相位板天線在110GHz頻段實(shí)現(xiàn)4種不同波束模態(tài)，通過(guò)4模態(tài)合成在10GHz的傳輸帶寬上完成100Gbps無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，最大限度提升了帶寬利用率，為我國(guó)6G通信技術(shù)發(fā)展提供重要的保障和支撐。

從2G時(shí)代100kbps的通信峰值傳輸速率，到5G時(shí)代5Gbps甚至10Gbps的峰值理論傳輸速率，傳輸帶寬不僅是衡量通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的主要指標(biāo)，更是網(wǎng)絡(luò)代際演進(jìn)的動(dòng)力所在。6G時(shí)代，通信頻段被擴(kuò)展到太赫茲頻段，這一頻段也是全球6G研究的熱點(diǎn)。

如今，6G正一步步從紙面走向現(xiàn)實(shí)。在中國(guó)發(fā)展高層論壇2023年年會(huì)上，專家透露，當(dāng)前還處在6G技術(shù)早期研究階段，預(yù)計(jì)6G將在2030年推進(jìn)到大規(guī)模商用階段。伴隨著6G技術(shù)向我們走來(lái)，太赫茲技術(shù)也再次進(jìn)入公眾視野。

作為新型頻譜技術(shù)，太赫茲通信可提供更大傳輸寬帶，滿足更高速率的傳輸需求。太赫茲技術(shù)正逐漸成為6G通信關(guān)鍵技術(shù)之一。

當(dāng)然，太赫茲技術(shù)的能量不止如此。一旦太赫茲技術(shù)成熟，將為天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、通信雷達(dá)等多個(gè)重要領(lǐng)域帶來(lái)重大改變。

“蒙塵的寶藏”，缺失的空白

人類從認(rèn)識(shí)電磁波后，就開始了利用電磁波改造世界的歷程。遠(yuǎn)到衛(wèi)星通信技術(shù)，近到廚房中使用的微波爐，電磁波給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利。然而，在可見(jiàn)光和微波之間還存在著“間隙”，一段沒(méi)有被廣泛開發(fā)利用的波段——太赫茲波。

太赫茲波是指頻譜在0.1～10THz之間、波長(zhǎng)為30～3000μm范圍內(nèi)的電磁波。太赫茲波的頻譜介于微波與紅外線之間，因此擁有二者都有的一些特性。

太赫茲波雖然很少在公眾視野中“拋頭露面”，但科學(xué)家對(duì)它的研究已有一個(gè)多世紀(jì)。早在100多年前，已經(jīng)有科學(xué)家對(duì)這一波段進(jìn)行過(guò)先期的探索。然而直到20世紀(jì)七八十年代，太赫茲波才有了自己的名字。在此之前，在光學(xué)領(lǐng)域，它被稱為遠(yuǎn)紅外線；在電子學(xué)領(lǐng)域，稱之為亞毫米波或是超微波等。

天文學(xué)家最早關(guān)注到了這一“蒙塵的寶藏”。20世紀(jì)70年代，空間科學(xué)家將其運(yùn)用到陸基射電望遠(yuǎn)鏡上，來(lái)研究星際介質(zhì)和行星大氣的化學(xué)成分等。那時(shí)候，人們建造了大量觀測(cè)設(shè)備，推動(dòng)了射電天文學(xué)和空間科學(xué)的發(fā)展。然而，由于地球大氣對(duì)太赫茲波大多數(shù)頻率波段的吸收率非常高，科學(xué)家只能通過(guò)高海拔天文臺(tái)和浮空氣球利用極少數(shù)可用“窗口”開展研究?？梢哉f(shuō)，當(dāng)時(shí)用來(lái)遙望星辰大海的太赫茲技術(shù)，自身也是被遙望的“星辰大海”。

當(dāng)時(shí)，太赫茲技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但如果說(shuō)紅外線和微波技術(shù)已達(dá)到“凌波微步”的程度，那么太赫茲技術(shù)還在“蹣跚學(xué)步”。不僅因?yàn)榈厍虼髿鈱?duì)太赫茲波大多數(shù)頻率波段的高吸收率，還因技術(shù)壁壘導(dǎo)致難以找到合適的太赫茲源。此外，有些太赫茲源的輸出功率有限；有些太赫茲源則受限于尺寸、復(fù)雜性或成本而不能大規(guī)模生產(chǎn)……于是，所謂的“太赫茲間隙”“太赫茲空白”便由此產(chǎn)生。

