S rostoucí popularitou bezdrátových zařízení vstoupily datové služby do nového období rychlého rozvoje, známého také jako explozivní růst datových služeb. V současné době se velké množství aplikací postupně přesouvá z počítačů na bezdrátová zařízení, jako jsou mobilní telefony, které se snadno přenášejí a ovládají v reálném čase, ale tato situace také vedla k rychlému nárůstu datového provozu a nedostatku šířky pásma. Podle statistik by datová rychlost na trhu mohla v příštích 10 až 15 letech dosáhnout Gbps nebo dokonce Tbps. V současné době dosáhla THz komunikace datové rychlosti Gbps, zatímco datová rychlost Tbps je stále v raných fázích vývoje. Související článek uvádí nejnovější pokrok v datových rychlostech Gbps na základě THz pásma a předpovídá, že Tbps lze dosáhnout pomocí polarizačního multiplexování. Pro zvýšení rychlosti přenosu dat je proto proveditelným řešením vývoj nového frekvenčního pásma, kterým je terahertzové pásmo, které se nachází v „prázdné oblasti“ mezi mikrovlnami a infračerveným světlem. Na Světové radiokomunikační konferenci ITU (WRC-19) v roce 2019 byl frekvenční rozsah 275–450 GHz použit pro pevné a pozemní mobilní služby. Je vidět, že terahertzové bezdrátové komunikační systémy přitahují pozornost mnoha výzkumníků.
Terahertzové elektromagnetické vlny jsou obecně definovány jako frekvenční pásmo 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) s vlnovou délkou 0,03–3 mm. Podle standardu IEEE jsou terahertzové vlny definovány jako 0,3–10 THz. Obrázek 1 ukazuje, že terahertzové frekvenční pásmo se nachází mezi mikrovlnami a infračerveným světlem.
Obr. 1 Schéma frekvenčního pásma THz.
Vývoj terahertzových antén
Ačkoli výzkum terahertzového záření začal v 19. století, v té době nebyl studován jako samostatný obor. Výzkum terahertzového záření se zaměřoval především na pásmo vzdáleného infračerveného záření. Až od poloviny do konce 20. století začali vědci rozšiřovat výzkum milimetrových vln do terahertzového pásma a provádět specializovaný výzkum terahertzových technologií.
V 80. letech 20. století umožnil vznik terahertzových zdrojů záření využití terahertzových vln v praktických systémech. Od 21. století se technologie bezdrátové komunikace rychle rozvíjí a poptávka lidí po informacích a nárůst počtu komunikačních zařízení kladou přísnější požadavky na rychlost přenosu komunikačních dat. Jednou z výzev budoucích komunikačních technologií je proto provoz s vysokou datovou rychlostí gigabitů za sekundu na jednom místě. Za současného ekonomického rozvoje jsou spektrální zdroje stále vzácnější. Lidské požadavky na komunikační kapacitu a rychlost jsou však nekonečné. Kvůli problému přetížení spektra mnoho společností používá technologii MIMO (multiple-input-multiple-output) ke zlepšení spektrální efektivity a kapacity systému prostřednictvím prostorového multiplexování. S rozvojem sítí 5G překročí rychlost datového připojení každého uživatele Gbps a výrazně se zvýší i datový provoz základnových stanic. U tradičních milimetrových komunikačních systémů nebudou mikrovlnné spoje schopny tyto obrovské datové toky zvládnout. Kromě toho je v důsledku vlivu přímé viditelnosti přenosová vzdálenost infračervené komunikace krátká a umístění komunikačního zařízení je pevné. Proto lze THz vlny, které se nacházejí mezi mikrovlnami a infračerveným zářením, využít k budování vysokorychlostních komunikačních systémů a ke zvýšení rychlosti přenosu dat pomocí THz spojů.
Terahertzové vlny mohou poskytnout širší komunikační šířku pásma a jejich frekvenční rozsah je přibližně 1000krát větší než u mobilní komunikace. Proto je využití THz k budování ultrarychlých bezdrátových komunikačních systémů slibným řešením problému vysokých datových rychlostí, což přitahuje zájem mnoha výzkumných týmů a průmyslových odvětví. V září 2017 byl vydán první terahertzový bezdrátový komunikační standard IEEE 802.15.3d-2017, který definuje výměnu dat mezi body (point-to-point) v nižším terahertzovém frekvenčním rozsahu 252–325 GHz. Alternativní fyzická vrstva (PHY) spojení může dosáhnout datových rychlostí až 100 Gb/s při různých šířkách pásma.
