S rastúcou popularitou bezdrôtových zariadení vstúpili dátové služby do nového obdobia rýchleho rozvoja, známeho aj ako explozívny rast dátových služieb. V súčasnosti sa veľké množstvo aplikácií postupne presúva z počítačov na bezdrôtové zariadenia, ako sú mobilné telefóny, ktoré sa ľahko prenášajú a ovládajú v reálnom čase, ale táto situácia viedla aj k rýchlemu nárastu dátovej prevádzky a nedostatku zdrojov šírky pásma. Podľa štatistík môže dátová rýchlosť na trhu v nasledujúcich 10 až 15 rokoch dosiahnuť Gbps alebo dokonca Tbps. V súčasnosti dosiahla THz komunikácia dátovú rýchlosť Gbps, zatiaľ čo dátová rýchlosť Tbps je stále v počiatočných štádiách vývoja. Súvisiaci článok uvádza najnovší pokrok v oblasti dátových rýchlostí Gbps na základe THz pásma a predpovedá, že Tbps je možné dosiahnuť pomocou polarizačného multiplexovania. Preto je na zvýšenie prenosovej rýchlosti dát uskutočniteľným riešením vyvinúť nové frekvenčné pásmo, ktorým je terahertzové pásmo, ktoré sa nachádza v „prázdnej oblasti“ medzi mikrovlnami a infračerveným svetlom. Na Svetovej rádiokomunikačnej konferencii ITU (WRC-19) v roku 2019 bol frekvenčný rozsah 275 – 450 GHz použitý pre pevné a pozemné mobilné služby. Je zrejmé, že terahertzové bezdrôtové komunikačné systémy pritiahli pozornosť mnohých výskumníkov.
Terahertzové elektromagnetické vlny sú všeobecne definované ako frekvenčné pásmo 0,1 – 10 THz (1 THz = 1012 Hz) s vlnovou dĺžkou 0,03 – 3 mm. Podľa normy IEEE sú terahertzové vlny definované ako 0,3 – 10 THz. Obrázok 1 ukazuje, že terahertzové frekvenčné pásmo sa nachádza medzi mikrovlnami a infračerveným svetlom.
Obr. 1 Schematický diagram frekvenčného pásma THz.
Vývoj terahertzových antén
Hoci výskum terahertzového žiarenia sa začal v 19. storočí, v tom čase sa neštudoval ako samostatná oblasť. Výskum terahertzového žiarenia sa zameriaval najmä na vzdialené infračervené pásmo. Až v polovici až koncom 20. storočia začali výskumníci posúvať výskum milimetrových vĺn do terahertzového pásma a vykonávať špecializovaný výskum terahertzových technológií.
V 80. rokoch 20. storočia umožnil vznik terahertzových zdrojov žiarenia využitie terahertzových vĺn v praktických systémoch. Od 21. storočia sa bezdrôtová komunikačná technológia rýchlo rozvíja a dopyt ľudí po informáciách a nárast komunikačných zariadení kladú prísnejšie požiadavky na rýchlosť prenosu komunikačných dát. Preto je jednou z výziev budúcich komunikačných technológií prevádzka s vysokou dátovou rýchlosťou gigabitov za sekundu na jednom mieste. V súčasnom ekonomickom rozvoji sú zdroje spektra čoraz vzácnejšie. Ľudské požiadavky na komunikačnú kapacitu a rýchlosť sú však nekonečné. Kvôli problému preťaženia spektra mnoho spoločností používa technológiu MIMO (multiple-input-multiple-output) na zlepšenie efektívnosti spektra a kapacity systému prostredníctvom priestorového multiplexovania. S rozvojom sietí 5G bude rýchlosť dátového pripojenia každého používateľa presahovať Gbps a dátová prevádzka základňových staníc sa tiež výrazne zvýši. V prípade tradičných milimetrových vlnových komunikačných systémov nebudú mikrovlnné spoje schopné zvládnuť tieto obrovské dátové toky. Okrem toho, v dôsledku vplyvu priamej viditeľnosti je prenosová vzdialenosť infračervenej komunikácie krátka a umiestnenie komunikačného zariadenia je pevné. Preto sa THz vlny, ktoré sa nachádzajú medzi mikrovlnami a infračerveným žiarením, môžu použiť na budovanie vysokorýchlostných komunikačných systémov a zvýšenie rýchlosti prenosu dát pomocou THz spojení.
