Z naraščajočo priljubljenostjo brezžičnih naprav so podatkovne storitve vstopile v novo obdobje hitrega razvoja, znano tudi kot eksplozivna rast podatkovnih storitev. Trenutno se veliko število aplikacij postopoma seli z računalnikov na brezžične naprave, kot so mobilni telefoni, ki jih je enostavno prenašati in uporabljati v realnem času, vendar je to stanje privedlo tudi do hitrega povečanja podatkovnega prometa in pomanjkanja pasovne širine. Po statističnih podatkih bi lahko hitrost prenosa podatkov na trgu v naslednjih 10 do 15 letih dosegla Gbps ali celo Tbps. Trenutno je komunikacija THz dosegla hitrost prenosa podatkov Gbps, medtem ko je hitrost prenosa podatkov Tbps še vedno v zgodnjih fazah razvoja. Soroden članek navaja najnovejši napredek pri hitrostih prenosa podatkov Gbps na podlagi pasu THz in napoveduje, da je mogoče Tbps doseči s polarizacijskim multipleksiranjem. Zato je za povečanje hitrosti prenosa podatkov izvedljiva rešitev razvoj novega frekvenčnega pasu, ki je teraherčni pas, ki se nahaja v "praznem območju" med mikrovalovi in infrardečo svetlobo. Na svetovni konferenci o radiokomunikacijah ITU (WRC-19) leta 2019 je bilo frekvenčno območje 275–450 GHz uporabljeno za fiksne in kopenske mobilne storitve. Vidimo lahko, da so teraherčni brezžični komunikacijski sistemi pritegnili pozornost številnih raziskovalcev.
Teraherčni elektromagnetni valovi so na splošno opredeljeni kot frekvenčni pas 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) z valovno dolžino 0,03–3 mm. V skladu s standardom IEEE so teraherčni valovi opredeljeni kot 0,3–10 THz. Slika 1 prikazuje, da se teraherčni frekvenčni pas nahaja med mikrovalovi in infrardečo svetlobo.
Slika 1 Shematski diagram frekvenčnega pasu THz.
Razvoj teraherčnih anten
Čeprav so se raziskave teraherčnega sevanja začele že v 19. stoletju, takrat niso bile preučevane kot samostojno področje. Raziskave teraherčnega sevanja so bile osredotočene predvsem na daljni infrardeči pas. Šele sredi ali konec 20. stoletja so raziskovalci začeli širiti raziskave milimetrskih valov v teraherčnem pasu in izvajati specializirane raziskave teraherčne tehnologije.
V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je pojav teraherčnih virov sevanja omogočil uporabo teraherčnih valov v praktičnih sistemih. Od 21. stoletja se je brezžična komunikacijska tehnologija hitro razvijala, povpraševanje ljudi po informacijah in povečanje komunikacijske opreme pa sta postavila strožje zahteve glede hitrosti prenosa komunikacijskih podatkov. Zato je eden od izzivov prihodnje komunikacijske tehnologije delovanje z visoko hitrostjo prenosa podatkov gigabitov na sekundo na eni lokaciji. V trenutnem gospodarskem razvoju so spektralni viri vse bolj omejeni. Vendar so človeške potrebe po komunikacijski zmogljivosti in hitrosti neskončne. Zaradi problema preobremenjenosti spektra številna podjetja uporabljajo tehnologijo MIMO (Multiple Input Multiple Output Multiplexing) za izboljšanje učinkovitosti spektra in zmogljivosti sistema s prostorskim multipleksiranjem. Z napredkom omrežij 5G bo hitrost podatkovne povezave vsakega uporabnika presegla Gbps, znatno pa se bo povečal tudi podatkovni promet baznih postaj. Pri tradicionalnih milimetrskih komunikacijskih sistemih mikrovalovne povezave ne bodo mogle obvladovati teh ogromnih podatkovnih tokov. Poleg tega je zaradi vpliva vidne linije razdalja prenosa infrardeče komunikacije kratka, lokacija komunikacijske opreme pa fiksna. Zato se lahko THz valovi, ki so med mikrovalovi in infrardečo svetlobo, uporabljajo za izgradnjo visokohitrostnih komunikacijskih sistemov in povečanje hitrosti prenosa podatkov z uporabo THz povezav.
