Со зголемената популарност на безжичните уреди, услугите за податоци влегоа во нов период на брз развој, познат и како експлозивен раст на услугите за податоци. Во моментов, голем број апликации постепено мигрираат од компјутери на безжични уреди како што се мобилни телефони кои се лесни за носење и работа во реално време, но оваа ситуација доведе и до брзо зголемување на сообраќајот на податоци и недостиг на ресурси за пропусниот опсег. . Според статистичките податоци, стапката на пренос на податоци на пазарот може да достигне Gbps или дури и Tbps во следните 10 до 15 години. Во моментов, THz комуникацијата достигна брзина на податоци Gbps, додека стапката на податоци Tbps е сè уште во раните фази на развој. Поврзан труд го наведува најновиот напредок во стапките на податоци на Gbps врз основа на опсегот THz и предвидува дека Tbps може да се добие преку мултиплексирање на поларизација. Затоа, за да се зголеми брзината на пренос на податоци, изводливо решение е да се развие нов фреквентен опсег, кој е опсегот на терахерци, кој е во „празната област“ помеѓу микробрановите и инфрацрвената светлина. На Светската радиокомуникациска конференција на ITU (WRC-19) во 2019 година, опсегот на фреквенции од 275-450 GHz се користи за фиксни и копнени мобилни услуги. Може да се види дека терахерцните безжични комуникациски системи го привлекоа вниманието на многу истражувачи.
Терахерцните електромагнетни бранови генерално се дефинираат како фреквентен опсег од 0,1-10THz (1THz=1012Hz) со бранова должина од 0,03-3 mm. Според стандардот IEEE, терахерцните бранови се дефинирани како 0,3-10THz. Слика 1 покажува дека терахерцовиот фреквентен опсег е помеѓу микробрановите и инфрацрвената светлина.
Сл. 1 Шематски дијаграм на фреквенцискиот опсег THz.
Развој на Терахерц антени
Иако истражувањето на терахерцот започнало во 19 век, во тоа време не било проучувано како независно поле. Истражувањето за терахерцното зрачење беше главно фокусирано на далечно-инфрацрвената лента. Дури од средината до крајот на 20 век, истражувачите почнаа да го унапредуваат истражувањето на милиметарските бранови до опсегот на терахерци и да спроведуваат специјализирани терахерци технолошки истражувања.
Во 1980-тите, појавата на извори на терахерцово зрачење ја овозможи примената на терахерцните бранови во практични системи. Од 21 век, технологијата за безжична комуникација се развива брзо, а побарувачката на луѓето за информации и зголемувањето на комуникациската опрема поставија построги барања за брзината на пренос на комуникациските податоци. Затоа, еден од предизвиците на идната комуникациска технологија е да работи со висока брзина на податоци од гигабити во секунда на една локација. Според сегашниот економски развој, ресурсите на спектарот стануваат сè поретки. Сепак, човечките барања за комуникациски капацитет и брзина се бескрајни. За проблемот со застојот на спектарот, многу компании користат технологија со повеќекратни влезни повеќе излези (MIMO) за да ја подобрат ефикасноста на спектарот и капацитетот на системот преку просторно мултиплексирање. Со напредокот на 5G мрежите, брзината на податочното поврзување на секој корисник ќе надмине Gbps, а значително ќе се зголеми и податочниот сообраќај на базните станици. За традиционалните комуникациски системи со милиметарски бранови, микробрановите врски нема да можат да се справат со овие огромни текови на податоци. Дополнително, поради влијанието на видната линија, растојанието за пренос на инфрацрвената комуникација е кратко и локацијата на нејзината комуникациска опрема е фиксна. Затоа, THz брановите, кои се помеѓу микробрановите и инфрацрвените печки, може да се користат за изградба на комуникациски системи со голема брзина и за зголемување на стапките на пренос на податоци со користење на THz врски.
Терахерцовите бранови можат да обезбедат поширок опсег на комуникација, а неговиот фреквентен опсег е околу 1000 пати поголем од оној на мобилните комуникации. Затоа, користењето THz за изградба на ултра-брзински безжични комуникациски системи е ветувачко решение за предизвикот од високите стапки на податоци, што го привлече интересот на многу истражувачки тимови и индустрии. Во септември 2017 година беше објавен првиот THz стандард за безжична комуникација IEEE 802.15.3d-2017, кој дефинира размена на податоци од точка до точка во долниот фреквентен опсег од THz од 252-325 GHz. Алтернативниот физички слој (PHY) на врската може да постигне стапки на податоци до 100 Gbps на различни пропусници.
