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 мобилните 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 пропусен опсег. Според статистиката, брзината на пренос на податоци на пазарот може да достигне Gbps или дури Tbps во следните 10 до 15 години. Во моментов, THz комуникацијата достигна брзина на пренос на податоци од Gbps, додека брзината на пренос на податоци од Tbps е сè уште во раните фази на развој. Поврзан труд го наведува најновиот напредок во брзината на пренос на податоци од Gbps врз основа на THz опсегот и предвидува дека Tbps може да се добијат преку поларизирачко мултиплексирање. Затоа, за да се зголеми брзината на пренос на податоци, изводливо решение е да се развие нов фреквенциски опсег, кој е терахерцовиот опсег, кој е во „празната област“ помеѓу микробрановите и инфрацрвената светлина. На Светската конференција за радиокомуникации на ITU (WRC-19) во 2019 година, фреквенцискиот опсег од 275-450 GHz беше користен 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 фреквенциски опсег од 0,1-10 THz (1 THz=1012 Hz) со бранова должина од 0,03-3 mm. Според IEEE стандардот, терахерцните бранови се дефинираат како 0,3-10 THz. Слика 1 покажува дека терахерцниот фреквенциски опсег е помеѓу микробрановите и инфрацрвената светлина.
Сл. 1 Шематски дијаграм на THz фреквенцискиот опсег.
Развој на терахерцни антени
Иако истражувањата за терахерцните бранови започнале во 19 век, во тоа време не биле проучувани како независно поле. Истражувањата за терахерцното зрачење биле главно фокусирани на далечниот инфрацрвен опсег. Дури од средината до крајот на 20 век, истражувачите почнале да ги унапредуваат истражувањата за милиметарски бранови во терахерцниот опсег и да спроведуваат специјализирани истражувања за терахерцна технологија.
Во 1980-тите, појавата на терахерцните извори на зрачење овозможи примена на терахерцните бранови во практични системи. Од 21 век, безжичната комуникациска технологија брзо се развива, а побарувачката на луѓето за информации и зголемувањето на комуникациската опрема поставија построги барања за брзината на пренос на комуникациски податоци. Затоа, еден од предизвиците на идната комуникациска технологија е да работи со висока брзина на пренос на податоци од гигабити во секунда на една локација. Со сегашниот економски развој, ресурсите на спектарот стануваат сè поретки. Сепак, човечките барања за комуникациски капацитет и брзина се бесконечни. За проблемот со преоптовареност на спектарот, многу компании користат технологија со повеќе влезови и повеќе излези (MIMO) за да ја подобрат ефикасноста на спектарот и капацитетот на системот преку просторно мултиплексирање. Со напредокот на 5G мрежите, брзината на поврзување со податоци на секој корисник ќе надмине Gbps, а сообраќајот на податоци на базните станици исто така значително ќе се зголеми. За традиционалните комуникациски системи со милиметарски бранови, микробрановите врски нема да можат да се справат со овие огромни потоци на податоци. Покрај тоа, поради влијанието на линијата на вид, растојанието на пренос на инфрацрвената комуникација е кратко, а локацијата на нејзината комуникациска опрема е фиксна. Затоа, THz брановите, кои се помеѓу микробрановите и инфрацрвеното зрачење, можат да се користат за изградба на брзи комуникациски системи и зголемување на стапките на пренос на податоци со користење на THz врски.
Терахерцните бранови можат да обезбедат поширок комуникациски пропусен опсег, а нивниот фреквентен опсег е околу 1000 пати поголем од оној на мобилните комуникации. Затоа, користењето на THz за изградба на ултрабрзи безжични комуникациски системи е ветувачко решение за предизвикот на високи брзини на пренос 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 понискиот THz фреквентен опсег од 252-325 GHz. Алтернативниот физички слој (PHY) на врската може да постигне брзини на пренос на податоци до 100 Gbps при различни пропусни опсези.
Првиот успешен THz комуникациски систем од 0,12 THz беше воспоставен во 2004 година, а THz комуникацискиот систем од 0,3 THz беше реализиран во 2013 година. Табела 1 го прикажува напредокот во истражувањето на терахерцните комуникациски системи во Јапонија од 2004 до 2013 година.
