Odată cu creșterea popularității dispozitivelor fără fir, serviciile de date au intrat într-o nouă perioadă de dezvoltare rapidă, cunoscută și sub numele de creștere explozivă a serviciilor de date. În prezent, un număr mare de aplicații migrează treptat de la computere la dispozitive fără fir, cum ar fi telefoanele mobile, care sunt ușor de transportat și de 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. . Potrivit statisticilor, rata de date de pe piață poate ajunge la Gbps sau chiar Tbps în următorii 10 până la 15 ani. În prezent, comunicarea THz a atins o rată de date Gbps, în timp ce rata de date Tbps este încă în stadiile incipiente de dezvoltare. O lucrare conexă enumeră cele mai recente progrese în ratele de date Gbps pe baza benzii THz și prezice că Tbps poate fi obținut prin multiplexarea de polarizare. Prin urmare, pentru a crește viteza de transmisie a datelor, o soluție fezabilă este dezvoltarea unei noi benzi de frecvență, care este banda teraherți, care se află în „zona goală” dintre microunde și lumina infraroșie. La Conferința Mondială de Radiocomunicații a ITU (WRC-19) din 2019, intervalul de frecvență de 275-450GHz a fost utilizat pentru serviciile fixe și mobile terestre. Se poate observa că sistemele de comunicații fără fir terahertz au atras atenția multor cercetători.
Undele electromagnetice Terahertz sunt definite în general ca banda de frecvență de 0,1-10THz (1THz=1012Hz) cu o lungime de undă de 0,03-3 mm. Conform standardului IEEE, undele terahertzi sunt definite ca 0,3-10THz. Figura 1 arată că banda de frecvență teraherți este între microundele și lumina infraroșie.
Fig. 1 Diagrama schematică a benzii de frecvență THz.
Dezvoltarea antenelor Terahertz
Deși cercetarea în teraherți a început în secolul al XIX-lea, nu a fost studiată ca domeniu independent la acel moment. Cercetările asupra radiațiilor terahertzi s-au concentrat în principal pe banda de infraroșu îndepărtat. Abia la mijlocul până la sfârșitul secolului al XX-lea, cercetătorii au început să avanseze cercetarea undelor milimetrice la banda de teraherți și să efectueze cercetări specializate în tehnologia teraherți.
În anii 1980, apariția surselor de radiații terahertzi a făcut posibilă aplicarea undelor terahertzi în sisteme practice. Începând cu secolul 21, tehnologia comunicațiilor fără fir s-a dezvoltat rapid, iar cererea oamenilor de informații și creșterea echipamentelor de comunicații au impus cerințe mai stricte privind viteza de transmisie a datelor de comunicație. Prin urmare, una dintre provocările viitoarei tehnologii de comunicații este să funcționeze la o rată mare de date 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 pentru capacitatea și viteza de comunicare sunt nesfârșite. Pentru problema congestiei spectrului, multe companii folosesc tehnologia MIMO (multiple-input multiple-output) pentru a îmbunătăți eficiența spectrului și capacitatea sistemului prin multiplexare spațială. Odată cu avansarea rețelelor 5G, viteza conexiunii de date a fiecărui utilizator va depăși Gbps, iar traficul de date al stațiilor de bază va crește, de asemenea, semnificativ. Pentru sistemele tradiționale de comunicație cu unde milimetrice, legăturile cu microunde nu vor putea gestiona aceste fluxuri uriașe de date. În plus, datorită influenței liniei de vedere, distanța de transmisie a comunicației în infraroșu este scurtă și locația echipamentului său de comunicație este fixă. Prin urmare, undele THz, care se află între microunde și infraroșu, pot fi folosite 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 gama sa de frecvență este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât cea a comunicațiilor mobile. Prin urmare, utilizarea THz pentru a construi sisteme de comunicații fără fir de viteză ultra-înaltă este o soluție promițătoare la provocarea ratelor mari de date, care a atras interesul multor echipe de cercetare și industrii. În septembrie 2017, a fost lansat primul standard de comunicare fără fir THz IEEE 802.15.3d-2017, care definește schimbul de date punct la punct în intervalul de frecvență THz inferioară de 252-325 GHz. Stratul fizic alternativ (PHY) al conexiunii poate atinge rate de date de până la 100 Gbps la lățimi de bandă diferite.
Primul sistem de comunicații THz de 0,12 THz de succes a fost înființat în 2004, iar sistemul de comunicații THz de 0,3 THz a fost realizat în 2013. Tabelul 1 prezintă progresul cercetării sistemelor de comunicații teraherți în Japonia din 2004 până în 2013.