Првиот успешен комуникациски систем на THz од 0,12 THz беше воспоставен во 2004 година, а комуникацискиот систем THz од 0,3 THz беше реализиран во 2013 година.
Табела 1 Истражувачки напредок на терахерцните комуникациски системи во Јапонија од 2004 до 2013 година
Структурата на антената на комуникацискиот систем развиен во 2004 година беше детално опишана од Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) во 2005 година. Конфигурацијата на антената беше воведена во два случаи, како што е прикажано на слика 2.
Слика 2 Шематски дијаграм на јапонскиот NTT 120 GHz безжичен комуникациски систем
Системот интегрира фотоелектрична конверзија и антена и прифаќа два режими на работа:
1. Во затворено опкружување со близок домет, рамниот антенски предавател што се користи во затворен простор се состои од чип со фотодиода со една линија (UTC-PD), антена со рамни слотови и силиконска леќа, како што е прикажано на слика 2(а).
2. Во надворешно опкружување со долг дострел, за да се подобри влијанието на големите загуби на пренос и ниската чувствителност на детекторот, антената на предавателот мора да има голема добивка. Постоечката терахерцна антена користи Гаусова оптичка леќа со засилување од повеќе од 50 dBi. Комбинацијата на роговите и диелектричните леќи е прикажана на Слика 2(б).
Покрај развојот на комуникациски систем од 0,12 THz, NTT разви и комуникациски систем од 0,3 THz во 2012 година. Преку континуирана оптимизација, брзината на пренос може да биде висока до 100 Gbps. Како што може да се види од Табела 1, таа има дадено голем придонес во развојот на терахерц комуникацијата. Сепак, сегашната истражувачка работа има недостатоци на ниска работна фреквенција, голема големина и висока цена.
Повеќето од терахерцните антени што се користат во моментов се модифицирани од антени со милиметарски бранови, а има мала иновација во терахерцните антени. Затоа, со цел да се подобрат перформансите на терахерцните комуникациски системи, важна задача е да се оптимизираат терахерцните антени. Во табела 2 е наведен напредокот во истражувањето на германската THz комуникација. Слика 3 (а) покажува репрезентативен THz безжичен комуникациски систем кој комбинира фотоника и електроника. Слика 3 (б) ја прикажува сцената за тестирање на тунелот за ветер. Судејќи според моменталната ситуација на истражување во Германија, неговото истражување и развој има и недостатоци како што се ниска работна фреквенција, висока цена и ниска ефикасност.
Табела 2 Напредокот на истражувањето на THz комуникацијата во Германија
Слика 3 Тест сцена на тунел за ветер
Центарот за ИКТ CSIRO, исто така, иницираше истражување на THz внатрешни безжични комуникациски системи. Центарот ја проучувал врската помеѓу годината и фреквенцијата на комуникација, како што е прикажано на слика 4. Како што може да се види од Слика 4, до 2020 година, истражувањето за безжичните комуникации се стреми кон опсегот THz. Максималната фреквенција на комуникација со користење на радио спектарот се зголемува околу десет пати на секои дваесет години. Центарот даде препораки за барањата за THz антени и предложи традиционални антени како што се рогови и леќи за THz комуникациски системи. Како што е прикажано на слика 5, две антени со рогови работат на 0,84THz и 1,7THz соодветно, со едноставна структура и добри перформанси на Гаусовиот зрак.
Слика 4 Однос помеѓу годината и фреквенцијата
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Слика 5 Два типа на антени со рогови
Соединетите Американски Држави спроведоа опсежни истражувања за емисијата и откривањето на терахерцните бранови. Познати терахерцни истражувачки лаборатории ги вклучуваат Лабораторијата за млазен погон (JPL), Линеарниот акцелераторски центар Стенфорд (SLAC), Националната лабораторија на САД (LLNL), Националната администрација за аеронаутика и вселена (NASA), Националната научна фондација (NSF) итн. Дизајнирани се нови терахерци антени за терахерци апликации, како што се антени за машна и антени за управување со фреквентен зрак. Според развојот на терахерцните антени, можеме да добиеме три основни дизајнерски идеи за терахерцни антени во моментов, како што е прикажано на Слика 6.
