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 iz računalnikov v brezžične naprave, kot so mobilni telefoni, ki jih je enostavno prenašati in delujejo v realnem času, vendar je to stanje povzročilo tudi hitro povečanje podatkovnega prometa in pomanjkanje virov pasovne širine . Po statističnih podatkih lahko hitrost prenosa podatkov na trgu v naslednjih 10 do 15 letih doseže Gbps ali celo Tbps. Trenutno je komunikacija THz dosegla podatkovno hitrost Gbps, medtem ko je podatkovna hitrost Tbps še vedno v zgodnjih fazah razvoja. Sorodni dokument navaja najnovejši napredek pri hitrosti prenosa podatkov Gbps na podlagi pasu THz in napoveduje, da je Tbps mogoče doseči s polarizacijskim multipleksiranjem. Zato je za povečanje hitrosti prenosa podatkov izvedljiva rešitev razviti nov frekvenčni pas, ki je teraherčni pas, ki je v "praznem območju" med mikrovalovi in infrardečo svetlobo. Na svetovni radiokomunikacijski konferenci 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 definirani kot frekvenčni pas 0,1-10THz (1THz=1012Hz) z valovno dolžino 0,03-3 mm. Po standardu IEEE so teraherčni valovi definirani kot 0,3-10THz. Slika 1 prikazuje, da je teraherčni frekvenčni pas med mikrovalovi in infrardečo svetlobo.
Slika 1 Shematski diagram THz frekvenčnega pasu.
Razvoj teraherčnih anten
Čeprav so se raziskave terahercev začele že v 19. stoletju, jih takrat niso preučevali kot samostojno področje. Raziskave teraherčnega sevanja so bile osredotočene predvsem na daljni infrardeči pas. Šele od sredine do poznega 20. stoletja so raziskovalci začeli napredovati v raziskavah milimetrskih valov v pasu terahercev in izvajati specializirane raziskave tehnologije terahercev.
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 komunikacijske tehnologije prihodnosti delovanje z visoko hitrostjo prenosa podatkov gigabitov na sekundo na enem mestu. Glede na sedanji gospodarski razvoj so viri spektra postali vse redkejši. Vendar pa so človeške zahteve po komunikacijski zmogljivosti in hitrosti neskončne. Za problem prezasedenosti spektra številna podjetja uporabljajo tehnologijo MIMO (multi-input multiple-output), da izboljšajo učinkovitost spektra in zmogljivost sistema s prostorskim multipleksiranjem. Z napredkom omrežij 5G bo hitrost podatkovne povezave posameznega uporabnika presegla Gbps, močno pa se bo povečal tudi podatkovni promet baznih postaj. Pri tradicionalnih komunikacijskih sistemih z milimetrskimi valovi mikrovalovne povezave ne bodo zmogle obvladovati teh velikih podatkovnih tokov. Poleg tega je zaradi vpliva vidnega polja razdalja prenosa infrardeče komunikacije kratka, lokacija njene komunikacijske opreme pa fiksna. Zato se THz valovi, ki so med mikrovalovi in infrardečimi žarki, lahko uporabljajo za izgradnjo hitrih 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 THz za izgradnjo ultrahitrostnih brezžičnih komunikacijskih sistemov obetavna rešitev za izziv visokih podatkovnih hitrosti, ki je pritegnil zanimanje številnih raziskovalnih skupin in industrij. Septembra 2017 je bil izdan prvi THz brezžični komunikacijski standard IEEE 802.15.3d-2017, ki definira izmenjavo podatkov od točke do točke v nižjem THz frekvenčnem območju 252-325 GHz. Alternativna fizična plast (PHY) povezave lahko doseže podatkovne hitrosti do 100 Gbps pri različnih pasovnih širinah.
Prvi uspešen THz komunikacijski sistem 0,12 THz je bil vzpostavljen leta 2004, THz komunikacijski sistem 0,3 THz pa je bil realiziran leta 2013. Tabela 1 navaja napredek raziskav teraherčnih komunikacijskih sistemov na Japonskem od leta 2004 do 2013.
