太赫茲電磁波的傳播特性

摘要：文章敘述了太赫茲波的頻譜分布，物理特性及其在大氣中的傳播，其中包括降雨、障礙物和地面、室內等不利條件的影響。

關鍵詞：太赫茲波；物理特性；傳播特性；大氣吸收衰減；降雨損耗；室內傳播

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.001

中圖分類號：TN 92" " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-000-07

Abstract： In this Paper， the spectral distribution of terahertz waves， their physical properties， and their propagation in the atmosphere are described， including the effects of rainfall， obstacles， and adverse conditions on the ground and indoors.

Key words： Terahertz-waves; propagation characteristics; atmospheric absorption attenuation; loss due rain

1" 從未來的6G通信說起

伴隨著人類社會信息化、數字化、網絡化和智能化的進程，作為其服務工具的通信也在不斷更新換代。例如，就涉及億萬人和實體的移動通信而言，從2019年5G正式運營開始，預計2030年將迎來6G時代。

為什么6G是移動通信發展的必然趨勢？讓我們先回顧一下5G的發展愿景。IMT-2020（5G）推進組-5G概念白皮書中稱[1]：5G將滲透到未來社會的各個領域，以用戶為中心構建全方位的信息生態系統。5G將使信息突破時空限制，提供極致的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴；5G將拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實現人與萬物的智能互聯。5G將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設備的連接能力，超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性多場景的一致服務，業務及用戶感知的智能化，同時將為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最終實現“信息隨心至，萬物能手及”的總體愿景。

圍繞上述總體愿景，IMT-2020（5G）推進組給出了量化的關鍵性能指標（KPI），如表１中所列。與4G相比，5G在技術性能水平上有了很大的提升，但離“信息隨心至，萬物能手及”的目標還是有相當的距離，屬于初級階段。例如，“零”時延的使用體驗，實際上的端到端時延為1 ms，已是5G的超短極限；再如0.1～1 Gbps的接入速率，還不能與光纖的接入速率相比。另外，還做不到海、陸、空、天無縫覆蓋。尤須指出，未來10年，以人工智能的革命性突破為標志，人類將步入智能化社會，作為信息工具的通信，應緊跟其發展的步伐。

正因如此，IMT-2030（6G）推進組正式發布《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書[2]，提出了6G總體的愿景是：面向2030年及未來，人類社會將進入智能化時代，社會服務均衡化、高端化，社會治理科學化、精準化，社會發展綠色化、節能化將成為未來社會的發展趨勢。在5G基礎上，將從服務于人、人與物，進一步拓展到支撐智能體的高效互聯，將實現由萬物互聯到萬物智聯的躍遷，成為聯接真實物理世界與虛擬數字世界的紐帶，將持續提升人們的生活品質，促進社會生產方式的轉型升級，并且為人類社會可持續發展的終極目標做出貢獻，最終將助力人類社會實現“萬物智聯、數字孿生”美好愿景（注：所謂“數字孿生”，是指在信息空間中建構一個和物理世界一模一樣的物體）。

從移動互聯，到萬物互聯，再到萬物智聯，需要6G提供更高性能技術的支持。其中一些關鍵性能指標已列于表1[3]中。與5G相比，顯見其性能的提升，6G更加突出了接入速率、連接處理能力、容量和可靠性等，這些都與頻譜資源有關，需要更多的頻帶來保證。向更高頻譜拓展，成為必然趨勢。IMT 2030（6G）推進組稱：6G將“高效利用低中高全頻譜資源，其中，低頻段仍將是6G的戰略性資源，毫米波將在6G時代發揮更重要的作用，而太赫茲等更高頻段將重點滿足特定場景的短距離大容量需求。”這是對低中高頻譜使用的準確定位，既各得其所，又相得益彰。

毫米波已從5G開始陸續投入應用并延續到6G，有關知識已在先前有關講座中做了介紹[4][5][6]，故本講座將分幾次介紹太赫茲波的傳播特性和通信技術。

2" 太赫茲波在電磁頻譜中的位置和特性

2.1 太赫茲波在電磁頻譜中所處的位置

頻譜資源是無線網絡的基石。眾所周知，將無線電波和光波按其頻率的高低或波長長短排列起來，便得到如圖1所示的電-光頻譜圖（注：這里所指的無線電波，按ITU的規定，是指3 kHz～3 THz在包括空氣和真空的自由空間傳播的電磁波；圖1（b）中的“無線電”是狹義的，即從3 Hz～300 MHz的電磁波）。