Terahertzové vlny dokážu poskytnúť širšiu komunikačnú šírku pásma a ich frekvenčný rozsah je približne 1000-krát väčší ako v mobilnej komunikácii. Preto je použitie THz na budovanie ultrarýchlostných bezdrôtových komunikačných systémov sľubným riešením problému vysokých dátových rýchlostí, čo pritiahlo záujem mnohých výskumných tímov a priemyselných odvetví. V septembri 2017 bol vydaný prvý terahertzový bezdrôtový komunikačný štandard IEEE 802.15.3d-2017, ktorý definuje výmenu dát medzi bodmi v spodnom terahertzovom frekvenčnom rozsahu 252 – 325 GHz. Alternatívna fyzická vrstva (PHY) spojenia môže dosiahnuť dátové rýchlosti až 100 Gb/s pri rôznych šírkach pásma.
Prvý úspešný terahertzový komunikačný systém s frekvenciou 0,12 THz bol zavedený v roku 2004 a terahertzový komunikačný systém s frekvenciou 0,3 THz bol realizovaný v roku 2013. Tabuľka 1 uvádza pokrok vo výskume terahertzových komunikačných systémov v Japonsku v rokoch 2004 až 2013.
Tabuľka 1 Pokrok vo výskume terahertzových komunikačných systémov v Japonsku v rokoch 2004 až 2013
Štruktúru antény komunikačného systému vyvinutého v roku 2004 podrobne opísala spoločnosť 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 prijíma dva pracovné režimy:
1. V interiérovom prostredí s blízkym dosahom pozostáva planárny anténny vysielač používaný v interiéri z jednovláknového nosného fotodiódového (UTC-PD) čipu, planárnej štrbinovej antény a kremíkovej šošovky, ako je znázornené na obrázku 2(a).
2. V prostredí s dlhým dosahom vonku musí mať vysielacia anténa vysoký zisk, aby sa zlepšil vplyv veľkých prenosových strát a nízkej citlivosti detektora. Existujúca terahertzová anténa používa Gaussovu optickú šošovku so ziskom viac ako 50 dBi. Kombinácia napájacej trúby a dielektrickej šošovky je znázornená na obrázku 2(b).
Okrem vývoja komunikačného systému s frekvenciou 0,12 THz vyvinula spoločnosť NTT v roku 2012 aj komunikačný systém s frekvenciou 0,3 THz. Vďaka neustálej optimalizácii môže prenosová rýchlosť dosiahnuť až 100 Gb/s. Ako je vidieť z tabuľky 1, významne prispela k rozvoju terahertzovej komunikácie. Súčasný výskum má však nevýhody v podobe nízkej prevádzkovej frekvencie, veľkých rozmerov a vysokých nákladov.
Väčšina v súčasnosti používaných terahertzových antén je modifikáciou milimetrových vlnových antén a v oblasti terahertzových antén je len málo inovácií. Preto je dôležitou úlohou optimalizovať terahertzové antény, aby sa zlepšil výkon terahertzových komunikačných systémov. Tabuľka 2 uvádza pokrok vo výskume nemeckej terahertzovej komunikácie. Obrázok 3 (a) zobrazuje reprezentatívny terahertzový bezdrôtový komunikačný systém kombinujúci fotoniku a elektroniku. Obrázok 3 (b) zobrazuje testovaciu scénu v aerodynamickom tuneli. Súdiac podľa súčasnej výskumnej situácie v Nemecku, jeho výskum a vývoj má aj nevýhody, ako je nízka prevádzková frekvencia, vysoké náklady a nízka účinnosť.
