用于太赫兹通信的波束操控

为什么弯折看不见的波束很重要

我们的手机、耳机和工厂对更高速的无线链路有着旺盛需求。熟悉的无线电和微波频段日益拥挤，工程师因此将目光投向太赫兹波——位于微波与红外光之间的频段——以通过空气提供接近光纤的速率。但太赫兹信号功率弱且容易丢失。本文综述解释了如何通过精心塑造和指向窄束太赫兹能量来克服这些弱点，从而使未来的6G及以后网络既快速又可靠，甚至具备环境感知能力。

从弥散波到可控波束

在自由空间中，任何无线信号都会扩散并随着传播而衰减。在太赫兹频段，这种衰减尤为严重，而且现有的小型发射源只能提供有限功率。为应对这一点，发射器必须将能量集中成锐利的波束，而不是向各个方向广播。作者借用光学中的思想来描述波束如何形成与演化：波前上的每个点都可视为一个微小的二次源，它们的叠加决定了任意距离处波束的形态。在远场，这种行为可以用类似傅里叶的简单描述来捕捉；靠近发射器的所谓近场区域则需要更细致的模型，因为波前可能强烈弯曲，而不是近似平坦。

为不同任务塑造波束

一旦建立了这种传播图景，文章展示了如何通过调整相位——本质上是控制天线孔径上场的微小波动何时达到峰值与谷值——来为特定通信任务雕塑波束。波束可以被紧密聚焦以提升对单个近端设备的信号，也可以分裂成多个焦点以同时服务多个用户。其焦点可以在距离上延展，使移动用户无需频繁重调仍处于高信号区。波束的横截面也可以被拉平成“平顶”形状，在较大接收器上提供几乎均匀的功率，这对高增益链路和成像系统非常有用。

绕开障碍并自我修复的波束

真实环境复杂，窄束很容易被日常物体阻挡。综述强调了两类解决此问题的特殊波束形态。类贝塞尔波束由同心能量环构成，在一段距离内几乎保持不变，并能在部分阻挡后“自愈”：如果小物体打断了中心，能量环会在其后重构主波束。类艾里波束则采用不同策略：它们自然沿轻微弯曲的路径传播，可以绕过较大的障碍，同时仍将能量传送到直接视线受阻的接收端。在数百吉赫的实验中，使用这些波束的链路在普通直线波束失效的情况下仍能保持数据质量，使星座图和眼图在有挑战的阻挡情形下仍然清晰。

提升容量与安全的智能模式

波束整形不仅关乎信号强度或避障。某些模式会在空间中产生暗区，几乎没有功率到达——这对增强物理层安全非常有用，可使位于发射器与目标用户之间的窃听者无功可取。另一些由数学解族（称为模态）启发的模式，允许多个独立数据流在相同频段共存而互不干扰，有可能提升容量。文章还讨论了“全息”式波束控制，通过计算复杂的场分布来在空间中塑造几乎任意的强度形状，从而为精细定制的无线信道及集成感知与通信功能打开大门。

让波束技巧变为现实的硬件

所有这些模式最终都必须由物理硬件产生。作者考察了三类主要工具。传统的介质透镜，常由3D打印制成，能在宽带上聚焦并重塑波束，但体积较大且在太赫兹频段可能有损耗。超薄超表面由亚波长结构阵列蚀刻或沉积在基底上，通过在局部延迟波前部分提供紧凑且高效的静态波束控制。进一步发展的是可重构智能表面，它将静态单元替换为主动电子或可调材料，从而能按需改变每个单元的相位，实现实时指向和重编程波束模式，但代价是更严格的制造公差、更高的能耗以及当前实际孔径较小。

这对未来无线意味着什么

对于非专业读者，核心信息是：通向实用太赫兹无线的道路不会仅仅依赖于制造更强的发射器或更聪明的信号处理芯片。更重要的是学会在空间中雕塑波的形状，将波束模式与每个链路和环境的需求相匹配。综述认为，随着设备、建筑乃至墙壁成为通信织构的一部分，借助透镜、超表面和可编程表面实现的智能波束操控，将成为在日常环境中提供快速、可靠且安全的太赫兹连接的基石。

引用: Li, M., Jornet, J.M., Mittleman, D.M. et al. Beam manipulation for terahertz communications. Commun Eng 5, 83 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00676-7

关键词: 太赫兹通信, 波束成形, 超材料表面, 6G网络, 可重构智能表面