S rastućom popularnošću bežičnih uređaja, podatkovne usluge ušle su u novo razdoblje brzog razvoja, poznato i kao eksplozivni rast podatkovnih usluga. Trenutno se veliki broj aplikacija postupno seli s računala na bežične uređaje poput mobilnih telefona koji se lako nose i koriste u stvarnom vremenu, ali ta je situacija također dovela do brzog povećanja podatkovnog prometa i nedostatka resursa propusnosti. Prema statistikama, brzina prijenosa podataka na tržištu mogla bi doseći Gbps ili čak Tbps u sljedećih 10 do 15 godina. Trenutno je THz komunikacija dosegla brzinu prijenosa podataka od Gbps, dok je brzina prijenosa podataka od Tbps još uvijek u ranim fazama razvoja. Povezani rad navodi najnoviji napredak u brzinama prijenosa podataka od Gbps na temelju THz pojasa i predviđa da se Tbps može postići multipleksiranjem polarizacije. Stoga je za povećanje brzine prijenosa podataka izvedivo rješenje razvoj novog frekvencijskog pojasa, a to je terahercni pojas, koji se nalazi u "praznom području" između mikrovalova i infracrvenog svjetla. Na Svjetskoj radiokomunikacijskoj konferenciji ITU-a (WRC-19) 2019. godine, frekvencijski raspon od 275-450 GHz korišten je za fiksne i kopnene mobilne usluge. Može se vidjeti da su terahercni bežični komunikacijski sustavi privukli pozornost mnogih istraživača.
Terahercni elektromagnetski valovi općenito se definiraju kao frekvencijski pojas od 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) s valnom duljinom od 0,03-3 mm. Prema IEEE standardu, terahercni valovi definirani su kao 0,3-10 THz. Slika 1 pokazuje da se terahercni frekvencijski pojas nalazi između mikrovalova i infracrvenog svjetla.
Sl. 1 Shematski dijagram THz frekvencijskog pojasa.
Razvoj terahercnih antena
Iako su istraživanja terahercnog zračenja započela u 19. stoljeću, u to vrijeme nisu se proučavala kao neovisno područje. Istraživanje terahercnog zračenja uglavnom je bilo usmjereno na daleki infracrveni pojas. Tek sredinom do kraja 20. stoljeća istraživači su počeli unapređivati istraživanja milimetarskih valova na terahercni pojas i provoditi specijalizirana istraživanja terahercne tehnologije.
Osamdesetih godina prošlog stoljeća, pojava terahercnih izvora zračenja omogućila je primjenu terahercnih valova u praktičnim sustavima. Od 21. stoljeća, bežična komunikacijska tehnologija se brzo razvija, a potražnja ljudi za informacijama i povećanje komunikacijske opreme postavili su strože zahtjeve na brzinu prijenosa komunikacijskih podataka. Stoga je jedan od izazova buduće komunikacijske tehnologije rad s velikom brzinom prijenosa podataka od gigabita u sekundi na jednoj lokaciji. U uvjetima trenutnog gospodarskog razvoja, resursi spektra postaju sve oskudniji. Međutim, ljudski zahtjevi za komunikacijskim kapacitetom i brzinom su beskrajni. Zbog problema zagušenja spektra, mnoge tvrtke koriste tehnologiju višestrukih ulaza i izlaza (MIMO) kako bi poboljšale učinkovitost spektra i kapacitet sustava putem prostornog multipleksiranja. S napretkom 5G mreža, brzina podatkovne veze svakog korisnika premašit će Gbps, a promet podataka baznih stanica također će se značajno povećati. Za tradicionalne milimetarske komunikacijske sustave, mikrovalne veze neće moći podnijeti ove ogromne tokove podataka. Osim toga, zbog utjecaja linije vidljivosti, udaljenost prijenosa infracrvene komunikacije je kratka, a lokacija komunikacijske opreme fiksna. Stoga se THz valovi, koji se nalaze između mikrovalova i infracrvenog zračenja, mogu koristiti za izgradnju brzih komunikacijskih sustava i povećanje brzine prijenosa podataka korištenjem THz veza.
