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文档简介
1/15G太赫兹通信技术研究第一部分太赫兹波段概述:频率范围、应用潜力。 2第二部分太赫兹信号特性:高损耗、方向性好。 3第三部分太赫兹通信系统架构:发射机、接收机、信道模型。 6第四部分太赫兹通信关键技术:太赫兹源、天线、调制解调。 10第五部分太赫兹通信应用场景:高速无线通信、成像雷达、医疗诊断。 12第六部分太赫兹通信面临挑战:高路径损耗、器件成本高。 14第七部分太赫兹通信技术进展:国际国内研究现状。 16第八部分太赫兹通信未来展望:发展趋势、应用前景。 19
第一部分太赫兹波段概述:频率范围、应用潜力。关键词关键要点太赫兹波段的频率范围
1.太赫兹波段是指频率范围在0.1THz-10THz之间的电磁波段,具有极高的频谱资源和超宽带特性。
2.太赫兹波段位于微波波段和红外波段之间,是目前尚未得到充分开发和利用的频段。
3.太赫兹波段具有穿透性强、方向性好、抗干扰能力强等特点,在通信、成像、探测等领域具有广阔的应用前景。
太赫兹波段的应用潜力
1.太赫兹波段在通信领域具有广阔的应用潜力,可用于高速无线通信、卫星通信、车载通信等领域,实现高数据速率和低时延的通信。
2.太赫兹波段在成像领域也具有很大的应用潜力,可用于医学成像、安检成像、工业检测成像等领域,实现高分辨率和高穿透性的成像。
3.太赫兹波段在探测领域也具有很大的应用潜力,可用于环境监测、天文学观测、生物医学探测等领域,实现高灵敏度和高选择性的探测。太赫兹波段概述
#一、太赫兹波段的频率范围
太赫兹波段是指频率范围为0.1THz至10THz的电磁波段,介于微波波段和红外波段之间。太赫兹波段又称为亚毫米波段,是电磁波谱中最少被探索和利用的区域之一。
#二、太赫兹波段的应用潜力
太赫兹波段具有以下应用潜力:
*高数据传输速率:太赫兹波段具有极高的带宽,可提供高达数十Gbps甚至Tbps的数据传输速率,可满足未来高速无线通信和数据传输的需求。
*高空间分辨率:太赫兹波段的波长短,具有较高的空间分辨率,可用于高分辨率成像、安检和医疗诊断等领域。
*低功耗:太赫兹波段的波长短,传播损耗小,可实现低功耗通信和传感。
*安全可靠:太赫兹波段不容易受到电磁干扰,具有较强的抗干扰能力,可用于安全可靠的通信和传感。
#三、太赫兹波段的应用场景
太赫兹波段的应用场景包括以下几个方面:
*无线通信:太赫兹波段可用于下一代无线通信、车载通信和卫星通信等领域,可提供高数据传输速率、低延迟和高可靠性。
*成像和安检:太赫兹波段可用于安检、医疗诊断和工业检测等领域,可提供高分辨率成像和探测能力。
*传感和物联网:太赫兹波段可用于物联网、环境监测和工业自动化等领域,可提供高精度传感和实时监测能力。
*科学研究:太赫兹波段可用于天文学、物理学和化学等领域,可用于研究星际物质、分子结构和化学反应等。第二部分太赫兹信号特性:高损耗、方向性好。关键词关键要点【太赫兹信号的高损耗】:
1.太赫兹波段的电磁波具有较高的能量,更容易被大气中的分子吸收,导致信号在传播过程中损耗较大。
2.太赫兹波段的电磁波在传播过程中容易受到障碍物的阻挡,导致信号的传输受到限制。
3.太赫兹波段的电磁波在传播过程中容易受到噪声的干扰,导致信号的质量下降。
【太赫兹信号的方向性好】:
太赫兹信号特性:高损耗、方向性好
太赫兹(THz)信号,又称为亚毫米波,是指频率范围为0.1~10THz的电磁波。太赫兹信号具有独特的特性,包括高损耗和方向性好。
1.高损耗
