Uz sve veću popularnost bežičnih uređaja, podatkovne usluge ušle su u novo razdoblje brzog razvoja, također poznato kao eksplozivan rast podatkovnih usluga. Trenutačno velik broj aplikacija postupno migrira s računala na bežične uređaje poput mobilnih telefona koji su jednostavni za nošenje i kojima se upravlja u stvarnom vremenu, no ova je situacija također dovela do brzog porasta podatkovnog prometa i nedostatka resursa propusnosti . Prema statistici, brzina prijenosa podataka na tržištu mogla bi doseći Gbps ili čak Tbps u sljedećih 10 do 15 godina. Trenutačno je THz komunikacija dosegla brzinu prijenosa podataka Gbps, dok je brzina prijenosa podataka Tbps još uvijek u ranoj fazi razvoja. Povezani dokument navodi najnoviji napredak u brzinama prijenosa podataka Gbps na temelju THz pojasa i predviđa da se Tbps može postići polarizacijskim multipleksiranjem. Stoga, kako bi se povećala brzina prijenosa podataka, izvedivo rješenje je razviti novi frekvencijski pojas, a to je terahercni pojas, koji je u "praznom području" između mikrovalova i infracrvenog svjetla. Na Svjetskoj radiokomunikacijskoj konferenciji ITU-a (WRC-19) 2019., frekvencijski raspon od 275-450 GHz korišten je za fiksne i kopnene mobilne usluge. Vidi se da su teraherc bežični komunikacijski sustavi privukli pažnju mnogih istraživača.
Terahercni elektromagnetski valovi općenito se definiraju kao frekvencijski pojas od 0,1-10THz (1THz=1012Hz) s valnom duljinom od 0,03-3 mm. Prema IEEE standardu, terahertz valovi su definirani kao 0,3-10THz. Slika 1 pokazuje da je frekvencijski pojas teraherca između mikrovalova i infracrvenog svjetla.
Slika 1. Shematski dijagram THz frekvencijskog pojasa.
Razvoj terahercnih antena
Iako su istraživanja teraherca započela u 19. stoljeću, tada se nisu proučavala kao samostalno područje. Istraživanje terahercnog zračenja uglavnom je bilo usmjereno na daleko infracrveno područje. Tek od sredine do kraja 20. stoljeća istraživači su počeli unapređivati istraživanja milimetarskih valova na teraherc pojas i provoditi specijalizirana istraživanja teraherc tehnologije.
U 1980-ima, pojava izvora terahercnog zračenja omogućila je primjenu terahercnih valova u praktičnim sustavima. Od 21. stoljeća bežična komunikacijska tehnologija brzo se razvijala, a potražnja ljudi za informacijama i porast komunikacijske opreme postavili su strože zahtjeve za brzinu prijenosa komunikacijskih podataka. Stoga je jedan od izazova buduće komunikacijske tehnologije rad s velikom brzinom prijenosa podataka od gigabita u sekundi na jednom mjestu. Pod trenutnim gospodarskim razvojem, resursi spektra postali su sve oskudniji. Međutim, ljudski zahtjevi za komunikacijskim kapacitetom i brzinom su beskrajni. Za problem zagušenja spektra mnoge tvrtke koriste tehnologiju s više ulaza i više izlaza (MIMO) za poboljšanje učinkovitosti spektra i kapaciteta sustava kroz prostorno multipleksiranje. S napretkom 5G mreža, brzina podatkovne veze svakog korisnika premašivat će Gbps, a značajno će se povećati i podatkovni promet baznih stanica. Za tradicionalne komunikacijske sustave milimetarskih valova, mikrovalne veze neće moći podnijeti ove ogromne tokove podataka. Osim toga, zbog utjecaja vidnog polja, udaljenost prijenosa infracrvene komunikacije je kratka, a lokacija njezine komunikacijske opreme fiksna. Stoga se THz valovi, koji su između mikrovalova i infracrvenog, mogu koristiti za izgradnju komunikacijskih sustava velike brzine i povećanje brzine prijenosa podataka korištenjem THz veza.
