اتصالات Terahertz هي نقل البيانات لاسلكياً باستخدام موجات كهرومغناطيسية في نطاق التردد 0.1–10 THz، مما يوفر عرض نطاق قنوات يصل إلى 100 GHz لكل ناقل. وفقاً لمجموعة IEEE Terahertz Interest Group (2023)، أظهرت روابط THz معدلات بيانات تتجاوز 100 Gbps في ظروف المختبر، مما يجعل هذا الطيف المُمكّن الأساسي لشبكات 7G بسرعات +10 Tbps.

حقائق أساسية

  • نطاق تردد THz: 0.1–10 THz (100 GHz إلى 10 THz) — IEEE designation
  • عرض نطاق القناة: 50–100 GHz لكل ناقل، أوسع بـ 100 مرة من 5G mmWave — IEEE Communications Society, 2023
  • رقم قياسي مختبري: 100 Gbps عند 300 GHz عبر 100 متر — NTT Docomo, 2021
  • فقدان المسار عند 300 GHz: ~82 dB عبر 10 أمتار في الفضاء الحر — ITU-R P.676
  • أفضل fT للترانزستور: ~1 THz في أجهزة InP HEMT البحثية — IEEE EDL, 2023
  • جاهزية التقنية: TRL 3–4 (إثبات مفهوم مختبري) اعتباراً من 2026 — European Commission assessment
  • النشر المتوقع: sub-THz في 6G Advanced حوالي 2033–2035؛ THz الحقيقي في 7G حوالي 2038–2042

لمعظم تاريخ الاتصالات اللاسلكية، كان نطاق terahertz (THz) — الترددات بين 100 GHz و 10 THz — مجرد فضول وليس مورداً. عالي جداً بحيث لا يمكن للإلكترونيات التقليدية توليده بكفاءة، منخفض جداً للتقنيات البصرية، كان يُطلق عليه "فجوة terahertz". استخدمت الأقمار الصناعية microwave. استخدمت الألياف الضوء. نطاق THz، الذي يقع بينهما، كان غير مستخدم إلى حد كبير.

هذا يتغير. التطورات في فيزياء أشباه الموصلات، photonics، وتصميم الهوائيات دفعت توليد الإشارات العملي إلى نطاق THz. وبينما يصبح كل نطاق تردد أقل مزدحماً، فإن المورد الطيفي الهائل لنطاق THz يجذب اهتماماً هندسياً جدياً. بالنسبة لـ شبكات 7G اللاسلكية — المتوقع أن تبدأ المعايرة في منتصف الثلاثينيات — اتصالات THz ليست اختيارية. إنها الآلية الأساسية لتحقيق معدلات البيانات القصوى 10+ Tbps التي يتطلبها الجيل.

ما هو نطاق التيراهرتز؟

ينقسم الطيف الكهرومغناطيسي إلى مناطق حسب التردد. تمتد الموجات الراديوية من بضعة كيلوهرتز إلى حوالي 300 GHz تقريباً. يبدأ الضوء تحت الأحمر فوق 300 GHz (أو بما يعادل ذلك، تحت أطوال موجية تبلغ 1 مم). يشير "نطاق التيراهرتز" تقليدياً إلى الترددات من حوالي 100 GHz (0.1 THz) إلى 10 THz — نطاق ترددات يبلغ 100 ضعف ويمتد عبر الانتقال من الموجات الدقيقة إلى البصرية.

الخاصية الرئيسية التي تجعل THz جذاباً للاتصالات هي عرض النطاق الترددي. تخبرنا نظرية Shannon أن الحد الأقصى لمعدل البيانات لأي قناة يتناسب مع عرض نطاقها الترددي. يمكن لقناة عند 300 GHz أن تحتوي على عرض نطاق ترددي يبلغ 50-100 GHz — مقارنة بعرض النطاق الترددي للقنوات البالغ 400-800 MHz لـ 5G mmWave. المزيد من عرض النطاق الترددي، مع تساوي كل شيء آخر، يعني المزيد من البتات في الثانية.

الخاصية الرئيسية التي تجعل THz صعباً هي الانتشار. تفقد الإشارات عالية التردد الطاقة أثناء انتقالها عبر الهواء، ولا يمكنها اختراق معظم المواد. عند 300 GHz، تكون خسارة المسار في الفضاء الحر أعلى بحوالي 30 dB من 28 GHz mmWave، والتي هي بحد ذاتها أسوأ بكثير من sub-6 GHz. تتضاءل إشارة THz إلى مستوى الضوضاء الأساسي خلال عشرات إلى مئات الأمتار في الفضاء الحر، وخلال سنتيمترات أو أقل عندما تواجه جداراً.

