一、前言：迈向太赫兹时代的工程视角

行业专家将 《Broadband Terahertz Devices and Communication Technologies》视为一部面向未来通信、兼顾器件与系统的工程教材。随着无线设备数量激增、数据速率要求持续攀升—预计到 2030 年无线流量将与有线服务相当或超越，通信需求正进入“速率飙升”时代。书中指出：为满足超百 Gb/s、甚至 Tb/s 的峰值速率，传统微波频段已近瓶颈，故必须探索位于微波与光之间的太赫兹频段。该文本不仅论述这一趋势，还系统汇总了关键器件、天线、通信系统与所面临挑战，是工程师理解 6G 及 beyond-6G 通信体系不可或缺的参考。

二、结构与核心主题：从频谱到器件再到系统

本书由主编 Lu Zhang、Xiaodan Pang、Prakash Pitchappa 联合编辑，涵盖多个研究主题：重构智能表面 (RIS) 在太赫兹频段的应用、太赫兹 MEMS 开关、三频段热探测器、G-频段行波管 (TWT)、66-76 GHz 宽动态射频收发器，以及 144 Gb/s @ 500 GHz 的光子辅助系列系统等。整体结构可分三大层次：

• 频谱与系统需求层：为何选择 275–450 GHz 作为低频太赫兹窗口，以及通信系统如何设计以突破数据率瓶颈。

• 关键器件层：探讨 RIS、MEMS 开关、热探测器、行波放大器、GaAs 收发器等组件的结构、性能和工程实现。

• 通信系统层：展示实测系统，如 144 Gb/s @ 500 GHz 链路、W 波段通信＋感知融合系统、安全传输研究。

这种由频谱→器件→系统的层层推进，使工程师不仅“知道做什么”，更“理解为什么这样做”。

三、关键工程技术详解与实践解读

1. 太赫兹频谱选取与通信系统挑战

书中明确提出：在 WRC-19 上已允许 275–450 GHz 频段用于陆地移动与固定服务，此举标志低频太赫兹频段将进入标准化进程。太赫兹频段优势在于谱资源“丰”，但挑战也显著：自由空间传输损耗大、直视 (LOS) 要求高、微波束对准精度高。研究文献也指出，用户微移动、束偏移会显著降低太赫兹通信容量。工程师必须设计具备“细束”波束成形与快速对准能力的天线系统。
市场层面，太赫兹技术整体市场预计从 2025 年 8.18 亿美元，至 2030 年达 17.06 亿美元，年复合增长率约 15.8%。通信系统子领域增长尤为迅猛。
这种频谱与系统需求的变化，为书中器件设计与系统实现提供了深厚基础。

2. 太赫兹重构智能表面（RIS）与前端器件

RIS 在本书中被定位为支撑未来 6G 联接时“场景泊车”的关键器件。典型研究涵盖 CMOS 晶体管、肖特基二极管、高电子迁移率晶体管 (HEMT)、石墨烯、相变材料 (如 VO₂、二元化合物)、以及 MEMS 微开关。研究指出：设计 THz 频段 RIS 的难点在于器件物理尺寸已接近波长级、损耗高、响应速度要求严。
例如，书中提及一款 750 GHz MEMS 开关，在 ON 状态插入损耗 <3 dB、OFF 状态隔离 >12 dB，是高频器件设计的典型样本。这样的性能指标，在工程部署中代表了“可用级别”的器件。
从产业角度看，RIS 技术的发展也对应了通信系统从“宏站覆盖”向“超密集、定向、高频”转变的趋势。

3. 高频器件：行波管、收发器与热探测器

书中介绍了一款 G-频段 (约 140–220 GHz) 宽带连续波行波管，输出功率超过 8 W、增益 > 30.5 dB、带宽达 27 GHz。这种器件用于高功率点-对-点通信或卫星链路，体现“太赫兹不仅用于短距离传输，也用于高功率中继”的方向。
此外，热探测器方面，一款室温 CMOS 单片三频段热探测器在 0.91 THz、2.58 THz、4.2 THz 三个频点测得响应值和噪声等效功率 (NEP) 均处于可量产水平。这展示了太赫兹成像／探测系统向“低成本、室温、大规模生产”迈进。
这些器件不仅是理论存在，更具备“工程可制造”特性，是系统落地的基石。

4. 系统示范：144 Gb/s @ 500 GHz 光子辅助链路

在通信系统层面，书中提到一项实测成果：通过 20 km 单模光纤 + 3 m 无线 2×2 MIMO 链路，在 500 GHz 频段实现 144 Gb/s 双极化 QPSK 传输，并使用深度置信网络 (DBN) 均衡器来补偿线性与非线性失真。这一系统体现了“光通信 + 太赫兹无线 + AI 信号处理”融合的工程趋势。
结合市场报告，通信应用正成为太赫兹器件增长最快的子领域，这为工程师指明了从器件研究向系统整合的方向。

四、产业趋势与市场洞察

• 市场规模与增长速度：全球太赫兹技术市场预计从 2025 年约 8.18亿美元，至 2030 年达 17.06亿美元，年复合增长率约 15.8%。通信子领域增长最快。

• 应用领域转移：最初太赫兹技术主要用于成像、无损检测、安检。但随着 6G 研究推进，通信领域需求迅速抬升。

• 地理分布：北美在研发与高端器件应用方面领先；亚太在制造规模与市场增长速度方面优势显著。

• 挑战与推动因素：推动因素包括数据率需求激增、频谱资源稀缺、器件技术突破。但挑战也不容忽视：高损耗、对准困难、环境敏感（如水汽吸收）等仍是工程实际障碍。
  – 由此可见，书中强调的“从器件可制造性、系统可部署性、工程可控性”正是产业演进的真实写照。

五、对教材使用者的建议

• 对于通信系统设计师：建议将本书作为“太赫兹通信体系设计参考”，重点研读频谱选取、链路损耗、系统实验部分。

• 对于射频/毫米波器件工程师：重点聚焦器件章节，如 MEMS 开关、热探测器、行波管与收发器，理解其结构参数与性能指标。

• 对于科研与教学用途：该书包含多项实验案例可改编为教学模块，如 “750 GHz MEMS 开关性能测试”、 “500 GHz 链路系统实验”等。可配合仿真工具与实验平台开展教学。

• 工程团队建议将本书中提出的“频谱选择 → 器件设计 → 系统示范”流程纳入项目流程，搭建从器件到系统的工程路径。

结语：太赫兹不是跑道的终点，而是通信与感知的起点

在高速通信与万物互联时代，传统微波频段已无法满足“百 Gb/s、千 Gb/s”时代的需求，《广带太赫兹：未来通信的关键支撑》以工程视角揭示了太赫兹频段器件与系统的真实状态：技术挑战、制造瓶颈、系统集成、市场机遇。它不仅提醒工程师“未来可达到”，更指导他们“今天该做什么”。阅读这本书，行业专家认为你将从“了解太赫兹”迈向“设计太赫兹”、最终进入“部署太赫兹”的工程实践阶段。通信革命尚在路上，而本书正是那条路上的地图。