行動通訊頻率逐代上升　太赫茲特性/應用深度解密

毫米波和太赫茲頻率的6G新頻譜

太赫茲頻譜之路

頻寬達到數GHz的超高資料速率大連續頻寬頻率範圍，僅在次太赫茲(Sub-THz)和太赫茲(THz)範圍內可用，即高於100GHz(圖1)。在毫米波和太赫茲頻率範圍內將有較為充足的頻譜資源，其包含了可用於無線通訊的頻段。FR1和FR2中的5G頻段分布在71GHz以下；6G研究則集中在D頻段和H頻段。

根據香農-哈特利定理(Shannon–Hartley Theorem)，(在噪聲影響下)最大可實現頻道容量的邊界為C=B．log2(1+S/N)，其中C代表容量(單位：bps)，B代表頻寬(單位：Hz)，S/N代表訊噪比，表明最大可實現資料速率與頻寬B成正比[1]。5G將頻率範圍擴展到毫米波，正是考慮到6GHz以下的頻率已經廣泛使用。為了進一步提高未來無線標準(如6G)的資料速率，太赫茲以其能夠提供GHz的大範圍連續頻寬而受到關注。圖1顯示了為未來無線通訊分配或考慮的不同頻率範圍。

在4G(LTE)之前，只有6GHz以下的頻率範圍用於無線通訊。這一頻率範圍目前仍然發揮著關鍵性的作用，其具有較為有利的傳播條件，可以實現較大的網路服務範圍。

在3GPP 5G NR命名法中，該頻率範圍命名為5G FR1(410MHz~7.125GHz)。該範圍還包括LTE和Wi-Fi，例如Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax)和Wi-Fi 7(IEEE 802.11be)。

在3GPP Release 17中，5G FR2(圖1深藍色區域)頻率最高達71GHz (24.25GHz~71GHz)。

對於5G的演變(圖1中的「B5G」)，71GHz以上到100GHz的更高頻率被納入考慮範圍：圖1的淺藍色波段為國際電信聯盟(ITU)2019年世界無線電通訊會議考慮用於未來無線通訊的頻率範圍(如81GHz~86GHz)。儘管最初考慮了80GHz頻率範圍，但這一範圍並未獲准用於IMT-Advanced(5G)。該頻率範圍還包含60GHz的未授權頻段(E頻段從60GHz擴展至90GHz)。

次太赫茲頻段

更高的頻寬才能在6G中實現太位元等級(Terabit-class)的資料速率。然而，它們僅在100GHz以上的範圍內可用。潛在的新頻段已在D頻段(110GHz~170GHz)、G頻段(140GHz~220GHz)和H/J頻段(220GHz~330GHz)中被發現。

ITU無線電法規文件[2]總結了1995年世界無線電通訊大會(WRC-95)通過，並且在隨後的世界無線電通訊大會(WRC-97、WRC-2000、WRC-03、WRC-07、WRC-12、WRC-15和WRC-19)中經過審查的法規。如參考資料[2]第185頁所述，275GHz至3THz的頻率範圍目前尚未正式分配。不過，該資料在腳注5.564A提供了對275GHz至450GHz頻段內固定和地面無線服務應用的操作意見，在2019年ITU世界無線電通訊大會(WRC-19)上發布。以下引述WRC-19的最終法案[3]內容：「對於275GHz至450GHz頻段內固定和地面無線服務應用的操作：確定275至296GHz、306至313GHz、318至333GHz和356至450GHz頻段供管理部門使用，用於實施各種地面無線和固定服務應用，其中地球探測衛星服務(被動)應用無須採用特定條件進行保護。」

IEEE Interest Groups正在制定標準，考慮在這些頻譜[4]中支援100Gbps。該標準專門針對252GHz至325GHz頻率範圍制定，訊號頻寬最高可達69.12GHz。

目前針對95GHz左右的W頻段頻譜(75GHz至110GHz)的用於無線回傳/接入的太赫茲頻段開發工作正在進行。同時，基地台基礎設施供應商非常關注110GHz至170GHz的D頻段，這一超高頻候選頻段。6G的研究工作目前集中在D頻段以及300GHz左右的H/J頻段方面。鑒於WRC-27的議程將在WRC-23確定，目前相關方正在全力開展研究活動，目的為在2023年WRC-23之前，利用可行性研究和頻道傳播測量展示太赫茲通訊的所有潛在價值。