Teraherčni valovi lahko zagotovijo širšo komunikacijsko pasovno širino, njihov frekvenčni razpon pa je približno 1000-krat večji od mobilnih komunikacij. Zato je uporaba teraherčnih valov za izgradnjo ultra hitrih brezžičnih komunikacijskih sistemov obetavna rešitev za izziv visokih hitrosti prenosa podatkov, kar je pritegnilo zanimanje številnih raziskovalnih skupin in industrij. Septembra 2017 je bil izdan prvi teraherčni brezžični komunikacijski standard IEEE 802.15.3d-2017, ki opredeljuje izmenjavo podatkov od točke do točke v spodnjem teraherčnem frekvenčnem območju 252–325 GHz. Alternativna fizična plast (PHY) povezave lahko doseže hitrosti prenosa podatkov do 100 Gbps pri različnih pasovnih širinah.
Prvi uspešen komunikacijski sistem terahercnega vala s frekvenco 0,12 THz je bil vzpostavljen leta 2004, komunikacijski sistem terahercnega vala s frekvenco 0,3 THz pa leta 2013. V tabeli 1 je naveden napredek raziskav terahercnih komunikacijskih sistemov na Japonskem od leta 2004 do 2013.
Tabela 1 Napredek raziskav teraherčnih komunikacijskih sistemov na Japonskem od leta 2004 do 2013
Strukturo antene komunikacijskega sistema, razvitega leta 2004, je leta 2005 podrobno opisala družba Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT). Konfiguracija antene je bila predstavljena v dveh primerih, kot je prikazano na sliki 2.
Slika 2 Shematski diagram japonskega brezžičnega komunikacijskega sistema NTT 120 GHz
Sistem združuje fotoelektrično pretvorbo in anteno ter ima dva načina delovanja:
1. V zaprtih prostorih od blizu je planarni antenski oddajnik, ki se uporablja v zaprtih prostorih, sestavljen iz enovrstičnega nosilnega fotodiodnega čipa (UTC-PD), planarne špranjske antene in silicijeve leče, kot je prikazano na sliki 2(a).
2. V zunanjem okolju na dolge razdalje mora imeti oddajna antena visok ojačanje, da se izboljša vpliv velikih izgub pri prenosu in nizke občutljivosti detektorja. Obstoječa teraherčna antena uporablja Gaussovo optično lečo z ojačanjem več kot 50 dBi. Kombinacija napajalnega roga in dielektrične leče je prikazana na sliki 2(b).
Poleg razvoja komunikacijskega sistema s frekvenco 0,12 THz je NTT leta 2012 razvil tudi komunikacijski sistem s frekvenco 0,3 THz. Z nenehno optimizacijo lahko hitrost prenosa doseže do 100 Gbps. Kot je razvidno iz tabele 1, je NTT veliko prispeval k razvoju teraherčne komunikacije. Vendar pa imajo trenutne raziskovalne dejavnosti slabosti, kot so nizka delovna frekvenca, velika velikost in visoki stroški.
Večina trenutno uporabljenih teraherčnih anten je predelanih iz milimetrskih valovnih anten, inovacij na področju teraherčnih anten pa je malo. Zato je za izboljšanje delovanja teraherčnih komunikacijskih sistemov pomembna naloga optimizacija teraherčnih anten. Tabela 2 prikazuje napredek raziskav nemške teraherčne komunikacije. Slika 3 (a) prikazuje reprezentativni teraherčni brezžični komunikacijski sistem, ki združuje fotoniko in elektroniko. Slika 3 (b) prikazuje testno prizorišče v vetrovniku. Glede na trenutno stanje raziskav v Nemčiji imajo raziskave in razvoj tudi slabosti, kot so nizka delovna frekvenca, visoki stroški in nizka učinkovitost.
