S rastúcou popularitou bezdrôtových zariadení vstúpili dátové služby do nového obdobia rýchleho rozvoja, známeho aj ako prudký rast dátových služieb. V súčasnosti veľké množstvo aplikácií postupne migruje z počítačov na bezdrôtové zariadenia, ako sú mobilné telefóny, ktoré sa dajú ľahko prenášať a ovládať v reálnom čase, no táto situácia viedla aj k rýchlemu nárastu dátovej prevádzky a nedostatku zdrojov šírky pásma. . Podľa štatistík môže dátová rýchlosť na trhu v najbližších 10 až 15 rokoch dosiahnuť Gbps alebo dokonca Tbps. V súčasnosti THz komunikácia dosiahla dátovú rýchlosť Gbps, zatiaľ čo dátová rýchlosť Tbps je stále v ranom štádiu vývoja. Súvisiaci dokument uvádza najnovší pokrok v dátových rýchlostiach Gbps na základe pásma THz a predpovedá, že Tbps je možné získať prostredníctvom polarizačného multiplexovania. Preto na zvýšenie rýchlosti prenosu dát je uskutočniteľným riešením vývoj nového frekvenčného pásma, ktorým je terahertzové pásmo, ktoré je v „prázdnej oblasti“ medzi mikrovlnami a infračerveným svetlom. Na Svetovej rádiokomunikačnej konferencii ITU (WRC-19) v roku 2019 sa pre pevné a pozemné mobilné služby použil frekvenčný rozsah 275-450 GHz. Je vidieť, že terahertzové bezdrôtové komunikačné systémy pritiahli pozornosť mnohých výskumníkov.
Terahertzové elektromagnetické vlny sú všeobecne definované ako frekvenčné pásmo 0,1-10THz (1THz=1012Hz) s vlnovou dĺžkou 0,03-3 mm. Podľa štandardu IEEE sú terahertzové vlny definované ako 0,3-10THz. Obrázok 1 ukazuje, že terahertzové frekvenčné pásmo je medzi mikrovlnami a infračerveným svetlom.
Obr. 1 Schéma frekvenčného pásma THz.
Vývoj terahertzových antén
Hoci terahertzový výskum začal v 19. storočí, v tom čase sa neštudoval ako samostatný odbor. Výskum terahertzového žiarenia bol zameraný najmä na ďaleké infračervené pásmo. Až od polovice do konca 20. storočia začali výskumníci posúvať výskum milimetrových vĺn do terahertzového pásma a vykonávať špecializovaný výskum terahertzovej technológie.
V 80. rokoch 20. storočia vznik zdrojov terahertzového žiarenia umožnil aplikáciu terahertzových vĺn v praktických systémoch. Od 21. storočia sa technológia bezdrôtovej komunikácie rýchlo rozvíjala a dopyt ľudí po informáciách a nárast komunikačných zariadení kladú prísnejšie požiadavky na rýchlosť prenosu komunikačných údajov. Jednou z výziev budúcej komunikačnej technológie je preto prevádzka s vysokou dátovou rýchlosťou gigabitov za sekundu na jednom mieste. Pri súčasnom hospodárskom vývoji sú zdroje frekvenčného spektra čoraz vzácnejšie. Ľudské požiadavky na komunikačnú kapacitu a rýchlosť sú však nekonečné. Pre problém preťaženia spektra mnohé spoločnosti používajú technológiu viacnásobného vstupu a viacerých výstupov (MIMO) na zlepšenie účinnosti spektra a kapacity systému prostredníctvom priestorového multiplexovania. S pokrokom v sieťach 5G presiahne rýchlosť dátového pripojenia každého používateľa Gbps a výrazne sa zvýši aj dátová prevádzka základňových staníc. Pre tradičné komunikačné systémy s milimetrovými vlnami nebudú mikrovlnné spojenia schopné zvládnuť tieto obrovské dátové toky. Navyše vplyvom priamej viditeľnosti je prenosová vzdialenosť infračervenej komunikácie krátka a umiestnenie jej komunikačného zariadenia je pevné. Preto môžu byť THz vlny, ktoré sú medzi mikrovlnami a infračerveným žiarením, použité na vybudovanie vysokorýchlostných komunikačných systémov a zvýšenie rýchlosti prenosu dát pomocou THz spojení.