Табела 1 Напредок во истражувањето 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 режима на работа:
1. Во затворен простор со близок дострел, рамниот антенски предавател што се користи во затворен простор се состои од чип со еднолиниска фотодиода со носач (UTC-PD), рамна антена со слот и силиконска леќа, како што е прикажано на Слика 2(а).
2. Во надворешна средина на долг дострел, за да се подобри влијанието на големите загуби во преносот и ниската чувствителност на детекторот, предавателската антена мора да има големо засилување. Постоечката терахерцна антена користи гаусова оптичка леќа со засилување од повеќе од 50 dBi. Комбинацијата на рог за напојување и диелектрична леќа 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 достигне и до 100 Gbps. Како што може да се види од Табела 1, ова даде голем придонес во развојот на терахерцната комуникација. Сепак, тековната истражувачка работа има недостатоци како ниска оперативна фреквенција, голема големина и висока цена.
Повеќето од терахерцните антени што се користат моментално се модифицирани од милиметарски бранови антени, а има малку иновации во терахерцните антени. Затоа, со цел да се подобрат перформансите на терахерцните комуникациски системи, важна задача е да се оптимизираат терахерцните антени. Табела 2 го прикажува напредокот во истражувањето на германската THz комуникација. Слика 3 (а) прикажува репрезентативен THz безжичен комуникациски систем што комбинира фотоника и електроника. Слика 3 (б) ја прикажува сцената за тестирање во аеротунел. Судејќи според моменталната ситуација со истражувањето во Германија, неговото истражување и развој имаат и недостатоци како што се ниска работна фреквенција, висока цена и ниска ефикасност.
Табела 2 Напредок во истражувањето на THz комуникацијата во Германија
Слика 3 Тест сцена во аеротунел
ИКТ центарот на CSIRO, исто така, започна истражување за THz безжични комуникациски системи во затворен простор. 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 безжични комуникации се стреми кон THz опсегот. Максималната фреквенција на комуникација со користење на радио спектарот се зголемува околу десет пати на секои дваесет години. Центарот дал препораки за барањата за THz антени и предложил традиционални антени како што се рогови и леќи за THz комуникациски системи. Како што е прикажано на Слика 5, две роговидни антени работат на 0,84 THz и 1,7 THz соодветно, со едноставна структура и добри перформанси на Гаусовиот зрак.
Слика 4 Однос помеѓу годината и фреквенцијата
РМ-БДХА818-20А
РМ-DCPHA105145-20
Слика 5 Два вида антени со рог
Соединетите Американски Држави спроведоа обемни истражувања за емисијата и детекцијата на терахерцни бранови. Познати терахерцни истражувачки лаборатории вклучуваат Лабораторијата за млазен погон (JPL), Центарот за линеарни забрзувачи Стенфорд (SLAC), Националната лабораторија на САД (LLNL), Националната администрација за аеронаутика и вселена (NASA), Националната научна фондација (NSF) итн. Дизајнирани се нови терахерцни антени за терахерцни апликации, како што се антени со пеперутка и антени за управување со фреквентен зрак. Според развојот на терахерцните антени, можеме да добиеме три основни идеи за дизајн на терахерцни антени во моментов, како што е прикажано на Слика 6.
Слика 6 Три основни идеи за дизајн на терахерцни антени
Горенаведената анализа покажува дека иако многу земји обрнале големо внимание на терахерцните антени, тие сè уште се во почетна фаза на истражување и развој. Поради големата загуба на пропагација и молекуларната апсорпција, THz антените обично се ограничени од растојанието на пренос и покриеноста. Некои студии се фокусираат на пониските оперативни фреквенции во THz опсегот. Постоечките истражувања за терахерцните антени главно се фокусираат на подобрување на засилувањето со користење на антени со диелектрични леќи итн., и подобрување на комуникациската ефикасност со користење на соодветни алгоритми. Покрај тоа, како да се подобри ефикасноста на пакувањето на терахерцните антени е исто така многу итно прашање.