Tabela 2 Napredek raziskav terahercne komunikacije v Nemčiji
Slika 3 Preskusna scena v vetrovniku
Center CSIRO ICT je prav tako začel raziskave o notranjih brezžičnih komunikacijskih sistemih s frekvenco THz. Center je preučeval razmerje med letom in komunikacijsko frekvenco, kot je prikazano na sliki 4. Kot je razvidno iz slike 4, se raziskave brezžičnih komunikacij do leta 2020 nagibajo k pasu THz. Največja komunikacijska frekvenca, ki uporablja radijski spekter, se vsakih dvajset let poveča približno desetkrat. Center je podal priporočila glede zahtev za antene s frekvenco THz in predlagal tradicionalne antene, kot so rogovi in leče, za komunikacijske sisteme s frekvenco THz. Kot je prikazano na sliki 5, dve rogovi anteni delujeta pri frekvencah 0,84 THz oziroma 1,7 THz, s preprosto strukturo in dobrim delovanjem Gaussovega žarka.
Slika 4 Razmerje med letom in pogostostjo
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Slika 5 Dve vrsti rogovskih anten
Združene države Amerike so izvedle obsežne raziskave o oddajanju in zaznavanju teraherčnih valov. Med znanimi raziskovalnimi laboratoriji za teraherčne valove so Laboratorij za reaktivni pogon (JPL), Stanfordski center za linearne pospeševalnike (SLAC), Ameriški nacionalni laboratorij (LLNL), Nacionalna uprava za aeronavtiko in vesolje (NASA), Nacionalna znanstvena fundacija (NSF) itd. Za teraherčne aplikacije so bile zasnovane nove teraherčne antene, kot so antene z metuljčkom in antene za krmiljenje frekvenčnega snopa. Glede na razvoj teraherčnih anten lahko trenutno dobimo tri osnovne ideje za zasnovo teraherčnih anten, kot je prikazano na sliki 6.
Slika 6 Tri osnovne ideje za oblikovanje teraherčnih anten
Zgornja analiza kaže, da čeprav so številne države namenile veliko pozornosti teraherčnim antenam, so te še vedno v začetni fazi raziskovanja in razvoja. Zaradi velikih izgub zaradi širjenja in molekularne absorpcije so THz antene običajno omejene z razdaljo prenosa in pokritostjo. Nekatere študije se osredotočajo na nižje delovne frekvence v THz pasu. Obstoječe raziskave teraherčnih anten se osredotočajo predvsem na izboljšanje ojačanja z uporabo dielektričnih lečnih anten itd. in izboljšanje komunikacijske učinkovitosti z uporabo ustreznih algoritmov. Poleg tega je zelo pereče vprašanje tudi, kako izboljšati učinkovitost pakiranja teraherčnih anten.
Splošne THz antene
Na voljo je veliko vrst THz anten: dipolne antene s stožčastimi votlinami, vogalne reflektorske antene, metuljčasti dipoli, dielektrične lečne planarne antene, fotoprevodne antene za generiranje virov sevanja THz, rogovske antene, THz antene na osnovi grafenskih materialov itd. Glede na materiale, uporabljene za izdelavo THz anten, jih lahko v grobem razdelimo na kovinske antene (predvsem rogovske antene), dielektrične antene (lečne antene) in antene iz novih materialov. Ta razdelek najprej poda predhodno analizo teh anten, nato pa v naslednjem razdelku podrobno predstavi in analizira pet tipičnih THz anten.
1. Kovinske antene
Antena z rogljičkom je tipična kovinska antena, zasnovana za delovanje v teraherčnem pasu. Antena klasičnega milimetrskega valovnega sprejemnika je stožčasta rogljička. Valovite in dvomodne antene imajo številne prednosti, vključno z rotacijsko simetričnimi sevalnimi vzorci, visokim ojačanjem od 20 do 30 dBi in nizko stopnjo navzkrižne polarizacije -30 dB ter učinkovitostjo sklopitve od 97 % do 98 %. Razpoložljivi pasovni širini obeh rogljičnih anten sta 30 %–40 % oziroma 6 %–8 %.