První úspěšný terahertzový komunikační systém s frekvencí 0,12 THz byl zaveden v roce 2004 a terahertzový komunikační systém s frekvencí 0,3 THz byl realizován v roce 2013. Tabulka 1 uvádí pokrok ve výzkumu terahertzových komunikačních systémů v Japonsku v letech 2004 až 2013.
Tabulka 1 Pokrok ve výzkumu terahertzových komunikačních systémů v Japonsku v letech 2004 až 2013
Struktura antény komunikačního systému vyvinutého v roce 2004 byla podrobně popsána společností Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) v roce 2005. Konfigurace antény byla zavedena ve dvou případech, jak je znázorněno na obrázku 2.
Obrázek 2 Schéma zapojení japonského bezdrátového komunikačního systému NTT 120 GHz
Systém integruje fotoelektrickou konverzi a anténu a přijímá dva pracovní režimy:
1. V blízkém vnitřním prostředí se planární anténní vysílač používaný v interiéru skládá z čipu jednovláknové nosné fotodiody (UTC-PD), planární štěrbinové antény a křemíkové čočky, jak je znázorněno na obrázku 2(a).
2. Ve venkovním prostředí s velkým dosahem musí mít vysílací anténa vysoký zisk, aby se zlepšil vliv velkých přenosových ztrát a nízké citlivosti detektoru. Stávající terahertzová anténa používá Gaussovu optickou čočku se ziskem větším než 50 dBi. Kombinace napájecího trychtýře a dielektrické čočky je znázorněna na obrázku 2(b).
Kromě vývoje komunikačního systému s frekvencí 0,12 THz vyvinula společnost NTT v roce 2012 také komunikační systém s frekvencí 0,3 THz. Díky neustálé optimalizaci může přenosová rychlost dosáhnout až 100 Gb/s. Jak je patrné z tabulky 1, významně přispěla k rozvoji terahertzové komunikace. Současný výzkum má však nevýhody v podobě nízké provozní frekvence, velkých rozměrů a vysokých nákladů.
Většina v současnosti používaných terahertzových antén je modifikací milimetrových vlnových antén a v oblasti terahertzových antén existuje jen málo inovací. Proto je pro zlepšení výkonu terahertzových komunikačních systémů důležitým úkolem optimalizace terahertzových antén. Tabulka 2 uvádí pokrok ve výzkumu německé terahertzové komunikace. Obrázek 3 (a) ukazuje reprezentativní terahertzový bezdrátový komunikační systém kombinující fotoniku a elektroniku. Obrázek 3 (b) ukazuje testovací scénu v aerodynamickém tunelu. Soudě dle současné výzkumné situace v Německu, jeho výzkum a vývoj má také nevýhody, jako je nízká provozní frekvence, vysoké náklady a nízká účinnost.
Tabulka 2 Výzkumný pokrok v oblasti THz komunikace v Německu
Obrázek 3 Zkušební scéna v aerodynamickém tunelu
Centrum CSIRO ICT také zahájilo výzkum bezdrátových komunikačních systémů v interiéru s teraHz pásmem. Centrum zkoumalo vztah mezi rokem a komunikační frekvencí, jak je znázorněno na obrázku 4. Jak je vidět z obrázku 4, do roku 2020 se výzkum bezdrátové komunikace zaměřuje na teraHz pásmo. Maximální komunikační frekvence využívající rádiové spektrum se každých dvacet let zvyšuje přibližně desetkrát. Centrum vydalo doporučení ohledně požadavků na teraHz antény a navrhlo tradiční antény, jako jsou trychtýřové a čočkové, pro teraHz komunikační systémy. Jak je znázorněno na obrázku 5, dvě trychtýřové antény pracují na frekvencích 0,84 THz a 1,7 THz s jednoduchou strukturou a dobrým gaussovským výkonem paprsku.
Obrázek 4 Vztah mezi rokem a četností
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Obrázek 5 Dva typy trychtýřových antén
Spojené státy provedly rozsáhlý výzkum v oblasti emise a detekce terahertzových vln. Mezi slavné terahertzové výzkumné laboratoře patří Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), Americká národní laboratoř (LLNL), Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA), Národní vědecká nadace (NSF) atd. Byly navrženy nové terahertzové antény pro terahertzové aplikace, jako jsou motýlkové antény a antény s řízením frekvenčního paprsku. V souladu s vývojem terahertzových antén můžeme v současnosti získat tři základní konstrukční nápady pro terahertzové antény, jak je znázorněno na obrázku 6.