Tabela 1 Raziskovalni napredek teraherčnih komunikacijskih sistemov na Japonskem od 2004 do 2013
Antensko strukturo komunikacijskega sistema, razvitega leta 2004, je leta 2005 podrobno opisala 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 sprejme dva načina delovanja:
1. V zaprtih prostorih bližnjega dosega je oddajnik s planarno anteno, ki se uporablja v zaprtih prostorih, sestavljen iz čipa enolinijske nosilne fotodiode (UTC-PD), antene s planarno režo in silikonske leče, kot je prikazano na sliki 2(a).
2. V zunanjem okolju na dolge razdalje, da bi izboljšali vpliv velike izgube prenosa in nizke občutljivosti detektorja, mora imeti antena oddajnika visoko ojačanje. Obstoječa teraherčna antena uporablja Gaussovo optično lečo z ojačanjem več kot 50 dBi. Kombinacija dovodnega roga in dielektrične leče je prikazana na sliki 2(b).
Poleg razvoja komunikacijskega sistema 0,12 THz je NTT leta 2012 razvil tudi komunikacijski sistem 0,3 THz. Z nenehnim optimiziranjem lahko hitrost prenosa doseže 100 Gbps. Kot je razvidno iz tabele 1, je zelo prispeval k razvoju teraherčne komunikacije. Vendar ima trenutno raziskovalno delo slabosti nizke delovne frekvence, velike velikosti in visokih stroškov.
Večina teraherčnih anten, ki se trenutno uporabljajo, je spremenjenih iz anten milimetrskih valov, pri teraherčnih antenah pa je malo inovacij. Zato je za izboljšanje delovanja teraherčnih komunikacijskih sistemov pomembna naloga optimizacija teraherčnih anten. Tabela 2 prikazuje napredek raziskav nemške THz komunikacije. Slika 3 (a) prikazuje reprezentativni THz brezžični komunikacijski sistem, ki združuje fotoniko in elektroniko. Slika 3 (b) prikazuje preskusno sceno v vetrovniku. Glede na trenutne razmere na področju raziskav v Nemčiji imajo njene raziskave in razvoj tudi slabosti, kot so nizka frekvenca delovanja, visoki stroški in nizka učinkovitost.
Tabela 2 Napredek raziskav THz komunikacije v Nemčiji
Slika 3 Testna scena v vetrovniku
CSIRO ICT Center je prav tako začel raziskavo THz notranjih brezžičnih komunikacijskih sistemov. Center je proučeval razmerje med letom in komunikacijsko frekvenco, kot je prikazano na sliki 4. Kot je razvidno iz slike 4, se do leta 2020 raziskave brezžičnih komunikacij nagibajo k pasu THz. Največja komunikacijska frekvenca z uporabo radijskega spektra se vsakih dvajset let poveča približno desetkrat. Center je pripravil priporočila glede zahtev za THz antene in predlagal tradicionalne antene, kot so hupe in leče za THz komunikacijske sisteme. Kot je prikazano na sliki 5, dve anteni roga delujeta pri frekvenci 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 rogovnih anten
Združene države so izvedle obsežno raziskavo o oddajanju in zaznavanju teraherčnih valov. Znani teraherčni raziskovalni laboratoriji vključujejo Laboratorij za reaktivni pogon (JPL), Center za linearne pospeševalnike Stanford (SLAC), Nacionalni laboratorij ZDA (LLNL), Nacionalno upravo za aeronavtiko in vesolje (NASA), Nacionalno znanstveno fundacijo (NSF) itd. Oblikovane so bile nove teraherčne antene za teraherčne aplikacije, kot so metuljčke antene in antene za krmiljenje frekvenčnega žarka. Glede na razvoj teraherčnih anten lahko trenutno dobimo tri osnovne zasnove za teraherčne antene, kot je prikazano na sliki 6.