Terahertz valovi mogu pružiti širi komunikacijski pojas, a njihov frekvencijski raspon je oko 1000 puta veći od mobilnih komunikacija. Stoga je korištenje THz za izgradnju bežičnih komunikacijskih sustava ultra-velike brzine 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 nižem THz frekvencijskom rasponu od 252-325 GHz. Alternativni fizički sloj (PHY) veze može postići brzine prijenosa podataka do 100 Gbps pri različitim propusnostima.
Prvi uspješni THz komunikacijski sustav od 0,12 THz uspostavljen je 2004. godine, a THz komunikacijski sustav od 0,3 THz realiziran je 2013. 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
Antensku strukturu komunikacijskog sustava razvijenog 2004. godine detaljno je opisao Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) 2005. Konfiguracija antene predstavljena 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 i prihvaća dva načina rada:
1. U zatvorenom okruženju bliskog dometa, odašiljač s planarnom antenom koji se koristi u zatvorenom prostoru sastoji se od čipa jednolinijske nosive fotodiode (UTC-PD), planarne utorne antene i silikonske leće, kao što je prikazano na slici 2(a).
2. U vanjskom okruženju dugog dometa, kako bi se poboljšao utjecaj velikog gubitka prijenosa i niske osjetljivosti detektora, antena odašiljača mora imati veliki dobitak. Postojeća terahercna antena koristi Gaussovu optičku leću s pojačanjem većim od 50 dBi. Kombinacija dovodnog roga i dielektrične leće prikazana je na slici 2(b).
Uz razvoj komunikacijskog sustava od 0,12 THz, NTT je također razvio komunikacijski sustav od 0,3 THz u 2012. Kroz kontinuiranu optimizaciju, brzina prijenosa može biti čak 100 Gbps. Kao što je vidljivo iz tablice 1. dao je veliki doprinos razvoju teraherc komunikacije. Međutim, trenutni istraživački rad ima nedostatke niske radne frekvencije, velike veličine i visoke cijene.
Većina teraherc antena koje se trenutno koriste modificirane su iz antena milimetarskih valova, a malo je inovacija u teraherc antenama. Stoga, kako bi se poboljšale performanse teraherc komunikacijskih sustava, važan zadatak je optimizirati teraherc 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 aerodinamičkom tunelu. Sudeći prema trenutnoj istraživačkoj situaciji u Njemačkoj, njegovo istraživanje i razvoj također imaju nedostatke kao što su niska radna frekvencija, visoki troškovi i niska učinkovitost.
Tablica 2. Napredak istraživanja THz komunikacije u Njemačkoj
Slika 3 Testna scena u aerodinamičkom tunelu
CSIRO ICT centar također je pokrenuo istraživanje o THz unutarnjim bežičnim komunikacijskim sustavima. 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. istraživanja bežičnih komunikacija teže THz pojasu. Maksimalna komunikacijska frekvencija korištenjem radio spektra povećava se oko deset puta svakih dvadeset godina. Centar je dao preporuke o zahtjevima za THz antene i predložio tradicionalne antene kao što su rogovi i leće za THz komunikacijske sustave. Kao što je prikazano na slici 5, dvije antene s rogom rade na 0,84THz odnosno 1,7THz, 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 rogastih antena
Sjedinjene Države provele su opsežna istraživanja o emisiji i detekciji terahertz valova. Poznati terahertz istraživački laboratoriji uključuju Laboratorij za mlazni pogon (JPL), Stanfordski centar za linearne akceleratore (SLAC), Nacionalni laboratorij SAD-a (LLNL), Nacionalnu upravu za zrakoplovstvo i svemir (NASA), Nacionalnu zakladu za znanost (NSF), itd. Dizajnirane su nove teraherc antene za teraherc aplikacije, kao što su leptir antene i antene za upravljanje frekvencijskim snopom. Prema razvoju teraherc antena, trenutno možemo dobiti tri osnovne ideje dizajna za teraherc antene, kao što je prikazano na slici 6.
Slika 6 Tri osnovne ideje dizajna za teraherc antene
Gornja analiza pokazuje da iako su mnoge zemlje posvetile veliku pozornost teraherc antenama, one su još uvijek u početnoj fazi istraživanja i razvoja. Zbog velikog gubitka širenja i molekularne apsorpcije, THz antene su obično ograničene udaljenošću prijenosa i pokrivenošću. Neka istraživanja usmjerena su na niže radne frekvencije u THz pojasu. Postojeća istraživanja terahercnih antena uglavnom su usredotočena na poboljšanje pojačanja upotrebom antena s dielektričnim lećama, itd., i poboljšanje komunikacijske učinkovitosti upotrebom odgovarajućih algoritama. Osim toga, kako poboljšati učinkovitost pakiranja terahercne antene također je vrlo hitno pitanje.
