Odată cu creșterea popularității dispozitivelor wireless, serviciile de date au intrat într-o nouă perioadă de dezvoltare rapidă, cunoscută și sub numele de creșterea explozivă a serviciilor de date. În prezent, un număr mare de aplicații migrează treptat de la computere la dispozitive wireless, cum ar fi telefoanele mobile, care sunt ușor de transportat și operat în timp real, dar această situație a dus și la o creștere rapidă a traficului de date și la o lipsă de resurse de lățime de bandă. Conform statisticilor, rata de date de pe piață ar putea ajunge la Gbps sau chiar Tbps în următorii 10-15 ani. În prezent, comunicarea THz a atins o rată de date Gbps, în timp ce rata de date Tbps este încă în stadii incipiente de dezvoltare. O lucrare conexă enumeră cele mai recente progrese în ceea ce privește ratele de date Gbps pe baza benzii THz și prezice că Tbps poate fi obținut prin multiplexare polarizării. Prin urmare, pentru a crește rata de transmisie a datelor, o soluție fezabilă este dezvoltarea unei noi benzi de frecvență, care este banda terahertz, care se află în „zona goală” dintre microunde și lumina infraroșie. La Conferința Mondială a Radiocomunicațiilor UIT (WRC-19) din 2019, gama de frecvențe 275-450 GHz a fost utilizată pentru serviciile fixe și mobile terestre. Se poate observa că sistemele de comunicații fără fir pe bază de terahertz au atras atenția multor cercetători.
Undele electromagnetice terahertz sunt în general definite ca banda de frecvență de 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) cu o lungime de undă de 0,03-3 mm. Conform standardului IEEE, undele terahertz sunt definite ca fiind 0,3-10 THz. Figura 1 arată că banda de frecvență terahertz se află între microunde și lumina infraroșie.
Fig. 1 Diagramă schematică a benzii de frecvență THz.
Dezvoltarea antenelor Terahertz
Deși cercetarea terahertz a început în secolul al XIX-lea, aceasta nu a fost studiată ca un domeniu independent la acea vreme. Cercetările privind radiațiile terahertz s-au concentrat în principal pe banda infraroșie îndepărtată. Abia la mijlocul și sfârșitul secolului al XX-lea cercetătorii au început să avanseze cercetarea undelor milimetrice în banda terahertz și să efectueze cercetări specializate în tehnologia terahertz.
În anii 1980, apariția surselor de radiații terahertz a făcut posibilă aplicarea undelor terahertz în sisteme practice. Începând cu secolul XXI, tehnologia comunicațiilor fără fir s-a dezvoltat rapid, iar cererea oamenilor pentru informații și creșterea numărului de echipamente de comunicații au impus cerințe mai stricte privind rata de transmisie a datelor de comunicații. Prin urmare, una dintre provocările tehnologiei de comunicații a viitorului este de a opera la o rată de date mare de gigabiți pe secundă într-o singură locație. În contextul dezvoltării economice actuale, resursele de spectru au devenit din ce în ce mai rare. Cu toate acestea, cerințele umane privind capacitatea și viteza de comunicare sunt nesfârșite. Din cauza problemei congestiei spectrului, multe companii utilizează tehnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) pentru a îmbunătăți eficiența spectrului și capacitatea sistemului prin multiplexare spațială. Odată cu avansarea rețelelor 5G, viteza de conectare a datelor pentru fiecare utilizator va depăși Gbps, iar traficul de date al stațiilor de bază va crește, de asemenea, semnificativ. Pentru sistemele tradiționale de comunicații cu unde milimetrice, legăturile cu microunde nu vor putea gestiona aceste fluxuri uriașe de date. În plus, datorită influenței liniei vizuale, distanța de transmisie a comunicațiilor în infraroșu este scurtă, iar amplasarea echipamentului de comunicație este fixă. Prin urmare, undele THz, care se află între microunde și infraroșu, pot fi utilizate pentru a construi sisteme de comunicații de mare viteză și pentru a crește ratele de transmisie a datelor prin utilizarea legăturilor THz.
