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具備“通信+傳感”性能,B5G/6G時代,太赫茲波備受期待!

發(fā)布時間:2023-02-16 來源:Murata村田中國,作者: 陳琦 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。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(jìn)行活用的“遙感”技術(shù)。


具備“通信+傳感”性能,B5G/6G時代,太赫茲波備受期待!

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(jìn)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(rèn)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(jī)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。


具備“通信+傳感”性能,B5G/6G時代,太赫茲波備受期待!


有關(guān)用于B5G/6G的太赫茲波,負(fù)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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。


具備“通信+傳感”性能,B5G/6G時代,太赫茲波備受期待!

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(xì)信息(圖2)?;蛘邚倪b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(xì)地預(yù)測交通堵塞和人流擁擠狀況并選擇路線進(jìn)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(rèn)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。

具備“通信+傳感”性能,B5G/6G時代,太赫茲波備受期待!

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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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。

 (來源:Murata村田中國,作者: 陳琦)


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