无线射频通信在过去的二十年时间里已经成为现代生活不可缺少的组成部分。射频技术的每一次进步都解锁了新的应用，改变着我们的生活方式。随着5G射频通信的快速发展，研究人员开始研究未来的通信网络，以及未来Wi-Fi、蓝牙和其他短程无线系统的设计与研发。
值得注意的是，目前广泛应用的无线射频技术，从马可尼时代开始，一直局限在几千兆赫以下的频率范围。对无线服务需求的快速增长改变了这一格局；我们不得不考虑使用更高的频率，以找到支持无线流量持续呈指数增长所需的带宽。
现代Wi-Fi和IEEE 802.11ay1等5G变体的一个新特性是它们能够访问毫米波范围内的更高频率，超过10GHz。随着这些系统的成熟，研究兴趣自然开始转向更高的频率。与毫米波Wi-Fi和5G频段类似，使用这些更高频率的主要动机在很大程度上是希望获得更大的带宽和更高数据速率。尽管5G标准支持的最大数据速率超过7千兆位每秒（Gbps），比最快的4G数据速率大出一个数量级以上，但对无线数据巨大需求已经清楚地表明，未来将需要更高的速率。
无线射频通信领域的一个前沿课题是100GHz以上的频率，通常被称为“太赫兹（THz）范围”。大多数这方面的研究集中在一些特定的频段，包括D波段（110-170GHz），之前曾在北京奥运会期间用于电视广播，以及由最近的IEEE 802.15.3d标准文档定义的更高频段（252-322GHz）。这些频率远远超出了今天Wi-Fi和5G标准中包含的最高毫米波频段。
这个未被探索的电磁频谱领域包含一系列具有挑战性的子课题。具体的挑战可以从Friis方程来理解，该方程描述了一个天线在视线范围内的点对点无线链接中接收到的功率PRX：
PRX = PTX + GT + GR – FSPL
在这里，PTX是发射机产生的功率，GT和GR分别是发射和接收天线增益（以dBi表示），而最后一项，即自由空间传播损耗（FSPL），描述了扩展的电磁波前的功率每单位面积随传播距离D和波长λ而减少。FSPL在高频率下变成一个主要因子。当考虑将频率增加100倍时（例如，从典型的4G蜂窝频率2.8GHz到280GHz，这是802.15.3d标准中的一个频率），FSPL增加了40dB（见图 Legacy wireless bands）。
上图：假设传播距离为100米，在15°C温度和相对湿度为59%的条件下，根据标准大气模型，由于自由空间路径损耗和大气吸收而引起的传播中的无线电波衰减。阴影区域表示与传统无线系统、5G毫米波范围和太赫兹频谱对应的频率范围。
面临的挑战
设计具有适当外形和效率的主动高增益天线的挑战：由于FSPL在较低频率下较小，因此并非总是需要高增益天线；可以操作一个无线链接，其中发射机向各种角度广播。例如，典型的蜂窝天线通常覆盖120°的广播扇区。在更高的频率下，增加的FSPL可以通过高增益天线来抵消，这些天线将辐射功率集中到较小的角度范围内。在100GHz以上，这些广播开始更像是光束，沿着明确定义的方向传播，发散性很小。
大气损耗的挑战：从低频传播到高频传播，大气衰减成为了一个重要的考虑因素，这种损耗也随着频率增加而增加。在地球系统中，所有重要的吸收线都在120 GHz以上，是由气态水分子的旋转和振动激发引起的，其中一些吸收线足够强，可以抑制对应频率的远程传播。这些离散的吸收线将频谱分割成一系列适合在较长距离上传输的宽带，其中（由水二聚体和其他元素引起）是大气损耗的主要贡献。事实上，这些吸收共振并不总是被认为是障碍；通过精心的频率调谐，它们可以被利用来增强无线安全性。
表面散射和材料吸收的挑战：在考虑与表面的相互作用时，散射场的特性取决于表面的粗糙程度和表面吸收辐射的程度。比较光滑的表面像镜子一样反射波，粗糙的表面产生漫反射的散射波。因此，通常认为在发射机和接收机之间可能存在许多多次散射的路径，产生一个丰富的散射环境，其中任何位置的场都是许多不同波的随机叠加。相比之下，太赫兹频率下的无线信道则大不相同。通常，当传播波与大多数表面相互作用时，由于材料中的吸收损耗，传播波的衰减要大得多。
Work Consulted:
[1] Jornet, J. M., Knightly, E. W., & Mittleman, D. M. (2023, February 15). Wireless Communications Sensing and security above 100 ghz. Nature News. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36621-x 