超過7GHz頻段(7GHz~24GHz)

儘管人們對次太赫茲頻段有著濃厚興趣，但也不能忽略位於FR1和FR2之間的7GHz至24GHz頻率範圍，該範圍仍擁有大量可以利用的潛在頻譜(圖1)。與在FR2中運行的頻段相比，這段頻譜能夠達到一個「最佳點」，即透過更小的封裝體積(與FR1相比)實現更高階的MIMO，同時具有更具價值的傳播特性。因此，該頻段可能成為6G的補充候選頻段。

太赫茲的應用

大量應用場景尚待探索

太赫茲波介於光學和微波領域的頻譜部分。太赫茲光譜學的早期驅動因素之一是用於天體物理觀測和環境監測的高靈敏度儀器，而光子學和奈米技術領域最新的技術革新使太赫茲研究能夠應用於更多領域。

．光譜和成像

由於許多形式的凝聚態物質、分子化合物、蒸汽和氣體均具有與太赫茲波共振的不同物理特徵，太赫茲波展現出巨大的發展前景，並已廣泛應用於光譜和高分辨率成像領域[5][6]。利用太赫茲光譜技術，可以輕鬆識別藥物、生物分子和蛋白質等眾多物質和複雜分子。圖2展示了常見藥物分子的示例，其中太赫茲頻率下的特徵吸收線可用於區分兩種主要分子變體。基於太赫茲光譜技術的感測器還能用於安全保障用途，許多常見的爆炸物或麻醉品均能透過相應的光譜指紋識別[6]。太赫茲波可以對產品進行無損檢測並能夠觀察塑膠、紡織品、紙張等物品內部。與X射線不同，太赫茲波不會產生任何電離效應，且普遍認為在生物學上是無害的。在利用太赫茲技術進行安全掃描時，並不需要實施任何額外的安全措施。

．通訊

全世界的數位資料流量呈指數級成長，網際網路協定流量在2017年便已超過每月100EB(1EB=1018位元組)。由於資料業務中成長最快的部分與無線頻道相關，如此規模的網路容量成長對無線資料傳輸速率鏈路提出了更大的挑戰。提供大規模連續頻段以滿足Tbps範圍內極高資料傳輸速率和低延遲的需求，這一應用前景使太赫茲技術成為6G無線通訊的關鍵研究領域，對於通訊感測一體化領域亦是如此。

．感測和定位

另一個利用無線頻率實現通訊和感測能力的領域便是聯合通訊和感測。太赫茲頻率不只是單純承載通訊資料，而是可以像高精度雷達系統一樣對物體進行檢測。因此，太赫茲感測技術可以提供高分辨率的環境地圖，以及公分級和次公分級的定位資訊。舉例來說，這樣的技術可應用於工廠的機器人，或是虛擬實境等工業控制和監控場景。

太赫茲波應用於大氣遙感/天體物理學

根據普朗克黑體輻射定律，太赫茲光子的能量對應的溫度為幾克耳文至幾十克耳文。太赫茲天文學研究因此能夠觸及寂冷的宇宙，對星際物質的分子雲等進行探索，尤其引人注目的便是新星誕生的區域。1970年，一氧化碳(CO)因在115GHz的太赫茲頻段發生躍遷[7]而成為人類從星際雲中檢測到的第一種分子。太赫茲天文學時代由此開啟。

Radiometer Physics GmbH(RPG，Rohde & Schwarz子公司)起源於馬克斯普朗克無線電天文學研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)和NASA噴氣推進實驗室，並從一開始就參與了這項科學研究。該公司長期為太赫茲空間研發項目提供高達2太赫茲的遙感、毫米波、次毫米波和太赫茲儀器及元件。

目前利用毫米波和次毫米波儀器研究行星(地球、木星、金星、火星等)大氣動力學的科學家和氣象學家十分熱衷於探究分子物質的吸收和發射特性(地球大氣層示例見圖6)。根據不同用途和科學目標，將使用各類型的無源儀器：輻射計通常運作於18GHz至664GHz範圍內，分光儀通常運作於0.3THz至1.2THz範圍內；有源儀器也會得到應用：調頻連續波(Frequency-Modulated Continuous Wave, FMCW)雷達運作於35GHz至94GHz範圍內，閃爍輻射儀則運作於166GHz範圍內。這些儀器可以透過地面站或衛星進行操作。圖3展示了用於大氣遙感、行星科學和天體物理學的無源輻射計、無源光譜源和有源雷達儀器幾個示例。

