📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 11周: 🔭 太赫茲（THz）革命 × 光無線通訊 × 全雙工
6G 高频 × 光 × 激光鏈路的未來主戰場
102／150單元： 吸收峰（H₂O/O₂）🌫️ THz 傳播衰減
Atmospheric Absorption Peaks in THz Propagation (H₂O / O₂) ________________________________________
🎯 單元導讀
THz 的最大物理殺手之一，就是：
⭐ 大氣吸收（Atmospheric Absorption）
尤其：
❗ 水氣（H₂O）
❗ 氧氣（O₂）
THz 在 100 GHz 以上的頻段，會遇到強烈吸收峰（absorption peaks），造成：
• 嚴重衰減
• SNR 大幅下降
• 覆蓋距離急速縮短
• 室外效能不穩定
• 天氣、水氣成為主導因子
一句話：
🌫️ THz 是被大氣控制的頻段。
水氣跟氧氣，就是 THz 的「天敵」。
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🧠 一、什麼是吸收峰（Absorption Peaks）？
當電磁波頻率剛好「對上」分子的 共振頻率 時，該分子會吸收大量能量 → 造成巨大衰減。
THz 頻段剛好落在：
✔ 水氣分子的旋轉能階
✔ 氧分子的磁偶極躍遷
所以：
🌫️ THz 特別容易被 H₂O / O₂ 吸收。
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🧠 二、大氣吸收的兩大來源
✔ ① H₂O 吸收（濕度主宰）
水分子的旋轉吸收造成一連串吸收峰：
• 183 GHz
• 325 GHz
• 380 GHz
• 448 GHz
• 557 GHz
• 752 GHz
• 988 GHz
• …
濕度愈高 → 吸收愈強 → 覆蓋距離愈短
所以：
✔ 室內（乾燥）比較適合 THz
✔ 熱帶、雨季、濕度高 → THz 會失能
✔ 霧、雨、雪 影響巨大
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✔ ② O₂ 吸收（固定、與天氣無關）
氧氣吸收具有固定強峰：
• 60 GHz – 70 GHz（超強）
• 118 GHz
• 另外一系列弱峰在 300+ GHz
60 GHz 附近吸收極大，所以：
✔ WiGig / IEEE 802.11ad 做 60 GHz → 適合室內
✔ 不適合廣域行動通訊
✔ 高吸收反而帶來安全性 → 不容易被竊聽
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🧠 三、THz 傳播損耗模型：自由空間 + 吸收
THz 途徑上的總衰減：
⭐ Total Loss = FSPL + Absorption Loss
其中
• FSPL（自由空間損耗）∝ f²
• 吸收（Absorption）來自 H₂O/O₂
吸收模型常用公式：
A(f, d) = e^(k(f) · d)
其中：
• k(f) = 頻率依賴吸收係數（H₂O/O₂）
• d = 距離（m）
📌 當 f 越高 → k(f) 越大 → 吸收呈指數級增長
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🧠 四、ASCII：THz 吸收峰示意圖
Absorption (dB/km)
^
| /\ /\ /\ /\
| /\ /\ / \ / \ / \ / \
| /\ / \ / \ / \__/ \____/ \____/ \__
|__/ \/ \_/ \/
+--------------------------------------------------------> Frequency
60 118 183 325 380 448 557 752 988 1THz+
|O₂| |-------- H₂O 吸收窗口 --------|
這張 THz 吸收峰示意圖 用來說明：隨著頻率進入 mmWave 與 THz 區段，電磁波在大氣中的衰減並非平滑增加，而是由氧氣（O₂）與水氣（H₂O）分子在特定頻率產生強烈吸收峰所主導。圖中可看到多個尖銳的吸收峰，代表幾乎不適合長距離通訊的頻段；而吸收峰之間的低谷，則是所謂的 THz 傳輸窗口（THz Windows），實際可用的 6G 與 THz 通訊頻段正是選擇落在這些窗口中進行工程化設計。整體重點在於：THz 通訊的可行性，取決於是否能避開分子吸收峰並有效利用窗口頻段。
👉 左邊（60 GHz）是 O₂ 強吸收
👉 中間到右邊（183–1000 GHz）是 H₂O 多個吸收峰
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🧠 五、THz 傳播衰減的核心特性
① 距離衰減比 mmWave 大 10～100 倍
例如：
• 120 GHz → 約 30–50 dB/km（乾燥）
• 300 GHz → 約 100–200 dB/km
• 1 THz → 1000+ dB/km
這代表：
❗ 超過 10–20 公尺就明顯衰減
❗ 室外幾乎不可用（除非極低濕+短距離）
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② 濕度為主因：濕度 10% vs 80% → 差一個世界
例：
• 325 GHz 在濕度 10%：≈ 10 dB/m
• 325 GHz 在濕度 80%：≈ 30–50 dB/m
→ 只要湿度上升，THz 立刻掉速。
→ 這就是 THz 室外不穩定的主因。
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③ 天氣影響巨大（雨、霧、雪）
雨衰（rain fade）在 THz 頻段甚至比 Ka-band 還嚴重。
• 小雨：偏高衰減
• 大雨：幾乎完全失效
• 濃霧：嚴重散射
• 雪：擾動路徑
→ LEO × THz 光學鏈路需要備援（雷射 / RF fallback）。
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④ O₂ 吸收造成「隔離效果」
60 GHz 吸收非常大 → 天然隔離頻段
→ 適合室內高速傳輸（安全性高）
→ 像光纖一樣，跑不出房間
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🧠 六、THz 的「吸收窗」概念（THz Windows）
在 THz 頻段，有些頻率吸收較低，稱為「透窗」：
✔ 140 GHz
✔ 220 GHz
✔ 340 GHz
→ THz 通訊通常選在這些窗口附近。
→ 但仍然只適合短距離（室內、小型小區）。
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🧠 七、工程啟示：RIS × AI × Multi-hop 變成必要
因為 THz 容量高但極易衰減 →
必須依賴結構化網路設計
✔ RIS（反射降低遮蔽影響）
✔ AI（動態 beamforming + blockage prediction）
✔ 多跳傳輸（Small cell / Relay / Reconfigurable mesh）
✔ Hybrid RAN（THz + mmWave + Sub-6）
✔ 室內主導、室外輔助
未來 6G 城市會變成：
室內：THz
室外：mmWave + Sub-6
天空：LEO
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🧠 八、模擬題
1️⃣ 計算 183 GHz、325 GHz、557 GHz 在濕度 30% 下的吸收量。
2️⃣ 濕度從 20% → 80%，SNR 會下降多少？
3️⃣ 模擬 THz 室內反射路徑損耗（含壁面材質）。
4️⃣ 比較「THz + RIS」與「THz 無 RIS」的有效吞吐量。
5️⃣ 模擬雨衰對 300 GHz 室外連線的影響。
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🧠 九、小結與啟示
✔ H₂O / O₂ 是 THz 的兩大殺手 → 吸收極強
✔ THz 戶外表現受氣候與濕度主導
✔ THz 室內比室外可靠得多
✔ THz 容量巨大，但距離極短
✔ RIS、AI-native、relay 是唯一可行架構
✔ 不存在單獨依靠 THz 的城市網路
✔ THz 將與 mmWave、Sub-6、LEO 混合使用
一句話：
🌫️ 吸收峰決定了 THz 的命運：高速，卻不能走遠。
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