Omvandling från 100 Kilohertz till Terahertz

Information om Kilohertz (kHz)

Kilohertzen är en frekvensenhet som motsvarar 1000 hertz. Beteckningen är kHz. Den täcker den övre delen av människans hörsel och den lägsta delen av radiospektrumet, vilket gör den till mötesplatsen för två mycket olika tekniker.

Ljudet bor här. Den övre hörselgränsen ligger kring 20 kilohertz hos en ung människa, och de frekvenser som bär talets tydlighet samlas mellan 1 och 4 kilohertz. Digitalt ljud samplas med 44,1 kilohertz för cd-skivan och med 48 kilohertz för videoarbete, värden som valts eftersom samplingsteoremet kräver mer än det dubbla av den högsta frekvens som ska återges, med en marginal för filtrering.

Rundradion började i det här området. Långvågen går från 148 till 283 kilohertz och mellanvågen, AM-bandet, från 526 till 1606. Dessa låga frekvenser fortplantar sig längs marken och reflekteras nattetid mot jonosfären, vilket ger dem räckvidder på hundratals eller tusentals kilometer från en enda sändare. Därför bar de de första riksomfattande rundradiotjänsterna och betjänar alltjämt sjöfartens och luftfartens radiofyrar.

Kommunikation med ubåtar använder ännu lägre frekvenser, eftersom havsvatten suger upp radioenergi och bara signaler kring några kilohertz och därunder tränger djupare än ett par meter. Marinens sändare på mycket låg frekvens upptar av det skälet väldiga antennanläggningar, och deras datatakter är i motsvarande grad små.

Ultraljud för medicinsk bildgivning ligger långt över det hörbara, i megahertz, men industriell ultraljudsrengöring och djurskrämmor arbetar mellan 20 och 80 kilohertz, strax över vad människor hör. Fladdermöss ekolokaliserar på samma område, från omkring 20 till långt över 100 kilohertz.

Äldre datorer hade klockfrekvenser i kilohertz. Processorn i den ursprungliga Apple II gick på drygt en megahertz, men de tidigaste mikroprocessorerna och många mikrokontroller arbetar fortfarande på några hundra kilohertz där låg strömförbrukning väger tyngre än hastighet.

Det digitala ljudet förde in ett bestämt tal ur detta område i vardagsbruk. Cd-skivan samplar vid 44,1 kilohertz, valt därför att samplingssatsen kräver mer än dubbla den högsta frekvens som ska återges, och dubbla 20 kilohertz lämnar marginal åt det filter som tar bort allt däröver. Yrkesmässig inspelning brukar 48 kilohertz för att passa bilden, och 96 eller 192 vid slutbearbetning. Telefonin ligger långt lägre, samplar vid 8 kilohertz och skär därför av över omkring 3,4, vilket är varför en röst i en vanlig telefonledning förlorar de väsljud som gör bokstäverna s och f lätta att skilja åt.

En kilohertz motsvarar 1000 hertz, 0,001 megahertz eller en miljondels gigahertz.

Information om Terahertz (THz)

Terahertzen är en frekvensenhet som motsvarar tusen miljarder hertz. Beteckningen är THz. Den upptar gapet mellan de högsta radiofrekvenserna och det lägsta infraröda ljuset, ett område som under större delen av nittonhundratalet var så svårt att alstra eller påvisa att det kallades terahertzgapet.

Svårigheten var praktisk och inte teoretisk. Elektroniska oscillatorer tar slut ovanför några hundra gigahertz eftersom laddningsbärarna inte hinner svara, medan optiska källor som lasrar tappar verkningsgrad under det infraröda. Bandet däremellan hade ingen bekväm teknik på någondera sidan och förblev i decennier den minst utforskade delen av det elektromagnetiska spektrumet.

Det ändrades med ultrasnabba lasrar och fotoledande antenner, som alstrar terahertzpulser genom att belysa en halvledare med en laserpuls på några femtosekunder. Terahertzspektroskopi i tidsdomänen mäter i dag materialens svar över hela bandet, och tekniken har blivit ett gängse verktyg inom materialvetenskapen.

Säkerhetskontroll är den mest kända tillämpningen. Terahertzstrålning går genom kläder, papper, plast och keramik men stoppas av metall och sugs upp av vatten, och dess energi per foton är alldeles för låg för att jonisera något, så den kan avbilda dolda föremål utan röntgenstrålningens risker. Kroppsskannrar på flygplatser bygger på den principen.

Molekylspektroskopin använder bandet därför att många stora molekyler har rotations- och vibrationstillstånd här. Sprängämnen och narkotika har utmärkande terahertzsignaturer, och tekniken används i läkemedelsindustrins kvalitetskontroll för att skilja kristallformer som andra metoder gör identiska. Konstkonservering tillämpar den för att se under färgskikt utan att röra en duk.

Astronomin observerar vid dessa frekvenser från höga, torra platser eller från omloppsbana, eftersom atmosfärens vattenånga suger upp terahertzstrålning kraftigt. Kallt stoft och molekylgas i stjärnbildningsområden strålar här, och därför byggs observatorier på hög höjd i Chile och vid sydpolen.

Kommunikationsforskningen har börjat tränga in i bandet. Datatakter växer med tillgänglig bandbredd, och ovanför 100 gigahertz finns långt mer utrymme än därunder, så laboratorier har visat trådlösa länkar som bär hundratals gigabit i sekunden vid frekvenser nära en terahertz. Hindret är att vattenånga starkt suger upp dessa vågor och begränsar en länk till några hundra meter i klar luft och till betydligt mindre i regn. Det binder tekniken vid korta språng: förbindelser mellan takantenner, länkar inne i ett datacenter, eller sista sträckan mellan en lyktstolpe och en byggnad, och inte något som liknar en rundradiosändning.

En terahertz motsvarar tusen miljarder hertz, 1000 gigahertz eller en våglängd på ungefär 0,3 millimeter.