Ker je frekvenca teraherčnih valov zelo visoka, je velikost rogove antene zelo majhna, zaradi česar je obdelava roga zelo težka, zlasti pri načrtovanju antenskih nizov, kompleksnost tehnologije obdelave pa vodi do previsokih stroškov in omejene proizvodnje. Zaradi težav pri izdelavi dna kompleksne zasnove roga se običajno uporablja preprosta rogova antena v obliki stožčastega ali stožčastega roga, kar lahko zmanjša stroške in kompleksnost postopka, hkrati pa se lahko dobro ohrani sevalna zmogljivost antene.
Druga kovinska antena je piramidna antena s potujočim valom, ki je sestavljena iz antene s potujočim valom, integrirane na 1,2-mikronski dielektrični film in obešene v vzdolžni votlini, vgravirani na silicijev rezin, kot je prikazano na sliki 7. Ta antena ima odprto strukturo, ki je združljiva s Schottkyjevimi diodami. Zaradi svoje relativno preproste strukture in nizkih proizvodnih zahtev se na splošno lahko uporablja v frekvenčnih pasovih nad 0,6 THz. Vendar sta raven stranskih rež in raven navzkrižne polarizacije antene visoka, verjetno zaradi njene odprte strukture. Zato je njena učinkovitost sklopitve relativno nizka (približno 50 %).
Slika 7 Piramidna antena s potujočim valom
2. Dielektrična antena
Dielektrična antena je kombinacija dielektrične podlage in antenskega sevalnika. Z ustrezno zasnovo lahko dielektrična antena doseže impedančno ujemanje z detektorjem, kar ima prednosti preprostega postopka, enostavne integracije in nizkih stroškov. V zadnjih letih so raziskovalci zasnovali več ozkopasovnih in širokopasovnih stranskih anten, ki se lahko ujemajo z nizkoimpedančnimi detektorji teraherčnih dielektričnih anten: metuljasta antena, dvojna antena v obliki črke U, logaritemsko periodična antena in logaritemsko periodična sinusna antena, kot je prikazano na sliki 8. Poleg tega je mogoče z genetskimi algoritmi zasnovati tudi bolj kompleksne geometrije anten.
Slika 8 Štiri vrste planarnih anten
Ker pa je dielektrična antena kombinirana z dielektričnim substratom, se bo pri frekvenčnem območju, ki se bliža THz pasu, pojavil učinek površinskega valovanja. Ta usodna pomanjkljivost bo povzročila, da bo antena med delovanjem izgubila veliko energije in znatno zmanjšala učinkovitost sevanja antene. Kot je prikazano na sliki 9, je energija antene, ko je kot sevanja antene večji od kota odklopa, omejena v dielektričnem substratu in povezana z modom substrata.
Slika 9 Učinek površinskega valovanja antene
Z naraščanjem debeline substrata se povečuje število modov višjega reda in povečuje se sklopitev med anteno in substratom, kar povzroči izgubo energije. Za oslabitev učinka površinskega valovanja obstajajo tri optimizacijske sheme:
1) Na anteno namestite lečo, da povečate ojačanje z uporabo značilnosti oblikovanja snopa elektromagnetnih valov.
2) Zmanjšajte debelino substrata, da preprečite nastanek elektromagnetnih valov višjega reda.
3) Dielektrični material substrata zamenjajte z elektromagnetno pasovno režo (EBG). Prostorske filtrirne značilnosti EBG lahko zavirajo mode višjega reda.
3. Antene iz novega materiala
Poleg zgoraj omenjenih dveh anten obstaja tudi teraherčna antena, izdelana iz novih materialov. Na primer, leta 2006 so Jin Hao in sodelavci predlagali dipolno anteno iz ogljikovih nanocevk. Kot je prikazano na sliki 10 (a), je dipol izdelan iz ogljikovih nanocevk namesto iz kovinskih materialov. Skrbno je preučil infrardeče in optične lastnosti dipolne antene iz ogljikovih nanocevk ter razpravljal o splošnih značilnostih dipolne antene iz ogljikovih nanocevk s končno dolžino, kot so vhodna impedanca, porazdelitev toka, ojačanje, učinkovitost in sevalni vzorec. Slika 10 (b) prikazuje razmerje med vhodno impedanco in frekvenco dipolne antene iz ogljikovih nanocevk. Kot je razvidno iz slike 10(b), ima imaginarni del vhodne impedance pri višjih frekvencah več ničel. To kaže, da lahko antena doseže več resonanc pri različnih frekvencah. Očitno antena iz ogljikovih nanocevk kaže resonanco znotraj določenega frekvenčnega območja (nižje frekvence THz), vendar zunaj tega območja sploh ne more resonirati.