Tabuľka 2 Pokrok vo výskume THz komunikácie v Nemecku
Obrázok 3 Testovacia scéna v aerodynamickom tuneli
Centrum CSIRO ICT tiež iniciovalo výskum vnútorných bezdrôtových komunikačných systémov s frekvenciou THz. Centrum skúmalo vzťah medzi rokom a komunikačnou frekvenciou, ako je znázornené na obrázku 4. Ako je vidieť na obrázku 4, do roku 2020 sa výskum bezdrôtovej komunikácie zameriava na pásmo THz. Maximálna komunikačná frekvencia využívajúca rádiové spektrum sa každých dvadsať rokov zvyšuje približne desaťkrát. Centrum vydalo odporúčania týkajúce sa požiadaviek na antény s frekvenciou THz a navrhlo tradičné antény, ako sú trychtýre a šošovky, pre komunikačné systémy s frekvenciou THz. Ako je znázornené na obrázku 5, dve trychtýre antény pracujú na frekvenciách 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 trychtýrových antén
Spojené štáty vykonali rozsiahly výskum v oblasti emisie a detekcie terahertzových vĺn. Medzi známe terahertzové výskumné laboratóriá patria Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), Americké národné laboratórium (LLNL), Národný úrad pre letectvo a vesmír (NASA), Národná vedecká nadácia (NSF) atď. Boli navrhnuté nové terahertzové antény pre terahertzové aplikácie, ako napríklad motýlikové antény a antény s frekvenčným lúčom. V súlade s vývojom terahertzových antén môžeme v súčasnosti získať tri základné konštrukčné nápady pre terahertzové antény, ako je znázornené na obrázku 6.
Obrázok 6 Tri základné konštrukčné nápady pre terahertzové antény
Vyššie uvedená analýza ukazuje, že hoci mnohé krajiny venujú terahertzovým anténam veľkú pozornosť, stále sú v počiatočnej fáze prieskumu a vývoja. Vzhľadom na vysoké straty šírením a molekulárnu absorpciu sú terahertzové antény zvyčajne obmedzené prenosovou vzdialenosťou a pokrytím. Niektoré štúdie sa zameriavajú na nižšie prevádzkové frekvencie v terahertzovom pásme. Existujúci výskum terahertzových antén sa zameriava najmä na zlepšenie zisku použitím dielektrických šošovkových antén atď. a na zlepšenie komunikačnej účinnosti použitím vhodných algoritmov. Okrem toho je veľmi naliehavou otázkou aj to, ako zlepšiť účinnosť balenia terahertzových antén.
Všeobecné THz antény
K dispozícii je mnoho typov THz antén: dipólové antény s kužeľovými dutinami, rohové reflektorové sústavy, motýlikové dipóly, dielektrické šošovkové planárne antény, fotovodivé antény na generovanie zdrojov žiarenia THz, trychtýrové antény, THz antény na báze grafénu atď. Podľa materiálov použitých na výrobu THz antén ich možno zhruba rozdeliť na kovové antény (hlavne trychtýrové antény), dielektrické antény (šošovkové antény) a antény z nových materiálov. Táto časť najprv poskytuje predbežnú analýzu týchto antén a v ďalšej časti je podrobne predstavených a analyzovaných päť typických THz antén.
1. Kovové antény
Trúbková anténa je typická kovová anténa, ktorá je navrhnutá pre prácu v terahercovom pásme. Anténa klasického milimetrového prijímača je kužeľovitá trúbka. Vlnité a duálne antény majú mnoho výhod vrátane rotačne symetrických vyžarovacích diagramov, vysokého zisku 20 až 30 dBi a nízkej úrovne krížovej polarizácie -30 dB a účinnosti väzby 97 % až 98 %. Dostupné šírky pásma dvoch trúbkových antén sú 30 % – 40 % a 6 % – 8 %.