Terahercni valovi mogu pružiti širu komunikacijsku propusnost, a njihov frekvencijski raspon je oko 1000 puta veći od raspona mobilnih komunikacija. Stoga je korištenje THz za izgradnju ultrabrzih bežičnih komunikacijskih sustava obećavajuće rješenje za izazov visokih brzina prijenosa podataka, što je privuklo interes mnogih istraživačkih timova i industrija. U rujnu 2017. objavljen je prvi THz bežični komunikacijski standard IEEE 802.15.3d-2017, koji definira razmjenu podataka od točke do točke u donjem THz frekvencijskom rasponu od 252-325 GHz. Alternativni fizički sloj (PHY) veze može postići brzine prijenosa podataka do 100 Gbps pri različitim propusnim širinama.
Prvi uspješan THz komunikacijski sustav od 0,12 THz uspostavljen je 2004. godine, a THz komunikacijski sustav od 0,3 THz realiziran je 2013. godine. Tablica 1 prikazuje napredak istraživanja terahercnih komunikacijskih sustava u Japanu od 2004. do 2013. godine.
Tablica 1 Napredak istraživanja terahercnih komunikacijskih sustava u Japanu od 2004. do 2013.
Strukturu antene komunikacijskog sustava razvijenog 2004. godine detaljno je opisala tvrtka Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) 2005. godine. Konfiguracija antene uvedena je u dva slučaja, kao što je prikazano na slici 2.
Slika 2. Shematski dijagram japanskog bežičnog komunikacijskog sustava NTT 120 GHz
Sustav integrira fotoelektričnu pretvorbu i antenu te usvaja dva načina rada:
1. U zatvorenom prostoru bliskog dometa, planarni antenski odašiljač koji se koristi u zatvorenom prostoru sastoji se od jednolinijske noseće fotodiode (UTC-PD), planarne utorne antene i silicijske leće, kao što je prikazano na slici 2(a).
2. U vanjskom okruženju na velikim udaljenostima, kako bi se poboljšao utjecaj velikih gubitaka pri prijenosu i niske osjetljivosti detektora, antena odašiljača mora imati visoko pojačanje. Postojeća terahercna antena koristi Gaussovu optičku leću s pojačanjem većim od 50 dBi. Kombinacija dovodne roge i dielektrične leće prikazana je na slici 2(b).
Osim razvoja komunikacijskog sustava od 0,12 THz, NTT je 2012. godine razvio i komunikacijski sustav od 0,3 THz. Kontinuiranom optimizacijom brzina prijenosa može doseći i 100 Gbps. Kao što se može vidjeti iz Tablice 1, dao je veliki doprinos razvoju terahercne komunikacije. Međutim, trenutni istraživački rad ima nedostatke niske radne frekvencije, velike veličine i visoke cijene.
Većina terahercnih antena koje se trenutno koriste modificirane su od milimetarskih valnih antena, a inovacija u terahercnim antenama je malo. Stoga je, kako bi se poboljšale performanse terahercnih komunikacijskih sustava, važan zadatak optimizirati terahercne antene. Tablica 2 prikazuje napredak istraživanja njemačke THz komunikacije. Slika 3 (a) prikazuje reprezentativni THz bežični komunikacijski sustav koji kombinira fotoniku i elektroniku. Slika 3 (b) prikazuje testnu scenu u aerotunelu. Sudeći prema trenutnoj istraživačkoj situaciji u Njemačkoj, njezino istraživanje i razvoj također imaju nedostatke poput niske radne frekvencije, visokih troškova i niske učinkovitosti.