Općenite THz antene
Dostupni su mnogi tipovi THz antena: dipolne antene sa stožastim šupljinama, kutni reflektorski nizovi, leptir-dipoli, planarne antene od dielektričnih leća, fotovodljive antene za generiranje izvora THz izvora zračenja, rogaste antene, THz antene temeljene na grafenskim materijalima, itd. Prema Materijali koji se koriste za izradu THz antena, mogu se grubo podijeliti na metalne antene (uglavnom rogaste antene), dielektrične antene (antene od leća) i antene od novih materijala. Ovaj odjeljak prvo daje preliminarnu analizu ovih antena, a zatim se u sljedećem odjeljku detaljno predstavlja i detaljno analizira pet tipičnih THz antena.
1. Metalne antene
Horen antena je tipična metalna antena koja je dizajnirana za rad u THz pojasu. Antena klasičnog prijamnika milimetarskih valova je stožasti rog. Valovite i dual-mode antene imaju mnoge prednosti, uključujući rotacijski simetrične uzorke zračenja, visoko pojačanje od 20 do 30 dBi i nisku razinu unakrsne polarizacije od -30 dB, te učinkovitost spajanja od 97% do 98%. Raspoložive širine pojasa dviju rogastih antena su 30%-40% odnosno 6%-8%.
Budući da je frekvencija teraherc valova vrlo visoka, veličina sirene antene je vrlo mala, što čini obradu sirene vrlo teškom, posebno u dizajnu antenskih nizova, a složenost tehnologije obrade dovodi do pretjeranih troškova i ograničena proizvodnja. Zbog poteškoća u proizvodnji dna složenog dizajna sirena, obično se koristi jednostavna sirena antena u obliku stožastog ili stožastog roga, što može smanjiti troškove i složenost procesa, a performanse zračenja antene mogu se održati dobro.
Još jedna metalna antena je piramidalna antena putujućeg vala, koja se sastoji od antene putujućeg vala integrirane na dielektričnom filmu od 1,2 mikrona i obješene u uzdužnu šupljinu ugraviranu na silikonsku pločicu, kao što je prikazano na slici 7. Ova antena je otvorena struktura koja je kompatibilan sa Schottky diodama. Zbog svoje relativno jednostavne strukture i niskih proizvodnih zahtjeva, općenito se može koristiti u frekvencijskim pojasima iznad 0,6 THz. Međutim, razina bočnog snopa i razina unakrsne polarizacije antene su visoke, vjerojatno zbog otvorene strukture. Stoga je njegova učinkovitost spajanja relativno niska (oko 50%).
Slika 7 Piramidalna antena putujućeg vala
2. Dielektrična antena
Dielektrična antena kombinacija je dielektrične podloge i radijatora antene. Pravilnim dizajnom, dielektrična antena može postići usklađivanje impedancije s detektorom, a ima prednosti jednostavnog postupka, jednostavne integracije i niske cijene. Posljednjih godina istraživači su dizajnirali nekoliko uskopojasnih i širokopojasnih bočnih antena koje mogu odgovarati detektorima niske impedancije terahercnih dielektričnih antena: leptir antena, dvostruka antena u obliku slova U, logaritamska antena i logaritamska sinusoidalna antena, kao prikazano na slici 8. Osim toga, složenije geometrije antena mogu se dizajnirati pomoću genetskih algoritama.
Slika 8 Četiri tipa planarnih antena
Međutim, budući da je dielektrična antena kombinirana s dielektričnim supstratom, pojavit će se efekt površinskog vala kada frekvencija teži THz pojasu. Ovaj fatalni nedostatak će uzrokovati da antena izgubi puno energije tijekom rada i dovesti do značajnog smanjenja učinkovitosti zračenja antene. Kao što je prikazano na slici 9, kada je kut zračenja antene veći od graničnog kuta, njezina energija je ograničena na dielektričnu podlogu i povezana je s modom podloge.