Slika 6 Tri osnovne zasnove za teraherčne antene
Zgornja analiza kaže, da čeprav je veliko držav posvetilo veliko pozornosti teraherčnim antenam, so še vedno v začetni fazi raziskovanja in razvoja. Zaradi velike izgube pri širjenju in molekularne absorpcije so THz antene običajno omejene z razdaljo prenosa in pokritostjo. Nekatere študije se osredotočajo na nižje delovne frekvence v pasu THz. Obstoječe raziskave teraherčnih anten se v glavnem osredotočajo na izboljšanje ojačanja z uporabo anten z dielektrično lečo itd. in izboljšanje učinkovitosti komunikacije z uporabo ustreznih algoritmov. Poleg tega je zelo pereče vprašanje, kako izboljšati učinkovitost embalaže teraherčnih anten.
Splošne THz antene
Na voljo je veliko vrst THz anten: dipolne antene s stožčastimi votlinami, kotni reflektorski nizi, metuljčki dipoli, planarne antene z dielektričnimi lečami, fotoprevodne antene za generiranje virov sevanja THz, roge antene, THz antene na osnovi grafenskih materialov itd. Glede na materiale, ki se uporabljajo za izdelavo THz anten, jih lahko grobo razdelimo na kovinske antene (predvsem rogovne antene), dielektrične antene (antene z lečami) in antene iz novih materialov. Ta razdelek najprej poda predhodno analizo teh anten, nato pa je v naslednjem razdelku podrobno predstavljenih in poglobljeno analiziranih pet tipičnih THz anten.
1. Kovinske antene
Antena roga je tipična kovinska antena, ki je zasnovana za delovanje v pasu THz. Antena klasičnega sprejemnika milimetrskih valov je stožčasti rog. Valovite in dvonačinske antene imajo številne prednosti, vključno z rotacijsko simetričnimi sevalnimi vzorci, velikim ojačenjem od 20 do 30 dBi in nizko stopnjo navzkrižne polarizacije -30 dB ter učinkovitostjo sklopitve od 97 % do 98 %. Razpoložljive pasovne širine obeh rogovnih anten so 30%-40% oziroma 6%-8%.
Ker je frekvenca teraherčnih valov zelo visoka, je velikost roga antene zelo majhna, zaradi česar je obdelava roga zelo težavna, zlasti pri načrtovanju antenskih nizov, kompleksnost tehnologije obdelave pa vodi do prevelikih stroškov in omejena proizvodnja. Zaradi težav pri izdelavi dna kompleksne zasnove roga se običajno uporablja preprosta rogovna antena v obliki stožčastega ali stožčastega roga, ki lahko zmanjša stroške in zapletenost postopka ter ohrani sevalno zmogljivost antene. dobro.
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 silicijevi rezini, kot je prikazano na sliki 7. Ta antena je odprta struktura, ki je združljiv s Schottky diodami. Zaradi sorazmerno enostavne zgradbe in nizkih proizvodnih zahtev se na splošno lahko uporablja v frekvenčnih pasovih nad 0,6 THz. Vendar pa sta raven stranskega režnja in raven navzkrižne polarizacije antene visoki, verjetno zaradi njene odprte strukture. Zato je njegova spojna učinkovitost razmeroma nizka (približno 50 %).
Slika 7 Piramidalna antena s potujočim valom
2. Dielektrična antena
Dielektrična antena je kombinacija dielektrične podlage in antenskega radiatorja. S pravilno zasnovo lahko dielektrična antena doseže ujemanje impedance z detektorjem in 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, log-periodična antena in log-periodična sinusna antena, npr. prikazano na sliki 8. Poleg tega je mogoče z genetskimi algoritmi oblikovati bolj zapletene geometrije anten.
Slika 8 Štiri vrste planarnih anten
Ker pa je dielektrična antena kombinirana z dielektrično podlago, se pojavi učinek površinskega valovanja, ko se frekvenca nagiba k pasu THz. Ta usodna pomanjkljivost bo povzročila, da bo antena med delovanjem izgubila veliko energije in povzročila znatno zmanjšanje učinkovitosti sevanja antene. Kot je prikazano na sliki 9, ko je kot sevanja antene večji od mejnega kota, je njena energija omejena na dielektrični substrat in povezana z načinom substrata.