由圖1可見，太赫茲頻率的低端與毫米波頻率毗鄰，其高端則與紅外相連接；其頻譜范圍未有統一的界定，常見的一種是0.1 THz～10 THz，波長相應為3 mm～30 μm（圖1（a））；另一種是300 GHz～3 THz，波長相應為1 mm～0.1 mm。實際上，按傳統的定義，紅外線的頻率范圍是0.3 THz～400 THz；波長相應為0.76 μm～1 000 μm，也涵蓋了太赫茲波的頻譜，就是說太赫茲的頻譜與遠紅外是重疊的，對此，無須細究，而側重弄清其特性及應用。

2.2 太赫茲波的主要特性

從應用于無線通信的角度看，值得關注的太赫茲的若干主要特性如下。

（1）寬帶性。無論是按圖1（a）還是按圖1（b）來劃分，太赫茲所占有的頻譜資源都是極其豐富的。與微波（頻率范圍為300 MHz～300 GHz）相比，太赫茲波的帶寬是微波的數百乃至千余倍，這為6G提供了強有力的支持。在2019年世界無線電大會（WRC-19）上，基于WRC-15第767號決議和WRC-19第1.15議題研究結果，大會又為陸地移動業務和固定業務在275～450 GHz頻率范圍內新增275～296 GHz、306～313 GHz、318～333 GHz、356～450 GHz四個全球標識的移動業務頻段，新增頻譜帶寬合計137 GHz。將其應用于6G，相較5G，可獲得高于千百倍的傳輸速率和頻譜支持能力。

（2）水的強吸收性。水對太赫茲電磁波具有極強的吸收性，特別是在某些頻率處，與水分子固有振蕩頻率產生共振而造成對太赫茲電磁波的強烈吸收，形成衰減峰，下面將進一步說明。

（3）低能性。按照愛因斯坦的光子理論，光是以光速運動的光子流，其能量與相應的頻率成正比而與波長成反比。

光的能流密度與單位時間通過垂直于光子流運動方向的單位面積的光子數成正比。當光子能量達到12 eV（電子伏特）時，將使受作用物質中的電子產生移位，即電離，對人體產生可導致癌癥的自由基。紫外線的光子能量為100 eV，X射線的為10 keV，都具有很強的電離輻射。而太赫茲（頻率為1012 Hz）光子能量為10 meV（毫電子伏特），比電離光子的能量水平要弱三個數量級以上，使用是安全的。

可見光也有極寬的譜域，據計算，可見光（1014 Hz）光子能量為1 eV（電子伏特），比太赫茲波高兩個數量級。也未達到電離輻射的水平。但高強度的光束照射到人體如眼睛及皮膚時，將可能產生損傷乃至造成嚴重的后果。因此，將可見光（激光）用于通信時，其輻射功率須嚴格控制；而使用太赫茲波時，其強度比可見光低兩個數量級，要相對安全。

太赫茲波對人的健康影響是熱效應。太赫茲波穿透皮膚后，對人體的影響集中在皮膚表面1～3 mm的熱效應上。在適量太赫茲波的照射下，可提高皮下組織溫度，擴張血管，加速血液流動，降低血壓，增加血氧含量，促進血液循環，加速代謝廢物、脂肪、自由基等的分解，并可將人體毒素排出體外。其副作用是過量的照射可能擾亂人體內的磁場，導致激素分泌紊亂。太赫茲波大量投入通信應用后，其有害影響達到何等程度，是需要高度重視和研究的。

（4）高透射性。對于許多非導電材料或物質具有良好的穿透性，當用于室內通信時，可穿越水泥、木板、磚塊墻壁，而受到的損耗較小。

綜上所述，就應用于無線通信而言，太赫茲波融合了微波與光波的優點。相對于微波，太赫茲波可支持的通信容量更大；天線單元的尺寸更小，有利于實現小型化、大規模的天線陣列，形成方向性更強、波束更窄的多波束天線，有利于通信保密和抗干擾。相對于可見光，太赫茲波具有相對的安全性，具有穿透沙塵、煙霧的能力，有利于全天候通信。