Undele terahertz pot oferi o lățime de bandă de comunicare mai largă, iar intervalul lor de frecvență este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât cel al comunicațiilor mobile. Prin urmare, utilizarea THz pentru a construi sisteme de comunicații wireless de ultra-mare viteză este o soluție promițătoare la provocarea reprezentată de ratele mari de transfer de date, care a atras interesul multor echipe de cercetare și industrii. În septembrie 2017, a fost lansat primul standard de comunicații wireless THz IEEE 802.15.3d-2017, care definește schimbul de date punct-la-punct în intervalul de frecvență THz inferior de 252-325 GHz. Stratul fizic alternativ (PHY) al legăturii poate atinge rate de transfer de date de până la 100 Gbps la diferite lățimi de bandă.
Primul sistem de comunicații THz de succes de 0,12 THz a fost stabilit în 2004, iar sistemul de comunicații THz de 0,3 THz a fost realizat în 2013. Tabelul 1 prezintă progresul cercetării sistemelor de comunicații terahertz în Japonia din 2004 până în 2013.
Tabelul 1 Progresul cercetării sistemelor de comunicații terahertz în Japonia din 2004 până în 2013
Structura antenei unui sistem de comunicații dezvoltat în 2004 a fost descrisă în detaliu de Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) în 2005. Configurația antenei a fost introdusă în două cazuri, așa cum se arată în Figura 2.
Figura 2 Diagramă schematică a sistemului de comunicații fără fir NTT 120 GHz din Japonia
Sistemul integrează conversie fotoelectrică și antenă și adoptă două moduri de funcționare:
1. Într-un mediu interior cu rază mică de acțiune, emițătorul cu antenă planară utilizat în interior constă dintr-un cip cu fotodiodă purtătoare cu o singură linie (UTC-PD), o antenă planară cu fantă și o lentilă de siliciu, așa cum se arată în Figura 2(a).
2. Într-un mediu exterior cu rază lungă de acțiune, pentru a îmbunătăți influența pierderilor mari de transmisie și a sensibilității scăzute a detectorului, antena emițătorului trebuie să aibă un câștig ridicat. Antena terahertz existentă utilizează o lentilă optică gaussiană cu un câștig mai mare de 50 dBi. Combinația dintre cornul de alimentare și lentila dielectrică este prezentată în Figura 2(b).
Pe lângă dezvoltarea unui sistem de comunicații de 0,12 THz, NTT a dezvoltat și un sistem de comunicații de 0,3 THz în 2012. Prin optimizare continuă, rata de transmisie poate ajunge până la 100 Gbps. După cum se poate observa din Tabelul 1, acest sistem a adus o contribuție importantă la dezvoltarea comunicațiilor terahertz. Cu toate acestea, cercetările actuale prezintă dezavantajele frecvenței de funcționare scăzute, dimensiunilor mari și costului ridicat.
Majoritatea antenelor terahertz utilizate în prezent sunt modificate din antenele cu unde milimetrice, existând puține inovații în ceea ce privește antenele terahertz. Prin urmare, pentru a îmbunătăți performanța sistemelor de comunicații terahertz, o sarcină importantă este optimizarea antenelor terahertz. Tabelul 2 prezintă progresul cercetării în domeniul comunicațiilor THz din Germania. Figura 3 (a) prezintă un sistem reprezentativ de comunicații wireless THz care combină fotonica și electronica. Figura 3 (b) prezintă scena testului în tunelul aerodinamic. Judecând după situația actuală a cercetării din Germania, cercetarea și dezvoltarea sa prezintă și dezavantaje, cum ar fi frecvența de funcționare scăzută, costul ridicat și eficiența scăzută.