Општи THz антени
Достапни се многу видови на THz антени: диполни антени со конусни шуплини, аголни рефлекторски низи, диполи со машна, рамни антени со диелектрични леќи, фотоспроводливи антени за генерирање на THz извори на зрачење, роговидни антени, THz антени базирани на графенски материјали итн. Според материјалите што се користат за производство на THz антени, тие можат грубо да се поделат на метални антени (главно роговидни антени), диелектрични антени (леќи) и антени од нов материјал. Овој дел прво дава прелиминарна анализа на овие антени, а потоа во следниот дел, пет типични THz антени се детално претставени и анализирани во длабочина.
1. Метални антени
Хорна антената е типична метална антена која е дизајнирана да работи во THz опсегот. Антената на класичен приемник на милиметарски бранови е конусна хорна. Брановидните и двомодните антени имаат многу предности, вклучувајќи ротационо симетрични шеми на зрачење, високо засилување од 20 до 30 dBi и ниско ниво на вкрстена поларизација од -30 dB, како и ефикасност на спојување од 97% до 98%. Достапните пропусни опсези на двете хорна антени се 30%-40% и 6%-8%, соодветно.
Бидејќи фреквенцијата на терахерцните бранови е многу висока, големината на антената со рог е многу мала, што ја отежнува обработката на рогот, особено при дизајнирање на антенски низи, а сложеноста на технологијата за обработка води до прекумерни трошоци и ограничено производство. Поради тешкотијата во производството на дното на сложениот дизајн на рогот, обично се користи едноставна антена со рог во форма на конусен или конусен рог, што може да ги намали трошоците и сложеноста на процесот, а перформансите на зрачење на антената може да се одржат добро.
Друга метална антена е антена со патувачки бранови пирамиди, која се состои од патувачки бранови антени интегрирани на диелектричен филм од 1,2 микрони и суспендирани во надолжна празнина гравирана на силиконска плочка, како што е прикажано на Слика 7. Оваа антена е отворена структура која е компатибилна со Шоткиеви диоди. Поради нејзината релативно едноставна структура и ниските барања за производство, генерално може да се користи во фреквенциски опсези над 0,6 THz. Сепак, нивото на страничните лобуси и нивото на вкрстена поларизација на антената се високи, веројатно поради нејзината отворена структура. Затоа, нејзината ефикасност на спојување е релативно ниска (околу 50%).
Слика 7 Пирамидална антена со патувачки бран
2. Диелектрична антена
Диелектричната антена е комбинација од диелектрична подлога и антенски радијатор. Преку правилен дизајн, диелектричната антена може да постигне усогласување на импедансата со детекторот и има предности како што се едноставниот процес, лесната интеграција и ниската цена. Во последниве години, истражувачите дизајнираа неколку теснопојасни и широкопојасни странични антени кои можат да се совпаднат со детекторите со ниска импеданса на терахерцните диелектрични антени: антена-пеперутка, двојна антена во облик на буквата U, логаритам-периодична антена и логаритам-периодична синусоидна антена, како што е прикажано на Слика 8. Покрај тоа, посложени геометрии на антената можат да се дизајнираат преку генетски алгоритми.
Слика 8 Четири типа на рамни антени
Сепак, бидејќи диелектричната антена е комбинирана со диелектрична подлога, ќе се појави ефект на површински бран кога фреквенцијата се стреми кон опсегот од 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 отсекување, нејзината енергија е ограничена во диелектричната подлога и поврзана со режимот на подлогата.
Слика 9 Ефект на површински бран на антената
Како што се зголемува дебелината на подлогата, се зголемува и бројот на модови од повисок ред, а се зголемува и спојувањето помеѓу антената и подлогата, што резултира со загуба на енергија. За да се ослабне ефектот на површинскиот бран, постојат три шеми за оптимизација:
1) Ставете објектив на антената за да го зголемите засилувањето со користење на карактеристиките на формирање на сноп на електромагнетните бранови.
2) Намалете ја дебелината на подлогата за да го потиснете генерирањето на модови од висок ред на електромагнетни бранови.