Slika 9 Učinek površinskega valovanja antene
Ko se debelina podlage poveča, se poveča število načinov visokega reda in poveča se povezava med anteno in podlago, kar povzroči izgubo energije. Da bi oslabili učinek površinskega valovanja, obstajajo tri optimizacijske sheme:
1) Namestite lečo na anteno, da povečate ojačanje z uporabo značilnosti oblikovanja snopa elektromagnetnih valov.
2) Zmanjšajte debelino podlage, da preprečite nastajanje elektromagnetnih valov visokega reda.
3) Zamenjajte dielektrični material podlage z elektromagnetno vrzeljo (EBG). Značilnosti prostorskega filtriranja EBG lahko zatrejo načine visokega reda.
3. Antene iz novega materiala
Poleg zgornjih dveh anten je tu še teraherčna antena iz novih materialov. Na primer, leta 2006 so Jin Hao et al. predlagal dipolno anteno iz ogljikovih nanocevk. Kot je prikazano na sliki 10 (a), je dipol izdelan iz ogljikovih nanocevk namesto kovinskih materialov. Natančno je proučil infrardeče in optične lastnosti dipolne antene iz ogljikovih nanocevk in razpravljal o splošnih značilnostih dipolne antene iz ogljikovih nanocevk končne dolžine, kot so vhodna impedanca, porazdelitev toka, ojačanje, učinkovitost in vzorec sevanja. 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 več ničel pri višjih frekvencah. To pomeni, da lahko antena doseže več resonanc na različnih frekvencah. Očitno antena iz ogljikovih nanocevk kaže resonanco v določenem frekvenčnem območju (nižje frekvence THz), vendar popolnoma ne more resonirati zunaj tega območja.
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 strukturo teraherčne antene 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 je plast metamateriala. Posebna struktura je prikazana na sliki 11. S testiranjem je bila učinkovitost sevanja antene izboljšana v primerjavi z enostenskimi ogljikovimi nanocevkami.
Slika 11 Nova teraherčna antena na osnovi ogljikovih nanocevk
Teraherčne antene iz novega materiala, predlagane zgoraj, so večinoma tridimenzionalne. Da bi izboljšali pasovno širino antene in naredili konformne antene, so bile planarne grafenske antene deležne široke pozornosti. Grafen ima odlične lastnosti dinamičnega neprekinjenega nadzora 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 z negativno dielektrično konstanto (kot so plemenite kovine, grafen itd.). V prevodnikih, kot so plemenite kovine in grafen, je veliko število "prostih elektronov". Te proste elektrone imenujemo tudi plazma. Zaradi inherentnega potencialnega polja v prevodniku so te plazme v stabilnem stanju in jih zunanji svet ne moti. Ko se energija vpadnega elektromagnetnega valovanja poveže s to plazmo, bo plazma odstopala od stabilnega stanja in vibrirala. Po pretvorbi elektromagnetni način na vmesniku tvori transverzalno magnetno valovanje. Glede na opis razmerja disperzije kovinske površinske plazme z Drudejevim modelom se kovine ne morejo naravno povezati z elektromagnetnimi valovi v prostem prostoru in pretvarjati energije. Za vzbujanje površinskih plazemskih valov je treba uporabiti druge materiale. Površinski plazemski valovi hitro upadajo v vzporedni smeri meje kovina-podlaga. Ko kovinski prevodnik vodi v smeri, ki je pravokotna na površino, pride do kožnega učinka. Očitno je, da zaradi majhnosti antene obstaja kožni učinek v visokofrekvenčnem pasu, zaradi česar zmogljivost antene močno pade in ne more izpolniti zahtev teraherčnih anten. Površinski plazmon grafena nima samo večje vezne sile in manjše izgube, ampak tudi podpira neprekinjeno električno uravnavanje. Poleg tega ima grafen kompleksno prevodnost v teraherčnem pasu. Zato je počasno širjenje valov povezano s plazemskim načinom pri frekvencah terahercev. Te značilnosti v celoti dokazujejo izvedljivost grafena za zamenjavo kovinskih materialov v pasu terahercev.
Na podlagi polarizacijskega obnašanja grafenskih površinskih plazmonov slika 12 prikazuje nov tip trakaste antene in predlaga pasovno obliko značilnosti širjenja plazemskih valov v grafenu. Zasnova nastavljivega antenskega pasu zagotavlja nov način za proučevanje značilnosti širjenja teraherčnih anten iz novega materiala.