3" 太赫茲波的傳播特性

在數字通信系統中，通信質量是用誤碼率（比特差錯率）來衡量的，它取決于接收點的信噪聲比（S/N）。

式中，為發射點處的發射功率；為發射點至接收點信號功率的傳播（輸）損耗；=1.38065×10-23J/K，為波爾茲曼常數；為接收系統噪聲溫度，包括外部噪聲和內部噪聲；為信號帶寬。

這里關注的傳播特性，是信號的傳播損耗和外部噪聲的影響。

3.1 室外傳播

3.1.1 地面表面上的太赫茲波傳播[7][8]

在移動通信中，絕大部分用戶是利用手機、車載終端等通過地面基站來進行通信的，所收、發的電磁波也就在地面附近的空間傳播。

3.1.1.1 自由空間傳播損耗

研究表明，在自由空間，從發射點到相距為d的接收點，無線電信號功率將損失Ld倍，Ld稱為自由空間傳播損耗，按式（4）計算。

例如，利用上面的公式，可計算距離為100 m、頻率為300 GHz、400 GHz、600 GHz和1 000 GHz時的自由空間傳播損耗，如表2所示。

當頻率為400 GHz，距離為50 m、100 m、200 m、500 m和1 000 m時，其相應的自由空間傳播損耗如表3所示。

從上面的計算舉例可見，頻率越高，距離越遠，所造成的傳播損耗也越大。例如，當工作頻率為400 GHz時，若發射功率為1 W，經100 m的傳播后，只剩下1/1012.5 W；若傳播距離為1 000 m，則功率下降至1/1014.45 W，更是微乎其微了！

3.1.1.2 大氣損耗和熱噪聲

晴空時，自由空間中含有水汽等，水對太赫茲波具有強烈的吸收作用，特別是在某些頻率，與大氣中水分子或氧分子中的電子振蕩頻率產生共振時，后者將對太赫茲波能量產生諧振吸收，形成尖銳的衰減峰。圖3給出了相對溫度分別為60%（圖中的最下波浪線）、80%（圖中的中間波浪線）和100%（圖中的最上波浪線）時不同頻率的大氣損耗系數，即每單位距離（km）由于大氣吸收產生的損耗（dB）。圖中白色區間為大氣諧振形成的吸收衰減峰，其余區域中，相對濕度越大，大氣損耗也越大，且隨著頻率的升高而增大。這些損耗隨頻率的分布曲線是相對固定的，為了減少損耗，在選用頻譜資源時，可避開圖中白色標記的衰減峰值區。低損耗的“窗口”損耗值，可通過高增益天線來補償，或采用短距離通信來降低。

例如，工作頻率為410 GHz，相對濕度為60%時，由圖3可知，大氣損耗系數a=30 dB/km，若通信距離為d=1 km，則引入的大氣損耗La=a×d=30×1=30 dB；若d=100 m，則La=30×0.1=3 dB。又當工作頻率為650 GHz時，a=100 dB/km，對于通信距離為1 km、100 m的大氣損耗分別達到100 dB和10 dB。可見，在太赫茲的低端，當通信距離較短時，引入的大氣損耗與自由空間傳播損耗相比是小數，但當工作頻率升高時，1 km的距離將帶來與自由空間傳播相同數量級的損耗。如圖4所示，當頻率提高到1 THz時，大氣損耗急劇升高，即使將通信距離減少至100 m左右，其大氣吸收損耗已極為嚴重，加上自由空間傳播損耗，建立太赫茲高頻段通信將面臨巨大的鴻溝！

大氣中的水或氧分子在吸收電磁波能量后將加速運動而發熱，成為熱噪聲，對通信信號造成干擾，研究表明，大氣中的熱噪聲是小而有限的，與太赫茲接收系統內部噪聲相比，可忽略不計。

3.1.1.3 云霧的影響[7][8]

霧和云由直徑小于0.01 cm的小水滴組成。太赫茲范圍內的電磁波在小水滴處被散射而產生損耗，這種損耗也稱為衰減。在水蒸氣密度為0.05 g/m3（視野范圍為300 m）和0.5 g/m3（視野范圍為50 m）時，隨頻率變化的衰減情況見圖5，可以看出，衰減隨頻率和霧的密度增加。由圖5可見，對于400 GHz以上的頻率，水蒸氣密度為0.5 g/m3、視野范圍為50 m的霧，額外的衰減高于10 dB/km。相對于大氣損耗和下面談到的降雨損耗，其影響較小。

