超越毫米波長，兆赫茲領域成為下一個目標
在開發 5G 標準過程中，第三代合作夥伴計劃 (3GPP) 總是離不開毫米波。5G 本質上會利用毫米波波長來適應特定應用，並提供在較低頻率下無法使用的幾千兆赫頻譜，但不僅止於此。
世界各地的研究人員都在探索遠高於 100 GHz，甚至兆赫茲領域的頻率。
無線電信業者目前想在 24 GHz 和 28 GHz 頻率下實作網路，存在著很大的阻礙，因此想了解如何在高一個數量級的頻率上運作。就像所有技術性質的討論一樣，魔鬼就在細節裡，尤其是有關不同波長傳播特性的細節。
要充分了解兆赫茲領域，很重要的一點是識別其在電磁頻譜中的位置，也就是介於用振盪器產生無線電訊號的頻譜，到光子學方法產生光的頻譜之間。雖然毫米波長非常短，但 100 GHz 的全波長更短，100 GHz 約為 3 毫米，10 兆赫茲約為 0.3 毫米。因此，就理論來說，只要能克服這般的巨大挑戰，整個系統建構起來將不到一英寸。
不過，重點是要了解為何在有這麼多較低的毫米波頻率可用的情況下，卻要使用這些極高的頻率。答案是，兆赫茲領域 (定義為 100 GHz 至 10 THz) 存在著獨特的優勢。
這些優勢包括：抗干擾性，因此裝置可在很近的距離下作業；傳播距離很短，因此本質上較為安全；能在單一連續頻段上達到 1 Tb/s (一百萬 Mb/s) 的資料傳輸速率 – 5G 的 1,000 倍。其中一些可能的應用包括高解析度全息遊戲、資料中心的高速無線資料散佈、無線認知、感測、成像，以及超高精準度的定位和尋址。
非線性耗損
頻率越高，穿越空間的損耗就越大，這似乎是合乎邏輯的。雖然這描述是正確的，卻沒那麼單純。在 UHF 和微波頻率下，路徑損耗主要來自非常低的分子吸收。但在更高頻譜的區域，也會受其他因素影響，例如降水和樹葉導致的散射，都會大幅影響範圍和可靠性。
然而，路徑損耗不是線性的，因為大氣中吸收電磁能量的氧氣、氫氣和其他氣體的共振頻率會隨頻率變化。(請見下圖) 100 GHz (0.1 THz) 的大氣吸收只比 300 GHz 高一點，到 10 THz 之前持續以較大的變化增加，在 10 THz 處則變得非常高。
雖然大氣衰減會隨頻率增加，依此邏輯而言在兆赫茲領域運作可能只是空想。但如此圖所示，衰減的增加不是線性的，可透過加入超高增益天線來大幅減輕衰減。(資料來源：《The Truth About Terahertz》(兆赫茲的真相)，作者 Carter M. Armstrong，IEEE Spectrum，2012 年 8 月)
紐約大學坦登工程學院電氣和電腦工程系教授暨紐約大學無線網路創立總監 Ted Rappaport 博士等人已經提出過這些特點，Rappaport 指出，只要傳輸路徑兩端的天線孔徑大小相同，穿越空間的路徑損耗會隨著頻率的增加而呈二次方下降。因此，在指定射頻輸出功率且連結兩端皆使用相同天線下，自由空間中 140 GHz 的訊號強度實際上比 73 GHz 高 5.7 dB，比 28 GHz 高 14 dB。
此外，與低於 6 GHz 的頻率相比，兆赫茲頻段的損耗低得驚人，在 300 GHz 時僅增加約 10 dB/km。儘管 600 至 800 GHz 之間的大部分頻譜會發生 100 至 200 dB/km 的大量衰減，但在 100 公尺的距離內，只相當於 10 或 20 dB，剛好是小型行動網路的典型覆蓋範圍。
另外再加上這些頻率所用的天線非常小，甚至可用數千個天線元件在非常窄的波束寬度上產生大量的前向增益，以主動式相陣列天線技術將相當高的功率引導到特定區域。亦即，300 GHz 遠低於 10 THz，100,000 dB/km 的衰減使其不可能長距離傳播訊號。儘管如此，還是可以使用網狀網路或中繼器來增加範圍。
除了語音和資料通訊，這些頻率還有許多其他用途，其中最重要的可能屬衛星間的通訊，在此類通訊中，窄波束訊號本質上的安全性對於確保安全性有著顯著的優勢。事實上，為了達成安全性目標，國防部門多年來一直在使用毫米波頻率，而且有意在頻譜中往上移動，使其更不容易遭到干擾和訊號攔截。
有難度但絕非不可能
要發揮兆赫茲頻率的強大潛力，需要在從半導體一直到網路設計等技術上實現飛躍般的進展。因為這些研發要多年後才會派上用場 (至少對通訊用途來說是如此)，研究人員有至少十年或甚至更長的時間來研究這些問題。
FCC 也理解兆赫茲作業所面臨的技術挑戰。該機構於 2019 年啟動了一項名為 New Horizons 的計劃，該計劃允許在從 95 GHz 到 3 THz 的未許可頻率範圍內進行幾乎不受規則限制的實驗，從而誕生 Spectrum Horizons 實驗無線電授權。此計劃在頻率範圍、功率和發射等規格上提供了廣泛的彈性，唯一需要注意的是，實驗者必須避免對現有服務造成干擾，雖然現有服務顯然不多。超過 21 GHz 的頻譜可用的有 116 至 123 GHz、174.8 至 182 GHz、185 至 190 GHz，和 244 至 246 GHz。
