太赫兹技术应用浅谈

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1、题目：太赫兹技术应用浅谈授课老师：史琰学院：电子工程学院专业：电磁场与无线技术学生姓名：张秋实学号：02116013太赫兹技术应用浅谈摘要：太赫兹频段介于红外光波与毫米波之间，是电磁波谱中的重要频段。太赫兹技术已在生物医学和空间领域展示出良好的应用前景。通过空间太赫兹频段观测可以获得丰富的气象信息、大气信息和深空科学信息。基于太赫兹链路的高频段通信有望突破等离子体黑障的限制，实现无中断的测控通信；高速率小型化的太赫兹通信终端是实现卫星网络的理想选择。太赫兹雷达在航天器自身防御及空间弹道目标预警领域将显示出独特的优势与价值。新技术的发展广泛激发了研究太赫

2、兹波与生物分子和组织间相互作用的兴趣。与此同时，尽管太赫兹技术得到了广泛应用，人们对太赫兹辐射的生物效应却知之甚少。可以肯定，与高能辐射(如紫外线、x射线、伽马射线等)和生物组织的相互作用所引起的生物损伤相比，太赫兹辐射将引起独特的非电离非热生物效应。本文介绍了生物介质的太赫兹波表征技术研究和生物效应研究，总结了太赫兹技术在生物医学中的最新进展，进一步分析了太赫兹生物医学未来的发展和所面临的关键科学问题关键词：太赫兹；空间探测；太赫兹雷达；生物效应；表征技术；太赫兹生物医学；太赫兹生物医学空隙1一．空间科学探测中的太赫兹技术伴随着科学技术的进步，人类已

3、经将科学探索的领域从自己生存的地球转向浩渺的宇宙，宇宙的开发需要大量的信息支撑，太赫兹以它独特的频段特性，有很大的开发潜力。、1.1太赫兹抗黑障干扰测控通信技术航天器的再入段的测控技术是航天任务的要害环节，载入航天器穿越稠密的大气层经历的黑障现象严重威胁着航天任务的安全；空天飞行器为了实现两小时的全球到达，需要持续10倍左右音速穿行于临近空间，同样面临着黑障的问题。飞行器再入稠密大气，舱体与周围空气发生剧烈摩擦，形成温度高达数千摄氏度的高温等离子鞘套，等离子鞘套中的等离子共振频带很宽，对现有无线电通信波段发生强烈吸收和反射，形成电磁屏蔽。导致飞行器与地

4、面控制中心失去联系，同时雷达电波被等离子鞘套吸收导致雷达无法发现返回舱的踪迹，故这个测控通信的盲区被称为“黑障区”。提升通信载波频率是解决黑障问题的有效措施。等离子体鞘套的电磁特性随着飞行器的速度和飞行环境的变化而变化，依据其中电子密度、等离子体角频率、碰撞频率等电特性参数，可以确定等离子体对在其中传输的电磁波产生的作用。等离子体电子密度n(cm)与空气密度和等离子体区温度有关，飞行速度越高，鞘套内电子密度越大1．等离子体中电子受外力会偏离平衡位置，在分离的正负电荷电场力牵引下产生复合振荡过程、，其振荡频率称为电子等离子体振荡频率，为某一等离子体环境的

5、固有参数，与等离子体电子密度关系如下式中：e和m分别是单电子的电量和质量；sn是真空中的介电常数。碰撞频率用来度量电子在等离子体内与中性粒子的碰撞速率，反映等离子体对电磁波信号的损耗程度。该参数与空气密度和温度有关，表示为式中：C为真空中光速；P为海平面标准大气压下的空气密度；P为飞行高度处的空气密度；T为温度。由电磁场基本理论可得某环境中电磁波的波数表达为式中：a为吸收系数；b为相位系数；w为载波角频率；uo为真空磁导率；cr为等离子体介电系数。吸收系数与各参数之间存在重要关系：分析可知，当无线电频率小于或等于等离子体频率时，等离子体呈导体特性，电磁

6、波在其中传输时严重衰减，并在等离子体——周围空气界面形成强反射；反之，当∞远远大于∞时，电磁波在等离子体中传播时相当于在自由空间中传输，吸收和反射非常小，如果使用这个波段的电磁波作为通信载波，就可以顺利穿透等离子体，不会造成通信黑障。美国较早关注了黑障区通信问题，并系统研究了载波频率选择对消除黑障作用的影响。早在20世纪60年代，美国便开展了“无线电衰减测最”(RadioAttenuationMeasurements，RAM)实验，结果表明随着载波频率的提升，黑障区高度及时问均被明显压缩，与理论吻合很好。但是限于当时技术条件，测试频率的高端仅达到x波段

7、，且并不能完全消除黑障现象。目前正存开展Ka频段的测控通信研究，但不能有效穿透极端条件下的等离子鞘套。进一步将载波提升到太赫兹频段，可望突破黑障现象。假设均匀等离子体鞘套的简单情形，假设电子密度=2×10m一，碰撞频率10Grad／s，等离子体鞘套厚度分别为lcm，6cm，l0cm3种情况，仿真得到功率透射谱如图5所示，可以清晰看到，在极高频(EHF)以上，进入太赫兹频段，衰减小于3dB，所以提升通信频率至太赫兹波段有望实现突破黑障的低衰减率通信。现阶段直接使用太赫兹频段进行通信存在一些困难，主要是太赫兹波段在近地富含水汽的稠密大气中损耗过大，可达10

8、0dB／km量级，加之高功率太赫兹辐射源技术不成熟，例如工作于太赫兹波段的连续波真空电子器件功