太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,它几乎渗透于所有的太赫兹应用技术领域.现有文献中所说的太赫兹大气传输基本都是水平路径的传输,而文章基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)数据库,建立了太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减模型,对0.1～1 THz频段太赫兹波沿倾斜路径传输的吸收衰减特征进行了数值模拟研究.分析了低端太赫兹大气传输的窗口结构,为太赫兹地空通信提供了理论参考.     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.     

太赫兹脉冲大气传输衰减特性

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,渗透于所有的太赫兹应用技术领域。研究基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(JPL)数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,对0.1 THz~1 THz频段太赫兹辐射在水汽中的吸收衰减特性进行了数值模拟研究,与现有的文献数据进行了比对。通过计算太赫兹脉冲大气传输,分析不同水汽密度和传输距离对波形幅值、相位及频谱特性的影响,得到了3个比较稳定的太赫兹脉冲大气传输窗口0.14 THz~0.17 THz、0.19 THz~0.32 THz和0.32 THz~0.37 THz,为太赫兹通信和时域太赫兹空间传输提供了理论参考。     

沙尘环境下太赫兹波衰减特性

对沙尘环境下太赫兹波衰减特性进行研究,在国际电信联盟(ITU)大气衰减模型的基础上,增加了不同类型沙尘的影响。基于大气毫米波传播模型(MPM)预测了1 THz内大气衰减特性;根据Mie散射理论计算了太赫兹波在沙尘环境下因沙尘颗粒产生的衰减;结合以上两种因素得出沙尘环境下太赫兹的衰减特性。本文的研究结果对太赫兹在沙尘环境下传输应用具有重要的参考意义,也为其他颗粒环境太赫兹波传输特性的计算提供了参考。     

基于电磁理论和热力学方法的太赫兹波空-天-地-海衰减模型

太赫兹(Terahertz, THz)频段(0.1～10 THz)可以提供数十GHz的连续带宽,以实现6G通信系统中的天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN)。然而,太赫兹波与SAGIN中信道介质的相互作用仍然是一个谜。太赫兹波在太空-大气-地表-海面(空-天-地-海)信道中所遭受到的吸收和散射效应可被建模为太赫兹光子与介质粒子的碰撞过程,在此基础上结合电磁理论和热力学方法提出了通用的太赫兹波空-天-地-海衰减模型。相比已有模型,该模型考虑了各类粒子(包括凝聚态粒子、单个分子和自由电子)所导致的衰减效应,涵盖了太赫兹波在传播过程中所能遇到的衰减效应。基于该模型对太赫兹波在大气和外层空间的传播损耗进行数值计算,计算结果表明,除自由空间损耗(Free-Space Path Loss, FSPL)外,其他衰减效应在50 km以上的大气都可以忽略不计,而在50 km以下的大气中则需要考虑这些衰减效应。     

地空路径太赫兹波雨天衰减特性分析

雨滴的散射和吸收作用会严重增加地空链路上太赫兹波的传输损耗,降低无线通信的性能。为实现太赫兹波在地空链路上的传输应用,必须对太赫兹波在降雨环境中的传输特性进行深入研究。本文对原有的雨衰模型进行了修正,基于Mie理论,分析了降雨率的变化对地空链路上太赫兹波传输的影响,并与原有模型的计算结果进行了对比。结果表明：在整个太赫兹频段,雨衰减损耗会随降雨率的增加而增大,随频率的增加先增大后减小,且高频太赫兹波段相对0.1~1 THz频段范围的雨衰损耗更小;同时,当频率超过1 THz时,大气窗口越靠近10 THz,损耗越小,在降雨天气环境进行无线通信传输时将更具有通信优势,且频率越低,天顶角越大,模型修正前后的差异性更加明显。     

太赫兹波大气分层传输特性

基于修正的Van-Vleck Weisskopf(VVW)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(THz)波大气传输衰减和色散模型,并与毫米波传播模型(MPM)的结果进行了对比分析。加入新的天顶分层方法,形成了对宽频THz波在真实大气中纵向传输吸收衰减和色散的数值模拟能力。研究了不同传输距离下THz波大气分层传输衰减与色散特性、340 GHz和410 GHz窗口特性。研究结果表明：340 GHz和410 GHz大气窗口垂直传输10 km以上,衰减分别低于25 dB和45 dB,群速色散很低,相位变化在0.01个量级,信号传输失真度小。     

基于HITRAN的太赫兹波大气吸收特性

基于分子光谱数据库HITRAN中的谱线参数和传播理论得到了氧气分子、氮气分子和水蒸气分子的吸收系数,同时计算了氧气、氮气2种单组分气体以及水蒸气对太赫兹波辐射在1 km上的吸收衰减系数。在0.1 THz-1 THz频率范围内与ITU-R P.676进行比较,结果显示,2种结果吻合较好,尤其在吸收带。这也间接验证了本文计算方法在太赫兹波其他频段吸收衰减计算结果的正确性。     