太赫茲波憑借著其獨(dú)特的瞬態(tài)性、高穿透性、寬帶性、相干性和低能性等特點(diǎn)，展現(xiàn)出極為廣闊的應(yīng)用前景。超快光電子技術(shù)和低尺度半導(dǎo)體技術(shù)，也為太赫茲波段提供了適合的光源和探測(cè)手段，推動(dòng)了太赫茲技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。2004年，美國(guó)將太赫茲技術(shù)評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一；2005年，日本將其列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首；2005年，我國(guó)也在香山科學(xué)會(huì)議中，制定了太赫茲技術(shù)發(fā)展規(guī)劃……伴隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展，蒙在寶藏上的“灰塵”，被一點(diǎn)點(diǎn)拭去，寶藏開始散發(fā)出耀眼的光芒。

前景廣闊的“萬(wàn)能”電磁波

隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)曾經(jīng)存在于微波和可見(jiàn)光之間的“間隙”“空白”逐漸被照亮。攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)壁壘后，太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域研究團(tuán)隊(duì)數(shù)量也隨之大量增加。研究人員努力開發(fā)更多新的技術(shù)和儀器來(lái)探索太赫茲頻段，或者利用太赫茲儀器進(jìn)行各種有意義的研究。

太赫茲波可謂前景廣闊的“萬(wàn)能”電磁波，具有許多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。與微波相比，太赫茲波具有更高的空間分辨率；與紫外線和X射線相比，太赫茲波是非電離的，更加安全。

近年來(lái)，世界各國(guó)都十分重視太赫茲波在安檢和反恐領(lǐng)域的運(yùn)用。2016年G20峰會(huì)上，中國(guó)首次投入使用了太赫茲安檢設(shè)備。太赫茲波具有全覆蓋的特點(diǎn)，且對(duì)金屬和特定化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出不同強(qiáng)度的輻射特征，可謂“天生的反恐專家”。除了常規(guī)的違禁品，太赫茲波還能識(shí)別出陶瓷刀具、3D打印槍支等新型武器。

此外，生物分子和水分子在太赫茲波段有特征吸收，利用太赫茲波技術(shù)可對(duì)生物樣品進(jìn)行成像檢測(cè)，這使得太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。比如用于癌癥診斷、篩查齲齒等。

太赫茲波更是廣泛應(yīng)用于大氣遙感和空間天文探測(cè)。太赫茲氣象衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)，提供了更為精準(zhǔn)、更為多樣化的氣象數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)。截至2019年，已有9個(gè)現(xiàn)有或計(jì)劃中的衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)傳感器用于執(zhí)行全球測(cè)量，探測(cè)地球大氣、陸地和海洋成分所吸收和發(fā)射的自然電磁能量。

太赫茲頻段也是射電天文領(lǐng)域極為重要的觀測(cè)頻段。截至2019年，全世界已有13個(gè)不同的射電天文站點(diǎn)使用太赫茲頻段用于天文觀測(cè)。這些正在運(yùn)行的射電天文系統(tǒng)包括單口徑望遠(yuǎn)鏡、干涉儀和氣球平臺(tái)等。

當(dāng)前，人們最為關(guān)注的就是太赫茲通信技術(shù)，由于太赫茲占據(jù)了300GHz～3THz頻段的超寬頻譜，支持超大速率的無(wú)線通信，具有傳輸容量大、安全性高、穿透性好等優(yōu)勢(shì)。因此其在全息通信、微小尺寸通信、超大容量數(shù)據(jù)回傳、短距超高速傳輸?shù)葓?chǎng)景中有望得到應(yīng)用。如今，太赫茲技術(shù)已逐漸成為新一代無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，被認(rèn)為是未來(lái)6G的重要技術(shù)備選方案。