太赫兹信号在传播过程中会遇到各种损耗,包括吸收损耗、散射损耗和衍射损耗。吸收损耗是由介质对太赫兹信号的吸收引起的,散射损耗是由介质中的不均匀性对太赫兹信号的散射引起的,衍射损耗是由太赫兹信号在传播过程中遇到障碍物时引起的。
太赫兹信号的损耗与频率密切相关,频率越高,损耗越大。这是因为随着频率的增加,太赫兹信号的波长越来越短,更容易被介质中的分子和原子吸收和散射。
太赫兹信号的高损耗对太赫兹通信系统的设计提出了很大的挑战。为了减小太赫兹信号的损耗,需要采用适当的措施,如使用低损耗的介质、采用波束成形技术和使用转发器等。
2.方向性好
太赫兹信号具有良好的方向性,即太赫兹信号在传播过程中会集中在某一个方向上。这是因为太赫兹信号的波长很短,更容易被天线聚焦。
太赫兹信号的方向性好,使得太赫兹通信系统可以实现远距离通信。同时,太赫兹信号的方向性好也有助于提高太赫兹通信系统的保密性。
3.其他特性
除了高损耗和方向性好之外,太赫兹信号还具有其他一些特性,包括带宽大、速率高、延迟低和安全性高。
*带宽大:太赫兹信号的带宽非常大,可以达到数百吉赫兹甚至太赫兹。这使得太赫兹通信系统可以传输大量的数据。
*速率高:太赫兹信号的传输速率非常高,可以达到数十吉比特每秒甚至数百吉比特每秒。这使得太赫兹通信系统可以满足各种高带宽应用的需求。
*延迟低:太赫兹信号的传播速度非常快,接近光速。这使得太赫兹通信系统的延迟非常低,可以满足实时通信应用的需求。
*安全性高:太赫兹信号具有很强的穿透性,可以穿透墙壁和障碍物。这使得太赫兹通信系统具有很高的安全性,可以防止窃听和干扰。
4.应用
太赫兹信号具有独特的特性,使其在各个领域都有广泛的应用前景,包括无线通信、成像、雷达和医疗等。
*无线通信:太赫兹信号可以用于实现远距离、高带宽、低延迟的无线通信。太赫兹通信系统可以满足各种高带宽应用的需求,如视频流、虚拟现实和增强现实等。
*成像:太赫兹信号可以用于实现高分辨率的成像。太赫兹成像技术可以用于医学成像、安检和工业检测等领域。
*雷达:太赫兹信号可以用于实现高分辨率的雷达。太赫兹雷达可以用于目标检测、跟踪和成像等领域。
*医疗:太赫兹信号可以用于实现无创的医疗诊断和治疗。太赫兹医疗技术可以用于癌症检测、皮肤病检测和疼痛治疗等领域。第三部分太赫兹通信系统架构:发射机、接收机、信道模型。关键词关键要点【太赫兹发射机】:
-
1.太赫兹发射机采用频谱上变频架构,包含基带处理、数字模拟转换、毫米波上变频、太赫兹上变频、太赫兹源等模块。
2.太赫兹源是太赫兹发射机的核心器件,可分为固态源和真空源。固态源主要包括倍频源、倍频链、倍频器等,真空源主要包括倍速行波管、旋转管、回旋管等。
3.太赫兹发射机存在功耗高、成本高等问题。
【太赫兹接收机】:
-#太赫兹通信系统架构:发射机、接收机、信道模型
太赫兹通信系统发射机
太赫兹通信系统发射机主要由太赫兹信号发生器、功率放大器、天线等部分组成。
1.太赫兹信号发生器:
-太赫兹信号发生器负责产生太赫兹信号。
-目前主流的太赫兹信号发生器主要有基于倍频技术的太赫兹信号发生器和基于光学技术的太赫兹信号发生器。
-前者成本低、体积小,但输出功率低,后者输出功率高,但成本高、体积大。
2.功率放大器:
-功率放大器负责将太赫兹信号功率放大。
-太赫兹功率放大器通常采用场效应晶体管(FET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
-目前,太赫兹功率放大器的输出功率还比较低,一般在毫瓦到瓦特之间。
3.天线:
-天线负责将太赫兹信号传输到接收端。
-太赫兹天线通常采用抛物面天线、喇叭天线或者阵列天线。
-太赫兹天线增益高,方向性强,但体积大、成本高。
太赫兹通信系统接收机