Tabelul 2 Progresul cercetării în domeniul comunicațiilor THz în Germania
Figura 3 Scenă de testare în tunelul aerodinamic
Centrul ICT CSIRO a inițiat, de asemenea, cercetări privind sistemele de comunicații wireless de interior de tip THz. Centrul a studiat relația dintre an și frecvența de comunicație, așa cum se arată în Figura 4. După cum se poate observa din Figura 4, până în 2020, cercetarea privind comunicațiile wireless tinde să se îndrepte către banda THz. Frecvența maximă de comunicație utilizând spectrul radio crește de aproximativ zece ori la fiecare douăzeci de ani. Centrul a formulat recomandări privind cerințele pentru antenele THz și a propus antene tradiționale, cum ar fi antene cu corn și lentile, pentru sistemele de comunicații THz. După cum se arată în Figura 5, două antene cu corn funcționează la 0,84 THz și, respectiv, 1,7 THz, cu o structură simplă și o performanță bună a fasciculului gaussian.
Figura 4 Relația dintre an și frecvență
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Două tipuri de antene cu corn
Statele Unite au efectuat cercetări ample privind emisia și detectarea undelor terahertz. Printre laboratoarele de cercetare terahertz renumite se numără Laboratorul de Propulsie cu Jet (JPL), Centrul Stanford pentru Acceleratoare Liniare (SLAC), Laboratorul Național al SUA (LLNL), Administrația Națională Aeronautică și Spațială (NASA), Fundația Națională pentru Știință (NSF) etc. Au fost proiectate noi antene terahertz pentru aplicații terahertz, cum ar fi antenele bowtie și antenele de direcționare a fasciculului de frecvență. Conform dezvoltării antenelor terahertz, putem obține trei idei de bază de proiectare pentru antenele terahertz în prezent, așa cum se arată în Figura 6.
Figura 6 Trei idei de bază de proiectare pentru antene terahertz
Analiza de mai sus arată că, deși multe țări au acordat o atenție deosebită antenelor terahertz, acestea se află încă în stadiul inițial de explorare și dezvoltare. Din cauza pierderilor mari de propagare și a absorbției moleculare, antenele THz sunt de obicei limitate de distanța de transmisie și de acoperire. Unele studii se concentrează pe frecvențe de funcționare mai mici în banda THz. Cercetările existente privind antenele terahertz se concentrează în principal pe îmbunătățirea câștigului prin utilizarea antenelor cu lentile dielectrice etc. și pe îmbunătățirea eficienței comunicațiilor prin utilizarea algoritmilor adecvați. În plus, modul de îmbunătățire a eficienței ambalajelor antenelor terahertz este, de asemenea, o problemă foarte urgentă.
Antene THz generale
Există multe tipuri de antene THz disponibile: antene dipol cu cavități conice, rețele reflectorizante de colț, dipoli bowtie, antene planare cu lentilă dielectrică, antene fotoconductoare pentru generarea de surse de radiații THz, antene corn, antene THz pe bază de materiale grafen etc. În funcție de materialele utilizate pentru fabricarea antenelor THz, acestea pot fi împărțite aproximativ în antene metalice (în principal antene corn), antene dielectrice (antene lentilă) și antene din materiale noi. Această secțiune oferă mai întâi o analiză preliminară a acestor antene, iar apoi, în secțiunea următoare, sunt introduse în detaliu și analizate în profunzime cinci antene THz tipice.
1. Antene metalice
Antena corn este o antenă metalică tipică, proiectată să funcționeze în banda THz. Antena unui receptor clasic cu unde milimetrice este o antenă corn conică. Antenele ondulate și dual-mode au multe avantaje, inclusiv diagrame de radiație simetrice rotaționale, câștig ridicat de 20 până la 30 dBi și nivel scăzut de polarizare încrucișată de -30 dB, precum și o eficiență de cuplare de 97% până la 98%. Lățimile de bandă disponibile ale celor două antene corn sunt de 30%-40% și, respectiv, 6%-8%.