فيزياء انتشار THz

آليتان تهيمنان على فقدان إشارة THz:

فقدان المسار في الفضاء الحر

جميع الموجات الكهرومغناطيسية تواجه فقدان مسار متناسب مع مربع المسافة ومربع التردد. مضاعفة التردد تضاعف فقدان المسار أربع مرات (مع ثبات العوامل الأخرى). عند 300 GHz، فقدان المسار في الفضاء الحر عبر 10 أمتار يبلغ تقريباً 82 dB — مما يعني أن الإشارة المستقبلة أضعف بـ 82 dB من الإشارة المرسلة. هذا يتطلب قوة إرسال عالية جداً أو هوائيات اتجاهية عالية الكسب جداً (أو كليهما) لإغلاق ميزانية الرابط.

الامتصاص الجزيئي

جزيئات معينة — خاصة بخار الماء (H₂O) والأكسجين (O₂) — تمتص إشعاع THz عند ترددات محددة. عند مستوى سطح البحر مع الرطوبة النموذجية، توجد قمم امتصاص عند 183 GHz و 325 GHz و 557 GHz يمكن أن تضيف 10-100 dB من التوهين الإضافي عبر مسافات قصيرة. التأثير العملي هو أن أنظمة اتصالات THz يجب أن تعمل في "نوافذ الإرسال" بين قمم الامتصاص هذه — خاصة حول 300 GHz و 350 GHz و 410 GHz، حيث يكون الامتصاص أقل.

في البيئات منخفضة الرطوبة (الصحاري، المرتفعات العالية، المناخات الباردة) وداخل المباني (حيث تكون الرطوبة مُتحكم بها)، يكون الامتصاص أقل بشكل كبير. هذا يجعل اتصالات THz الداخلية أكثر عملية بكثير من الروابط الخارجية طويلة المدى.

لماذا لا تزال THz ضرورية لـ 7G

بالنظر إلى هذه التحديات، قد يسأل المرء: لماذا لا نستخدم ببساطة المزيد من طيف sub-6 GHz، أو نوسع نشر mmWave بدلاً من ذلك؟ الإجابة حسابية. إجمالي عرض النطاق المتاح في الترددات أقل من 100 GHz — المزدحمة بالفعل بالخدمات الخلوية والأقمار الصناعية والرادار و WiFi وخدمات أخرى — يُقاس بعشرات الجيجاهرتز عالمياً. تلبية الطلب على السعة اللاسلكية في أربعينيات القرن الحالي من تخصيصات الطيف الحالية أمر مستحيل فيزيائياً.

نطاق THz، في المقابل، يحتوي على مئات الجيجاهرتز من الطيف المحتمل في كل نافذة إرسال. سيتطلب هياكل نظام جديدة تماماً لاستخدامه بفعالية — لكن السعة الخام موجودة. التحدي الهندسي حقيقي. البديل أسوأ.

تقود تقنية InP HEMT أجهزة THz بـ fT يتراوح بين 700–1000 GHz ومضخمات عملية حتى ~400 GHz، وفقاً لـ IEEE Electron Device Letters (2023). تقدم GaN HEMTs خرج طاقة أعلى لمضخمات الإرسال، بينما يمكن للمناهج الفوتونية الوصول إلى 1–3 THz لكن بمستويات طاقة أقل.

تحدي الأجهزة: توليد إشارات THz

توليد واكتشاف إشارات THz صعب لسبب أساسي: يتطلب إلكترونيات تتبديل بسرعات THz. الرقم الأساسي للجدارة للترانزستورات هو تردد العبور (fT) — التردد الذي ينخفض عنده الكسب إلى الوحدة. تشغيل الترانزستور كمضخم يتطلب العمل أقل بكثير من fT.