在過去十年，RPG為冰雲成像儀(ICI)開發了運作於183GHz至664GHz範圍的太赫茲外差接收器[8]。ICI是Airbus-ASE為歐洲太空總署(ESA)/歐洲氣象衛星開發組織(EUMETSAT)第二代氣象業務衛星計畫(MetOp-SG，圖3左)開發的錐形掃描多頻道輻射計。該計畫是一項巨大的歐洲工程，用於提供天氣資料服務(例如，海面風向量和地面土壤濕度)、監測氣候並改善2023年至2043年的天氣預報準確性。水蒸氣以潛熱形式攜帶能量，在加劇破壞性風暴和加速氣候變化方面具有關鍵影響。隨著海洋和大氣溫度升高，全球大氣中的水蒸氣含量自20世紀90年代中期以來增加了約4%[9]。這一趨勢將使全球暖化情況惡化並助長更為極端的風暴，因此密切監測溫度、水蒸氣以及風的變化對於預測天氣模式而言具有極高價值。

對於ESA木星冰月探測器(JUICE)計畫(圖4中間)，RPG為次毫米波儀器(SWI)開發了運作於132GHz至158GHz頻率範圍內的大功率源[10]。該次毫米波儀器由馬克斯普朗克太陽系研究所(MPS)開發運作於0.6THz至1.2THz頻率範圍內的雙頻道光譜儀。JUICE的任務計畫於2023年啟動。該計畫將利用至少三年的時間來詳細觀測木星這一氣態巨行星，以及木星的三大具有豐富水資源的衛星(蓋尼米得、卡利斯托和歐羅巴)。木星大氣層和磁層的特徵也同樣備受關注。

以上兩種儀器(用於MetOp-SG和JUICE任務)的技術在很大程度上仰賴砷化鎵半導體元件(放大器、倍頻器、混頻器)以及高精度製造和裝配技術(喇叭天線、射頻模組)，這些技術都符合太空任務所需的最嚴格的要求。

通訊太赫茲波：有哪些潛在用途？

利用吸收窗(Absorption Windows)、電源和天線陣列獲取指向性

毫米波所涉及的技術挑戰在太赫茲範圍尤為明顯。這包括更高的路徑損耗和更短的覆蓋距離。然而，與5G中的毫米波類似，這類問題可以透過波束成形(Beamforming)聚焦波束來緩解。較短的波長還具有一項優勢，即能夠以更小的體積封裝更多天線，形成極為精確的波束。

太赫茲頻率下超高速通訊的一個主要用例涉及大容量前傳(Fronthaul)和回程(Backhaul)中的點對點(準靜態)通訊鏈路，也適用於偏遠地區的基礎設施(使用高增益天線或天線陣列)或「最後一哩」連接。預期高達100Gbps的容量可在幾公里的距離內提供支援[11]。此外，窄波束還可以實現十分密集的通訊設備部署。其它用途包括短程通訊，如自助服務終端超高速下載(例如自動售貨機)，或晶片對晶片通訊(圖4)。

如今，資料中心是企業運算基礎設施中不可或缺的一部分。目前的資料中心網路主要依賴銅纜或光纖進行機架內或機架間網路連接，涉及布線的複雜性。太赫茲無線鏈路可以大幅提高設計靈活性，降低成本[12]。

雖然室外和室內太赫茲用例均可實行，但室內部署很可能成為太赫茲應用的主要場景。在室內環境中，太赫茲頻譜的短距離和弱穿透能力成為優勢。例如力由於僅限於應用在特定的室內空間中，太赫茲通訊將變得十分安全。

電磁頻譜及應用

圖5展示了電磁頻譜及其廣泛用途，從低頻端的廣播和蜂巢式通訊，到最高能量(和頻率)的X射線成像和伽馬射線治療。太赫茲頻譜位於電子學和光子學兩個領域的交界處。各種文獻中對太赫茲頻段的定義各不相同，但IEEE和ITU將其定義為300GHz至3THz(THF)的頻段，正好高於毫米波頻率範圍(30GHz~300GHz；EHF)和微波範圍(3GHz~30GHz；SHF)。在各類出版物中，100GHz至10THz的頻率範圍通常都被稱為太赫茲頻率範圍，100GHz至300GHz的頻率範圍則相應被稱為次太赫茲頻率範圍。