Terahertzové vlny môžu poskytnúť širšiu komunikačnú šírku pásma a ich frekvenčný rozsah je asi 1000-krát väčší ako pri mobilnej komunikácii. Preto je použitie THz na vybudovanie ultra-vysokorýchlostných bezdrôtových komunikačných systémov sľubným riešením problému vysokých dátových rýchlostí, ktoré pritiahlo záujem mnohých výskumných tímov a priemyselných odvetví. V septembri 2017 bol vydaný prvý THz štandard bezdrôtovej komunikácie IEEE 802.15.3d-2017, ktorý definuje výmenu dát bod-bod v nižšom frekvenčnom rozsahu THz 252-325 GHz. Alternatívna fyzická vrstva (PHY) spojenia môže dosiahnuť rýchlosť prenosu dát až 100 Gbps pri rôznych šírkach pásma.
Prvý úspešný THz komunikačný systém 0,12 THz vznikol v roku 2004 a THz komunikačný systém 0,3 THz bol realizovaný v roku 2013. V tabuľke 1 je uvedený pokrok výskumu terahertzových komunikačných systémov v Japonsku od roku 2004 do roku 2013.
Tabuľka 1 Pokrok vo výskume terahertzových komunikačných systémov v Japonsku od roku 2004 do roku 2013
Štruktúra antény komunikačného systému vyvinutého v roku 2004 bola podrobne opísaná spoločnosťou Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) v roku 2005. Konfigurácia antény bola predstavená v dvoch prípadoch, ako je znázornené na obrázku 2.
Obrázok 2 Schematický diagram japonského bezdrôtového komunikačného systému NTT 120 GHz
Systém integruje fotoelektrickú konverziu a anténu a využíva dva pracovné režimy:
1. Vo vnútornom prostredí na blízko sa planárny anténny vysielač používaný v interiéri skladá z jednoriadkového čipu nosnej fotodiódy (UTC-PD), planárnej štrbinovej antény a kremíkovej šošovky, ako je znázornené na obrázku 2(a).
2. Vo vonkajšom prostredí s dlhým dosahom, aby sa zlepšil vplyv veľkých prenosových strát a nízkej citlivosti detektora, musí mať anténa vysielača vysoký zisk. Existujúca terahertzová anténa využíva Gaussovu optickú šošovku so ziskom viac ako 50 dBi. Kombinácia prívodného nástavca a dielektrickej šošovky je znázornená na obrázku 2(b).
Okrem vývoja komunikačného systému 0,12 THz NTT v roku 2012 vyvinula aj komunikačný systém 0,3 THz. Vďaka nepretržitej optimalizácii môže byť prenosová rýchlosť až 100 Gbps. Ako vidno z tabuľky 1, výrazne prispel k rozvoju terahertzovej komunikácie. Súčasná výskumná práca má však nevýhody nízkej prevádzkovej frekvencie, veľkých rozmerov a vysokých nákladov.
Väčšina v súčasnosti používaných terahertzových antén je upravená z milimetrových vlnových antén a v terahertzových anténach je len málo inovácií. Preto, aby sa zlepšil výkon terahertzových komunikačných systémov, dôležitou úlohou je optimalizácia terahertzových antén. Tabuľka 2 uvádza pokrok vo výskume nemeckej THz komunikácie. Obrázok 3 (a) zobrazuje reprezentatívny THz bezdrôtový komunikačný systém, ktorý kombinuje fotoniku a elektroniku. Obrázok 3 (b) zobrazuje scénu testu v aerodynamickom tuneli. Podľa súčasnej výskumnej situácie v Nemecku má jeho výskum a vývoj aj nevýhody, ako je nízka prevádzková frekvencia, vysoké náklady a nízka účinnosť.