ترانزستورات اليوم الأكثر تطوراً:

  • InP HEMTs (ترانزستورات الحركية الإلكترونية العالية من فوسفيد الإنديوم): أفضل أجهزة البحث تظهر fT حوالي 700–1000 GHz. المضخمات العملية تعمل إلى حوالي 300–400 GHz تقريباً. هذه هي التكنولوجيا المهيمنة لأنظمة الاتصالات sub-THz اليوم.
  • GaN HEMTs: fT أقل من InP (عادة 200–400 GHz لأجهزة البحث) لكن خرج طاقة أعلى بكثير — مفيد لمضخمات الإرسال في روابط THz حيث تهم الطاقة.
  • ترانزستورات الجرافين: ترددات عبور نظرية أعلى من 1 THz، لكن المضخمات العملية لم تطابق أداء أجهزة المختبر بسبب مقاومة التلامس وتأثيرات الركيزة. منطقة بحث نشطة.
  • المناهج الفوتونية: توليد إشارات THz عن طريق ضرب ترددين ليزر معاً (photomixing) يتجنب حدود الترانزستور الإلكترونية تماماً ويمكن أن يصل إلى 1–3 THz. طاقة أقل من المناهج الإلكترونية، لكنها تتحسن.

بالنسبة لـ 7G، أنظمة الاتصالات THz العملية ستتطلب على الأرجح واجهات أمامية قائمة على InP أو GaN تعمل في نطاق 100–500 GHz للنشر قريب المدى (الثلاثينيات من القرن الحالي)، مع مناهج فوتونية أو أشباه موصلات مركبة متقدمة تمدد نطاق التردد نحو 1 THz وما بعده في أواخر الثلاثينيات والأربعينيات.

تصميم الهوائي لـ THz

عند ترددات THz، تكون الأطوال الموجية تحت المليمتر. إشارة 300 GHz لها طول موجي 1 مم؛ إشارة 1 THz لها طول موجي 300 ميكرومتر. هذا له عواقب مهمة اثنتان.

أولاً، تصبح الهوائيات صغيرة جداً. ثنائي القطب نصف الطول الموجي عند 300 GHz يبلغ طوله 0.5 مم — صغير بما يكفي لدمجه في حزمة الرقاقة نفسها. هذا يمكّن تصاميم الهوائي في الحزمة (AiP) حيث يكون جهاز الإرسال والاستقبال والهوائي وحدة متكاملة واحدة، مما يقلل الخسائر من التوصيلات البينية.

ثانياً، يمكن أن تكون مصفوفات الهوائيات كثيفة للغاية. مصفوفة مرحلية من 64 عنصر عند 300 GHz تتسع في بضعة مليمترات مربعة. هذا يمكّن حزم اتجاهية شديدة — رفيعة كالقلم الرصاص عند ترددات THz — تركز الطاقة بدقة نحو المستقبل المقصود. الهوائيات الاتجاهية عالية الكسب ضرورية لتعويض فقدان المسار.

التحدي هو توجيه الحزمة. حزمة THz عالية الاتجاهية يجب أن تتتبع جهازاً متحركاً أو تتكيف عندما يكون المسار المباشر محجوباً. هذا يتطلب إدارة حزمة سريعة وموثوقة — مشكلة تعاملت معها 5G mmWave بشكل غير مثالي ويجب على 6G و 7G حلها بشكل أكثر قوة. قد تلعب تقنيات مثل الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل (RIS) دوراً محورياً في إدارة حزم THz.

عند 300 GHz، يبلغ طول هوائي ثنائي القطب نصف الطول الموجي 0.5 مم فقط، مما يمكّن تصاميم الهوائي في الحزمة (AiP) ومصفوفات مرحلية من 64 عنصر تتسع في بضعة مليمترات مربعة — منتجة حزماً رفيعة كالقلم ضرورية لتعويض فقدان مسار THz.

البحوث والعروض التوضيحية الحالية

عدة تجارب رائدة تُظهر الاتجاه الذي تتجه إليه اتصالات THz:

  • أظهرت NTT Docomo رابطاً لاسلكياً بسرعة 100 Gbps عند 300 GHz عبر مسار داخلي بطول 100 متر في عام 2021 — وهو أول عرض توضيحي لجدوى النظام على مستوى THz backhaul في ذلك النطاق.
  • أظهر الباحثون في جامعة طوكيو رابطاً بتردد 240 GHz بسرعة 100 Gbps عبر 10 أمتار باستخدام مصفوفة هوائي متكاملة في رقاقة بمساحة 3.8 سم² في عام 2023، مما يُظهر كثافة الهوائي الممكنة عند THz.
  • أظهر معهد Samsung للتكنولوجيا المتقدمة رابطاً لاسلكياً بسرعة 1 Tbps عند 140 GHz عبر 15 سم في بيئة محكومة في عام 2021، بشكل أساسي كإثبات لإنتاجية التعديل عند ترددات sub-THz.
  • أظهر مشروع TERAPOD التابع للاتحاد الأوروبي توزيع البيانات اللاسلكية THz داخل رف مركز البيانات، مستهدفاً استبدال الوصلات النحاسية بروابط THz للاتصال بين الأرفف — وهو تطبيق تجاري قريب المدى لا يتطلب انتشاراً واسع النطاق.