太赫兹通信系统接收机主要由太赫兹天线、太赫兹低噪声放大器(LNA)、太赫兹混频器、太赫兹中频放大器、太赫兹检波器等部分组成。
1.太赫兹天线:
-太赫兹天线负责接收来自发射端的太赫兹信号。
-太赫兹天线的类型与发射机的天线类型相同。
2.太赫兹低噪声放大器(LNA):
-太赫兹LNA负责将接收到的太赫兹信号放大。
-太赫兹LNA通常采用场效应晶体管(FET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
-太赫兹LNA的噪声系数低,增益高。
3.太赫兹混频器:
-太赫兹混频器负责将接收到的太赫兹信号与本地振荡器信号混频,产生中频信号。
-太赫兹混频器通常采用二极管或者场效应晶体管(FET)。
-太赫兹混频器的混频损耗低,转换增益高。
4.太赫兹中频放大器:
-太赫兹中频放大器负责将中频信号放大。
-太赫兹中频放大器通常采用场效应晶体管(FET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
-太赫兹中频放大器的增益高,噪声系数低。
5.太赫兹检波器:
-太赫兹检波器负责将中频信号检波,恢复出原始的太赫兹信号。
-太赫兹检波器通常采用二极管或者场效应晶体管(FET)。
-太赫兹检波器的检波效率高,失真低。
太赫兹信道模型
太赫兹信道模型主要包括以下几方面:
1.太赫兹信道损耗:
-太赫兹信道损耗主要包括自由空间损耗、大气吸收损耗、雨雪损耗等。
-自由空间损耗与传输距离的平方成正比。
-大气吸收损耗与传输距离成正比。
-雨雪损耗与雨雪的强度成正比。
2.太赫兹信道时延:
-太赫兹信号在信道中传输时会产生时延。
-太赫兹信道时延主要包括传播时延、处理时延和排队时延。
-传播时延与传输距离成正比。
-处理时延与数据包的大小成正比。
-排队时延与网络负载成正比。
3.太赫兹信道带宽:
-太赫兹信道带宽是指太赫兹信号在信道中传输时能够被传输的最高频率。
-太赫兹信道带宽主要受信道损耗和信道时延的影响。
-太赫兹信道带宽一般在几十GHz到几THz之间。
4.太赫兹信道干扰:
-太赫兹信道干扰主要包括来自其他太赫兹通信系统、其他无线通信系统和自然界的干扰。
-太赫兹信道干扰会导致太赫兹信号的质量下降。
-太赫兹信道干扰可以采用各种方法来减轻,例如使用正交频分复用(OFDM)技术、使用多输入多输出(MIMO)技术、使用自适应调制和编码(AMC)技术等。第四部分太赫兹通信关键技术:太赫兹源、天线、调制解调。关键词关键要点【太赫兹源】:
1.太赫兹源是太赫兹通信系统中产生太赫兹波的核心器件。
2.太赫兹源的类型包括:固态太赫兹源、气体太赫兹源、量子级联激光器等。
3.太赫兹源的关键技术指标包括:输出功率、频率范围、相位噪声、调制带宽等。
【太赫兹天线】:
#太赫兹通信关键技术
太赫兹源
太赫兹源是太赫兹通信的核心器件,其性能直接决定了通信系统的传输容量、通信距离和抗干扰能力等方面。目前,太赫兹源的研究主要集中在以下几种类型:
*倍频源:倍频源是一种将低频信号的频率倍增为太赫兹波段的器件。倍频源的优点是效率高、成本低,但输出功率较低。
*量子级联激光器:量子级联激光器是一种利用量子级联效应产生太赫兹波段激光的新型光源。量子级联激光器的优点是输出功率高、光束质量好,但成本较高。
*等离子体振荡器:等离子体振荡器是一种利用等离子体中的电子振荡产生太赫兹波段电磁波的器件。等离子体振荡器的优点是输出功率高、效率高,但体积较大、成本较高。
太赫兹天线
太赫兹天线是太赫兹通信系统中用于发送和接收太赫兹波段电磁波的器件。太赫兹天线的研究重点是如何实现高增益、高效率和低成本的太赫兹天线。目前,常用的太赫兹天线有以下几种类型:
*抛物面天线:抛物面天线是一种常见的太赫兹天线。抛物面天线的优点是增益高、方向性好,但体积较大、成本较高。
*反射阵列天线:反射阵列天线是一种由多个反射单元组成的太赫兹天线。反射阵列天线的优点是体积小、成本低,但增益相对较低。
*透镜天线:透镜天线是一种由透镜组成的太赫兹天线。透镜天线的优点是体积小、成本低,但增益相对较低。
太赫兹调制解调
太赫兹调制解调技术是将太赫兹波段的电磁波转换为数字信号,或将数字信号转换为太赫兹波段电磁波的技术。太赫兹调制解调技术的类型主要有:
*幅度调制解调:幅度调制解调是一种将数字信号的幅度转换为太赫兹波段电磁波幅度的调制方式。幅度调制解调的优点是简单、易于实现,但抗噪声能力较弱。
*相位调制解调:相位调制解调是一种将数字信号的相位转换为太赫兹波段电磁波相位的调制方式。相位调制解调的优点是抗噪声能力强,但调制解调复杂度较高。
*频率调制解调:频率调制解调是一种将数字信号的频率转换为太赫兹波段电磁波频率的调制方式。频率调制解调的优点是抗噪声能力强,但调制解调复杂度较高。第五部分太赫兹通信应用场景:高速无线通信、成像雷达、医疗诊断。关键词关键要点高速无线通信
1.太赫兹无线通信具有更高的带宽和数据传输速率,能够满足5G及未来移动通信对高速数据传输的需求。
2.太赫兹无线通信支持大规模天线阵列和波束成形技术,能够实现高方向性和抗干扰性,提升通信性能。
3.太赫兹无线通信对环境中障碍物和杂波更加敏感,需要研究新的天线和波束成形技术来克服这些挑战。
成像雷达
1.太赫兹成像雷达具有高分辨率和穿透性,能够穿透云层和物体,在军事、安检、医疗等领域具有广泛的应用前景。
2.太赫兹成像雷达可以用于目标检测、跟踪和成像,在安检、搜救、反恐等领域具有重要的应用价值。
3.太赫兹成像雷达的研发还需要解决高功率和高灵敏度的器件和系统问题,以及成像算法和数据处理技术的问题。
医疗诊断
1.太赫兹波具有穿透性和无创性,能够应用于医学成像、疾病诊断和治疗。
2.太赫兹波可以用于检测皮肤癌、乳腺癌和肺癌等疾病,具有早期诊断和鉴别诊断的潜力。
3.太赫兹波可以用于治疗癌症和炎症等疾病,具有非侵入性和高靶向性的特点。太赫兹通信应用场景
太赫兹通信技术具有传输速率极高、覆盖范围广、波束窄、抗干扰能力强、安全性高、功耗低等特点,在高速无线通信、成像雷达、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。
1.高速无线通信
太赫兹通信技术可以提供极高的传输速率,满足未来移动通信对高速率的需求。例如,太赫兹通信技术可以用于实现5G和6G移动通信网络,提供高达10Gbps甚至更高的传输速率,支持超高清视频、虚拟现实、增强现实等应用。
太赫兹通信技术还可以用于实现高速无线回传,满足移动通信基站和核心网之间的数据传输需求。例如,太赫兹通信技术可以用于实现微波回传和毫米波回传,提高回传速率,降低时延。
2.成像雷达
太赫兹通信技术可以用于实现成像雷达,具有高分辨率、高精度、全天候等特点,在军事、安防、交通等领域具有广泛的应用。
例如,太赫兹成像雷达可以用于军事领域,实现目标探测、识别和跟踪,提高战场态势感知能力。太赫兹成像雷达还可以用于安防领域,实现人员安检、车辆检查等,提高安全防范水平。太赫兹成像雷达还可以用于交通领域,实现自动驾驶、道路监控等,提高交通安全和效率。
3.医疗诊断
太赫兹通信技术可以用于实现医疗诊断,具有无创、快速、准确等特点,在疾病诊断、治疗和监测等领域具有广泛的应用。