Слика 6 Три основни дизајнерски идеи за терахерцни антени
Горенаведената анализа покажува дека иако многу земји посветија големо внимание на терахерцните антени, тие се уште се во почетна фаза на истражување и развој. Поради големата загуба на ширење и молекуларната апсорпција, THz антените обично се ограничени од растојанието и покриеноста на преносот. Некои студии се фокусираат на пониски работни фреквенции во опсегот THz. Постоечкото истражување за терахерцните антени главно се фокусира на подобрување на засилувањето со користење на антени за диелектрични леќи итн., и подобрување на ефикасноста на комуникацијата со користење на соодветни алгоритми. Покрај тоа, како да се подобри ефикасноста на пакувањето со терахерцна антена е исто така многу итно прашање.
Општи THz антени
Достапни се многу типови на THz антени: диполни антени со конусни шуплини, аголни рефлекторски низи, диполи со машнички, планарни антени со диелектрични леќи, фотоспроводливи антени за генерирање извори на зрачење од извор на THz, антени со рогови, антени THz базирани на графен материјали итн. материјалите што се користат за изработка на антени со THz, тие можат грубо да се поделат на метални антени (главно антени со рогови), диелектрични антени (антени за леќи) и антени за нов материјал. Овој дел најпрво дава прелиминарна анализа на овие антени, а потоа во следниот дел детално се претставени и длабински анализирани пет типични THz антени.
1. Метални антени
Сирената антена е типична метална антена која е дизајнирана да работи во опсегот THz. Антената на класичниот приемник на милиметарски бранови е конусен рог. Брановидни антени и антени со двоен режим имаат многу предности, вклучувајќи ротационо симетрични обрасци на зрачење, високо засилување од 20 до 30 dBi и ниско ниво на вкрстена поларизација од -30 dB и ефикасност на спојување од 97% до 98%. Достапните пропусници на двете антени се 30%-40% и 6%-8%, соодветно.
Бидејќи фреквенцијата на терахерцовите бранови е многу висока, големината на антената на рогови е многу мала, што ја отежнува обработката на рогот, особено во дизајнот на антенските низи, а сложеноста на технологијата за обработка доведува до прекумерни трошоци и ограничено производство. Поради тешкотијата во изработката на дното на сложениот дизајн на рогот, обично се користи едноставна антена со рогови во форма на конусна или конусна рога, што може да ги намали трошоците и сложеноста на процесот, а може да се одржуваат перформансите на радијацијата на антената добро.
Друга метална антена е пирамидална антена со патувачки бран, која се состои од антена со патувачки бран интегрирана на диелектричен филм од 1,2 микрони и суспендирана во надолжна празнина врежана на силиконски нафора, како што е прикажано на слика 7. Оваа антена е отворена структура која е компатибилен со Шотки диоди. Поради неговата релативно едноставна структура и ниските производствени барања, генерално може да се користи во фреквенциски опсези над 0,6 THz. Сепак, нивото на страничниот лобус и нивото на вкрстена поларизација на антената се високи, веројатно поради нејзината отворена структура. Затоа, неговата ефикасност на спојување е релативно ниска (околу 50%).
Слика 7 Пирамидална антена со патувачки бранови
2. Диелектрична антена
Диелектричната антена е комбинација од диелектрична подлога и радијатор на антена. Преку правилен дизајн, диелектричната антена може да постигне усогласување на импедансата со детекторот и ги има предностите на едноставен процес, лесна интеграција и ниска цена. Во последниве години, истражувачите дизајнираа неколку антени со теснопојасни и широкопојасни странични пожари кои можат да одговараат на детекторите со ниска импеданција на терахерцните диелектрични антени: антена со пеперутка, двојна антена во форма на буквата У, лог-периодична антена и лог-периодична синусоидална антена, како прикажано на слика 8. Покрај тоа, посложени геометрии на антената може да се дизајнираат преку генетски алгоритми.
Слика 8 Четири типа на рамни антени
Меѓутоа, бидејќи диелектричната антена е комбинирана со диелектрична подлога, ефектот на површинскиот бран ќе се појави кога фреквенцијата се стреми кон опсегот THz. Овој фатален недостаток ќе предизвика антената да изгуби многу енергија за време на работата и да доведе до значително намалување на ефикасноста на зрачењето на антената. Како што е прикажано на слика 9, кога аголот на зрачење на антената е поголем од аголот на исклучување, нејзината енергија е ограничена во диелектричната подлога и се поврзува со режимот на подлогата.