لا يُعتبر أي من هذه "7G جاهز للإنتاج." إنها عروض توضيحية لإثبات المفهوم تُصادق على مكونات محددة لنظام مستقبلي. الفجوة بين عرض توضيحي بسرعة 100 Gbps عند 300 GHz عبر 100 متر وخلية 7G THz صغيرة منتشرة تخدم 500 جهاز في وقت واحد هائلة — وتمتد لحوالي 10-15 سنة من العمل الهندسي. للمقارنة مع المشهد التقني الأوسع لـ 6G مقابل 7G، راجع تحليلنا المفصل.

THz في هيكل 7G

فيزياء انتشار THz تحدد مكان نشرها: قصيرة المدى، عالية الكثافة، في الأماكن المغلقة بشكل أساسي. سيستخدم هيكل 7G طيف THz لـ:

  • الخلايا الصغيرة الداخلية: نقاط وصول THz موزعة في المكاتب والمصانع والمنازل، توفر إنتاجية متعددة Gbps لكل جهاز داخل الغرف.
  • التواصل بين الأجهزة (D2D): تبادل البيانات عالي السرعة بين الأجهزة القريبة من بعضها — سماعات AR تتشارك بيانات المشهد، المركبات المستقلة تتبادل تغذية أجهزة الاستشعار في التقاطعات.
  • الربط اللاسلكي الخلفي: روابط THz قصيرة المدى تربط مكونات المحطة الأساسية في النشر الكثيف، تحل محل الألياف حيث يكون الحفر غير عملي.
  • ربط مراكز البيانات: روابط THz تحل محل النحاس للتواصل بين الرفوف وداخل الرف، حيث تقدم مزايا عرض النطاق وتلغي استهلاك الطاقة للربط الكهربائي النشط.

لا يُتوقع تغطية THz واسعة النطاق في عصر 7G. الفيزياء غير مواتية للغاية. ستستخدم الطبقة الكلية 7G ترددات 6G sub-THz والنطاق المتوسط للتغطية؛ THz توفر السعة في النقاط الساخنة.

في بنية 7G، يُنشر طيف THz لسيناريوهات قصيرة المدى عالية السعة: خلايا صغيرة داخلية، وروابط بين الأجهزة، وربط لاسلكي خلفي، وتوصيلات مراكز البيانات — بينما تعتمد طبقة التغطية الكبرى على ترددات 6G sub-THz والنطاق المتوسط.

الطريق إلى النشر

مستوى جاهزية التكنولوجيا (TRL) لمكونات اتصالات THz اعتباراً من عام 2026 هو تقريباً TRL 3–4: إثبات المفهوم تم عرضه في ظروف المختبر. الانتقال إلى TRL 7–8 (نموذج أولي في بيئة تشغيلية) يتطلب 8–12 سنة. الانتقال إلى TRL 9 (نظام جاهز للإنتاج) يتطلب 3–5 سنوات إضافية.

هذا الجدول الزمني متسق مع ظهور خلايا 7G THz الصغيرة في عمليات النشر الرائدة حوالي 2038–2042. قبل ذلك، توقع ظهور sub-THz (100–300 GHz) في أنظمة 6G Advanced حوالي 2033–2035 كخطوة وسطية — تسد الفجوة بين 5G mmWave و 7G THz الحقيقية.

الاستثمار المطلوب لسد هذه الفجوة كبير: مصانع أشباه موصلات جديدة قادرة على إنتاج أجهزة InP و GaN بكميات كبيرة، تكنولوجيا التغليف لوحدات antenna-in-package، دوائر متكاملة لتوجيه الشعاع على مستوى الرقاقة ASICs، وخوارزميات معالجة الإشارات لإدارة روابط THz في بيئات متعددة المستخدمين الكثيفة. الشركات والبرامج الوطنية التي تقوم بهذه الاستثمارات الآن ستحدد سلسلة توريد THz لعقد 2035–2045.