例如,太赫兹成像技术可以用于皮肤癌、乳腺癌等疾病的诊断,通过对皮肤或乳腺组织进行太赫兹成像,可以发现早期病变,提高诊断率和治愈率。太赫兹波还可以用于癌症治疗,通过将太赫兹波照射到癌细胞上,可以杀死癌细胞,抑制肿瘤生长。太赫兹波还可以用于患者生命体征监测,通过对患者的心率、呼吸、血压等生命体征进行太赫兹监测,可以及时发现异常情况,方便医生进行诊断和治疗。
太赫兹通信应用场景的其他实例
*汽车雷达:太赫兹雷达可以用于汽车的防撞系统、自适应巡航控制系统和盲点监测系统。太赫兹雷达可以探测到汽车周围的物体,并提前发出警告,帮助驾驶员避免事故。
*工业检测:太赫兹成像技术可以用于工业检测,如产品质量检测、缺陷检测和材料分析等。太赫兹成像技术可以快速、准确地检测出产品缺陷,并帮助企业提高产品质量。
*安检:太赫兹成像技术可以用于安检,如机场安检和海关安检等。太赫兹成像技术可以穿透衣服和行李,发现隐藏的武器、毒品和爆炸物等违禁品。
*环境监测:太赫兹技术可以用于环境监测,如空气质量监测和水质监测等。太赫兹技术可以快速、准确地检测出空气中和水中的污染物,帮助政府和企业制定有效的环境保护措施。
总结
太赫兹通信技术具有广阔的应用前景,将在许多领域发挥重要作用。随着太赫兹器件和系统技术的不断发展,太赫兹通信技术将在未来几年内得到更广泛的应用。第六部分太赫兹通信面临挑战:高路径损耗、器件成本高。关键词关键要点太赫兹通信面临的高路径损耗
1.太赫兹频段的电磁波在大气中传播时,会受到氧气、水蒸气和其他气体分子的强烈吸收和散射,导致路径损耗很大,严重限制了太赫兹信号的传输距离。
2.太赫兹波的短波长和窄波束特性,使得波束的指向性很强,且难以聚焦,这对太赫兹通信系统的链路预算和覆盖范围提出了更高的要求。
3.太赫兹信号容易受到环境因素的影响,如温度、湿度、降雨和烟雾等,这些因素都会导致太赫兹信号的衰减。
太赫兹通信器件成本高
1.太赫兹器件的制造工艺复杂,需要使用昂贵的材料和设备,导致太赫兹器件的生产成本很高。
2.太赫兹器件的集成度低,需要使用多芯片解决方案,这进一步增加了太赫兹器件的成本。
3.太赫兹器件的测试和表征也需要专门的设备和技术,这进一步增加了太赫兹器件的成本。太赫兹通信面临的挑战:高路径损耗、器件成本高
太赫兹通信是一种利用太赫兹频段(0.1-10THz)进行数据传输的技术。与传统微波通信相比,太赫兹通信具有更高的带宽、更快的速率和更低的延迟。然而,太赫兹通信也面临着一些挑战,其中最主要的是高路径损耗和器件成本高。
高路径损耗
太赫兹波的传播损耗比微波波段要大得多。这是因为太赫兹波的波长更短,更容易受到大气中的水分子和氧分子吸收。此外,太赫兹波还会受到物体表面的反射和散射,这也会导致信号损耗。
器件成本高
太赫兹通信所需的器件,如太赫兹发射机、接收机和天线,目前还很昂贵。这是因为这些器件需要使用昂贵的材料和特殊的工艺。此外,太赫兹器件的产量还很低,这也导致了成本居高不下。
具体数据
*太赫兹波的传播损耗比微波波段要大得多。在100米距离处,太赫兹波的路径损耗约为100dB,而微波波段的路径损耗仅为20dB。
*太赫兹器件的成本非常昂贵。一个太赫兹发射机的价格约为10万美元,一个太赫兹接收机的价格约为5万美元,一个太赫兹天线的价格约为1万美元。
总结
太赫兹通信是一种很有潜力的技术,但目前还面临着一些挑战,其中最主要的是高路径损耗和器件成本高。随着技术的发展,这些挑战有望逐渐得到解决,太赫兹通信将成为一种重要的通信技术。
参考文献
[1]徐鸿昌,褚龙兵,刘兵.太赫兹通信技术研究进展[J].电子与信息学报,2020,42(07):1450-1467.
[2]潘鸿文,谢昌松,肖风.太赫兹通信技术及其应用[J].通信技术,2019,52(08):1051-1059.
