一文读懂毫米波 / 太赫兹通信技术：优势、挑战、应用与前沿进展
一文读懂毫米波 / 太赫兹通信技术：优势、挑战、应用与前沿进展
在科技飞速发展的当下，通信技术的迭代日新月异，毫米波与太赫兹通信技术作为前沿领域，正逐渐走进人们的视野，为未来通信的变革带来无限可能。这两种技术以其独特的优势和广阔的应用前景，吸引着科研人员与行业从业者的目光，成为通信领域的研究热点。
毫米波通信技术
毫米波，波长处于毫米级，通常指 30 - 300GHz（1mm - 10mm）频段，甚至涵盖 24GHz 以上频段。它在 5G 通信中展现出诸多显著优势。频率资源丰富、带宽极大，这一特性使得 5G 毫米波能够实现峰值速率和平均速率高达数 Gbps 的传输，极大地提升了通信容量。而且，毫米波容易与波束赋形技术相结合，通过提供定向性，不仅提高了信号强度，还增强了通信性能，同时降低了干扰。极低时延（亚毫秒级）的特点，为工业物联网、AR/VR、云游戏、实时计算等对时延要求极高的业务提供了有力支持。它还可支持密集小区部署，在大型场馆和交通枢纽等人员密集场所发挥重要作用，实现高效通信。此外，毫米波具备高精度定位能力，在工业互联网、物流运输、车联网以及室内定位等领域大有用武之地。值得一提的是，毫米波技术助力设备集成度大幅提高，推动基站和终端向小型化、微型化发展。
然而，5G 毫米波技术并非一帆风顺，也面临着诸多挑战。由于其频段高，传播损耗大，绕射和衍射能力较弱，导致覆盖范围相对受限。为解决这些问题，科研人员研发出一系列解决方案。波束赋形技术通过增加等效全向辐射功率（EIRP），有效提升了覆盖能力；波束管理涵盖波束搜索、跟踪、切换等功能，保障信号的稳定传输；相位阵列 RFICs 技术、集成接入与回传（IAB）技术以及 small cell 技术等，都从不同角度优化了 5G 毫米波的覆盖。在移动性管理方面，由于高频信号传播特性，5G 毫米波小区覆盖半径小，终端在移动状态下频繁切换小区容易导致数据传输中断。为此，灵活快速的小区切换方案、快速的波束恢复机制以及完善的 Multi - TRP 功能应运而生，致力于实现无缝切换。另外，5G 毫米波产品实现过程复杂，难度较大，其测试也因系统带宽大、天线阵列小、发射波束窄、传播损耗大等特点，无法沿用传统方式。
太赫兹通信技术
太赫兹频段位于 0.1THz - 10THz，波长范围为 30μm - 3mm，处于微波和红外波频段之间。太赫兹通信技术具有诸多独特之处。它既具备微波频段的穿透性和吸收性，又拥有光谱分辨特性。太赫兹的穿透性使其可应用于质量或安全检测等领域；低能性大大降低了电磁波照射对人体的伤害，能够实现无损检测；瞬态性（皮秒量级）适用于生物样本等对时间分辨率要求高的成像检测和医学研究；指纹谱特性可用于分子级别的物质检测与鉴别；宽带性则在空间通信和无线宽带通信中发挥优势。不过，太赫兹通信也存在一些短板，比如路径损耗较大，穿透和绕射能力较差，信号容易被遮挡。尽管如此，太赫兹通信凭借超大带宽超高速率通信的能力，在通信领域占据重要地位。其信号产生方式多样，基于电学产生可使用电子器件直接产生，也可通过倍频间接产生；基于光学产生的方法包括连续波法（如实验室常用的半导体激光器直接生成）、光学外差法（借助光学外调制器辅助生成太赫兹信号）以及光子辅助拍频等。在检测方式上，主要有相干检测和非相干检测（直接检测）。相干检测利用光的相干特性，通过混频产生差频分量，根据本振光与信号光频率关系可分为外差检测和零差检测，能获得较高信噪比；非相干检测则通过 PD 光电探测器进行平方律检测，将光信号转化为电流信号，检测光电流强度以获取幅度信息，但会丢失相位等其他信息。
毫米波与太赫兹通信技术虽然面临挑战，但它们的优势和潜力不可忽视。随着技术的不断发展和创新，未来有望突破现有困境，在更多领域实现广泛应用，为人们带来更加高速、稳定、便捷的通信体验，推动整个通信行业迈向新的高度，成为构建未来智能通信世界的重要基石。