Tablica 2. Napredak istraživanja THz komunikacije u Njemačkoj
Slika 3. Ispitna scena u aerotunelu
CSIRO ICT centar je također pokrenuo istraživanje bežičnih komunikacijskih sustava u zatvorenom prostoru koji rade na THz. Centar je proučavao odnos između godine i komunikacijske frekvencije, kao što je prikazano na slici 4. Kao što se može vidjeti na slici 4, do 2020. godine istraživanja bežičnih komunikacija teže THz pojasu. Maksimalna komunikacijska frekvencija korištenjem radio spektra povećava se otprilike deset puta svakih dvadeset godina. Centar je dao preporuke o zahtjevima za THz antene i predložio tradicionalne antene poput rogova i leća za THz komunikacijske sustave. Kao što je prikazano na slici 5, dvije rogove antene rade na 0,84 THz odnosno 1,7 THz, s jednostavnom strukturom i dobrim performansama Gaussovog snopa.
Slika 4 Odnos između godine i učestalosti
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Slika 5 Dvije vrste rog antena
Sjedinjene Američke Države provele su opsežna istraživanja o emisiji i detekciji terahercnih valova. Poznati istraživački laboratoriji za terahercne valove uključuju Laboratorij za mlazni pogon (JPL), Stanfordski centar za linearni akcelerator (SLAC), Američki nacionalni laboratorij (LLNL), Nacionalnu upravu za aeronautiku i svemir (NASA), Nacionalnu zakladu za znanost (NSF) itd. Dizajnirane su nove terahercne antene za terahercne primjene, kao što su antene u obliku leptir-majice i antene za upravljanje frekvencijskim snopom. Prema razvoju terahercnih antena, trenutno možemo dobiti tri osnovne ideje za dizajn terahercnih antena, kao što je prikazano na slici 6.
Slika 6 Tri osnovne ideje za dizajn terahercnih antena
Gornja analiza pokazuje da iako su mnoge zemlje posvetile veliku pozornost terahercnim antenama, one su još uvijek u početnoj fazi istraživanja i razvoja. Zbog visokog gubitka propagacije i molekularne apsorpcije, THz antene su obično ograničene udaljenošću prijenosa i pokrivenošću. Neke studije usredotočuju se na niže radne frekvencije u THz pojasu. Postojeća istraživanja terahercnih antena uglavnom se usredotočuju na poboljšanje pojačanja korištenjem dielektričnih leća antena itd. i poboljšanje učinkovitosti komunikacije korištenjem odgovarajućih algoritama. Osim toga, vrlo je hitno pitanje kako poboljšati učinkovitost pakiranja terahercnih antena.
Opće THz antene
Dostupne su mnoge vrste THz antena: dipolne antene s konusnim šupljinama, kutni reflektorski nizovi, dipoli u obliku leptir-majice, planarne antene s dielektričnim lećama, fotovodljive antene za generiranje THz izvora zračenja, rog antene, THz antene bazirane na grafenskim materijalima itd. Prema materijalima koji se koriste za izradu THz antena, mogu se grubo podijeliti na metalne antene (uglavnom rog antene), dielektrične antene (lećne antene) i antene od novih materijala. Ovaj odjeljak prvo daje preliminarnu analizu ovih antena, a zatim u sljedećem odjeljku detaljno je predstavljeno i analizirano pet tipičnih THz antena.
1. Metalne antene
Horn antena je tipična metalna antena dizajnirana za rad u THz pojasu. Antena klasičnog milimetarskog valnog prijemnika je konusni horn. Valovite i dual-modne antene imaju mnoge prednosti, uključujući rotacijski simetrične dijagrame zračenja, visoko pojačanje od 20 do 30 dBi i nisku razinu unakrsne polarizacije od -30 dB te učinkovitost sprege od 97% do 98%. Dostupne propusne širine dviju horn antena su 30%-40% odnosno 6%-8%.
Budući da je frekvencija terahercnih valova vrlo visoka, veličina roga antene je vrlo mala, što otežava obradu roga, posebno pri dizajniranju antenskih nizova, a složenost tehnologije obrade dovodi do prekomjernih troškova i ograničene proizvodnje. Zbog poteškoća u izradi dna složenog dizajna roga, obično se koristi jednostavna rog antena u obliku stožastog ili konusnog roga, što može smanjiti troškove i složenost procesa, a performanse zračenja antene mogu se dobro održavati.