Slika 12 Nova tračna antena
Poleg raziskovanja teraherčnih antenskih elementov iz novega materiala je mogoče grafenske nanopatch teraherčne antene oblikovati tudi kot nize za izgradnjo komunikacijskih sistemov teraherčnih anten z več vhodi in izhodi. Struktura antene je prikazana na sliki 13. Na podlagi edinstvenih lastnosti grafenskih nanopatch anten imajo elementi antene mikronske dimenzije. Kemično naparjevanje neposredno sintetizira različne grafenske slike na tanki plasti niklja in jih prenese na katero koli podlago. Z izbiro ustreznega števila komponent in spreminjanjem elektrostatične prednapetosti je mogoče učinkovito spremeniti smer sevanja, zaradi česar je sistem mogoče ponovno konfigurirati.
Slika 13 Graphene nanopatch teraherčni antenski niz
Raziskovanje novih materialov je relativno nova smer. Pričakuje se, da bo inovacija materialov presegla omejitve tradicionalnih anten in razvila vrsto novih anten, kot so rekonfigurabilni metamateriali, dvodimenzionalni (2D) materiali itd. Vendar je ta vrsta antene v glavnem odvisna od inovacij novih materiali in napredek procesne tehnologije. V vsakem primeru razvoj teraherčnih anten zahteva inovativne materiale, natančno tehnologijo obdelave in nove konstrukcijske strukture, da bi izpolnili zahteve glede visokega ojačenja, nizkih stroškov in široke pasovne širine teraherčnih anten.
V nadaljevanju so predstavljena osnovna načela treh vrst teraherčnih anten: kovinske antene, dielektrične antene in antene iz novih materialov ter analizirane njihove razlike ter prednosti in slabosti.
1. Kovinska antena: Geometrija je preprosta, enostavna za obdelavo, razmeroma nizka cena in nizke zahteve za substratne materiale. Vendar kovinske antene uporabljajo mehansko metodo za prilagajanje položaja antene, ki je nagnjena k napakam. Če nastavitev ni pravilna, bo zmogljivost antene močno zmanjšana. Čeprav je kovinska antena majhna, jo je težko sestaviti s planarnim vezjem.
2. Dielektrična antena: Dielektrična antena ima nizko vhodno impedanco, enostavno jo je uskladiti z detektorjem z nizko impedanco in jo je razmeroma preprosto povezati s planarnim vezjem. Geometrijske oblike dielektričnih anten vključujejo obliko metulja, dvojno obliko U, običajno logaritemsko obliko in logaritemsko periodično sinusno obliko. Vendar pa imajo dielektrične antene tudi usodno napako, in sicer učinek površinskega valovanja, ki ga povzroča debela podlaga. Rešitev je naložiti 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 je vsesmernost in zatiranje površinskih valov) zagotovi nove ideje za raziskave teraherčnih anten.
3. Antene iz novih materialov: Trenutno so se pojavile nove dipolne antene iz ogljikovih nanocevk in nove strukture anten iz metamaterialov. Novi materiali lahko prinesejo nove preboje v zmogljivosti, vendar je predpostavka inovacija znanosti o materialih. Trenutno so raziskave anten iz novih materialov še vedno v fazi raziskovanja in številne ključne tehnologije niso dovolj zrele.
Če povzamemo, je mogoče izbrati različne vrste teraherčnih anten glede na konstrukcijske zahteve:
1) Če sta potrebna preprosta zasnova in nizki proizvodni stroški, lahko izberete kovinske antene.
2) Če sta potrebna visoka integracija in nizka vhodna impedanca, je mogoče izbrati dielektrične antene.
3) Če je potreben preboj v zmogljivosti, je mogoče izbrati antene iz novih materialov.
Zgornje modele je mogoče prilagoditi tudi glede na posebne zahteve. Na primer, lahko združite dve vrsti anten, da pridobite več prednosti, vendar morata način sestavljanja in tehnologija oblikovanja izpolnjevati strožje zahteve.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 2. avgust 2024