Keďže frekvencia terahertzových vĺn je veľmi vysoká, veľkosť rohovej antény je veľmi malá, čo značne sťažuje spracovanie rohu, najmä pri návrhu anténnych sústav, a zložitosť technológie spracovania vedie k nadmerným nákladom a obmedzenej produkcii. Vzhľadom na ťažkosti s výrobou spodnej časti zložitej konštrukcie rohu sa zvyčajne používa jednoduchá rohová anténa v tvare kužeľovitého alebo kužeľovitého rohu, čo môže znížiť náklady a zložitosť procesu a zároveň udržať dobre vyžarovací výkon antény.
Ďalšou kovovou anténou je pyramídová anténa s postupujúcou vlnou, ktorá pozostáva z antény s postupujúcou vlnou integrovanej na 1,2 mikrónovom dielektrickom filme a zavesenej v pozdĺžnej dutine vyleptanej na kremíkovom plátku, ako je znázornené na obrázku 7. Táto anténa má otvorenú štruktúru, ktorá je kompatibilná so Schottkyho diódami. Vďaka svojej relatívne jednoduchej štruktúre a nízkym výrobným požiadavkám sa môže všeobecne používať 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 jej účinnosť väzby relatívne nízka (približne 50 %).
Obrázok 7 Pyramídová anténa s postupujúcou vlnou
2. Dielektrická anténa
Dielektrická anténa je kombináciou dielektrického substrátu a anténneho žiariča. Vďaka správnemu návrhu môže dielektrická anténa dosiahnuť impedančné prispôsobenie detektoru a má výhody jednoduchého procesu, jednoduchej integrácie a nízkych nákladov. V posledných rokoch výskumníci navrhli niekoľko úzkopásmových a širokopásmových bočných antén, ktoré sa dokážu prispôsobiť nízkoimpedančným detektorom terahertzových dielektrických antén: motýľová anténa, dvojitá anténa v tvare U, logaritmicky periodická anténa a logaritmicky periodická sínusová anténa, ako je znázornené na obrázku 8. Okrem toho je možné pomocou genetických algoritmov navrhnúť zložitejšie geometrie antén.
Obrázok 8 Štyri typy planárnych antén
Keďže je však dielektrická anténa kombinovaná s dielektrickým substrátom, pri sklone frekvencie k THz pásmu sa vyskytne efekt povrchovej vlny. Táto fatálna nevýhoda spôsobí, že anténa počas prevádzky stratí veľa energie a povedie k výraznému zníženiu vyžarovacej účinnosti antény. Ako je znázornené na obrázku 9, keď je vyžarovací uhol antény väčší ako medzný uhol, jej energia je obmedzená v dielektrickom substráte a prepojená s módom substrátu.
Obrázok 9 Vplyv povrchovej vlny antény
S rastúcou hrúbkou substrátu sa zvyšuje počet módov vyššieho rádu a zvyšuje sa aj 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 využitím charakteristík tvarovania lúča elektromagnetických vĺn.
2) Znížte hrúbku substrátu, aby ste potlačili generovanie elektromagnetických vĺn vyššieho rádu.
3) Nahraďte dielektrický materiál substrátu elektromagnetickou pásmovou medzerou (EBG). Priestorové filtračné charakteristiky EBG môžu potlačiť módy vyššieho rádu.