Tabuľka 2 Pokrok výskumu THz komunikácie v Nemecku
Obrázok 3 Testovacia scéna v aerodynamickom tuneli
CSIRO ICT Center tiež iniciovalo výskum THz vnútorných bezdrôtových komunikačných systémov. Stredisko študovalo vzťah medzi rokom a komunikačnou frekvenciou, ako je znázornené na obrázku 4. Ako je možné vidieť na obrázku 4, do roku 2020 bude výskum bezdrôtovej komunikácie smerovať k pásmu THz. Maximálna frekvencia komunikácie s využitím rádiového spektra sa každých dvadsať rokov zvyšuje približne desaťkrát. Centrum vypracovalo odporúčania týkajúce sa požiadaviek na THz antény a navrhlo tradičné antény, ako sú rohy a šošovky pre THz komunikačné systémy. Ako je znázornené na obrázku 5, dve rohové antény pracujú pri frekvencii 0,84 THz a 1,7 THz, s jednoduchou štruktúrou a dobrým výkonom Gaussovho lúča.
Obrázok 4 Vzťah medzi rokom a frekvenciou
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Obrázok 5 Dva typy klaksónových antén
Spojené štáty americké vykonali rozsiahly výskum emisie a detekcie terahertzových vĺn. Medzi známe terahertzové výskumné laboratóriá patrí Laboratórium Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanfordské centrum lineárnych urýchľovačov (SLAC), Národné laboratórium USA (LLNL), Národný úrad pre letectvo a vesmír (NASA), Národná vedecká nadácia (NSF) atď. Boli navrhnuté nové terahertzové antény pre terahertzové aplikácie, ako sú motýlkové antény a antény na riadenie frekvenčného lúča. Podľa vývoja terahertzových antén môžeme v súčasnosti získať tri základné nápady na dizajn terahertzových antén, ako je znázornené na obrázku 6.
Obrázok 6 Tri základné nápady na dizajn terahertzových antén
Vyššie uvedená analýza ukazuje, že hoci mnohé krajiny venovali veľkú pozornosť terahertzovým anténam, stále sú v počiatočnom štádiu prieskumu a vývoja. Kvôli vysokej strate šírenia a molekulárnej absorpcii sú THz antény zvyčajne obmedzené prenosovou vzdialenosťou a pokrytím. Niektoré štúdie sa zameriavajú na nižšie prevádzkové frekvencie v pásme THz. Existujúci výskum terahertzovej antény sa zameriava hlavne na zlepšenie zisku pomocou antén s dielektrickými šošovkami atď. a zlepšenie účinnosti komunikácie pomocou vhodných algoritmov. Okrem toho je veľmi naliehavým problémom aj to, ako zlepšiť účinnosť balenia terahertzovej antény.
Všeobecné THz antény
K dispozícii je veľa typov THz antén: dipólové antény s kónickými dutinami, rohové reflektorové polia, motýlikové dipóly, dielektrické šošovkové planárne antény, fotovodivé antény na generovanie zdrojov THz zdrojov žiarenia, rohovinové antény, THz antény na báze grafénových materiálov atď. materiály používané na výrobu THz antén, možno ich zhruba rozdeliť na kovové antény (hlavne rohové antény), dielektrické antény (šošovky antény) a nové materiálové antény. Táto časť najprv poskytuje predbežnú analýzu týchto antén a potom v ďalšej časti je podrobne predstavených a hĺbkovo analyzovaných päť typických THz antén.
1. Kovové antény
Rohová anténa je typická kovová anténa, ktorá je navrhnutá pre prácu v pásme THz. Anténa klasického prijímača milimetrových vĺn je kužeľový roh. Vlnité antény a antény s dvojitým režimom majú mnoho výhod, vrátane rotačne symetrických vzorov žiarenia, vysokého zisku 20 až 30 dBi a nízkej úrovne krížovej polarizácie -30 dB a účinnosti väzby 97 % až 98 %. Dostupné šírky pásma dvoch klaksónových antén sú 30 % - 40 % a 6 % - 8 %.
Pretože frekvencia terahertzových vĺn je veľmi vysoká, veľkosť horn antény je veľmi malá, čo veľmi sťažuje spracovanie klaksónu, najmä pri navrhovaní anténnych polí, a zložitosť technológie spracovania vedie k nadmerným nákladom a obmedzená výroba. Kvôli ťažkostiam pri výrobe spodnej časti konštrukcie zložitého rohu sa zvyčajne používa jednoduchá anténa s kužeľovým alebo kužeľovým rohom, čo môže znížiť náklady a zložitosť procesu a môže sa zachovať vyžarovací výkon antény. dobre.
