具備“通信+傳感”性能，B5G/6G時代，太赫茲波備受期待！

作者：陳琦，文章來源：Murata村田中國

太赫茲波在電磁波的分類中，位于微波、毫米波等“電波”和可見光等“光”之間（下圖）。通常，其頻率范圍是100GHz-10THz（太赫茲），波長范圍是3mm-30μm左右，就是指電波和光重疊的區(qū)域。

太赫茲波具有應(yīng)用在通信網(wǎng)絡(luò)去檢測物體和人體的"潛力"，也就是將網(wǎng)絡(luò)本身作為傳感器進行活用的“遙感”技術(shù)。

太赫茲波在電磁波（電波、光）中的區(qū)域

在Beyond5G/6G時代，其活用備受期待的太赫茲波是什么？

電磁波與運動和熱量一樣，是一種能量形態(tài)，是指電場（電力作用的空間）和磁場（磁力作用的空間）一邊變化一邊進行傳播的一種波。太赫茲波可以說是接近于光的一種電波，具有穿透物質(zhì)或被物質(zhì)吸收的特性。

有觀點認為，可以利用該特性測量出光吸收類型，并根據(jù)光吸收類型，將太赫茲波應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域中的傳感和成像等方面，包括從分析物質(zhì)成分到使用無人探測器探索行星。

另外，太赫茲波的另一大特點是，其能量低于可見光，所以沒有X射線之類的輻射風(fēng)險，不需要管理資格。由于它對人體無不良影響，所以也可以活用在安全檢查方面，例如在機場入口等公共場所，檢查在場人員是否攜帶武器或可疑物品。

有關(guān)用于B5G/6G的太赫茲波，負責(zé)管理和監(jiān)督美國通信電波的聯(lián)邦通信委員會（FCC：Federal Communications Commission）為了開展研究和實驗，已經(jīng)開放了95GHz-3THz和寬頻帶。預(yù)計將和毫米波中的94GHz一樣，考慮將太赫茲波用于宇宙開發(fā)等特殊用途。

在日本，B5G的特定實驗試驗局的使用頻帶主要是從90GHz-300GHz的被稱為“亞太赫茲波（sub-THz）”的頻帶開始進行研究和探討。90GHz-300GHz的“亞太赫茲波”可使用比5G毫米波寬10倍以上的帶寬。100GHz-1THz的太赫茲波作為21世紀(jì)30年代預(yù)想的B5G/6G的通用頻帶,其實用化正受到期待。在全球供應(yīng)鏈中，設(shè)備規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)的兼容性與新電波的標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，因此隨著新設(shè)備的研究開發(fā)，人們對于完善國際標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注也在提高。

在5G中，使用的是比4G通信速度高且在較少的基站中可廣范圍接收電波的Sub6（3.7GHz/4.5GHz），以及通信速度比Sub6大約快16倍的通信區(qū)域狹小的毫米波（28GHz/39GHz）。在B5G/6G中，預(yù)計也會根據(jù)不同用途，區(qū)別使用不同頻帶的電波，以達到高效使用。

在太赫茲波網(wǎng)絡(luò)中備受期待的傳感器性能

如上所述，太赫茲波在用于檢測和分析物質(zhì)的設(shè)備上得以活用，目前正在研究的是，未來使用太赫茲波的通信網(wǎng)絡(luò)去檢測物體和人體，也就是將網(wǎng)絡(luò)本身作為傳感器進行活用的“遙感”技術(shù)。

紅外線和LiDAR作為一項利用了光和電波的反射的遙感技術(shù)，目前已被用于汽車等設(shè)備中。另一方面，太赫茲波作為接近光的一種電波，我們期待它能同時具備更廣范圍的傳感性能和高速大容量的數(shù)據(jù)通信性能。比如，還有一種構(gòu)想是，就像穿透型傳感器或活用空間分辨率進行成像的圖像傳感器那樣，根據(jù)太赫茲波的穿透和吸收等特性，將多個基站構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)加以活用。

使用太赫茲波網(wǎng)絡(luò)的通信和傳感的構(gòu)想圖

如果使用由地面基站組成的太赫茲波無線網(wǎng)絡(luò)的遙感技術(shù)得以實現(xiàn)，我們就能夠更迅速地獲取到例如天氣、交通量、道路障礙物和人流等的詳細信息（圖2）。或者從遙感通信終端的傳感器上獲取大數(shù)據(jù)，AI（人工智能）就可以根據(jù)大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更詳細地預(yù)測交通堵塞和人流擁擠狀況并選擇路線進行回避的性能。另外，由于遙感技術(shù)可以檢測出有人入侵場地，所以同時也具備安全防范傳感器的性能等，可用于多種用途。太赫茲波容易被水吸收的特性在一些方面仍存在課題，但也有觀點認為，該特性同時也可用于天體上微量水分的探查。在地面上，可以通過水分引起的電波傳播衰減來感知雨量，因此可以更低延遲并高精度地獲取局部降雨等氣象信息。綜上所述，使用太赫茲波網(wǎng)絡(luò)同時發(fā)揮通信和傳感功能，將會成為實現(xiàn)超智能社會的關(guān)鍵一步。

在太赫茲波通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮遙感技術(shù)，實現(xiàn)超智能社會

太赫茲波無線網(wǎng)絡(luò)的課題和所需技術(shù)

太赫茲波無線網(wǎng)絡(luò)的實用化在技術(shù)上還存在不少課題。

如上所述，太赫茲波是接近光的一種電波，其電波的直進性比毫米波更高，還具有易受水分（雨水和大氣中的濕氣等）和障礙物（大樓、樹木、人體等）影響的特性。而該特性所產(chǎn)生的電波的傳播衰減量，以及根據(jù)該特性可以檢測出降雨量、物體、人體的存在等，正是太赫茲波的有利之處。

但另一方面，太赫茲波的這種特性是無線網(wǎng)絡(luò)中電波傳播方面的重大課題。這是因為，將太赫茲波作為無線通信用的電波來使用時，對于將電波傳播到遠方這一目的而言，水分和障礙物造成的損失、吸收、遮擋、穿透損耗、漫反射會成為不利條件。

另外，B5G/6G的傳輸和接收需要相關(guān)系統(tǒng)和軟件方面的技術(shù)，如通信控制技術(shù)、算法、設(shè)備管理，以及能夠從傳感數(shù)據(jù)中獲取有利用價值的信息或優(yōu)化控制的AI等。

與此同時，基站和終端所需的設(shè)備包括了支持高頻和寬帶電波的天線、濾波器、放大器、混頻器、本地振蕩器等。開發(fā)這些設(shè)備不僅需要解決亞太赫茲波和太赫茲波的傳播特性存在的課題，同時還需要實現(xiàn)小型化、低耗電性，散熱性和穩(wěn)定性。

B5G/6G的近期研究和今后的技術(shù)革新，將在21世紀(jì)30年代為各種產(chǎn)業(yè)帶來新的用戶體驗（UX），同時在許多國家面臨的勞動人口、自然環(huán)境變化、自然災(zāi)害等未來預(yù)測發(fā)生的諸多問題方面，作為解決方法之一正備受期待。

關(guān)于村田

株式會社村田制作所是一家進行基于陶瓷的無源電子元件與解決方案、通信模塊和電源模塊之設(shè)計、制造與銷售的全球領(lǐng)先企業(yè)。村田致力于開發(fā)先進的電子材料以及領(lǐng)先的多功能和高密度模塊。公司員工和制造基地遍布世界各地。

審核編輯 黃宇