Slika 9 Učinak površinskog vala antene
Kako se debljina supstrata povećava, broj modova visokog reda se povećava, a sprega između antene i supstrata se povećava, što rezultira gubitkom energije. Kako bi se oslabio učinak površinskog vala, postoje tri sheme optimizacije:
1) Postavite leću na antenu kako biste povećali pojačanje pomoću karakteristika oblikovanja snopa elektromagnetskih valova.
2) Smanjite debljinu podloge kako biste potisnuli generiranje modova visokog reda elektromagnetskih valova.
3) Zamijenite dielektrični materijal podloge elektromagnetskim zazorom (EBG). Karakteristike prostornog filtriranja EBG-a mogu potisnuti modove visokog reda.
3. Antene od novog materijala
Osim navedene dvije antene, tu je i teraherc antena izrađena od novih materijala. Na primjer, 2006. godine Jin Hao i sur. predložio dipolnu antenu od ugljikovih nanocijevi. Kao što je prikazano na slici 10 (a), dipol je napravljen od ugljikovih nanocijevi umjesto od metalnih materijala. Pažljivo je proučio infracrvena i optička svojstva dipolne antene od ugljikovih nanocijevi i raspravljao o općim karakteristikama dipolne antene od ugljikovih nanocijevi konačne duljine, kao što su ulazna impedancija, distribucija struje, pojačanje, učinkovitost i uzorak zračenja. Slika 10 (b) prikazuje odnos između ulazne impedancije i frekvencije dipolne antene od ugljikovih nanocijevi. Kao što se može vidjeti na slici 10(b), imaginarni dio ulazne impedancije ima više nula na višim frekvencijama. To znači da antena može postići više rezonancija na različitim frekvencijama. Očito, antena od ugljikovih nanocijevi pokazuje rezonanciju unutar određenog frekvencijskog raspona (niže THz frekvencije), ali je potpuno nesposobna rezonirati izvan tog raspona.
Slika 10 (a) Dipol antena od ugljikovih nanocijevi. (b) Krivulja ulazne impedancije i frekvencije
Godine 2012. Samir F. Mahmoud i Ayed R. AlAjmi predložili su novu strukturu teraherc antene temeljenu na ugljikovim nanocijevima, koja se sastoji od snopa ugljikovih nanocijevi 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. Kroz testiranje, performanse zračenja antene poboljšane su u usporedbi s jednoslojnim ugljikovim nanocjevčicama.
Slika 11 Nova terahercna antena bazirana na ugljikovim nanocijevima
Gore predložene terahercne antene od novog materijala uglavnom su trodimenzionalne. Kako bi se poboljšala propusnost antene i napravile konformne antene, planarne grafenske antene dobile su široku pozornost. Grafen ima izvrsne karakteristike dinamičke kontinuirane kontrole i može generirati površinsku plazmu podešavanjem prednapona. Površinska plazma postoji na sučelju 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.). Postoji veliki broj "slobodnih elektrona" u vodičima kao što su plemeniti metali i grafen. Ovi slobodni elektroni se također nazivaju plazmama. Zbog inherentnog potencijalnog polja u vodiču, ove su plazme u stabilnom stanju i ne ometaju ih vanjski svijet. Kada se energija upadnog elektromagnetskog vala spoji s ovom plazmom, plazma će odstupiti od stabilnog stanja i vibrirati. Nakon pretvorbe, elektromagnetski način formira transverzalni magnetski val na sučelju. Prema opisu odnosa disperzije površinske plazme metala Drudeovim modelom, metali se ne mogu prirodno spajati s elektromagnetskim valovima u slobodnom prostoru i pretvarati energiju. Za pobuđivanje površinskih plazma valova potrebno je koristiti druge materijale. Površinski valovi plazme brzo se smanjuju u paralelnom smjeru međupovršine metal-supstrat. Kada metalni vodič vodi u smjeru okomitom na površinu, dolazi do skin efekta. Očito, zbog male veličine antene, postoji skin efekt u visokofrekventnom pojasu, što uzrokuje nagli pad performansi antene i ne može zadovoljiti zahtjeve teraherc antena. Površinski plazmon grafena ne samo da ima veću silu vezivanja i manji gubitak, već također podržava kontinuirano električno ugađanje. Osim toga, grafen ima složenu vodljivost u teraherc pojasu. Stoga je sporo širenje valova povezano s plazma modom na frekvencijama teraherca. Ove karakteristike u potpunosti pokazuju izvedivost grafena da zamijeni metalne materijale u terahercnom pojasu.