Slika 10 (a) Dipolna antena iz ogljikovih nanocevk. (b) Krivulja vhodne impedance in frekvence
Leta 2012 sta Samir F. Mahmoud in Ayed R. AlAjmi predlagala novo teraherčno antensko strukturo na osnovi ogljikovih nanocevk, ki je sestavljena iz snopa ogljikovih nanocevk, ovitih v dve dielektrični plasti. Notranja dielektrična plast je plast dielektrične pene, zunanja dielektrična plast pa plast metamateriala. Specifična struktura je prikazana na sliki 11. S testiranjem se je sevalna zmogljivost antene izboljšala v primerjavi z enostenskimi ogljikovimi nanocevkami.
Slika 11 Nova teraherčna antena na osnovi ogljikovih nanocevk
Zgoraj predlagane nove materialne teraherčne antene so večinoma tridimenzionalne. Da bi izboljšali pasovno širino antene in izdelali konformne antene, so planarne grafenske antene deležne široke pozornosti. Grafen ima odlične dinamične lastnosti neprekinjenega krmiljenja in lahko ustvari površinsko plazmo s prilagajanjem prednapetosti. Površinska plazma obstaja na vmesniku med substrati s pozitivno dielektrično konstanto (kot so Si, SiO2 itd.) in substrati s negativno dielektrično konstanto (kot so plemenite kovine, grafen itd.). V prevodnikih, kot so plemenite kovine in grafen, je veliko število "prostih elektronov". Ti prosti elektroni se imenujejo tudi plazme. Zaradi inherentnega potencialnega polja v prevodniku so te plazme v stabilnem stanju in jih zunanji svet ne moti. Ko se vpadna energija elektromagnetnega valovanja poveže s temi plazmami, se plazma oddalji od ustaljenega stanja in zavibrira. Po pretvorbi elektromagnetni način na vmesniku tvori prečni magnetni val. Glede na opis disperzijske relacije plazme kovinske površine po Drudejevem modelu se kovine ne morejo naravno povezati z elektromagnetnimi valovi v prostem prostoru in pretvoriti energije. Za vzbujanje površinskih plazemskih valov je treba uporabiti druge materiale. Površinski plazemski valovi hitro upadajo v vzporedni smeri vmesnika kovina-podlaga. Ko kovinski prevodnik prevaja v smeri, pravokotni na površino, se pojavi kožni učinek. Očitno je, da zaradi majhnosti antene pride do kožnega učinka v visokofrekvenčnem pasu, zaradi česar se zmogljivost antene močno zmanjša in ne more izpolniti zahtev teraherčnih anten. Površinski plazmon grafena ima ne le večjo vezavno silo in manjše izgube, temveč podpira tudi neprekinjeno električno uglaševanje. Poleg tega ima grafen kompleksno prevodnost v teraherčnem pasu. Zato je širjenje počasnih valov povezano s plazemskim načinom pri teraherčnih frekvencah. Te značilnosti v celoti dokazujejo izvedljivost grafena kot nadomestila za kovinske materiale v teraherčnem pasu.
Na podlagi polarizacijskega obnašanja površinskih plazmonov grafena slika 12 prikazuje novo vrsto tračne antene in predlaga obliko pasu za značilnosti širjenja plazemskih valov v grafenu. Zasnova nastavljivega pasu antene ponuja nov način za preučevanje značilnosti širjenja teraherčnih anten iz novega materiala.