Deoarece frecvența undelor terahertz este foarte mare, dimensiunea antenei corn este foarte mică, ceea ce face ca prelucrarea cornului să fie foarte dificilă, în special în proiectarea rețelelor de antene, iar complexitatea tehnologiei de procesare duce la costuri excesive și la o producție limitată. Datorită dificultății de fabricare a părții inferioare a designului complex al cornului, se utilizează de obicei o antenă corn simplă, sub formă de con sau corn conic, ceea ce poate reduce costurile și complexitatea procesului, iar performanța de radiație a antenei poate fi menținută în mod corespunzător.
O altă antenă metalică este o antenă piramidală cu undă călătoare, care constă dintr-o antenă cu undă călătoare integrată pe o peliculă dielectrică de 1,2 microni și suspendată într-o cavitate longitudinală gravată pe o plachetă de siliciu, așa cum se arată în Figura 7. Această antenă are o structură deschisă, compatibilă cu diodele Schottky. Datorită structurii sale relativ simple și cerințelor reduse de fabricație, poate fi utilizată în general în benzi de frecvență peste 0,6 THz. Cu toate acestea, nivelul lobilor laterali și nivelul de polarizare încrucișată al antenei sunt ridicate, probabil datorită structurii sale deschise. Prin urmare, eficiența sa de cuplare este relativ scăzută (aproximativ 50%).
Figura 7 Antenă piramidală cu undă călătoare
2. Antenă dielectrică
Antena dielectrică este o combinație între un substrat dielectric și un radiator de antenă. Printr-o proiectare adecvată, antena dielectrică poate realiza adaptarea impedanței cu detectorul și prezintă avantajele unui proces simplu, integrării ușoare și costului redus. În ultimii ani, cercetătorii au proiectat mai multe antene cu foc lateral în bandă îngustă și în bandă largă care se pot potrivi cu detectorii de impedanță redusă ai antenelor dielectrice terahertz: antenă fluture, antenă dublă în formă de U, antenă log-periodică și antenă sinusoidală log-periodică, așa cum se arată în Figura 8. În plus, geometrii de antenă mai complexe pot fi proiectate prin algoritmi genetici.
Figura 8 Patru tipuri de antene planare
Totuși, deoarece antena dielectrică este combinată cu un substrat dielectric, atunci când frecvența tinde spre banda THz, va apărea un efect de undă de suprafață. Acest dezavantaj fatal va face ca antena să piardă multă energie în timpul funcționării și va duce la o reducere semnificativă a eficienței radiației antenei. După cum se arată în Figura 9, atunci când unghiul de radiație al antenei este mai mare decât unghiul de tăiere, energia acesteia este limitată în substratul dielectric și cuplată cu modul substratului.
Figura 9 Efectul undei de suprafață a antenei
Pe măsură ce grosimea substratului crește, numărul de moduri de ordin superior crește, iar cuplajul dintre antenă și substrat crește, rezultând pierderi de energie. Pentru a slăbi efectul undei de suprafață, există trei scheme de optimizare:
1) Încărcați o lentilă pe antenă pentru a crește câștigul utilizând caracteristicile de formare a fasciculului undelor electromagnetice.
2) Reducerea grosimii substratului pentru a suprima generarea modurilor de ordin superior ale undelor electromagnetice.
3) Înlocuiți materialul dielectric al substratului cu o bandă electromagnetică interzisă (EBG). Caracteristicile de filtrare spațială ale EBG pot suprima modurile de ordin superior.
3. Antene din materiale noi
Pe lângă cele două antene menționate mai sus, există și o antenă terahertz realizată din materiale noi. De exemplu, în 2006, Jin Hao și colab. au propus o antenă dipol cu nanotuburi de carbon. După cum se arată în Figura 10 (a), dipolul este realizat din nanotuburi de carbon în loc de materiale metalice. El a studiat cu atenție proprietățile infraroșii și optice ale antenei dipol cu nanotuburi de carbon și a discutat caracteristicile generale ale antenei dipol cu nanotuburi de carbon de lungime finită, cum ar fi impedanța de intrare, distribuția curentului, câștigul, eficiența și diagrama de radiație. Figura 10 (b) prezintă relația dintre impedanța de intrare și frecvența antenei dipol cu nanotuburi de carbon. După cum se poate observa în Figura 10(b), partea imaginară a impedanței de intrare are mai multe zerouri la frecvențe mai mari. Acest lucru indică faptul că antena poate atinge mai multe rezonanțe la frecvențe diferite. Evident, antena cu nanotuburi de carbon prezintă rezonanță într-un anumit interval de frecvență (frecvențe THz mai mici), dar este complet incapabilă să rezoneze în afara acestui interval.