3) Заменете го диелектричниот материјал на подлогата со електромагнетен појас (EBG). Карактеристиките на просторно филтрирање на EBG можат да ги потиснат модовите од повисок ред.
3. Антени од нов материјал
Покрај горенаведените две антени, постои и терахерцна антена направена од нови материјали. На пример, во 2006 година, Џин Хао и сор. предложија диполна антена од јаглеродни наноцевки. 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 од јаглеродни наноцевки и ги дискутирал општите карактеристики на диполната антена од јаглеродни наноцевки со конечна должина, како што се влезната импеданса, распределбата на струјата, засилувањето, ефикасноста и шемата на зрачење. Слика 10 (б) ја покажува врската помеѓу влезната импеданса и фреквенцијата на диполната антена од јаглеродни наноцевки. Како што може да се види на Слика 10 (б), имагинарниот дел од влезната импеданса има повеќе нули на повисоки фреквенции. Ова укажува дека антената може да постигне повеќекратни резонанции на различни фреквенции. Очигледно, антената од јаглеродни наноцевки покажува резонанца во одреден фреквентен опсег (пониски THz фреквенции), но е целосно неспособна да резонира надвор од овој опсег.
Слика 10 (а) Диполна антена од јаглеродни наноцевки. (б) Крива на влезна импеданса-фреквенција
Во 2012 година, Самир Ф. Махмуд и Ајед Р. АлАџми предложија нова терахерцна структура на антена базирана на јаглеродни наноцевки, која се состои од сноп јаглеродни наноцевки завиткани во два диелектрични слоја. Внатрешниот диелектричен слој е слој од диелектрична пена, а надворешниот диелектричен слој е слој од метаматеријал. Специфичната структура е прикажана на Слика 11. Преку тестирање, перформансите на зрачење на антената се подобрени во споредба со еднослојните јаглеродни наноцевки.
Слика 11 Нова терахерцна антена базирана на јаглеродни наноцевки
Новите материјални терахерцни антени предложени погоре се главно тридимензионални. Со цел да се подобри пропусниот опсег на антената и да се направат конформни антени, планарните графенски антени добија широко внимание. Графенот има одлични карактеристики на динамичка континуирана контрола и може да генерира површинска плазма со прилагодување на напонот на поларизација. Површинската плазма постои на интерфејсот помеѓу супстрати со позитивна диелектрична константа (како што се Si, SiO2, итн.) и супстрати со негативна диелектрична константа (како што се скапоцени метали, графен, итн.). Постои голем број „слободни електрони“ во спроводниците како што се скапоцените метали и графенот. Овие слободни електрони се нарекуваат и плазми. Поради вроденото потенцијално поле во спроводникот, овие плазми се во стабилна состојба и не се нарушени од надворешниот свет. Кога енергијата на инцидентниот електромагнетен бран е поврзана со овие плазми, плазмите ќе отстапат од стационарната состојба и ќе вибрираат. По конверзијата, електромагнетниот режим формира попречен магнетен бран на интерфејсот. Според описот на односот на дисперзија на металната површинска плазма од страна на моделот на Друде, металите не можат природно да се спојат со електромагнетни бранови во слободен простор и да ја конвертираат енергијата. Потребно е да се користат други материјали за да се возбудат површинските плазма бранови. Површинските плазма бранови брзо се распаѓаат во паралелна насока на интерфејсот метал-супстрат. Кога металниот спроводник спроведува во насока нормална на површината, се јавува ефект на кожа. Очигледно, поради малата големина на антената, постои ефект на кожа во високофреквентниот опсег, што предизвикува нагло намалување на перформансите на антената и не може да ги задоволи барањата на терахерцните антени. Површинскиот плазмон на графенот не само што има поголема сила на врзување и помали загуби, туку поддржува и континуирано електрично подесување. Покрај тоа, графенот има комплексна спроводливост во терахерцниот опсег. Затоа, бавното ширење на брановите е поврзано со плазма режимот на терахерцни фреквенции. Овие карактеристики целосно ја демонстрираат изводливоста на графенот да ги замени металните материјали во терахерцниот опсег.