Ďalšou kovovou anténou je pyramídová anténa s postupnou vlnou, ktorá pozostáva z antény s postupnou vlnou integrovanej na 1,2 mikrónovej dielektrickej fólii a zavesenej v pozdĺžnej dutine vyleptanej na kremíkovej doštičke, ako je znázornené na obrázku 7. Táto anténa je otvorená konštrukcia, ktorá je kompatibilné so Schottkyho diódami. Vďaka svojej relatívne jednoduchej štruktúre a nízkym výrobným nárokom môže byť všeobecne použitý vo frekvenčných pásmach nad 0,6 THz. Úroveň bočných lalokov a úroveň krížovej polarizácie antény sú však vysoké, pravdepodobne kvôli jej otvorenej štruktúre. Preto je jeho väzbová účinnosť relatívne nízka (asi 50%).
Obrázok 7 Pyramídová anténa s postupnou vlnou
2. Dielektrická anténa
Dielektrická anténa je kombináciou dielektrického substrátu a anténneho žiariča. Vďaka správnej konštrukcii môže dielektrická anténa dosiahnuť impedančné prispôsobenie detektoru a má výhody jednoduchého procesu, ľahkej integrácie a nízkych nákladov. V posledných rokoch výskumníci navrhli niekoľko úzkopásmových a širokopásmových antén s bočným ohňom, ktoré môžu zodpovedať nízkoimpedančným detektorom terahertzových dielektrických antén: motýľová anténa, dvojitá anténa v tvare U, log-periodická anténa a log-periodická sínusová anténa, ako znázornené na obrázku 8. Okrem toho je možné pomocou genetických algoritmov navrhnúť zložitejšie geometrie antény.
Obrázok 8 Štyri typy planárnych antén
Keďže je však dielektrická anténa kombinovaná s dielektrickým substrátom, dôjde k efektu povrchovej vlny, keď frekvencia smeruje k pásmu THz. Táto fatálna nevýhoda spôsobí, že anténa počas prevádzky stratí veľa energie a povedie k výraznému zníženiu účinnosti vyžarovania antény. Ako je znázornené na obrázku 9, keď je uhol vyžarovania antény väčší ako medzný uhol, jej energia je obmedzená v dielektrickom substráte a spojená s režimom substrátu.
Obrázok 9 Efekt povrchovej vlny antény
S rastúcou hrúbkou substrátu sa zvyšuje počet režimov vysokého rádu a zvyšuje sa väzba medzi anténou a substrátom, čo vedie k strate energie. Na oslabenie efektu povrchovej vlny existujú tri optimalizačné schémy:
1) Nasaďte na anténu šošovku, aby ste zvýšili zisk pomocou charakteristík vytvárania lúčov elektromagnetických vĺn.
2) Znížte hrúbku substrátu, aby ste potlačili generovanie režimov elektromagnetických vĺn vysokého rádu.
3) Vymeňte dielektrický materiál substrátu za elektromagnetickú medzeru v pásme (EBG). Charakteristiky priestorového filtrovania EBG môžu potlačiť režimy vysokého rádu.
3. Nové materiálové antény
Okrem vyššie uvedených dvoch antén je tu aj terahertzová anténa vyrobená z nových materiálov. Napríklad v roku 2006 Jin Hao a spol. navrhol uhlíkovú nanorúrkovú dipólovú anténu. Ako je znázornené na obrázku 10 (a), dipól je vyrobený z uhlíkových nanorúrok namiesto kovových materiálov. Starostlivo študoval infračervené a optické vlastnosti dipólovej antény s uhlíkovými nanorúrkami a diskutoval o všeobecných charakteristikách dipólovej antény s uhlíkovými nanorúrkami s konečnou dĺžkou, ako je vstupná impedancia, distribúcia prúdu, zisk, účinnosť a vyžarovací diagram. Obrázok 10 (b) ukazuje vzťah medzi vstupnou impedanciou a frekvenciou uhlíkovej nanorúrkovej dipólovej antény. Ako je možné vidieť na obrázku 10(b), imaginárna časť vstupnej impedancie má viac núl pri vyšších frekvenciách. To naznačuje, že anténa môže dosiahnuť viacero rezonancií na rôznych frekvenciách. Je zrejmé, že anténa z uhlíkových nanorúrok vykazuje rezonanciu v určitom frekvenčnom rozsahu (nižšie THz frekvencie), ale nie je úplne schopná rezonovať mimo tohto rozsahu.