Druga metalna antena je piramidalna antena s putujućim valom, koja se sastoji od antene s putujućim valom integrirane na dielektrični film od 1,2 mikrona i ovješene u uzdužnoj šupljini ugraviranoj na silicijskoj pločici, kao što je prikazano na slici 7. Ova antena je otvorene strukture koja je kompatibilna sa Schottky diodama. Zbog svoje relativno jednostavne strukture i niskih proizvodnih zahtjeva, općenito se može koristiti u frekvencijskim pojasevima iznad 0,6 THz. Međutim, razina bočnih latica i razina unakrsne polarizacije antene su visoke, vjerojatno zbog njezine otvorene strukture. Stoga je njezina učinkovitost sprege relativno niska (oko 50%).
Slika 7 Piramidalna antena s putujućim valom
2. Dielektrična antena
Dielektrična antena je kombinacija dielektrične podloge i radijatora antene. Pravilnim dizajnom, dielektrična antena može postići usklađivanje impedancije s detektorom, a ima prednosti jednostavnog procesa, jednostavne integracije i niske cijene. Posljednjih godina istraživači su dizajnirali nekoliko uskopojasnih i širokopojasnih bočnih antena koje se mogu uskladiti s detektorima niske impedancije terahercnih dielektričnih antena: leptir antena, dvostruka antena u obliku slova U, logaritamsko-periodična antena i logaritamsko-periodična sinusna antena, kao što je prikazano na slici 8. Osim toga, složenije geometrije antene mogu se dizajnirati pomoću genetskih algoritama.
Slika 8 Četiri vrste planarnih antena
Međutim, budući da je dielektrična antena kombinirana s dielektričnom podlogom, pojavit će se efekt površinskog vala kada frekvencija teži THz pojasu. Ovaj kobni nedostatak uzrokovat će gubitak velike količine energije antene tijekom rada i dovesti do značajnog smanjenja učinkovitosti zračenja antene. Kao što je prikazano na slici 9, kada je kut zračenja antene veći od kuta graničenja, njezina energija je ograničena u dielektričnoj podlozi i povezana s modom podloge.
Slika 9 Učinak površinskog vala antene
S povećanjem debljine podloge, povećava se broj modova višeg reda, a povećava se i veza između antene i podloge, što rezultira gubitkom energije. Kako bi se oslabio učinak površinskog vala, postoje tri optimizacijske sheme:
1) Postavite leću na antenu kako biste povećali pojačanje korištenjem karakteristika oblikovanja snopa elektromagnetskih valova.
2) Smanjite debljinu podloge kako biste suzbili generiranje elektromagnetskih valova višeg reda.
3) Zamijenite dielektrični materijal podloge elektromagnetskim energetskim procjepom (EBG). Karakteristike prostornog filtriranja EBG-a mogu potisnuti modove višeg reda.
3. Antene od novog materijala
Uz gore navedene dvije antene, postoji i terahercna antena izrađena od novih materijala. Na primjer, 2006. godine Jin Hao i suradnici predložili su dipolnu antenu od ugljikovih nanocjevčica. Kao što je prikazano na slici 10 (a), dipol je izrađen od ugljikovih nanocjevčica umjesto od metalnih materijala. Pažljivo je proučio infracrvena i optička svojstva dipolne antene od ugljikovih nanocjevčica i raspravljao o općim karakteristikama dipolne antene konačne duljine od ugljikovih nanocjevčica, kao što su ulazna impedancija, raspodjela struje, pojačanje, učinkovitost i dijagram zračenja. Slika 10 (b) prikazuje odnos između ulazne impedancije i frekvencije dipolne antene od ugljikovih nanocjevčica. Kao što se može vidjeti na slici 10 (b), imaginarni dio ulazne impedancije ima više nula na višim frekvencijama. To ukazuje na to da antena može postići više rezonancija na različitim frekvencijama. Očito je da antena od ugljikovih nanocjevčica pokazuje rezonanciju unutar određenog frekvencijskog raspona (niže THz frekvencije), ali je potpuno nesposobna rezonirati izvan tog raspona.