Врз основа на поларизацискиот однос на поларизационите плазмони на површината на графенот, Слика 12 прикажува нов тип на лентеста антена и го предлага обликот на опсегот на карактеристиките на пропагација на плазма брановите во графенот. Дизајнот на подесивиот опсег на антената овозможува нов начин за проучување на карактеристиките на пропагација на нови терахерцни антени од материјал.
Слика 12 Нова лента антена
Покрај истражувањето на нови терахерцни антенски елементи од материјал, терахерцните антени со графенски нанопатчиња можат да бидат дизајнирани и како низи за изградба на терахерцни повеќевлезни повеќеизлезни комуникациски системи со антени. Структурата на антената е прикажана на Слика 13. Врз основа на уникатните својства на графенските нанопатчиња антени, елементите на антената имаат димензии во микронска скала. Хемиското таложење на пареа директно синтетизира различни слики од графен на тенок слој од никел и ги пренесува на која било подлога. Со избирање на соодветен број на компоненти и промена на напонот на електростатско поларизирање, насоката на зрачење може ефикасно да се промени, правејќи го системот реконфигурабилен.
Слика 13 Терахерцов антенски систем од графенски нанопатчиња
Истражувањето на нови материјали е релативно нова насока. Се очекува иновацијата на материјалите да ги пробие ограничувањата на традиционалните антени и да развие различни нови антени, како што се реконфигурабилни метаматеријали, дводимензионални (2D) материјали итн. Сепак, овој тип на антена главно зависи од иновацијата на новите материјали и напредокот на технологијата на процеси. Во секој случај, развојот на терахерцните антени бара иновативни материјали, прецизна технологија на обработка и нови дизајнерски структури за да се задоволат барањата за високо засилување, ниска цена и широк пропусен опсег на терахерцните антени.
Следново ги воведува основните принципи на три вида терахерцни антени: метални антени, диелектрични антени и антени од нов материјал, и ги анализира нивните разлики и предности и недостатоци.
1. Метална антена: Геометријата е едноставна, лесна за обработка, релативно ниска цена и ниски барања за материјали за подлога. Сепак, металните антени користат механички метод за прилагодување на положбата на антената, што е склоно кон грешки. Ако прилагодувањето не е правилно, перформансите на антената ќе бидат значително намалени. Иако металната антена е мала по големина, тешко е да се склопи со рамно коло.
2. Диелектрична антена: Диелектричната антена има ниска влезна импеданса, лесно се поврзува со детектор со ниска импеданса и релативно едноставно се поврзува со рамно коло. Геометриските форми на диелектричните антени вклучуваат форма на пеперутка, форма на двојно U, конвенционална логаритамска форма и логаритамска периодична синусна форма. Сепак, диелектричните антени имаат и фатална маана, имено ефектот на површински бран предизвикан од дебелата подлога. Решението е да се вчита леќа и да се замени диелектричната подлога со EBG структура. И двете решенија бараат иновации и континуирано подобрување на технологијата на процесот и материјалите, но нивните одлични перформанси (како што се седирекционалност и потиснување на површинските бранови) можат да обезбедат нови идеи за истражување на терахерцните антени.
3. Антени од нов материјал: Во моментов се појавија нови диполни антени направени од јаглеродни наноцевки и нови антенски структури направени од метаматеријали. Новите материјали можат да донесат нови откритија во перформансите, но премисата е иновацијата на науката за материјали. Во моментов, истражувањето на антените од нов материјал е сè уште во фаза на истражување, а многу клучни технологии не се доволно зрели.
Накратко, различни типови на терахерцни антени можат 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 ниска влезна импеданса, може да се изберат диелектрични антени.
3) Доколку е потребен пробив во перформансите, може да се изберат антени од нов материјал.
Горенаведените дизајни може да се прилагодат и според специфичните барања. На пример, два вида антени може да се комбинираат за да се добијат повеќе предности, но методот на склопување и технологијата на дизајнирање мора да ги исполнат построгите барања.
За да дознаете повеќе за антените, посетете ја страницата:
Време на објавување: 02.08.2024