Obrázok 10 (a) Dipólová anténa z uhlíkových nanorúrok. (b) Krivka vstupnej impedancie a frekvencie
V roku 2012 Samir F. Mahmoud a Ayed R. AlAjmi navrhli novú štruktúru terahertzovej antény založenú na uhlíkových nanorúrkách, ktorá pozostáva zo zväzku uhlíkových nanorúrok obalených dvoma dielektrickými vrstvami. Vnútorná dielektrická vrstva je vrstva dielektrickej peny a vonkajšia dielektrická vrstva je vrstva metamateriálu. Špecifická štruktúra je znázornená na obrázku 11. Testovaním sa zlepšil výkon antény v porovnaní s jednostennými uhlíkovými nanorúrkami.
Obrázok 11 Nová terahertzová anténa na báze uhlíkových nanorúrok
Nové materiálové terahertzové antény navrhnuté vyššie sú hlavne trojrozmerné. S cieľom zlepšiť šírku pásma antény a vytvoriť konformné antény sa plošným grafénovým anténam venovala široká pozornosť. Grafén má vynikajúce dynamické kontinuálne riadiace charakteristiky a môže generovať povrchovú plazmu úpravou predpätia. Povrchová plazma existuje na rozhraní medzi substrátmi s pozitívnou dielektrickou konštantou (ako je Si, SiO2 atď.) a substrátmi s negatívnou dielektrickou konštantou (ako sú drahé kovy, grafén atď.). Vo vodičoch, ako sú drahé kovy a grafén, je veľké množstvo „voľných elektrónov“. Tieto voľné elektróny sa tiež nazývajú plazmy. Vďaka inherentnému potenciálnemu poľu vo vodiči sú tieto plazmy v stabilnom stave a nie sú rušené vonkajším svetom. Keď je energia dopadajúcej elektromagnetickej vlny spojená s týmito plazmami, plazmy sa odchýlia od ustáleného stavu a budú vibrovať. Po konverzii tvorí elektromagnetický mód na rozhraní priečnu magnetickú vlnu. Podľa popisu disperzného vzťahu plazmy na kovovom povrchu pomocou modelu Drude sa kovy nemôžu prirodzene spájať s elektromagnetickými vlnami vo voľnom priestore a premieňať energiu. Na vybudenie povrchových plazmových vĺn je potrebné použiť iné materiály. Povrchové plazmové vlny sa rýchlo rozpadajú v paralelnom smere rozhrania kov-substrát. Keď kovový vodič vedie v smere kolmom na povrch, vzniká efekt kože. Je zrejmé, že vzhľadom na malú veľkosť antény dochádza vo vysokofrekvenčnom pásme k efektu kože, ktorý spôsobuje prudký pokles výkonu antény a nemôže spĺňať požiadavky terahertzových antén. Povrchový plazmón grafénu má nielen vyššiu väzbovú silu a nižšiu stratu, ale podporuje aj nepretržité elektrické ladenie. Okrem toho má grafén komplexnú vodivosť v terahertzovom pásme. Preto pomalé šírenie vĺn súvisí s plazmovým režimom pri terahertzových frekvenciách. Tieto charakteristiky plne demonštrujú realizovateľnosť grafénu nahradiť kovové materiály v terahertzovom pásme.
Na základe polarizačného správania grafénových povrchových plazmónov ukazuje obrázok 12 nový typ pásovej antény a navrhuje tvar pásu charakteristík šírenia plazmových vĺn v graféne. Návrh laditeľného anténneho pásma poskytuje nový spôsob štúdia charakteristík šírenia nových materiálových terahertzových antén.