Figura 10 (a) Antenă dipol cu nanotuburi de carbon. (b) Curba impedanță-frecvență de intrare
În 2012, Samir F. Mahmoud și Ayed R. AlAjmi au propus o nouă structură de antenă terahertz bazată pe nanotuburi de carbon, care constă dintr-un fascicul de nanotuburi de carbon înfășurate în două straturi dielectrice. Stratul dielectric interior este un strat de spumă dielectrică, iar stratul dielectric exterior este un strat metamaterial. Structura specifică este prezentată în Figura 11. Prin testare, performanța antenei la radiații a fost îmbunătățită în comparație cu nanotuburile de carbon cu perete simplu.
Figura 11 Nouă antenă terahertz bazată pe nanotuburi de carbon
Antenele terahertz din noile materiale propuse mai sus sunt în principal tridimensionale. Pentru a îmbunătăți lățimea de bandă a antenei și a realiza antene conformale, antenele planare din grafen au primit o atenție largă. Grafenul are caracteristici excelente de control dinamic continuu și poate genera plasmă de suprafață prin ajustarea tensiunii de polarizare. Plasma de suprafață există la interfața dintre substraturile cu constantă dielectrică pozitivă (cum ar fi Si, SiO2 etc.) și substraturile cu constantă dielectrică negativă (cum ar fi metalele prețioase, grafenul etc.). Există un număr mare de „electroni liberi” în conductori, cum ar fi metalele prețioase și grafenul. Acești electroni liberi sunt numiți și plasme. Datorită câmpului potențial inerent din conductor, aceste plasme se află într-o stare stabilă și nu sunt perturbate de lumea exterioară. Când energia undei electromagnetice incidente este cuplată cu aceste plasme, plasmele se vor abate de la starea staționară și vor vibra. După conversie, modul electromagnetic formează o undă magnetică transversală la interfață. Conform descrierii relației de dispersie a plasmei de suprafață a metalului prin modelul Drude, metalele nu se pot cupla în mod natural cu undele electromagnetice în spațiul liber și nu pot converti energia. Este necesară utilizarea altor materiale pentru a excita undele plasmatice de suprafață. Undele plasmatice de suprafață se degradează rapid în direcția paralelă cu interfața metal-substrat. Atunci când conductorul metalic conduce în direcția perpendiculară pe suprafață, apare un efect pelicular. Evident, din cauza dimensiunilor mici ale antenei, există un efect pelicular în banda de înaltă frecvență, ceea ce face ca performanța antenei să scadă brusc și să nu poată îndeplini cerințele antenelor terahertz. Plasmonul de suprafață al grafenului nu numai că are o forță de legare mai mare și o pierdere mai mică, dar susține și o reglare electrică continuă. În plus, grafenul are o conductivitate complexă în banda terahertz. Prin urmare, propagarea lentă a undelor este legată de modul de plasmă la frecvențele terahertz. Aceste caracteristici demonstrează pe deplin fezabilitatea grafenului de a înlocui materialele metalice în banda terahertz.
Pe baza comportamentului de polarizare al plasmonilor de suprafață ai grafenului, Figura 12 prezintă un nou tip de antenă bandă și propune forma benzii caracteristicilor de propagare a undelor plasmatice în grafen. Designul benzii antenei acordabile oferă o nouă modalitate de a studia caracteristicile de propagare ale antenelor terahertz din materiale noi.