Obrázek 6 Tři základní konstrukční nápady pro terahertzové antény
Výše uvedená analýza ukazuje, že ačkoli mnoho zemí věnuje terahertzovým anténám velkou pozornost, stále se nacházejí v počáteční fázi výzkumu a vývoje. Vzhledem k vysokým ztrátám šířením a molekulární absorpci jsou terahertzové antény obvykle omezeny přenosovou vzdáleností a pokrytím. Některé studie se zaměřují na nižší provozní frekvence v terahertzovém pásmu. Stávající výzkum terahertzových antén se zaměřuje především na zlepšení zisku pomocí dielektrických čočkových antén atd. a na zlepšení komunikační účinnosti pomocí vhodných algoritmů. Kromě toho je velmi naléhavou otázkou také to, jak zlepšit účinnost pouzdra terahertzových antén.
Obecné THz antény
Existuje mnoho typů THz antén: dipólové antény s kuželovými dutinami, rohové reflektorové soustavy, motýlkové dipóly, dielektrické čočkové planární antény, fotovodivé antény pro generování zdrojů THz záření, trychtýřové antény, THz antény na bázi grafenu atd. Podle materiálů použitých k výrobě THz antén je lze zhruba rozdělit na kovové antény (zejména trychtýřové antény), dielektrické antény (čočkové antény) a antény z nových materiálů. Tato část nejprve poskytuje předběžnou analýzu těchto antén a v další části je podrobně představeno a analyzováno pět typických THz antén.
1. Kovové antény
Trychtýřová anténa je typická kovová anténa, která je navržena pro práci v terahercovém pásmu. Anténa klasického milimetrového přijímače je kuželová trychtýřová anténa. Vlnité a duální antény mají mnoho výhod, včetně rotačně symetrických vyzařovacích diagramů, vysokého zisku 20 až 30 dBi a nízké úrovně křížové polarizace -30 dB a účinnosti vazby 97 % až 98 %. Dostupné šířky pásma obou trychtýřových antén jsou 30 %–40 %, respektive 6 %–8 %.
Vzhledem k tomu, že frekvence terahertzových vln je velmi vysoká, je velikost trychtýřové antény velmi malá, což značně ztěžuje zpracování trychtýře, zejména při návrhu anténních polí, a složitost technologie zpracování vede k nadměrným nákladům a omezené výrobě. Vzhledem k obtížnosti výroby spodní části složité konstrukce trychtýře se obvykle používá jednoduchá trychtýřová anténa ve tvaru kuželového nebo kónického trychtýře, což může snížit náklady a složitost procesu a zároveň udržet dobrý vyzařovací výkon antény.
Další kovovou anténou je pyramidová anténa s postupnou vlnou, která se skládá z antény s postupnou vlnou integrované na dielektrické vrstvě o tloušťce 1,2 mikronu a zavěšené v podélné dutině vyleptané na křemíkovém plátku, jak je znázorněno na obrázku 7. Tato anténa má otevřenou strukturu, která je kompatibilní se Schottkyho diodami. Díky své relativně jednoduché struktuře a nízkým výrobním nárokům ji lze obecně použít ve frekvenčních pásmech nad 0,6 THz. Úroveň postranních laloků a úroveň křížové polarizace antény jsou však vysoké, pravděpodobně kvůli její otevřené struktuře. Proto je její vazební účinnost relativně nízká (kolem 50 %).
Obrázek 7 Pyramidální anténa s postupující vlnou
2. Dielektrická anténa
Dielektrická anténa je kombinací dielektrického substrátu a anténního zářiče. Díky správnému návrhu může dielektrická anténa dosáhnout impedančního přizpůsobení detektoru a má výhody jednoduchého procesu, snadné integrace a nízkých nákladů. V posledních letech vědci navrhli několik úzkopásmových a širokopásmových bočních antén, které mohou odpovídat nízkoimpedančním detektorům terahertzových dielektrických antén: motýlí anténa, dvojitá anténa ve tvaru U, logaritmicky periodická anténa a logaritmicky periodická sinusová anténa, jak je znázorněno na obrázku 8. Kromě toho lze pomocí genetických algoritmů navrhnout složitější geometrie antén.
Obrázek 8 Čtyři typy planárních antén
Protože je však dielektrická anténa kombinována s dielektrickým substrátem, dochází k efektu povrchové vlny, když se frekvence blíží k THz pásmu. Tato fatální nevýhoda způsobí, že anténa během provozu ztratí velké množství energie a povede k významnému snížení vyzařovací účinnosti antény. Jak je znázorněno na obrázku 9, když je vyzařovací úhel antény větší než mezní úhel, její energie je uzavřena v dielektrickém substrátu a vázána na mód substrátu.
