S rostoucí popularitou bezdrátových zařízení vstoupily datové služby do nového období rychlého rozvoje, známého také jako prudký růst datových služeb. V současné době velké množství aplikací postupně migruje z počítačů na bezdrátová zařízení, jako jsou mobilní telefony, které lze snadno přenášet a ovládat v reálném čase, ale tato situace také vedla k rychlému nárůstu datového provozu a nedostatku zdrojů šířky pásma. . Podle statistik může datový tok na trhu v příštích 10 až 15 letech dosáhnout Gbps nebo dokonce Tbps. V současné době THz komunikace dosáhla datové rychlosti Gbps, zatímco datová rychlost Tbps je stále v raných fázích vývoje. Související článek uvádí nejnovější pokrok v datových rychlostech Gb/s založených na pásmu THz a předpovídá, že Tb/s lze získat prostřednictvím polarizačního multiplexování. Pro zvýšení rychlosti přenosu dat je proto proveditelným řešením vývoj nového frekvenčního pásma, kterým je terahertzové pásmo, které je v „prázdné oblasti“ mezi mikrovlnami a infračerveným světlem. Na světové radiokomunikační konferenci ITU (WRC-19) v roce 2019 byl pro pevné a pozemní mobilní služby použit frekvenční rozsah 275–450 GHz. Je vidět, že terahertzové bezdrátové komunikační systémy přitáhly pozornost mnoha výzkumníků.
Terahertzové elektromagnetické vlny jsou obecně definovány jako frekvenční pásmo 0,1-10THz (1THz=1012Hz) s vlnovou délkou 0,03-3 mm. Podle standardu IEEE jsou terahertzové vlny definovány jako 0,3-10THz. Obrázek 1 ukazuje, že terahertzové frekvenční pásmo je mezi mikrovlnami a infračerveným světlem.
Obr. 1 Schéma frekvenčního pásma THz.
Vývoj terahertzových antén
Ačkoli terahertzový výzkum začal v 19. století, nebyl v té době studován jako samostatný obor. Výzkum terahertzového záření byl zaměřen především na daleké infračervené pásmo. Teprve od poloviny do konce 20. století začali výzkumníci posouvat výzkum milimetrových vln do terahertzového pásma a provádět specializovaný výzkum terahertzové technologie.
V 80. letech 20. století vznik zdrojů terahertzového záření umožnil aplikaci terahertzových vln v praktických systémech. Od 21. století se technologie bezdrátové komunikace rychle rozvíjí a poptávka lidí po informacích a nárůst komunikačního vybavení kladou přísnější požadavky na přenosovou rychlost komunikačních dat. Proto je jednou z výzev budoucí komunikační technologie provozovat na jednom místě vysokou datovou rychlost gigabitů za sekundu. Za současného hospodářského rozvoje jsou zdroje spektra stále vzácnější. Lidské požadavky na komunikační kapacitu a rychlost jsou však nekonečné. Pro problém přetížení spektra používá mnoho společností technologii MIMO (multiple-input multiple-output) ke zlepšení účinnosti spektra 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 komunikačních systémů s milimetrovými vlnami nebudou mikrovlnné spoje schopny zvládnout tyto obrovské datové toky. Navíc vlivem přímé viditelnosti je přenosová vzdálenost infračervené komunikace krátká a umístění jejího komunikačního zařízení je pevné. Proto mohou být THz vlny, které jsou mezi mikrovlnami a infračerveným zářením, použity k vybudování vysokorychlostních komunikačních systémů a ke zvýšení rychlosti přenosu dat pomocí THz spojů.
Terahertzové vlny mohou poskytnout širší komunikační pásmo a jejich frekvenční rozsah je asi 1000krát větší než u mobilních komunikací. Proto je použití THz k vybudování ultra-vysokorychlostních bezdrátových komunikačních systémů slibným řešením problému vysokých datových rychlostí, které přilákalo zájem mnoha výzkumných týmů a průmyslových odvětví. V září 2017 byl vydán první THz bezdrátový komunikační standard IEEE 802.15.3d-2017, který definuje point-to-point výměnu dat v nižším THz frekvenčním rozsahu 252-325 GHz. Alternativní fyzická vrstva (PHY) spojení může dosáhnout rychlosti přenosu dat až 100 Gb/s při různých šířkách pásma.
První úspěšný THz komunikační systém 0,12 THz byl založen v roce 2004 a THz komunikační systém 0,3 THz byl realizován v roce 2013. Tabulka 1 uvádí pokrok výzkumu terahertzových komunikačních systémů v Japonsku od roku 2004 do roku 2013.
Tabulka 1 Průběh výzkumu terahertzových komunikačních systémů v Japonsku od roku 2004 do roku 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 představena ve dvou případech, jak ukazuje obrázek 2. Obr.