Slika 12 Nova tračna antena
Poleg raziskovanja novih materialov teraherčnih antenskih elementov je mogoče teraherčne antene iz grafenskih nano-patch zasnovati tudi kot nize za gradnjo teraherčnih komunikacijskih sistemov z več vhodi in več izhodi. Struktura antene je prikazana na sliki 13. Zaradi edinstvenih lastnosti grafenskih nano-patch anten imajo antenski elementi dimenzije v mikronskem merilu. Kemično nanašanje s paro neposredno sintetizira različne slike grafena na tanki plasti niklja in jih prenese na kateri koli substrat. Z izbiro ustreznega števila komponent in spreminjanjem elektrostatične napetosti prednapetosti je mogoče učinkovito spremeniti smer sevanja, kar omogoča rekonfiguracijo sistema.
Slika 13 Grafenski nanodebelni teraherčni antenski niz
Raziskovanje novih materialov je relativno nova smer. Pričakuje se, da bodo inovacije materialov prebile omejitve tradicionalnih anten in razvile vrsto novih anten, kot so rekonfigurabilni metamateriali, dvodimenzionalni (2D) materiali itd. Vendar pa je ta vrsta antene odvisna predvsem od inovacij novih materialov in napredka procesne tehnologije. V vsakem primeru pa razvoj teraherčnih anten zahteva inovativne materiale, natančno tehnologijo obdelave in nove konstrukcijske strukture, da se izpolnijo zahteve teraherčnih anten po visokem ojačanju, nizkih stroških in široki pasovni širini.
V nadaljevanju so predstavljena osnovna načela treh vrst teraherčnih anten: kovinskih anten, dielektričnih anten in anten iz novih materialov, ter analizirane njihove razlike ter prednosti in slabosti.
1. Kovinska antena: Geometrija je preprosta, enostavna za obdelavo, relativno nizki stroški in nizke zahteve glede materiala podlage. Vendar pa kovinske antene uporabljajo mehansko metodo za nastavitev položaja antene, kar je nagnjeno k napakam. Če nastavitev ni pravilna, se bo delovanje antene močno zmanjšalo. Čeprav je kovinska antena majhna, jo je težko sestaviti z ravninskim vezjem.
2. Dielektrična antena: Dielektrična antena ima nizko vhodno impedanco, jo je enostavno uskladiti z detektorjem z nizko impedanco in jo je relativno enostavno povezati z ravninskim vezjem. Geometrijske oblike dielektričnih anten vključujejo obliko metulja, obliko dvojne črke U, konvencionalno logaritemsko obliko in logaritemsko periodično sinusno obliko. Vendar pa imajo dielektrične antene tudi usodno pomanjkljivost, in sicer učinek površinskega valovanja, ki ga povzroča debela podlaga. Rešitev je napolniti lečo in zamenjati dielektrično podlago s strukturo EBG. Obe rešitvi zahtevata inovacije in nenehno izboljševanje procesne tehnologije in materialov, vendar lahko njuna odlična zmogljivost (kot sta vsesmernost in dušenje površinskih valov) ponudi nove ideje za raziskave teraherčnih anten.
3. Antene iz novih materialov: Trenutno so se pojavile nove dipolne antene iz ogljikovih nanocevk in nove antenske strukture iz metamaterialov. Novi materiali lahko prinesejo nove preboje v zmogljivosti, vendar je predpostavka inovacija v znanosti o materialih. Trenutno so raziskave anten iz novih materialov še vedno v fazi raziskovanja in številne ključne tehnologije niso dovolj zrele.
Skratka, različne vrste teraherčnih anten je mogoče izbrati glede na zahteve zasnove:
1) Če sta potrebna preprosta zasnova in nizki proizvodni stroški, lahko izberete kovinske antene.
2) Če sta potrebna visoka integracija in nizka vhodna impedanca, se lahko izberejo dielektrične antene.
3) Če je potreben preboj v zmogljivosti, je mogoče izbrati antene iz novih materialov.
Zgornje zasnove je mogoče prilagoditi tudi specifičnim zahtevam. Na primer, dve vrsti anten je mogoče kombinirati za doseganje več prednosti, vendar morata način sestavljanja in tehnologija zasnove izpolnjevati strožje zahteve.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 2. avg. 2024