Tabelul 1 Progresul cercetării sistemelor de comunicații teraherți în Japonia din 2004 până în 2013
Structura antenei unui sistem de comunicații dezvoltat în 2004 a fost descrisă în detaliu de către 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 Diagrama schematică a sistemului de comunicații fără fir NTT 120 GHz din Japonia
Sistemul integrează conversia fotoelectrică și antena și adoptă două moduri de lucru:
1. Într-un mediu interior cu rază apropiată, transmițătorul de antenă plană utilizat în interior constă dintr-un cip cu fotodiodă purtătoare cu o singură linie (UTC-PD), o antenă cu fantă plană și o lentilă de silicon, 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 mare. Antena terahertz existentă folosește o lentilă optică gaussiană cu un câștig de peste 50 dBi. Combinația de corn de alimentare și lentilă 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 fi de până la 100 Gbps. După cum se poate observa din Tabelul 1, a avut o contribuție deosebită la dezvoltarea comunicării în teraherți. Cu toate acestea, activitatea de cercetare actuală are dezavantajele frecvenței scăzute de operare, dimensiunilor mari și costurilor ridicate.
Majoritatea antenelor terahertzi utilizate în prezent sunt modificate de la antene cu unde milimetrice și există puține inovații în ceea ce privește antenele terahertzi. Prin urmare, pentru a îmbunătăți performanța sistemelor de comunicație în teraherți, o sarcină importantă este optimizarea antenelor în teraherți. Tabelul 2 enumeră progresul cercetării comunicației germane THz. Figura 3 (a) prezintă un sistem de comunicații fără fir THz reprezentativ care combină fotonica și electronica. Figura 3 (b) prezintă scena de testare a tunelului de vânt. Judecând după situația actuală a cercetării din Germania, cercetarea și dezvoltarea acesteia are, de asemenea, dezavantaje, cum ar fi frecvența scăzută de operare, costul ridicat și eficiența scăzută.
Tabelul 2 Progresul cercetării comunicației THz în Germania
Figura 3 Scena de testare a tunelului de vânt
Centrul CSIRO ICT a inițiat, de asemenea, cercetări privind sistemele de comunicații fără fir de interior THz. Centrul a studiat relația dintre an și frecvența comunicațiilor, așa cum se arată în Figura 4. După cum se poate observa din Figura 4, până în 2020, cercetările privind comunicațiile fără fir tind spre banda THz. Frecvența maximă de comunicare folosind spectrul radio crește de aproximativ zece ori la fiecare douăzeci de ani. Centrul a făcut recomandări cu privire la cerințele pentru antenele THz și a propus antene tradiționale, cum ar fi claxonele și lentilele pentru sistemele de comunicații THz. După cum se arată în Figura 5, două antene corn funcționează la 0,84THz și, respectiv, 1,7THz, cu o structură simplă și performanță bună a fasciculului Gaussian.
Figura 4 Relația dintre an și frecvență
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Două tipuri de antene corn
Statele Unite au efectuat cercetări ample privind emisia și detectarea undelor terahertzi. Laboratoarele celebre de cercetare în teraherți includ Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF) etc. Au fost proiectate noi antene terahertz pentru aplicații terahertz, cum ar fi antene cu papion și antene de direcție cu fascicul de frecvență. Conform dezvoltării antenelor terahertzi, putem obține trei idei de bază de proiectare pentru antenele terahertzi în prezent, așa cum se arată în Figura 6.
Figura 6 Trei idei de design de bază pentru antene terahertzi
Analiza de mai sus arată că, deși multe țări au acordat o mare atenție antenelor terahertz, aceasta se află încă în stadiul inițial de explorare și dezvoltare. Datorită pierderii mari de propagare și absorbției moleculare, antenele THz sunt de obicei limitate de distanța de transmisie și de acoperire. Unele studii se concentrează pe frecvențe de operare mai mici în banda THz. Cercetarea existentă a antenei terahertzi se concentrează în principal pe îmbunătățirea câștigului prin utilizarea antenelor cu lentile dielectrice etc. și pe îmbunătățirea eficienței comunicării prin utilizarea algoritmilor corespunzători. În plus, modul de îmbunătățire a eficienței ambalajului antenei terahertzi este, de asemenea, o problemă foarte urgentă.
Antene generale THz
Există multe tipuri de antene THz disponibile: antene dipol cu cavități conice, matrice de reflectoare de colț, dipoli papion, antene plane cu lentile dielectrice, antene fotoconductoare pentru generarea surselor de radiație THz, antene corn, antene THz pe bază de materiale grafen etc. materialele folosite la fabricarea antenelor THz, acestea pot fi împărțite aproximativ în antene metalice (în principal antene cu corn), antene dielectrice (antene cu lentile) și antene cu materiale noi. Această secțiune oferă mai întâi o analiză preliminară a acestor antene, iar apoi în secțiunea următoare, cinci antene tipice THz sunt introduse în detaliu și analizate în profunzime.