3. Antény z nového materiálu
Okrem vyššie uvedených dvoch antén existuje aj terahertzová anténa vyrobená z nových materiálov. Napríklad v roku 2006 Jin Hao a kol. navrhli dipólovú anténu z uhlíkových nanorúrok. Ako je znázornené na obrázku 10 (a), dipól je vyrobený z uhlíkových nanorúrok namiesto kovových materiálov. Starostlivo študoval infračervené a optické vlastnosti dipólovej antény z uhlíkových nanorúrok a diskutoval o všeobecných charakteristikách dipólovej antény z uhlíkových nanorúrok s konečnou dĺžkou, ako je vstupná impedancia, rozloženie prúdu, zisk, účinnosť a vyžarovací diagram. Obrázok 10 (b) znázorňuje vzťah medzi vstupnou impedanciou a frekvenciou dipólovej antény z uhlíkových nanorúrok. Ako je vidieť na obrázku 10(b), imaginárna časť vstupnej impedancie má pri vyšších frekvenciách viacero núl. To naznačuje, že anténa môže dosiahnuť viacero rezonancií pri rôznych frekvenciách. Je zrejmé, že anténa z uhlíkových nanorúrok vykazuje rezonanciu v určitom frekvenčnom rozsahu (nižšie frekvencie THz), ale mimo tohto rozsahu nie je vôbec schopná rezonovať.
Obrázok 10 (a) Dipólová anténa z uhlíkových nanotrubiek. (b) Krivka vstupnej impedancie a frekvencie
V roku 2012 Samir F. Mahmoud a Ayed R. AlAjmi navrhli novú terahertzovú anténnu štruktúru založenú na uhlíkových nanotrubiciach, ktorá pozostáva zo zväzku uhlíkových nanotrubičiek obalených dvoma dielektrickými vrstvami. Vnútorná dielektrická vrstva je vrstva dielektrickej peny a vonkajšia dielektrická vrstva je vrstva metamateriálu. Konkrétna štruktúra je znázornená na obrázku 11. Testovaním sa zlepšil radiačný výkon antény v porovnaní s jednostennými uhlíkovými nanotrubicami.
Obrázok 11 Nová terahertzová anténa založená na uhlíkových nanotrubiciach
Nové materiály terahertzových antén navrhnutých vyššie sú prevažne trojrozmerné. Aby sa zlepšila šírka pásma antény a vytvorili konformné antény, planárne grafénové antény si získali širokú pozornosť. Grafén má vynikajúce dynamické charakteristiky kontinuálneho riadenia a dokáže generovať povrchovú plazmu nastavením predpätia. Povrchová plazma existuje na rozhraní medzi substrátmi s kladnou dielektrickou konštantou (ako sú Si, SiO2 atď.) a substrátmi so zápornou dielektrickou konštantou (ako sú drahé kovy, grafén atď.). Vo vodičoch, ako sú drahé kovy a grafén, existuje veľké množstvo „voľných elektrónov“. Tieto voľné elektróny sa tiež nazývajú plazmy. Vďaka inherentnému potenciálovému poľu vo vodiči sú tieto plazmy v stabilnom stave a nie sú rušené vonkajším svetom. Keď sa dopadajúca energia elektromagnetickej vlny spojí s týmito plazmami, plazmy sa odchýlia od ustáleného stavu a vibrujú. Po konverzii elektromagnetický mód vytvára na rozhraní priečnu magnetickú vlnu. Podľa opisu disperzného vzťahu plazmy kovového povrchu Drudeho modelom sa kovy nemôžu prirodzene spájať s elektromagnetickými vlnami vo voľnom priestore a premieňať energiu. Na excitáciu povrchových plazmových vĺn je potrebné použiť iné materiály. Povrchové plazmové vlny rýchlo zanikajú v rovnobežnom smere s rozhraním kov-substrát. Keď kovový vodič vedie v smere kolmom na povrch, dochádza k skin efektu. Je zrejmé, že kvôli malej veľkosti antény dochádza k skin efektu vo vysokofrekvenčnom pásme, čo spôsobuje prudký pokles výkonu antény a nemôže spĺňať požiadavky terahertzových antén. Povrchový plazmón grafénu má nielen vyššiu väzbovú silu a nižšie straty, ale tiež podporuje kontinuálne elektrické ladenie. Okrem toho má grafén v terahertzovom pásme komplexnú vodivosť. Preto šírenie pomalých vĺn súvisí s plazmovým módom pri terahertzových frekvenciách. Tieto vlastnosti plne demonštrujú uskutočniteľnosť grafénu ako náhrady kovových materiálov v terahertzovom pásme.