3.1.1.4 降雨的影響

降雨將使太赫茲波產生衰減。當雨滴大小與太赫茲的波長相近時，一方面，水滴將吸收太赫茲電磁波的能量；另一方面，前者將對后者產生散射而引起傳播損耗，該損耗（又稱雨衰）與頻率和降雨強度（又稱降雨率）有關。

由圖6可見，對低于200 GHz頻率的區域（注：有的文獻給出的是120 GHz），雨衰隨頻率的升高而增加，且降雨強度越大，雨衰也越大；而當頻率高于200 GHz時，對于相同的降雨強度，雨衰隨頻率的升高反而下降。這是利用某些較低頻段的測量值建模推算而得出的，在太赫茲頻段，有待通過實際測量予以驗證，上面的曲線可作為工程估算的參考。

需要指出，降雨是概率事件，其出現的時間、強度及持續時間具有隨機性，這樣就要解決如何估值和處理的問題。

一旦得知雨區的長度，乘以相應的單位雨衰（即圖6中每千米的降雨損耗分貝值），便是總的雨衰。若雨衰超過某一數值，將使信號功率大為降低，而導致信號的中斷，這是不希望的，故需通過鏈路設計，使得通信過程中降雨強度不超過某一數值，問題是應選什么樣的降雨強度。由于全球、全國各地的降雨情況不同，一般是根據通信鏈路的可用度（即一段時間，如一年中，保證由于降雨通信不中斷而獲得一定的通信質量所占時間百分比），從當地降雨的時間統計分布中，確定所取的降雨強度。例如，要求可用度為99.99%時，則中斷率為1-0.9999=0.01%，就是說，每年有52.6分鐘、或每天約9秒鐘通信中斷。在這0.01%時間內最大的降雨強度便是所求值，只要通過或增加發射功率，或提供足夠的天線增益，來抵消此雨衰值，便能保證中斷時間控制在所要求的范圍內。

與大氣一樣，降雨時雨滴將吸收電磁波，加速其中水分子的熱運動而產生噪聲，但與太赫茲接收機的內部噪聲相比，其影響可忽略不計。

3.1.1.5 地面和大氣顆粒等的影響[9][10]

類似于可見光，太赫茲在空間是以視距方式傳播的。按照ITU-R給出的定義，視距傳播是指兩點間的傳播，對于該傳播而言，直達射線幾乎不受障礙物阻擋，因此繞（衍）射可以忽略不計。但這是假設地球表面是光滑的理想情況。實際上由于地形地物的存在，特別是包含有金屬（建筑物中的鋼筋，埋地電纜、管道等）的結構對太赫茲波傳播會產生影響。當它們在傳播途中遇到障礙，其射線改變或部分改變傳播路徑，電波能量（功率）不能到達或僅部分到達接收點，接收點收到的信號將是多途徑到達的分量的疊加。

空間中還存在沙塵等顆粒物，研究表明，太赫茲波可穿透煙霧和浮塵。但沙塵暴的影響不能忽略[5][6][7]。研究表明，沙塵暴對太赫茲波產生的衰減隨能見度的降低而增加；太赫茲波的波長越短，沙塵暴的影響越大；沙塵的濕度越高，對太赫茲波的損耗也越大。

3.1.2 地-空傳播[9]

這里是指衛星、臨近空間飛行器（飛艇、氣球）和飛機等與地面之間的太赫茲傳播。圖7為地球表面至外層空間的對流層、平流層、中間層、電離層及外層大氣的分布，其中平流層與電離層之間也稱臨近空間。

在這些層中，對流層的大氣和降雨，對太赫茲波傳播造成的衰減是顯著的。在海平面上觀察，大氣產生的單向衰減如圖8所示，可以看到，對于相同的頻率，當仰角為零時，也即電磁波沿地面上的傳播時，衰減最大；隨著仰角增大，衰減減小，當仰角為90°時，即對著天頂時衰減為最小。

降雨的影響，單位降雨損耗（雨衰系數）與地面傳播時的情況是類似的，但雨區長度的計算有所不同（見圖9中的雨區長度線）。

據研究，太赫茲波對電離層具有很強的穿透能力，可越過電離層的各層到達外層空間，適用于衛星通信和深空通信。

3.2 室內傳播[8][11]