1. Antene metalice
Antena corn este o antenă metalică tipică care este proiectată să funcționeze în banda THz. Antena unui receptor clasic de unde milimetrice este un corn conic. Antenele ondulate și cu mod dublu au multe avantaje, inclusiv modele de radiație simetrice rotațional, câștig mare de 20 până la 30 dBi și nivel scăzut de polarizare încrucișată de -30 dB și eficiență de cuplare de 97% până la 98%. Lățimile de bandă disponibile ale celor două antene corn sunt 30%-40% și, respectiv, 6%-8%.
Deoarece frecvența undelor terahertz este foarte mare, dimensiunea antenei cornului este foarte mică, ceea ce face ca procesarea claxonului să fie foarte dificilă, în special în proiectarea rețelelor de antene, iar complexitatea tehnologiei de procesare duce la costuri excesive și producție limitată. Datorită dificultății în fabricarea bazei designului complex al cornului, se folosește de obicei o antenă corn simplu sub forma unui corn conic sau conic, ceea ce poate reduce costurile și complexitatea procesului, iar performanța de radiație a antenei poate fi menținută. bine.
O altă antenă metalică este o antenă piramidală cu unde 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 placă de siliciu, așa cum se arată în Figura 7. Această antenă este o structură deschisă care este compatibil cu diode Schottky. Datorită structurii sale relativ simple și cerințelor reduse de fabricație, poate fi utilizat în general în benzi de frecvență de peste 0,6 THz. Cu toate acestea, nivelul lobului lateral 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 unde călătoare
2. Antena dielectrica
Antena dielectrică este o combinație între un substrat dielectric și un radiator de antenă. Printr-o proiectare adecvată, antena dielectrică poate realiza o potrivire a impedanței cu detectorul și are avantajele unui proces simplu, integrare ușoară și cost 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 detectoarele cu impedanță joasă a antenelor dielectrice terahertzi: antenă fluture, antenă dublă în formă de U, antenă log-periodică și antenă log-periodică sinusoidală, ca prezentate în Figura 8. În plus, geometriile antenei mai complexe pot fi proiectate prin algoritmi genetici.
Figura 8 Patru tipuri de antene plane
Cu toate acestea, deoarece antena dielectrică este combinată cu un substrat dielectric, va apărea un efect de undă de suprafață atunci când frecvența tinde spre banda THz. 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 sa este limitată în substratul dielectric și cuplată cu modul substrat.
Figura 9 Efectul undei de suprafață a antenei
Pe măsură ce grosimea substratului crește, numărul de moduri de ordin înalt crește, iar cuplarea 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) Reduceți grosimea substratului pentru a suprima generarea de moduri de ordin înalt de unde electromagnetice.
3) Înlocuiți materialul dielectric al substratului cu o bandă interzisă electromagnetică (EBG). Caracteristicile de filtrare spațială ale EBG pot suprima modurile de ordin înalt.
3. Materiale noi antene
Pe lângă cele două antene de mai sus, există și o antenă terahertz realizată din materiale noi. De exemplu, în 2006, Jin Hao et al. a propus o antenă dipol cu nanotuburi de carbon. După cum se arată în Figura 10 (a), dipolul este făcut din nanotuburi de carbon în loc din materiale metalice. El a studiat cu atenție proprietățile infraroșu și optice ale antenei dipol cu nanotuburi de carbon și a discutat despre caracteristicile generale ale antenei dipol cu nanotuburi de carbon cu lungime finită, cum ar fi impedanța de intrare, distribuția curentului, câștigul, eficiența și modelul de radiație. Figura 10 (b) arată relația dintre impedanța de intrare și frecvența antenei dipol cu nanotuburi de carbon. După cum se poate vedea 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 obține rezonanțe multiple 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 cu teraherți bazată pe nanotuburi de carbon, care constă dintr-un mănunchi 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 de radiație a antenei a fost îmbunătățită în comparație cu nanotuburile de carbon cu un singur perete.