Na temelju polarizacijskog ponašanja grafenskih površinskih plazmona, slika 12 prikazuje novi tip trakaste antene i predlaže oblik pojasa karakteristika širenja plazma valova u grafenu. Dizajn podesivog antenskog pojasa pruža novi način za proučavanje karakteristika širenja teraherc antena od novog materijala.
Slika 12 Nova trakasta antena
Osim istraživanja elemenata terahercne antene od novog materijala, grafenske nanopatch terahercne antene također se mogu dizajnirati kao nizovi za izgradnju komunikacijskih sustava terahercne antene s više ulaza i izlaza. Struktura antene prikazana je na slici 13. Na temelju jedinstvenih svojstava grafenskih nanopatch antena, elementi antene imaju mikronske dimenzije. Kemijsko taloženje iz pare izravno sintetizira različite slike grafena na tankom sloju nikla i prenosi ih na bilo koju podlogu. Odabirom odgovarajućeg broja komponenti i promjenom elektrostatskog prednapona, smjer zračenja može se učinkovito promijeniti, čineći sustav rekonfigurabilnim.
Slika 13 Graphene nanopatch teraherc antenski niz
Istraživanje novih materijala je relativno novi smjer. Očekuje se da će inovacija materijala probiti ograničenja tradicionalnih antena i razviti razne nove antene, kao što su rekonfigurabilni metamaterijali, dvodimenzionalni (2D) materijali itd. Međutim, ova vrsta antene uglavnom ovisi o inovacijama novih materijala i napredak tehnologije procesa. U svakom slučaju, razvoj teraherc antena zahtijeva inovativne materijale, preciznu tehnologiju obrade i nove konstrukcijske strukture kako bi se zadovoljili zahtjevi teraherc antena za visokim pojačanjem, niskom cijenom i širokom propusnošću.
Sljedeće predstavlja osnovne principe tri vrste teraherc antena: metalne antene, dielektrične antene i antene od novih materijala, te analizira njihove razlike te prednosti i nedostatke.
1. Metalna antena: Geometrija je jednostavna, laka za obradu, relativno niska cijena i niski zahtjevi za materijale supstrata. Međutim, metalne antene koriste mehaničku metodu za podešavanje položaja antene, što je sklono pogreškama. Ako podešavanje nije ispravno, performanse antene bit će znatno smanjene. Iako je metalna antena male veličine, teško ju je sastaviti s ravnim krugom.
2. Dielektrična antena: Dielektrična antena ima nisku ulaznu impedanciju, lako ju je uskladiti s detektorom niske impedancije i relativno ju je jednostavno spojiti na planarni krug. Geometrijski oblici dielektričnih antena uključuju oblik leptira, dvostruki U oblik, konvencionalni logaritamski oblik i logaritamski periodični sinusni oblik. Međutim, dielektrične antene također imaju fatalnu manu, naime efekt površinskog vala uzrokovan debelom podlogom. Rješenje je napuniti leću i zamijeniti dielektričnu podlogu EBG strukturom. Oba rješenja zahtijevaju inovacije i kontinuirano poboljšanje procesne tehnologije i materijala, ali njihova izvrsna izvedba (kao što je višesmjernost i potiskivanje površinskih valova) može dati nove ideje za istraživanje terahercnih antena.
3. Antene od novih materijala: Trenutno su se pojavile nove dipolne antene izrađene od ugljikovih nanocijevi i nove strukture antena izrađene od metamaterijala. Novi materijali mogu donijeti nova dostignuća u performansama, ali premisa je inovacija znanosti o materijalima. Trenutačno je istraživanje antena od novih materijala još uvijek u fazi istraživanja, a 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 također se mogu prilagoditi prema specifičnim zahtjevima. Na primjer, dvije vrste antena mogu se kombinirati kako bi se dobilo više prednosti, ali način sklapanja i tehnologija dizajna moraju zadovoljiti strože zahtjeve.
Da biste saznali više o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 02. kolovoza 2024