Obrázek 2 Schematické schéma 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 jednořádkového čipu s nosnou fotodiodou (UTC-PD), planární štěrbinové antény a křemíkové čočky, jak je znázorněno na obrázku 2(a).
2. Ve venkovním prostředí s velkým dosahem, aby se zlepšil vliv velkých ztrát přenosu a nízké citlivosti detektoru, musí mít anténa vysílače vysoký zisk. Stávající terahertzová anténa využívá Gaussovu optickou čočku se ziskem více než 50 dBi. Kombinace podávacího trychtýře a dielektrické čočky je znázorněna na obrázku 2(b).
Kromě vývoje komunikačního systému 0,12 THz vyvinula NTT v roce 2012 také komunikační systém 0,3 THz. Díky nepřetržité optimalizaci může být přenosová rychlost až 100 Gb/s. Jak je vidět z tabulky 1, velmi přispěl k rozvoji terahertzové komunikace. Současné výzkumné práce však mají nevýhody nízké provozní frekvence, velkých rozměrů a vysokých nákladů.
Většina v současnosti používaných terahertzových antén je upravena z milimetrových vln a u terahertzových antén je jen málo inovací. Proto, aby se zlepšil výkon terahertzových komunikačních systémů, je důležitým úkolem optimalizace terahertzových antén. Tabulka 2 uvádí pokrok ve výzkumu německé THz komunikace. Obrázek 3 (a) ukazuje reprezentativní THz bezdrátový komunikační systém kombinující fotoniku a elektroniku. Obrázek 3 (b) ukazuje testovací scénu v aerodynamickém tunelu. Soudě podle současné situace výzkumu v Německu má jeho výzkum a vývoj také nevýhody, jako je nízká provozní frekvence, vysoká cena a nízká účinnost.
Tabulka 2 Průběh výzkumu THz komunikace v Německu
Obrázek 3 Testovací scéna v aerodynamickém tunelu
Centrum ICT CSIRO také zahájilo výzkum vnitřních bezdrátových komunikačních systémů THz. Středisko studovalo vztah mezi rokem a komunikační frekvencí, jak je znázorněno na obrázku 4. Jak je vidět z obrázku 4, do roku 2020 bude výzkum bezdrátových komunikací inklinovat k pásmu THz. Maximální komunikační frekvence využívající rádiové spektrum se každých dvacet let zvyšuje zhruba desetkrát. Středisko vydalo doporučení ohledně požadavků na THz antény a navrhlo tradiční antény, jako jsou rohy a čočky pro THz komunikační systémy. Jak je znázorněno na obrázku 5, dvě rohové antény pracují na frekvenci 0,84 THz a 1,7 THz, s jednoduchou strukturou a dobrým výkonem Gaussova svazku.
Obrázek 4 Vztah mezi rokem a frekvencí
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Obrázek 5 Dva typy rohových antén
Spojené státy provedly rozsáhlý výzkum emise a detekce terahertzových vln. Mezi známé terahertzové výzkumné laboratoře patří Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), americká národní laboratoř (LLNL), Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA), National Science Foundation (NSF) atd. Byly navrženy nové terahertzové antény pro terahertzové aplikace, jako jsou motýlkové antény a antény pro řízení frekvenčního paprsku. Podle vývoje terahertzových antén můžeme v současnosti získat tři základní konstrukční nápady pro terahertzové antény, jak ukazuje obrázek 6.
Obrázek 6 Tři základní konstrukční nápady pro terahertzové antény
Výše uvedená analýza ukazuje, že ačkoli mnoho zemí věnovalo velkou pozornost terahertzovým anténám, jsou stále v počáteční fázi průzkumu a vývoje. Kvůli vysokým ztrátám při šíření a molekulární absorpci jsou THz antény obvykle omezeny přenosovou vzdáleností a pokrytím. Některé studie se zaměřují na nižší pracovní frekvence v pásmu THz. Stávající výzkum terahertzových antén se zaměřuje především na zlepšení zisku pomocí antén s dielektrickými čočkami atd. a zlepšení účinnosti komunikace pomocí vhodných algoritmů. Kromě toho je velmi naléhavým problémem také to, jak zlepšit účinnost balení terahertzových antén.
Obecné THz antény
K dispozici je mnoho typů THz antén: dipólové antény s kónickými dutinami, rohová reflektorová pole, motýlkové dipóly, dielektrické čočkové planární antény, fotovodivé antény pro generování zdrojů THz zdrojového záření, rohové antény, THz antény na bázi grafenových materiálů atd. Podle materiály používané k výrobě THz antén, lze je zhruba rozdělit na kovové antény (hlavně rohové antény), dielektrické antény (čočky antény) a nové materiálové antény. V této části je nejprve uvedena předběžná analýza těchto antén a poté v další části je podrobně představeno a do hloubky analyzováno pět typických THz antén.