Figura 11 Nouă antenă terahertz bazată pe nanotuburi de carbon
Noile antene de material terahertz propuse mai sus sunt în principal tridimensionale. Pentru a îmbunătăți lățimea de bandă a antenei și a face antene conforme, antenele plane din grafen au primit o atenție pe scară largă. Grafenul are caracteristici excelente de control dinamic continuu și poate genera plasmă de suprafață prin ajustarea tensiunii de polarizare. Plasma de suprafață există pe interfața dintre substraturile cu constantă dielectrică pozitivă (cum ar fi Si, SiO2 etc.) și substraturile cu constante dielectrică negativă (cum ar fi metalele prețioase, grafenul etc.). Există un număr mare de „electroni liberi” în conductori precum metalele prețioase și grafenul. Acești electroni liberi sunt numiți și plasme. Datorită câmpului potențial inerent în conductor, aceste plasme sunt într-o stare stabilă și nu sunt perturbate de lumea exterioară. Când energia undelor electromagnetice incidente este cuplată la 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 metalică de către modelul Drude, metalele nu se pot cupla în mod natural cu undele electromagnetice în spațiul liber și pot converti energia. Este necesar să se folosească alte materiale pentru a excita undele de plasmă de suprafață. Undele de plasmă de suprafață se degradează rapid în direcția paralelă a interfeței metal-substrat. Când conductorul metalic conduce în direcția perpendiculară pe suprafață, apare un efect de piele. Evident, din cauza dimensiunii mici a antenei, există un efect de piele în banda de înaltă frecvență, ceea ce face ca performanța antenei să scadă brusc și nu poate îndeplini cerințele antenelor terahertzi. Plasmonul de suprafață al grafenului nu numai că are o forță de legare mai mare și pierderi mai mici, dar suportă și reglarea electrică continuă. În plus, grafenul are o conductivitate complexă în banda de teraherți. Prin urmare, propagarea lentă a undelor este legată de modul plasma la frecvențe terahertzi. Aceste caracteristici demonstrează pe deplin fezabilitatea grafenului de a înlocui materialele metalice din banda de teraherți.
Pe baza comportamentului de polarizare al plasmonilor de suprafață de grafen, Figura 12 prezintă un nou tip de antenă bandă și propune forma de bandă a caracteristicilor de propagare a undelor de plasmă în grafen. Proiectarea benzii de antenă reglabilă oferă o nouă modalitate de a studia caracteristicile de propagare ale antenelor terahertzi de materiale noi.
Figura 12 Antenă nouă bandă
Pe lângă explorarea elementelor de antenă terahertzi noi, materiale ale unității, antenele terahertzi cu nano-pețesuri din grafen pot fi proiectate și ca rețele pentru a construi sisteme de comunicație cu antene cu mai multe intrări și ieșiri terahertzi. Structura antenei este prezentată în Figura 13. Pe baza proprietăților unice ale antenelor nanopatch din grafen, elementele antenei au dimensiuni la scară de microni. Depunerea chimică de 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 Matrice de antene terahertz nanopatch din 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 antene. materialelor și progresul tehnologiei proceselor. În orice caz, dezvoltarea antenelor terahertzi necesită materiale inovatoare, tehnologie de procesare precisă și structuri de design noi pentru a îndeplini cerințele de câștig ridicat, cost redus și lățime de bandă largă ale antenelor teraherți.
În cele ce urmează, sunt prezentate principiile de bază ale a trei tipuri de antene terahertzi: antene metalice, antene dielectrice și antene din materiale noi și analizează diferențele și avantajele și dezavantajele acestora.
1. Antenă metalică: Geometria este simplă, ușor de prelucrat, cost relativ scăzut și cerințe reduse pentru materialele substratului. Cu toate acestea, antenele metalice folosesc o metodă mecanică pentru a regla poziția antenei, care este predispusă la erori. Dacă reglarea nu este corectă, performanța antenei va fi mult redusă. Deși antena metalică este de dimensiuni mici, este dificil de asamblat cu un circuit plan.
2. Antena dielectrică: Antena dielectrică are o impedanță de intrare scăzută, este ușor de asortat cu un detector de impedanță scăzută și este relativ simplu de conectat la un circuit plan. Formele geometrice ale antenelor dielectrice includ forma fluture, forma în U dublu, 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 să încărcați o lentilă și să înlocuiți substratul dielectric cu o structură EBG. Ambele soluții necesită inovare și îmbunătățirea continuă a tehnologiei și materialelor de proces, dar performanța lor excelentă (cum ar fi omnidirecționalitatea și suprimarea undelor de suprafață) pot oferi idei noi pentru cercetarea antenelor terahertzi.
3. Noi antene cu materiale: În prezent, au apărut noi antene dipol din nanotuburi de carbon și noi structuri de antene din metamateriale. Noile materiale pot aduce noi progrese în performanță, dar premisa este inovația științei materialelor. În prezent, cercetările asupra antenelor cu materiale noi se află încă în stadiul de explorare, iar multe tehnologii cheie nu sunt suficient de mature.
Pe scurt, diferite tipuri de antene terahertzi pot fi selectate în funcție de cerințele de proiectare:
1) Dacă sunt necesare un design simplu și un cost de producție scăzut, pot fi selectate antene metalice.
2) Dacă sunt necesare o integrare ridicată și o impedanță de intrare scăzută, pot fi selectate antene dielectrice.
3) Dacă este nevoie de un progres în performanță, pot fi selectate noi antene cu materiale.
Modelele 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:
Ora postării: Aug-02-2024