近期，我國(guó)紫金山實(shí)驗(yàn)室采用太赫茲光纖一體融合的全新傳輸架構(gòu)，速率較5G提升10至20倍；采用新型的光子輔助太赫茲技術(shù)路線，借助于商業(yè)成熟的數(shù)字相干光模塊，打破電子器件的瓶頸，解決了傳統(tǒng)太赫茲無(wú)線通信信號(hào)實(shí)時(shí)處理難題；發(fā)明融合了光纖通信的高帶寬大容量和太赫茲無(wú)線通信的便攜靈活接入雙重優(yōu)勢(shì)，可顯著降低6G研發(fā)門檻，大大加速太赫茲技術(shù)商用化進(jìn)程。

打破傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式的“透視眼”和“通信員”

太赫茲在軍事上的應(yīng)用前景也不容小覷，美國(guó)、俄羅斯、日本、歐洲各國(guó)等紛紛投入巨資，力求在太赫茲研究上占據(jù)領(lǐng)先賽道。其因具有輻射小、透射性好、通信傳輸容量大等突出特點(diǎn)，在軍事通信、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、精確制導(dǎo)、反隱身和電磁對(duì)抗等領(lǐng)域持續(xù)掀起熱潮。

太赫茲波將會(huì)成為部隊(duì)的“透視眼”。太赫茲成像系統(tǒng)可檢測(cè)自然界的太赫茲輻射，不僅可以穿透墻體對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描，在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，還能借助太赫茲對(duì)“墻后”物體進(jìn)行三維立體成像，探測(cè)掃描隱蔽偽裝的武裝人員。未來(lái)利用太赫茲波照射路面，甚至可以遠(yuǎn)距離探測(cè)地下的掩體、工事甚至是雷場(chǎng)。目前，美國(guó)、德國(guó)、以色列等國(guó)家，都投入了大量的資金研發(fā)用于軍事預(yù)警偵察的太赫茲?rùn)z測(cè)裝置和成像裝置。德國(guó)應(yīng)用科學(xué)研究所研制的太赫茲ISAR成像雷達(dá)，可探測(cè)近距離隱藏的目標(biāo)，在探測(cè)距離為500m、工作頻率為0.22THz條件下，成像分辨率可達(dá)1.8cm。

使用太赫茲波的雷達(dá)，還能讓現(xiàn)有的“隱形戰(zhàn)機(jī)”無(wú)處遁形。通常所說(shuō)的隱身技術(shù)，主要是靠形狀、吸波涂層來(lái)吸收或改變雷達(dá)波的傳播方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常規(guī)的雷達(dá)在探測(cè)雷達(dá)截面很小的隱身戰(zhàn)機(jī)時(shí)往往顯得“力不從心”。而處于電磁頻譜過(guò)渡區(qū)域的太赫茲，則可以用于探測(cè)更小的目標(biāo)和進(jìn)行更精確的定位，并且“跳出”隱形戰(zhàn)機(jī)所針對(duì)的傳統(tǒng)頻段，實(shí)現(xiàn)“降維打擊”。一旦太赫茲雷達(dá)技術(shù)成熟并應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，隱形戰(zhàn)機(jī)最引以為傲的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。

在通信方面，太赫茲波會(huì)是最可靠的“通信員”。太赫茲波的頻段可以承載更大的信息量，輕松解決目前戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸受制于帶寬的問(wèn)題，滿足大數(shù)據(jù)的通信要求。太赫茲波束窄，具有極高的方向性、較強(qiáng)抗干擾性和云霧及偽裝物穿透能力，可以在沙塵及濃煙等復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下以極高的帶寬進(jìn)行軍事通信。

一個(gè)屬于太赫茲的時(shí)代，正在加速向我們走來(lái)。目前，大功率太赫茲波輻射源和高靈敏度探測(cè)技術(shù)等相關(guān)研究都取得了突破性進(jìn)展，更多太赫茲技術(shù)研究方興未艾?？梢哉f(shuō)，誰(shuí)先掌握了這一能夠有效破解“戰(zhàn)場(chǎng)迷霧”的技術(shù)，誰(shuí)就將占據(jù)未來(lái)軍事制高點(diǎn)。