室內有天花板、地板、墻壁、窗門、桌椅等，太赫茲波可穿透其中的非極性物質，但對窗、門、電源開關、電器等和“隱蔽工程”（天花板內、地板下的金屬管道、導線）等產生反射。因此，太赫茲波在室內的傳播場景是非常復雜的。

對于同一物體面上，當不同波長的電磁波入射時，呈現出不同的“粗糙”度，如圖10所示，因微波波長較長，地面顯得較平滑而產生鏡面反射（圖10（a））；而對于紅外或可見光波，地面則顯得粗糙而產生無規則的向四面八方的漫射（圖10（c））；太赫茲波的波長在二者之間（圖10（b）），故鏡面反射和漫射兼而有之，其波長越短，越接近紅外及可見光的情況，即漫射分量較大而鏡面反射分量較小；其波長越長，即接近微波時，則鏡面反射分量較大而漫射分量較小。

由于太赫茲波波長與可見光相近，可利用幾何光學即射線來描繪其傳播效應。作為典型案例[11]，圖11是在一個9.20 m×5.98 m的會議室內進行的發射-接收現場測試。天花板由懸掛式吸音板構成，墻壁為干墻；地板上鋪有瓷磚；從左邊開始，桌子和門是由木材制成的；在房間的中央，有兩組椅子，中間為過道；兩塊白板并排安裝在其中一面墻上；右下角有一個講臺，最右邊的墻上有一個金屬框架的玻璃窗。發射點放置于右上角，兩個接收點分別安放在左上角和左下角。為方便，測試時將收發設備都放在同樣高度（1.4 m）的小車上。

利用幾何光學，確定了收、發點間的傳播路徑（圖12）并進行實測，測試頻率為350 GHz和650 GHz，其結果如表4所示。表中此頻率的損耗值中括號內的數值是按理想情況下自由空間路徑的傳播損耗計算得到的。

由表4可見，對于0.35 THz和0.65 THz，在兩個接收點，直射波的損耗最小，占主要成分，測試值與計算值甚為接近。而反射波到達接收點損耗增加，反射的次數越多，頻率越高，傳輸損耗越大，這是由于傳播路徑增長和每次反射產生衰減所致。還要指出，在接收點，當直射波與多個反射波疊加時，因相位不同而造成多徑衰落。

實際上，在辦公室和家庭寓所內，裝修后的一些“隱蔽工程”（墻壁內、地板下、天花板上等）內常安裝有金屬管道、導線、開關等，對太赫茲波會產生反射；室內也有濕度的變化，對太赫茲波會產生不同的衰減，諸如此類，情況頗為復雜，要在實際使用中進行評估和恰當處理。

4" 結束語

太赫茲波兼有微波與光的一些突出優點，其中相對于微波，太赫茲波可支持的通信容量更大，天線等設備尺寸更小，方向性更好；相對于可見光，太赫茲波具有相對的安全性，具有穿透沙塵、煙霧的能力，有利于全天候通信。當用于無線通信時面臨的挑戰是受大氣、降雨等嚴重制約，傳播損耗很大，不適于遠距離通信。IEEE有關標準[12]提出了太赫茲波的5個應用場景，即用于室外的無線回傳；用于室內的近距離下載（站）；設備內通信；數據中心內通信交換；或點對點通信。這些也可作為未來6G應用的參考。

參考文獻

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[2] IMT-2030（6G）推進組．6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書[Z]．2021，6.

[3] 賽迪智庫．6G概念及愿景白皮書[Z]．2020，03.

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[5] 鐘旻．毫米波的傳播特性（上）[J]．數字通信世界，2018，10：5-8，17.

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[8] Theodre S. Rappaport，et. al. Wireless Communications and Applications above 100 GHz：Opportunities and Challenges for 6G and Beyond. Special Propagation， Channel Modeling and Applications. June ， 2019.

[9] 甘仲民，等．毫米波通信技術與系統[M]．北京：電子工業出版社，2003.

[10] 周憶鑫，等．沙塵環境下太赫茲波的衰減特性[J]．太赫茲科學與電子信息學報，2021， 19， （02）： 18-23.

[11] Heng Zhao et，al Extending Spatial and Temporal Characterization of Indoor Wireless Channels From 350 to 650 GHz.IEEE Trans. 0n Terahertz Science and Technology， Vol. 9， NO. 3， MAY 2019

[12] IEEE Std.802.15.TG.3d