[3]施伟,谭浩.太赫兹通信技术关键技术研究进展[J].无线电技术,2018,43(08):69-78.第七部分太赫兹通信技术进展:国际国内研究现状。关键词关键要点【太赫兹通信技术标准化】:
1.国际电信联盟(ITU)已将太赫兹频段纳入5G标准,并制定了太赫兹通信的相关技术标准。
2.中国工信部也发布了太赫兹通信技术标准,对太赫兹通信系统架构、关键技术、频段划分等方面进行了详细规定。
3.各国也在积极推动太赫兹通信技术标准化工作,以促进太赫兹通信技术的发展和应用。
【太赫兹通信器件与系统】:
国际研究现状
1.美国:美国是太赫兹通信技术研究的领军国家,在该领域取得了丰硕的成果。美国国家科学基金会(NSF)和美国国防高级研究计划局(DARPA)等机构大力资助太赫兹通信技术研究,推动了该技术的发展。美国的研究机构和企业在太赫兹通信技术领域取得了多项突破,包括:
-开发了太赫兹波段的固态源和探测器,实现了太赫兹波段的无线通信。
-研制了太赫兹通信系统,实现了太赫兹波段的远距离无线传输。
-开展了太赫兹通信技术的应用研究,探索了太赫兹通信技术在医疗、安保、工业等领域的应用。
2.欧洲:欧洲是太赫兹通信技术研究的另一大中心,在该领域也取得了σημανসিদ্ধান্তনেওয়াওহয়েছে।欧洲的研究机构和企业在太赫兹通信技术领域取得了多项成果,包括:
-开发了太赫兹波段的集成电路,实现了太赫兹波段的无线通信。
-研制了太赫兹通信系统,实现了太赫兹波段的远距离无线传输。
-开展了太赫兹通信技术的应用研究,探索了太赫兹通信技术在医疗、安保、工业等领域的应用。
3.日本:日本是太赫兹通信技术研究的另一個重要国家,在该领域也取得了σημανসিদ্ধান্তনেওয়াওহয়েছে।日本的科研院所和企业在太赫兹通信技术领域取得了多项成果,包括:
-开发了太赫兹波段的高功率源和探测器,实现了太赫兹波段的无线通信。
-研制了太赫兹通信系统,实现了太赫兹波段的远距离无线传输。
-开展了太赫兹通信技术的应用研究,探索了太赫兹通信技术在医疗、安保、工业等领域的应用。
国内研究现状
1.中国:近年来,中国在太赫兹通信技术领域的研究取得了长足的进步。中国科学院、清华大学、北京大学、电子科技大学等科研院所和高校在太赫兹通信技术领域开展了深入的研究,取得了一系列重要成果,包括:
-开发了太赫兹波段的固态源和探测器,实现了太赫兹波段的无线通信。
-研制了太赫兹通信系统,实现了太赫兹波段的远距离无线传输。
-开展了太赫兹通信技术的应用研究,探索了太赫兹通信技术在医疗、安保、工业等领域的应用。
2.产业界:中国在太赫兹通信技术领域也涌现了一批具有竞争力的企业,如华为、中兴通讯、大唐电信、烽火通信等。这些企业在太赫兹通信技术领域取得了多项成果,包括:
-开发了太赫兹波段的芯片和模块,实现了太赫兹波段的无线通信。
-研制了太赫兹通信系统,实现了太赫兹波段的远距离无线传输。
-开展了太赫兹通信技术的应用研究,探索了太赫兹通信技术在医疗、安保、工业等领域的应用。
总结
太赫兹通信技术是一项新兴技术,具有广阔的应用前景。国际上,美国、欧洲、日本等国家在太赫兹通信技术领域取得了长足的进步。中国也在该领域取得了长足的进步,涌现了一批具有竞争力的企业。随着太赫兹通信技术的研究不断深入,该技术有望在医疗、安保、工业等领域得到广泛应用。第八部分太赫兹通信未来展望:发展趋势、应用前景。关键词关键要点【太赫兹芯片技术】:
1.随着半导体工艺的发展,太赫兹芯片技术正在迅速进步。
2.新型材料和结构的引入,如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和碳化硅(SiC),使太赫兹器件能够在更高的频率和功率下工作。
3.集成电路(IC)
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