Obrázek 9 Vliv povrchové vlny antény
S rostoucí tloušťkou substrátu se zvyšuje počet módů vyššího řádu a zvyšuje se i vazba mezi anténou a substrátem, což vede ke ztrátám energie. Pro oslabení efektu povrchových vln existují tři optimalizační schémata:
1) Na anténu nasaďte čočku, abyste zvýšili zisk využitím charakteristik tvarování paprsku elektromagnetických vln.
2) Zmenšete tloušťku substrátu, abyste potlačili generování elektromagnetických vln vyššího řádu.
3) Nahraďte dielektrický materiál substrátu elektromagnetickou pásmovou mezerou (EBG). Prostorové filtrační charakteristiky EBG mohou potlačit módy vyššího řádu.
3. Antény z nového materiálu
Kromě výše uvedených dvou antén existuje také terahertzová anténa vyrobená z nových materiálů. Například v roce 2006 Jin Hao a kol. navrhli dipólovou anténu z uhlíkových nanotrubic. Jak je znázorněno na obrázku 10 (a), dipól je vyroben z uhlíkových nanotrubic namísto kovových materiálů. Pečlivě zkoumal infračervené a optické vlastnosti dipólové antény z uhlíkových nanotrubic a diskutoval obecné charakteristiky dipólové antény z uhlíkových nanotrubic s konečnou délkou, jako je vstupní impedance, rozložení proudu, zisk, účinnost a vyzařovací diagram. Obrázek 10 (b) ukazuje vztah mezi vstupní impedancí a frekvencí dipólové antény z uhlíkových nanotrubic. Jak je vidět na obrázku 10(b), imaginární část vstupní impedance má při vyšších frekvencích více nul. To naznačuje, že anténa může dosáhnout více rezonancí při různých frekvencích. Je zřejmé, že anténa z uhlíkových nanotrubic vykazuje rezonanci v určitém frekvenčním rozsahu (nižší THz frekvence), ale mimo tento rozsah je zcela neschopná rezonovat.
Obrázek 10 (a) Dipólová anténa z uhlíkových nanotrubiček. (b) Křivka vstupní impedance a frekvence
V roce 2012 navrhli Samir F. Mahmoud a Ayed R. AlAjmi novou terahertzovou anténní strukturu založenou na uhlíkových nanotrubicích, která se skládá ze svazku uhlíkových nanotrubic obalených dvěma dielektrickými vrstvami. Vnitřní dielektrická vrstva je tvořena vrstvou dielektrické pěny a vnější dielektrická vrstva je vrstvou metamateriálu. Konkrétní struktura je znázorněna na obrázku 11. Testováním se zlepšil vyzařovací výkon antény ve srovnání s jednostěnnými uhlíkovými nanotrubicemi.
Obrázek 11 Nová terahertzová anténa založená na uhlíkových nanotrubicích
Výše navržené nové materiálové terahertzové antény jsou převážně trojrozměrné. Aby se zlepšila šířka pásma antény a vytvořily se konformní antény, planární grafenové antény si získaly širokou pozornost. Grafen má vynikající dynamické vlastnosti kontinuálního řízení a může generovat povrchovou plazmu úpravou předpětí. Povrchová plazma existuje na rozhraní mezi substráty s kladnou dielektrickou konstantou (jako je Si, SiO2 atd.) a substráty se zápornou dielektrickou konstantou (jako jsou drahé kovy, grafen atd.). Ve vodičích, jako jsou drahé kovy a grafen, existuje velké množství „volných elektronů“. Tyto volné elektrony se také nazývají plazma. Vzhledem k inherentnímu potenciálovému poli ve vodiči jsou tyto plazmaty ve stabilním stavu a nejsou rušeny vnějším světem. Když je dopadající energie elektromagnetické vlny spojena s těmito plazmaty, plazmaty se odchýlí od ustáleného stavu a vibrují. Po konverzi elektromagnetický mód vytváří na rozhraní příčnou magnetickou vlnu. Podle popisu disperzního vztahu plazmatu kovového povrchu Drudeho modelem se kovy nemohou přirozeně spojit s elektromagnetickými vlnami ve volném prostoru a přeměnit energii. Pro excitaci povrchových plazmových vln je nutné použít jiné materiály. Povrchové plazmové vlny rychle zanikají v rovnoběžném směru s rozhraním kov-substrát. Když kovový vodič vede ve směru kolmém k povrchu, dochází ke skin efektu. Vzhledem k malé velikosti antény je zřejmé, že ve vysokofrekvenčním pásmu dochází ke skin efektu, což způsobuje prudký pokles výkonu antény a anténa nemůže splňovat požadavky terahertzových antén. Povrchový plazmon grafenu má nejen vyšší vazebnou sílu a nižší ztráty, ale také podporuje kontinuální elektrické ladění. Grafen má navíc v terahertzovém pásmu komplexní vodivost. Šíření pomalých vln proto souvisí s plazmovým módem na terahertzových frekvencích. Tyto vlastnosti plně demonstrují vhodnost grafenu jako náhrady kovových materiálů v terahertzovém pásmu.