Na základe polarizačného správania grafénu na povrchu plazmónov Obrázok 12 zobrazuje nový typ páskovej antény a navrhuje tvar pásma charakteristík šírenia plazmových vĺn v graféne. Návrh laditeľného pásma antény poskytuje nový spôsob štúdia charakteristík šírenia terahertzových antén z nového materiálu.
Obrázok 12 Nová pásová anténa
Okrem skúmania nových materiálových prvkov terahertzových antén, grafénové nanozáplatové terahertzové antény môžu byť navrhnuté aj ako polia na budovanie terahertzových viacvstupových viacvýstupových anténnych komunikačných systémov. Štruktúra antény je znázornená na obrázku 13. Vďaka jedinečným vlastnostiam grafénové nanozáplatové antény majú anténne prvky rozmery v mikrónovom meradle. Chemické nanášanie z pár priamo syntetizuje rôzne grafénové obrazy na tenkej vrstve niklu a prenáša ich na akýkoľvek substrát. Výberom vhodného počtu komponentov a zmenou elektrostatického predpätia je možné efektívne meniť smer žiarenia, čím sa systém stáva rekonfigurovateľným.
Obrázok 13 Terahertzové anténne pole z grafénu s nanopatchmi
Výskum nových materiálov je relatívne novým smerom. Očakáva sa, že inovácia materiálov prekoná obmedzenia tradičných antén a vyvinie rôzne nové antény, ako sú rekonfigurovateľné metamateriály, dvojrozmerné (2D) materiály atď. Tento typ antény však závisí najmä od inovácie nových materiálov a pokroku v procesnej technológii. V každom prípade si vývoj terahertzových antén vyžaduje inovatívne materiály, presnú technológiu spracovania a nové konštrukčné štruktúry, aby sa splnili požiadavky terahertzových antén na vysoký zisk, nízke náklady a širokú šírku pásma.
Nasledujúci text predstavuje základné princípy troch typov terahertzových antén: kovových antén, dielektrických antén a antén z nových materiálov a analyzuje ich rozdiely, výhody a nevýhody.
1. Kovová anténa: Geometria je jednoduchá, ľahko sa spracováva, má relatívne nízke náklady a nízke požiadavky na materiál substrátu. Kovové antény však používajú mechanickú metódu na nastavenie polohy antény, čo je náchylné na chyby. Ak nastavenie nie je správne, výkon antény sa výrazne zníži. Hoci je kovová anténa malá, je ťažké ju zostaviť s planárnym obvodom.
2. Dielektrická anténa: Dielektrická anténa má nízku vstupnú impedanciu, ľahko sa prispôsobuje nízkoimpedančnému detektoru 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 povrchovej vlny 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 povrchovej vlny) môže poskytnúť nové nápady pre výskum terahertzových antén.
3. Antény z nových materiálov: V súčasnosti sa objavili nové dipólové antény vyrobené z uhlíkových nanorúrok a nové anténne štruktúry vyrobené z metamateriálov. Nové materiály môžu priniesť nové prelomové výkonnostné objavy, ale predpokladom je inovácia materiálovej vedy. V súčasnosti je výskum antén z nových materiálov stále v štádiu prieskumu a mnohé kľúčové technológie nie sú dostatočne zrelé.
Stručne povedané, rôzne typy terahertzových antén je možné vybrať podľa konštrukčných požiadaviek:
1) Ak sa vyžaduje jednoduchý dizajn a nízke výrobné náklady, je možné zvoliť kovové antény.
2) Ak je požadovaná 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 návrhy je možné upraviť podľa špecifických požiadaviek. Napríklad je možné kombinovať dva typy antén, aby sa získalo viac výhod, ale spôsob montáže a technológia návrhu musia spĺňať prísnejšie požiadavky.
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte stránku:
Čas uverejnenia: 2. augusta 2024