Слика 9 Ефект на површински бран на антената
Како што се зголемува дебелината на подлогата, се зголемува бројот на режими со висок ред, а спојувањето помеѓу антената и подлогата се зголемува, што резултира со загуба на енергија. Со цел да се ослабне ефектот на површинскиот бран, постојат три шеми за оптимизација:
1) Ставете леќа на антената за да го зголемите засилувањето користејќи ги карактеристиките на формирање на зрак на електромагнетните бранови.
2) Намалете ја дебелината на подлогата за да го потиснете создавањето на електромагнетни бранови од висок ред.
3) Заменете го диелектричниот материјал на подлогата со јаз од електромагнетна лента (EBG). Карактеристиките на просторно филтрирање на EBG можат да ги потиснат режимите од висок ред.
3. Антени од нов материјал
Покрај горенаведените две антени, има и терахерцна антена од нови материјали. На пример, во 2006 година, Џин Хао и сор. предложи диполна антена со јаглеродна наноцевка. Како што е прикажано на Слика 10 (а), диполот е направен од јаглеродни наноцевки наместо од метални материјали. Тој внимателно ги проучувал инфрацрвените и оптичките својства на диполната антена со јаглеродна наноцевка и разговарал за општите карактеристики на диполната антена со јаглеродна наноцевка со конечна должина, како што се влезната импеданса, дистрибуцијата на струјата, засилувањето, ефикасноста и шемата на зрачење. Слика 10 (б) ја прикажува врската помеѓу влезната импеданса и фреквенцијата на диполната антена од јаглеродна наноцевка. Како што може да се види на Слика 10(б), имагинарниот дел од влезната импеданса има повеќекратни нули на повисоки фреквенции. Ова покажува дека антената може да постигне повеќе резонанци на различни фреквенции. Очигледно, јаглеродната антена со наноцевки покажува резонанца во одреден опсег на фреквенции (пониски фреквенции на THz), но целосно не може да резонира надвор од овој опсег.
Слика 10 (а) Диполна антена со јаглеродна наноцевка. (б) Крива на влезна импеданса-фреквенција
Во 2012 година, Самир Ф. Махмуд и Ајед Р. АлАјми предложија нова структура на терахерц антена базирана на јаглеродни наноцевки, која се состои од пакет јаглеродни наноцевки обвиткани во два диелектрични слоја. Внатрешниот диелектричен слој е слој од диелектрична пена, а надворешниот диелектричен слој е метаматеријален слој. Специфичната структура е прикажана на слика 11. Преку тестирањето, перформансите на антената со зрачење се подобрени во споредба со јаглеродните наноцевки со едноѕидни ѕидови.
Слика 11 Нова терахерцна антена базирана на јаглеродни наноцевки
Новите материјални терахерц антени предложени погоре се главно тридимензионални. Со цел да се подобри пропусниот опсег на антената и да се направат конформални антени, антените на рамни графен добија широко внимание. Графенот има одлични карактеристики на динамичка континуирана контрола и може да генерира површинска плазма со прилагодување на напонот на пристрасност. Површинската плазма постои на интерфејсот помеѓу супстратите со позитивна диелектрична константа (како Si, SiO2, итн.) и негативните диелектрични константни супстрати (како благородни метали, графен, итн.). Има голем број на „слободни електрони“ во спроводниците како што се благородни метали и графен. Овие слободни електрони се нарекуваат и плазми. Поради инхерентното потенцијално поле во проводникот, овие плазми се во стабилна состојба и не се нарушени од надворешниот свет. Кога енергијата на упадниот електромагнетен бран ќе се спои со овие плазми, плазмата ќе отстапи од стабилната состојба и ќе вибрира. По конверзијата, електромагнетниот режим формира попречен магнетен бран на интерфејсот. Според описот на односот на дисперзија на плазмата на металната површина од моделот Друд, металите природно не можат да се спојат со електромагнетни бранови во слободен простор и да ја претворат енергијата. Неопходно е да се користат други материјали за возбудување на површинските плазма бранови. Површинските плазма бранови брзо се распаѓаат во паралелна насока на интерфејсот метал-подлога. Кога металниот проводник се спроведува во насока нормална на површината, се јавува ефект на кожата. Очигледно, поради малата големина на антената, постои ефект на кожата во опсегот на висока фреквенција, што предизвикува перформансите на антената нагло опаѓаат и не можат да ги задоволат барањата на терахерцните антени. Површинскиот плазмон на графен не само што има поголема врзувачка сила и помала загуба, туку поддржува и континуирано електрично подесување. Покрај тоа, графенот има сложена спроводливост во терахерцната лента. Затоа, бавното ширење на брановите е поврзано со плазма режимот на терахерцните фреквенции. Овие карактеристики целосно ја демонстрираат изводливоста на графен да ги замени металните материјали во терахерциската лента.