Figura 12 Antenă bandă nouă
Pe lângă explorarea unor noi elemente de antenă terahertz, antenele terahertz cu nanopatch de grafen pot fi proiectate și ca rețele pentru a construi sisteme de comunicații cu antene terahertz cu intrări multiple și ieșiri multiple. Structura antenei este prezentată în Figura 13. Pe baza proprietăților unice ale antenelor cu nanopatch de grafen, elementele antenei au dimensiuni la scară micronică. Depunerea chimică din vapori sintetizează direct diferite imagini de grafen pe un strat subțire de nichel și le transferă pe orice substrat. Prin selectarea unui număr adecvat de componente și modificarea tensiunii de polarizare electrostatică, direcția radiației poate fi schimbată eficient, făcând sistemul reconfigurabil.
Figura 13 Rețea de antene terahertz cu nanopatch-uri de grafen
Cercetarea de noi materiale este o direcție relativ nouă. Se așteaptă ca inovarea materialelor să depășească limitele antenelor tradiționale și să dezvolte o varietate de antene noi, cum ar fi metamateriale reconfigurabile, materiale bidimensionale (2D) etc. Cu toate acestea, acest tip de antenă depinde în principal de inovarea noilor materiale și de avansarea tehnologiei de procesare. În orice caz, dezvoltarea antenelor terahertz necesită materiale inovatoare, tehnologie de procesare precisă și structuri de design noi pentru a satisface cerințele de câștig ridicat, cost redus și lățime de bandă largă ale antenelor terahertz.
Următoarele prezintă principiile de bază a trei tipuri de antene terahertz: antene metalice, antene dielectrice și antene din materiale noi și analizează diferențele, avantajele și dezavantajele acestora.
1. Antenă metalică: Geometria este simplă, ușor de prelucrat, cost relativ scăzut și necesită puține materiale de substrat. Cu toate acestea, antenele metalice utilizează o metodă mecanică pentru a regla poziția antenei, ceea ce este predispus la erori. Dacă reglarea nu este corectă, performanța antenei va fi redusă considerabil. Deși antena metalică are dimensiuni mici, este dificil de asamblat cu un circuit planar.
2. Antenă dielectrică: Antena dielectrică are o impedanță de intrare scăzută, este ușor de adaptat la un detector cu impedanță scăzută și este relativ simplu de conectat la un circuit planar. Formele geometrice ale antenelor dielectrice includ forma fluture, forma dublă U, forma logaritmică convențională și forma sinusoidală periodică logaritmică. Cu toate acestea, antenele dielectrice au și un defect fatal, și anume efectul de undă de suprafață cauzat de substratul gros. Soluția este încărcarea unei lentile și înlocuirea substratului dielectric cu o structură EBG. Ambele soluții necesită inovație și îmbunătățirea continuă a tehnologiei de proces și a materialelor, dar performanțele lor excelente (cum ar fi omnidirecționalitatea și suprimarea undelor de suprafață) pot oferi noi idei pentru cercetarea antenelor terahertz.
3. Antene din materiale noi: În prezent, au apărut noi antene dipol realizate din nanotuburi de carbon și noi structuri de antenă realizate din metamateriale. Noile materiale pot aduce noi descoperiri în materie de performanță, dar premisa este inovația științei materialelor. În prezent, cercetarea privind antenele din materiale noi este încă în stadiul de explorare, iar multe tehnologii cheie nu sunt suficient de mature.
În concluzie, pot fi selectate diferite tipuri de antene terahertz în funcție de cerințele de proiectare:
1) Dacă sunt necesare un design simplu și un cost de producție redus, se pot selecta antene metalice.
2) Dacă sunt necesare o integrare ridicată și o impedanță de intrare scăzută, se pot selecta antene dielectrice.
3) Dacă este necesară o îmbunătățire a performanței, se pot selecta antene din materiale noi.
Designurile de mai sus pot fi, de asemenea, ajustate în funcție de cerințe specifice. De exemplu, două tipuri de antene pot fi combinate pentru a obține mai multe avantaje, dar metoda de asamblare și tehnologia de proiectare trebuie să îndeplinească cerințe mai stricte.
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Data publicării: 02 august 2024
