典型大气窗口太赫兹波传输特性和信道分析

在已有大气传输模型的基础上,发展了新的太赫兹波大气传输衰减与色散模型,对宽频太赫兹波在真实大气中传输的衰减和色散特性进行了数值模拟研究.改进太赫兹时域光谱技术,对0.3—2.0 THz频段太赫兹波的大气传输特性进行了透射光谱测量,并得到了一组连续吸收参数.比对发现实验窗口区强度和吸收峰的位置都与计算结果符合得很好.据此选取了三个可行的信道:340,410和667 GHz窗口区,利用线性色散理论和无线通信原理分别从物理上精确地计算了这些信道的群速色散参数和信道容量,并分析了影响最大传输数据率的因素-天线增益.研究结果表明:太赫兹波大气传输1 km时,这三个信道群速色散很小,信号不易被展宽;最大传输速率达十几Gbps,高于单模光纤,但需要更高的天线增益.     

地面与卫星太赫兹通信高频大气窗口分析

较大的传输路径损耗限制了太赫兹无线通信在大气中的传输距离,要想实现地面与卫星之间太赫兹波的长程传输,必须先找到低衰减的大气透明窗口。本文结合我国大气分布特点,通过大气辐射传输模型工具am（atmospheric model）对大气吸收衰减建模进行分析,从中选定适合我国地面与卫星太赫兹通信的理想地基站点;利用真实大气数据和分层传输理论,计算了地面与卫星之间太赫兹通信的总路径损耗,结合信号发射功率、天线增益、信噪比、噪声功率值和相应的路径衰减阈值,给出了天线增益分别为0～100 dBi时10～15 THz频段内的总可用带宽和大气窗口;通过将高海拔平台作为地面与卫星之间太赫兹通信的中继链路,给出了1～15 THz频段内的可用大气窗口,为我国地面与卫星通信链路的建立、地基站点和通信频段的选取提供了理论和数值参考。     

太赫兹波大气传输衰减模型

基于修正的Van-Vleck Weisskopf线型、辐射传输色散理论和水汽连续体吸收模型,结合HITRAN数据库,建立了太赫兹波大气传输衰减模型——VVWH,形成了对宽频太赫兹波在真实大气中水平传输衰减的数值模拟能力。同时对太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)获取的透射光谱实测数据进行了对比分析。计算结果与实验结果总体变化趋势一致,在吸收谱线处两者吻合良好,但在低频的大气窗口区,实验结果相比计算呈现出更强的传输衰减。考察了相对湿度对太赫兹波大气传输衰减特性的影响变化。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

不同模态沙尘暴对太赫兹波的衰减分析

太赫兹波空间传输特性研究对于太赫兹波在空间中的应用具有重要意义.为研究太赫兹波在沙尘暴天气中的传输特性,本文根据沙尘粒子尺度的对数正态分布,应用Mie散射理论和Monte Carlo方法,分析了国内不同地域的六种干沙模态沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减特性,给出了消光参量和衰减率与频率的关系.结果表明,随着频率的增大,1—10 THz频段太赫兹波的衰减率呈先增加后减小的趋势,沙尘暴的模态不同,太赫兹波衰减较强的频段范围有所不同.为了分析沙粒含水量对太赫兹波传输衰减的影响,计算了不同尺寸的沙尘粒子3个效率因子与含水量的关系,发现粒子尺寸不同,含水量对消光的影响也不同;应用Monte Carlo方法计算了两种湿沙模态的沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减,给出了衰减率与含水量及频率的关系.结果表明,随沙粒含水量增大,沙尘暴对太赫兹波衰减较强的频段向低频方向移动,含水量小于5%时,太赫兹波衰减率随含水量增大显著增强,湿度较大的沙尘暴天气对太赫兹波的传输衰减影响更大.     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

等离子鞘套中毫米波大气窗口的衰减特性

为了探索出减缓飞行器在临近空间出现的通信黑障问题,结合毫米波大气窗口在大气传输的优越性,根据RAM C提供的飞行试验数据,建立双指数分布、Epstein分布和高斯分布三个等离子体鞘套模型,用Z-FDTD算法计算毫米波大气窗口在等离子体鞘套中传播的衰减特性。综合分析可得:可采用35 GHz所在的Ka频段和以220 GHz所在的太赫兹频段的双频测控工作通信系统,此搭配可较好满足对高超声速飞行器在临近空间巡航时的测控需求。     

THz固定无线链路在大气中的特性

基于宽带太赫兹（THz）波的短距离宽带高数据率无线通讯是可行的。利用THz波大气传输衰减模型和经验的水汽连续体吸收, 结合HITRAN数据库, 发展了在THz频段电磁通信的一个新的传输模型, 形成了对宽频THz波在地表真实大气中水平传输衰减、路径损耗和信道容量的数值模拟能力;提出了100~900 GHz频段的五个可行的通信信道。相比低于100 GHz的无线通信频带, 虽然这五个信道具有的更大的自由传输衰减损耗,以及大气分子和水滴吸收衰减降低了通信数据率, 但通过增加发射和接收天线增益, 仍然可以在短距离实现THz低频带尤其是100~500 GHz的高数据率无线通讯。     