Obrázok 12 Nová pásová anténa
Okrem skúmania nových prvkov terahertzovej antény v jednotke môžu byť grafénové nanopatchové terahertzové antény navrhnuté aj ako polia na vybudovanie terahertzových viacvstupových viacvýstupových anténnych komunikačných systémov. Štruktúra antény je znázornená na obrázku 13. Na základe jedinečných vlastností grafénových nanopatchových antén majú prvky antény rozmery v mikrónovej mierke. Chemická depozícia z pár priamo syntetizuje rôzne grafénové obrázky na tenkej vrstve niklu a prenáša ich na akýkoľvek substrát. Výberom vhodného počtu komponentov a zmenou elektrostatického predpätia možno efektívne zmeniť smer žiarenia, vďaka čomu je systém rekonfigurovateľný.
Obrázok 13 Grafénové nanopatchové terahertzové anténne pole
Relatívne novým smerom je výskum nových materiálov. Očakáva sa, že inovácia materiálov prelomí obmedzenia tradičných antén a vyvinie množstvo nových antén, ako sú rekonfigurovateľné metamateriály, dvojrozmerné (2D) materiály atď. Tento typ antény však závisí najmä od inovácie nových antén. materiálov a pokrok v technológii procesov. V každom prípade si vývoj terahertzových antén vyžaduje inovatívne materiály, precíznu technológiu spracovania a nové konštrukčné štruktúry, aby splnili požiadavky terahertzových antén s vysokým ziskom, nízkymi nákladmi a širokou šírkou pásma.
Ďalej uvádzame základné princípy troch typov terahertzových antén: kovové antény, dielektrické antény a antény z nového materiálu a analyzujeme ich rozdiely a výhody a nevýhody.
1. Kovová anténa: Geometria je jednoduchá, ľahko spracovateľná, relatívne nízka cena a nízke požiadavky na podkladové materiály. Kovové antény však na nastavenie polohy antény používajú mechanickú metódu, ktorá je náchylná na chyby. Ak nastavenie nie je správne, výkon antény sa výrazne zníži. Hoci má kovová anténa malú veľkosť, je ťažké ju zostaviť pomocou rovinného obvodu.
2. Dielektrická anténa: Dielektrická anténa má nízku vstupnú impedanciu, dá sa ľahko spojiť s detektorom s nízkou impedanciou a relatívne jednoducho sa pripája k planárnemu obvodu. Geometrické tvary dielektrických antén zahŕňajú tvar motýľa, tvar dvojitého U, konvenčný logaritmický tvar a logaritmický periodický sínusový tvar. Dielektrické antény však majú aj fatálnu chybu, a to efekt povrchových vĺn spôsobený hrubým substrátom. Riešením je vložiť šošovku a nahradiť dielektrický substrát štruktúrou EBG. Obe riešenia si vyžadujú inovácie a neustále zlepšovanie procesnej technológie a materiálov, ale ich vynikajúci výkon (ako je všesmerovosť a potlačenie povrchových vĺn) môže poskytnúť nové nápady pre výskum terahertzových antén.
3. Antény z nového materiálu: V súčasnosti sa objavili nové dipólové antény z uhlíkových nanorúrok a nové anténne štruktúry z metamateriálov. Nové materiály môžu priniesť nové prelomové výkony, ale predpokladom je inovácia materiálovej vedy. V súčasnosti je výskum nových materiálových antén stále v štádiu prieskumu a mnohé kľúčové technológie nie sú dostatočne vyspelé.
Stručne povedané, rôzne typy terahertzových antén je možné vybrať podľa konštrukčných požiadaviek:
1) Ak je potrebný jednoduchý dizajn a nízke výrobné náklady, je možné zvoliť kovové antény.
2) Ak je potrebná vysoká integrácia a nízka vstupná impedancia, je možné zvoliť dielektrické antény.
3) Ak je potrebný prielom vo výkone, je možné zvoliť antény z nového materiálu.
Vyššie uvedené prevedenia je možné upraviť aj podľa špecifických požiadaviek. Napríklad je možné kombinovať dva typy antén, aby sa získali ďalšie výhody, ale spôsob montáže a technológia návrhu musia spĺňať prísnejšie požiadavky.
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte:
Čas uverejnenia: august-02-2024