Врз основа на однесувањето на поларизацијата на површинските плазмони на графен, Слика 12 покажува нов тип на лента антена и ја предлага формата на лентата на карактеристиките на ширење на плазма брановите во графен. Дизајнот на прилагодливиот опсег на антена обезбедува нов начин за проучување на карактеристиките на ширење на терахерцните антени со нов материјал.
Слика 12 Нова лента антена
Покрај истражувањето на елементите на терахерцовите антени од единицата за нов материјал, терахерцните антени од графен нанопеч може да се дизајнираат и како низи за да се изградат терахерцни мулти-влезни комуникациски системи со повеќе излезни антени. Структурата на антената е прикажана на слика 13. Врз основа на уникатните својства на графенските антени со нанокрпеница, елементите на антената имаат димензии во микрон. Хемиското таложење на пареа директно синтетизира различни слики од графен на тенок слој од никел и ги пренесува на која било подлога. Со избирање соодветен број на компоненти и менување на напонот на електростатско пристрасност, насоката на зрачењето може ефективно да се промени, со што системот може да се реконфигурира.
Слика 13 Графенска нанопеч терахерцна антена низа
Истражувањето на нови материјали е релативно нова насока. Се очекува иновацијата на материјалите да ги пробие ограничувањата на традиционалните антени и да развие разновидни нови антени, како што се реконфигурирани метаматеријали, дводимензионални (2D) материјали итн. Сепак, овој тип на антени главно зависи од иновациите на новите материјали и унапредување на процесната технологија. Во секој случај, развојот на терахерцните антени бара иновативни материјали, прецизна технологија на обработка и нови дизајн структури за да се задоволат барањата за високата добивка, ниската цена и широк опсег на терахерцовите антени.
Следниве ги воведуваат основните принципи на три типа терахерцни антени: метални антени, диелектрични антени и антени за нов материјал и ги анализираат нивните разлики и предности и недостатоци.
1. Метална антена: Геометријата е едноставна, лесна за обработка, релативно ниска цена и ниски барања за материјали за подлогата. Меѓутоа, металните антени користат механички метод за прилагодување на положбата на антената, која е склона кон грешки. Ако прилагодувањето не е точно, перформансите на антената ќе бидат значително намалени. Иако металната антена е мала по големина, тешко е да се состави со рамно коло.
2. Диелектрична антена: Диелектричната антена има мала влезна импеданса, лесно се совпаѓа со детектор со ниска импеданса и е релативно едноставна за поврзување со рамно коло. Геометриските форми на диелектричните антени вклучуваат форма на пеперутка, двојна форма на U, конвенционална логаритамска форма и логаритамска периодична форма на синус. Меѓутоа, диелектричните антени имаат и фатален недостаток, имено ефектот на површинскиот бран предизвикан од густата подлога. Решението е да се вчита леќа и да се замени диелектричната подлога со структура EBG. Двете решенија бараат иновации и континуирано подобрување на технологијата и материјалите на процесот, но нивните одлични перформанси (како што се сенасочноста и потиснувањето на површинските бранови) можат да обезбедат нови идеи за истражување на терахерцните антени.
3. Антени за нов материјал: Во моментов се појавија нови диполни антени направени од јаглеродни наноцевки и нови антени структури направени од метаматеријали. Новите материјали можат да донесат нови откритија во перформансите, но премисата е иновацијата на науката за материјалите. Во моментов, истражувањето на антени за нови материјали е сè уште во фаза на истражување, а многу клучни технологии не се доволно зрели.
Накратко, различни типови на терахерцни антени може да се изберат според барањата за дизајн:
1) Доколку е потребен едноставен дизајн и ниски трошоци за производство, може да се изберат метални антени.
2) Доколку е потребна висока интеграција и мала влезна импеданса, може да се изберат диелектрични антени.
3) Доколку е потребен пробив во перформансите, може да се изберат нови антени за материјали.
Горенаведените дизајни, исто така, може да се прилагодат според специфичните барања. На пример, два типа на антени може да се комбинираат за да се добијат повеќе предности, но методот на склопување и технологијата на дизајнирање мора да задоволат построги барања.
За да дознаете повеќе за антените, посетете:
Време на објавување: 02.08.2024