Slika 10 (a) Dipolna antena od ugljikove nanocjevčice. (b) Krivulja ulazne impedancije i frekvencije
Godine 2012. Samir F. Mahmoud i Ayed R. AlAjmi predložili su novu strukturu terahercne antene temeljene na ugljikovim nanocjevčicama, koja se sastoji od snopa ugljikovih nanocjevčica omotanih u dva dielektrična sloja. Unutarnji dielektrični sloj je sloj dielektrične pjene, a vanjski dielektrični sloj je sloj metamaterijala. Specifična struktura prikazana je na slici 11. Ispitivanjem su poboljšane performanse zračenja antene u usporedbi s jednoslojnim ugljikovim nanocjevčicama.
Slika 11 Nova terahercna antena bazirana na ugljikovim nanocjevčicama
Nove materijalne terahercne antene predložene gore uglavnom su trodimenzionalne. Kako bi se poboljšala propusnost antene i napravile konformne antene, planarne grafenske antene privukle su široku pozornost. Grafen ima izvrsne karakteristike dinamičke kontinuirane kontrole i može generirati površinsku plazmu podešavanjem napona prednapona. Površinska plazma postoji na granici između supstrata s pozitivnom dielektričnom konstantom (kao što su Si, SiO2 itd.) i supstrata s negativnom dielektričnom konstantom (kao što su plemeniti metali, grafen itd.). U vodičima poput plemenitih metala i grafena postoji veliki broj "slobodnih elektrona". Ti slobodni elektroni nazivaju se i plazme. Zbog inherentnog potencijalnog polja u vodiču, ove plazme su u stabilnom stanju i nisu ometane vanjskim svijetom. Kada se energija upadnog elektromagnetskog vala spoji s ovim plazmama, plazme će odstupiti od stabilnog stanja i vibrirati. Nakon pretvorbe, elektromagnetski mod formira transverzalni magnetski val na granici. Prema opisu disperzijskog odnosa plazme metalne površine Drudeovim modelom, metali se ne mogu prirodno spojiti s elektromagnetskim valovima u slobodnom prostoru i pretvoriti energiju. Potrebno je koristiti druge materijale za pobuđivanje površinskih plazma valova. Površinski plazma valovi brzo se raspadaju u paralelnom smjeru granice metal-podloga. Kada metalni vodič provodi u smjeru okomitom na površinu, dolazi do skin efekta. Očito je da zbog male veličine antene postoji skin efekt u visokofrekventnom pojasu, što uzrokuje nagli pad performansi antene i ne može zadovoljiti zahtjeve terahercnih antena. Površinski plazmon grafena ne samo da ima veću silu vezanja i manje gubitke, već i podržava kontinuirano električno podešavanje. Osim toga, grafen ima složenu vodljivost u terahercnom pojasu. Stoga je širenje sporog vala povezano s plazma modom na terahercnim frekvencijama. Ove karakteristike u potpunosti pokazuju izvedivost grafena kao zamjene metalnih materijala u terahercnom pojasu.
Na temelju polarizacijskog ponašanja plazmona na površini grafena, slika 12 prikazuje novi tip trakaste antene i predlaže oblik pojasa karakteristika širenja plazma valova u grafenu. Dizajn podesivog pojasa antene pruža novi način proučavanja karakteristika širenja terahercnih antena od novog materijala.