宽带太赫兹波在大气中的远程探测研究及展望*

宽带太赫兹波由于具有传输容量大、速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等许多特性,使太赫兹技术在高保密卫星通信、短距离无线通信等方面具有独特的优势。但是,如何克服大气中水蒸气的强吸收,找出适合太赫兹通信的频段,是发展宽带太赫兹远程传输亟待解决的问题。文章介绍了宽带太赫兹波在大气中远程探测的一些关键技术和最新研究成果,同时,对太赫兹通信技术的发展趋势和应用前景作了展望。     

太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性研究

本文对太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性进行了理论和实验研究,得到了非磁化等离子体中太赫兹波传输特性随太赫兹波频率、等离子体密度、碰撞频率和厚度的变化规律．发现了一些新的现象：随着太赫兹波频率增加,反射率曲线出现周期性振荡,振荡周期为0．03THz．随着太赫兹波频率增加,振荡幅度增加：随着等离子体密度增加,振荡幅度减小;随着等离子体碰撞频率增加,振荡幅度增加．反射率曲线出现振荡的原因是电磁波在z=0和z=-d界面处的多次反射所致．以激波管为实验平台进行了0．22THz太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,实验结果和理论结果符合较好．理论和实验结果均表明,采用太赫兹来实现地面与飞行器之间的通信互联是解决黑障问题的可选途径之一．     

非直视紫外光通信单次散射传输模型研究

依据Lambert定律建立了非直视紫外光通信系统单次散射传输模型。模型表明:大气传输中的两次斜向传输引入的大气透射比衰减,大气散射衰减和距离平方反比衰减是导致接收光功率随距离增加迅速衰减的主要因素。为便于实际计算,对建立的散射传输模型做了合理的计算简化,经实验验证简化后的传输模型计算结果与实验结果吻合较好。利用简化后的传输模型可以方便有效地计算出非直视紫外光通信接收机在不同距离下的接收功率和路径传输损耗,进而可以迅速、有效地计算和评估已知参数的非直视紫外光通信系统的极限工作距离。     

纳米网络中的太赫兹波大气传输和信道分析（英）

利用太赫兹大气传输衰减模型,比对太赫兹时域光谱系统的实验结果,结合最新的HITRAN数据库,发展了一个适用于纳米尺度的太赫兹信道分析模型。提出了一个0.1~5 THz宽的信道,分析了此信道在纳米尺度的传输损耗和最大传输数据率。研究结果表明,在纳米尺度0.1~5 THz宽的信道的传输数据率达几百Gbit/s,随着天线增益等硬件性能的不断提升,信道的最大传输数据率将达Tbit/s,此研究对于纳米器件之间的快速、大数据量的信息共享具有重要的参考价值。     

“日盲”紫外光通信系统传输距离的仿真计算

依据Lambert定律对强度调制/直接探测紫外光通信系统的接收光功率计算公式进行推导,公式表明,距离平方反比衰减和大气透射比衰减是导致接收光功率随距离增大迅速衰减的主要因素,提高通信系统的传输距离只能依靠优化收发系统参数实现;重点针对引起大气透射比衰减的主要因素,利用大气传输软件MODTRAN进行仿真,结果表明,不同大气模型、天气条件和臭氧浓度对大气透射比衰减产生较大影响,从而影响系统的工作距离;根据理论和仿真结果计算出“日盲区”分别在三类主要因素影响下的大气透射比系数的量值,为“日盲”紫外光通信系统工作距离的定量估算提供实用、有效的方法。     

Theoretical and experimental study on broadband terahertz atmospheric transmission characteristics

Broadband terahertz(THz) atmospheric transmission characteristics from 0 to 8 THz are theoretically simulated based on a standard Van Vleck–Weisskopf line shape, considering 1696 water absorption lines and 298 oxygen absorption lines.The influences of humidity, temperature, and pressure on the THz atmospheric absorption are analyzed and experimentally verified with a Fourier transform infrared spectrometer(FTIR) system, showing good consistency. The investigation and evaluation on high-frequency atmospheric windows are good supplements to existing data in the low-frequency range and lay the foundation for aircraft-based high-altitude applications of THz communication and radar.     

Terahertz coherent transition radiation based on an ultrashort electron bunching beam

The experimental result of terahertz (THz) coherent transition radiation generated from an ultrashort electron bunching beam is reported.During this experiment,the window for THz transmission from ultrahigh vacuum to free air is tested.The compact measurement system which can simultaneously test the THz wave power and frequency is built and proofed.With the help of improved Martin-Puplett interferometer and Kramers-Krong transform,the longitudinal bunch length is measured.The results show that the peak power of THz radiation wave is more than 80 kW,and its radiation frequency is from 0.1 THz to 1.5 THz.