太赫茲波與物質的相互作用

太赫茲波的能量相對較低(低至光波能量的1/100至1/1000)且不會導致任何化學結構變化，其位於氣體分子的分子轉動躍遷和弱鍵的振動躍遷頻段。因此，太赫茲波可以透過乾燥、非金屬和非極性材料進行傳播，而衰減程度低。這一特性與其小波長(相對於微波)和光子能量(相對於X射線)相結合，也使得太赫茲波成為非電離醫學成像的理想選擇，例如用於燒傷評估或皮膚癌診斷。

圖6展示了毫米波和太赫茲頻譜內的特定大氣衰減情況。共振頻率反映了大氣中各種分子的轉動激發頻譜。大氣衰減程度隨工作頻率的增加而穩定上升。在這些共振頻率之間存在著許多可用於各種用途的「大氣窗口」。此外，在地球和行星探索中，可利用183GHz(處於G頻段；140GHz~220GHz)特殊水蒸氣和冰吸收線進行濕度遙感(冰體探測)。人類首次直接獲取之M87星系中心的第一張黑洞圖片便是在次太赫茲頻段進行無線電天文觀測的一個典型例子。事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)陣列透過協同組合分布在地球不同位置的電波望遠鏡的檢測訊號[13]，在230GHz頻率下觀測到這一黑洞。

無線通訊鏈路的毫米波和太赫茲波

如圖1所示，24GHz至30GHz以及37GHz至40GHz的頻段為5G蜂巢式網路建立了毫米波頻段。此外，43GHz至50GHz頻段以及大約60GHz的頻率用於衛星通訊鏈路。由於氧分子的共振，60GHz頻率下的傳播損耗增加，這使得建立具有高資料吞吐量的室內應用(WLAN系統)的本質安全無線鏈接成為可能。

太赫茲挑戰：100GHz以上的路徑損耗

下一代6G通訊標準預計也將在很大程度上依賴運作於100GHz以上頻率範圍內的元件，如D頻段(110GHz~170GHz)或H/J頻段(220GHz~330GHz)。

自由空間路徑損耗與訊號頻率ν的平方成正比。例如，與28GHz的鏈路相比，280GHz的鏈路會產生額外20dB的路徑損耗。

然而，這也導致人們普遍產生了一個誤解，即增加無線鏈路的載波頻率必定會導致更高的頻道損耗。實際上這種情況只有在發射器(TX)和接收器(RX)的天線均為全向天線的前提下才會發生。太赫茲頻段路徑損耗的問題可以透過在基地台使用非常大的天線陣列(即超大規模MIMO)解決。 無線鏈路的自由空間路徑損耗(FSPL)透過如下Friis方程描述：

其中，d為TX天線與RX天線間的距離，λ為工作波長，GRX和GTX分別為發射器和接收器的天線增益。鑒於TX與RX間的距離及其天線增益固定，FSPL值將隨著頻率ν=c/λ的增加按平方增加。圖7(左圖)呈現了對應的關係，即在天線均為全向天線(GRX=GTX=1)的情況下，TX和RX在三種不同頻率下的FSPL和距離。

天線增益Gant取決於天線的有效孔徑Aeff(與其物理尺寸成正比)以及波長：

在35GHz、70GHz和140GHz的工作頻率下，具有1cm²固定有效孔徑的定向天線理論上擁有12.3dBi、18.4dBi和24.4dBi的天線增益。由於天線物理尺寸為恆量，天線增益將隨著頻率的增加按平方增加。

結合最後兩個方程式可以得出結論，於收發器或接收器使用具有固定有效孔徑的定向天線，載波頻率對FSPL沒有影響。

因此，與載波頻率較低的系統相比，使用高度定向天線和可轉向天線能使無線通訊鏈路在更高頻率(擁有更高頻寬和吞吐量)上工作，且不會因大氣衰減而導致訊噪比顯著降低。

(本文作者皆任職於Rohde & Schwarz)