Slika 12 Nova trakasta antena
Osim istraživanja novih materijala za terahercne antenske elemente, grafenske nanopatch terahercne antene mogu se dizajnirati i kao nizovi za izgradnju terahercnih komunikacijskih antenskih sustava s više ulaza i više izlaza. Struktura antene prikazana je na slici 13. Na temelju jedinstvenih svojstava grafenskih nanopatch antena, antenski elementi imaju dimenzije mikronske skale. Kemijsko taloženje iz pare izravno sintetizira različite grafenske slike na tankom sloju nikla i prenosi ih na bilo koju podlogu. Odabirom odgovarajućeg broja komponenti i promjenom elektrostatskog napona prednapona, smjer zračenja može se učinkovito promijeniti, čineći sustav rekonfigurabilnim.
Slika 13. Grafenski nanopatch terahercni antenski niz
Istraživanje novih materijala relativno je novi smjer. Očekuje se da će inovacija materijala probiti ograničenja tradicionalnih antena i razviti niz novih antena, kao što su rekonfigurabilni metamaterijali, dvodimenzionalni (2D) materijali itd. Međutim, ova vrsta antene uglavnom ovisi o inovaciji novih materijala i napretku procesne tehnologije. U svakom slučaju, razvoj terahercnih antena zahtijeva inovativne materijale, preciznu tehnologiju obrade i nove dizajnerske strukture kako bi se zadovoljili zahtjevi terahercnih antena za visokim pojačanjem, niskom cijenom i širokom propusnošću.
U nastavku se predstavljaju osnovni principi tri vrste terahercnih antena: metalne antene, dielektrične antene i antene od novih materijala, te se analiziraju njihove razlike te prednosti i nedostaci.
1. Metalna antena: Geometrija je jednostavna, jednostavna za obradu, relativno niska i niski zahtjevi za materijale podloge. Međutim, metalne antene koriste mehaničku metodu za podešavanje položaja antene, što je sklono pogreškama. Ako podešavanje nije ispravno, performanse antene će se znatno smanjiti. Iako je metalna antena male veličine, teško ju je sastaviti s planarnim krugom.
2. Dielektrična antena: Dielektrična antena ima nisku ulaznu impedanciju, lako se usklađuje s detektorom niske impedancije i relativno ju je jednostavno spojiti s planarnim krugom. Geometrijski oblici dielektričnih antena uključuju oblik leptira, oblik dvostrukog slova U, konvencionalni logaritamski oblik i logaritamski periodični sinusni oblik. Međutim, dielektrične antene također imaju fatalnu manu, naime efekt površinskog vala uzrokovan debelim supstratom. Rješenje je ugraditi leću i zamijeniti dielektrični supstrat EBG strukturom. Oba rješenja zahtijevaju inovacije i kontinuirano poboljšanje procesne tehnologije i materijala, ali njihove izvrsne performanse (kao što su omnidirekcionalnost i supresija površinskog vala) mogu pružiti nove ideje za istraživanje terahercnih antena.
3. Antene od novih materijala: Trenutno su se pojavile nove dipolne antene izrađene od ugljikovih nanocjevčica i nove antenske strukture izrađene od metamaterijala. Novi materijali mogu donijeti nove proboje u performansama, ali pretpostavka je inovacija znanosti o materijalima. Trenutno je istraživanje antena od novih materijala još uvijek u fazi istraživanja i mnoge ključne tehnologije nisu dovoljno zrele.
Ukratko, različite vrste terahercnih antena mogu se odabrati prema zahtjevima dizajna:
1) Ako su potrebni jednostavan dizajn i niski troškovi proizvodnje, mogu se odabrati metalne antene.
2) Ako je potrebna visoka integracija i niska ulazna impedancija, mogu se odabrati dielektrične antene.
3) Ako je potreban napredak u performansama, mogu se odabrati antene od novog materijala.
Gore navedeni dizajni mogu se prilagoditi i prema specifičnim zahtjevima. Na primjer, dvije vrste antena mogu se kombinirati kako bi se dobile veće prednosti, ali način montaže i tehnologija dizajna moraju ispunjavati strože zahtjeve.
Za više informacija o antenama posjetite:
Vrijeme objave: 02.08.2024.