تقدم اتصالات Terahertz (0.1–10 THz) عرض نطاق قنوات يبلغ 50–100 GHz — أوسع بنحو 100 مرة من 5G mmWave — مما يمكّن معدلات بيانات قصوى أعلى من 1 Tbps. حققت العروض المختبرية 100 Gbps عند 300 GHz عبر 100 متر. مكونات THz في مستوى TRL 3–4 اعتباراً من 2026، مع توقع sub-THz في 6G Advanced حوالي 2033–2035 وخلايا THz الصغيرة الحقيقية المتوقعة لنشر 7G في 2038–2042.

المصادر

  1. ITU-R Recommendation P.676 — نموذج التوهين الجوي للترددات حتى 1 THz
  2. IEEE Electron Device Letters — معايير أداء ترانزستورات InP HEMT وGaN HEMT
  3. عرض NTT Docomo عند 300 GHz (2021) — رابط لاسلكي بسرعة 100 Gbps عند 300 GHz عبر 100 متر
  4. معهد Samsung المتقدم للتكنولوجيا — عرض إثبات مفهوم 1 Tbps عند 140 GHz
  5. مشروع TERAPOD الأوروبي — توزيع بيانات THz اللاسلكية في بيئات مراكز البيانات
  6. FCC Spectrum Horizons (2019) — فتح الترددات فوق 95 GHz للاستخدام التجريبي والمرخص

Frequently Asked Questions

ما هي اتصالات Terahertz؟

اتصالات Terahertz تستخدم موجات كهرومغناطيسية في نطاق التردد 0.1–10 THz لنقل البيانات لاسلكياً. توفر عرض نطاق قنوات أوسع بـ 100 مرة من 5G mmWave، مما يمكّن معدلات بيانات قصوى أعلى من 1 Tbps — لكنها تواجه تحديات انتشار شديدة بما في ذلك فقدان المسار العالي والامتصاص الجزيئي.

لماذا Terahertz مهم لـ 7G؟

يتطلب 7G سرعات قصوى تتجاوز 10 Tbps. الطريقة الوحيدة لتحقيق ذلك هي عبر عرض النطاق الهائل المتاح في طيف terahertz. يمكن لنطاقات THz توفير 50–100 GHz من عرض نطاق القناة لكل رابط، مقارنة بـ 400–800 MHz في 5G mmWave.

ما مدى وصول إشارات Terahertz؟

تتوهن إشارات terahertz بسرعة — المدى الفعال عشرات إلى مئات الأمتار في الفضاء الحر، وسنتيمترات عبر الجدران. عند 300 GHz، فقدان المسار في الفضاء الحر عبر 10 أمتار يبلغ تقريباً 82 dB. هذا يحد THz من النشر قصير المدى عالي السعة بدلاً من التغطية الواسعة.

متى ستتوفر شبكة Terahertz اللاسلكية؟

مكونات اتصالات THz في مستوى TRL 3–4 (إثبات مفهوم مختبري) اعتباراً من 2026. من المتوقع ظهور Sub-THz (100–300 GHz) في أنظمة 6G Advanced حوالي 2033–2035. خلايا THz الصغيرة الحقيقية لـ 7G متوقعة في 2038–2042.

هل يمكن لإشارات Terahertz اختراق الجدران؟

لا. إشارات THz يمتصها معظم المواد الصلبة خلال سنتيمترات. عند 300 GHz، فقدان المسار في الفضاء الحر يبلغ بالفعل ~82 dB عبر 10 أمتار، والجدران تضيف توهيناً شبه كلي. THz مصمم لسيناريوهات خط البصر والداخلية وقصيرة المدى.

ما الأجهزة المطلوبة لاتصالات THz؟

تتطلب اتصالات THz ترانزستورات متخصصة (InP HEMTs بـ fT 700–1000 GHz، أو GaN HEMTs لطاقة أعلى)، ومصفوفات هوائيات تحت المليمتر مدمجة في حزم الرقائق (antenna-in-package)، ودوائر ASICs سريعة لتوجيه الحزمة. يمكن للمناهج الفوتونية باستخدام photomixing الليزري أيضاً توليد إشارات THz حتى 3 THz.

كيف تقارن Terahertz بالموجات المليمترية؟

توفر THz عرض نطاق قنوات أوسع بـ 100 مرة من 5G mmWave (50–100 GHz مقابل 400–800 MHz)، مما يمكّن معدلات بيانات أعلى بكثير. ومع ذلك، تعاني THz من انتشار أسوأ بكثير: فقدان مسار إضافي ~30 dB مقارنة بـ 28 GHz mmWave، بالإضافة إلى امتصاص جزيئي من بخار الماء والأكسجين عند ترددات محددة.