太赫兹脉冲的短距离大气传输特性

基于van-Vleck Weisskopf线型与辐射传输色散理论,结合JPL数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,形成了对宽频太赫兹辐射脉冲在大气中的吸收衰减的数值模拟能力;并对利用太赫兹时域光谱技术(THzTDS)所获得的透射光谱实测结果进行了对比分析,研究了不同水汽密度对太赫兹时域脉冲幅值、相位及频谱特性的影响.研究结果表明:短距离大气传输条件下,0.1~0.5 THz频段太赫兹脉冲的最大传输速率达20 Gb/s以上,相较于单模光纤,更具短距离通信优势.     

钝头锥目标对太赫兹波背景辐射的反射特性研究

为克服大气衰减对太赫兹波应用距离的限制,充分发挥太赫兹波探测的优势,文中对空气稀薄的对流层顶高度上的太赫兹波辐射传输特性进行了研究,探索太赫兹波在卫星及飞行器平台的应用如被动探测技术等. 选择7.147 THz、8.839 THz与10 THz三个频率较高、吸收衰减较小的窗口频率,计算和分析不同频率和海拔高度上大气背景亮度及目标对背景辐射的反射辐射. 结果表明,在所有高度上,大气背景在向上方向上的辐射比向下方向上的辐射小,这种趋势在海拔高度高于5 km时更为明显. 对于平行与地面放置的钝头锥目标来说,在高于5 km的高度上出现反射辐射的不对称性,反射的辐射在约80°和190°时达到峰值.     

基于小波变换的爆炸物太赫兹光谱降噪分析

采用太赫兹时域光谱技术(terahenz time-domain spectroscopy,THz-TDs)对钝感RDX(黑索金)和HMX(奥克托金)炸药在0～2.5 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了探测.得到了待测样晶的太赫兹吸收光谱,确定了其特征吸收峰的位置,与其他研究机构所测吸收谱进行了对比分析.结果表明,利用太...     

Study of atmospheric attenuation characteristics of terahertz wave based on line‐by‐line integration

Terahertz band communication promises new solution for satisfying the increasing demand for ultrahigh‐speed wireless communication. Channel models capturing the unique peculiarities of the terahertz (THz) band are required for communication systems designing. Extreme high molecular absorption is a distinctive phenomenon that has to be involved in terahertz communication models. Research in this field has mainly focused on the characteristics along the horizontal propagation path. In this paper, we developed a unified molecular absorption model along the slant propagation path of the THz wave, based on the line‐by‐line integration method developed by Van‐Vleck and Weisskopf and combining the molecular spectral line in the HITRAN database. Then, an in‐depth analysis on the THz channel characteristics is carried out by the developed propagation models. The attenuation characteristics of terahertz waves with frequencies in the range of 0.1 to 1 THz are analyzed by theoretical and mathematical modeling. The results show that the terahertz communication channel has a strong dependence on both the molecular composition of the medium and the transmission distance. The experimental results also indicate the strong absorption frequency points, weak absorption frequency points, and spectral windows.     

Attenuation of terahertz transmission through rain

Based on the Marshall-Palmer,Weibull raindrop size distribution and Mie electromagnetic scattering model,the relationships of attenuation coefficient of terahertz(THz) atmospheric window waves with precipitation rate and temperature are studied.Furthermore,combined with the loss of electromagnetic wave transmission in free space,the attenuation of THz communication and the transmission of current mobile communication signals through rain are compared and analyzed.The results show that the attenuation coefficient of THz transmission is increased with increasing precipitation rate,the difference of attenuation coefficient at different THz window waves is small,and the maximum difference is about 3 dB.The rain attenuation of THz wave is first decreased and then increased with increasing temperature,but the temperature has little effect on it.The attenuation of THz wave through rain is much larger than that of mobile communication signal.     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

医用棉纱布的太赫兹波段透射特性

生物医学诊断是太赫兹成像的重要应用领域。利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)在实验室温湿度条件下研究了用于伤口覆盖的医用棉纱布在0.1 THz～1.34 THz波段的透射特性。结果表明,在该波段,纱布对太赫兹辐射具有良好的透过性,且随频率增加,透射率迅速下降。利用最小二乘拟合得到太赫兹波透射率和纱布层数关系曲线,相关系数达0.996,并由此获得0.37 THz处0.34 mm厚单层纱布对太赫兹波的透射衰减系数约为0.159 7。本研究表明太赫兹光谱成像是包扎情况下烧伤评估、伤口恢复期监测的有效临床工具。     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S₂₁)高于?3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。