Na základě polarizačního chování grafenových povrchových plazmonů Obrázek 12 ukazuje nový typ páskové antény a navrhuje tvar pásu šíření plazmových vln v grafenu. Návrh laditelného pásu antény poskytuje nový způsob studia šíření terahertzových antén z nového materiálu.
Obrázek 12 Nová pásková anténa
Kromě zkoumání nových materiálových prvků terahertzových antén lze grafenové nanopatch terahertzové antény také navrhnout jako pole pro budování terahertzových vícevstupových a vícevýstupových anténních komunikačních systémů. Struktura antény je znázorněna na obrázku 13. Díky jedinečným vlastnostem grafenových nanopatch antén mají anténní prvky rozměry v mikronovém měřítku. Chemická depozice z plynné fáze přímo syntetizuje různé grafenové obrazy na tenké vrstvě niklu a přenáší je na jakýkoli substrát. Výběrem vhodného počtu komponent a změnou elektrostatického předpětí lze efektivně změnit směr vyzařování, což umožňuje rekonfiguraci systému.
Obrázek 13 Terahertzové anténní pole z grafenových nanopatchů
Výzkum nových materiálů je relativně novým směrem. Očekává se, že inovace materiálů prolomí omezení tradičních antén a vyvine řadu nových antén, jako jsou rekonfigurovatelné metamateriály, dvourozměrné (2D) materiály atd. Tento typ antény však závisí především na inovaci nových materiálů a pokroku v procesní technologii. V každém případě vývoj terahertzových antén vyžaduje inovativní materiály, přesnou technologii zpracování a nové konstrukční struktury, aby byly splněny požadavky terahertzových antén na vysoký zisk, nízké náklady a širokou šířku pásma.
Následující text představuje základní principy tří typů terahertzových antén: kovových antén, dielektrických antén a antén z nových materiálů, a analyzuje jejich rozdíly, výhody a nevýhody.
1. Kovová anténa: Geometrie je jednoduchá, snadno se zpracovává, má relativně nízké náklady a nízké požadavky na materiál substrátu. Kovové antény však používají mechanickou metodu pro nastavení polohy antény, což je náchylné k chybám. Pokud nastavení není správné, výkon antény se výrazně sníží. Přestože je kovová anténa malá, je obtížné ji sestavit s planárním obvodem.
2. Dielektrická anténa: Dielektrická anténa má nízkou vstupní impedanci, snadno se přizpůsobí nízkoimpedančnímu detektoru a relativně jednoduše se připojí k planárnímu obvodu. Mezi geometrické tvary dielektrických antén patří tvar motýla, tvar dvojitého U, konvenční logaritmický tvar a logaritmický periodický sinusový tvar. Dielektrické antény však mají také jednu zásadní nevýhodu, a to efekt povrchové vlny způsobený tlustým substrátem. Řešením je vložit čočku a nahradit dielektrický substrát strukturou EBG. Obě řešení vyžadují inovaci a neustálé zlepšování procesní technologie a materiálů, ale jejich vynikající výkon (jako je všesměrovost a potlačení povrchových vln) může poskytnout nové nápady pro výzkum terahertzových antén.
3. Antény z nových materiálů: V současné době se objevily nové dipólové antény vyrobené z uhlíkových nanotrubic a nové anténní struktury vyrobené z metamateriálů. Nové materiály mohou přinést nové průlomy ve výkonu, ale předpokladem je inovace materiálové vědy. V současné době je výzkum antén z nových materiálů stále ve fázi průzkumu a mnoho klíčových technologií není dostatečně vyspělých.
Stručně řečeno, různé typy terahertzových antén lze vybrat podle konstrukčních požadavků:
1) Pokud je požadována jednoduchá konstrukce a nízké výrobní náklady, lze zvolit kovové antény.
2) Pokud je požadována vysoká integrace a nízká vstupní impedance, lze zvolit dielektrické antény.
3) Pokud je vyžadován průlom ve výkonu, lze zvolit antény z nového materiálu.
Výše uvedené konstrukce lze také upravit podle specifických požadavků. Například dva typy antén lze kombinovat pro získání více výhod, ale způsob montáže a technologie konstrukce musí splňovat přísnější požadavky.
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte prosím:
Čas zveřejnění: 2. srpna 2024