1. Kovové antény
Hornová anténa je typická kovová anténa, která je navržena pro práci v pásmu THz. Anténa klasického přijímače milimetrových vln je kónický roh. 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 dvou rohových antén jsou 30%-40%, respektive 6%-8%.
Vzhledem k tomu, že frekvence terahertzových vln je velmi vysoká, je velikost horn antény velmi malá, což velmi ztěžuje zpracování horn, zejména při návrhu anténních polí, a složitost technologie zpracování vede k nadměrným nákladům a omezená výroba. Vzhledem k obtížnosti výroby spodní části složité konstrukce klaksonu se obvykle používá jednoduchá trubková anténa ve formě kónického nebo kuželového rohu, což může snížit náklady a složitost procesu a lze zachovat vyzařovací výkon antény. dobře.
Další kovovou anténou je pyramidová anténa s postupnou vlnou, která se skládá z antény s postupnou vlnou integrované na 1,2 mikronové dielektrické fólii a zavěšené v podélné dutině vyleptané na křemíkové destičce, jak je znázorněno na obrázku 7. Tato anténa je otevřenou konstrukcí, která je kompatibilní se Schottkyho diodami. Díky své relativně jednoduché konstrukci a nízkým výrobním nárokům může být obecně použit ve frekvenčních pásmech nad 0,6 THz. Úroveň bočního laloku a úroveň křížové polarizace antény jsou však vysoké, pravděpodobně kvůli její otevřené struktuře. Proto je jeho vazebná účinnost relativně nízká (asi 50 %).
Obrázek 7 Pyramidová anténa s postupnou vlnou
2. Dielektrická anténa
Dielektrická anténa je kombinací dielektrického substrátu a anténního zářiče. Prostřednictvím správného návrhu může dielektrická anténa dosáhnout impedančního přizpůsobení detektoru a má výhody jednoduchého procesu, snadné integrace a nízké ceny. V posledních letech výzkumníci navrhli několik úzkopásmových a širokopásmových antén s bočním ohněm, které mohou odpovídat nízkoimpedančním detektorům terahertzových dielektrických antén: motýlková anténa, dvojitá anténa ve tvaru U, logaritmicky periodická anténa a logaritmicky periodická sinusová anténa. 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, dojde k efektu povrchové vlny, když frekvence směřuje k pásmu THz. Tato fatální nevýhoda způsobí, že anténa během provozu ztrácí mnoho energie a vede k výraznému snížení účinnosti vyzařování antény. Jak je znázorněno na obrázku 9, když je vyzařovací úhel antény větší než mezní úhel, je její energie omezena v dielektrickém substrátu a je spojena s režimem substrátu.
Obrázek 9 Efekt povrchové vlny antény
S rostoucí tloušťkou substrátu se zvyšuje počet režimů vyššího řádu a zvyšuje se vazba mezi anténou a substrátem, což vede ke ztrátě energie. Aby se zeslabil efekt povrchových vln, existují tři optimalizační schémata:
1) Nasaďte čočku na anténu, abyste zvýšili zisk pomocí charakteristik formování paprsku elektromagnetických vln.
2) Zmenšením tloušťky substrátu potlačíte generování režimů elektromagnetických vln vysokého řádu.
3) Nahraďte dielektrický materiál substrátu elektromagnetickým pásmem (EBG). Charakteristiky prostorového filtrování EBG mohou potlačit režimy vysokého řádu.
3. Nový materiál antén
Kromě výše uvedených dvou antén je zde také terahertzová anténa z nových materiálů. Například v roce 2006 Jin Hao a spol. navrhl uhlíkovou nanotrubkovou dipólovou anténu. Jak je znázorněno na obrázku 10 (a), dipól je vyroben z uhlíkových nanotrubic namísto kovových materiálů. Pečlivě studoval infračervené a optické vlastnosti dipólové antény z uhlíkových nanotrubic a diskutoval o obecných charakteristikách 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 uhlíkové nanotrubkové dipólové antény. Jak je vidět na obrázku 10(b), pomyslná část vstupní impedance má na vyšších frekvencích více nul. To znamená, že anténa může dosáhnout více rezonancí na různých frekvencích. Anténa z uhlíkových nanotrubiček zjevně vykazuje rezonanci v určitém frekvenčním rozsahu (nižší frekvence THz), ale není zcela schopna rezonovat mimo tento rozsah.
Obrázek 10 (a) Uhlíková nanotrubičková dipólová anténa. (b) Křivka vstupní impedance-frekvence
V roce 2012 Samir F. Mahmoud a Ayed R. AlAjmi navrhli novou strukturu terahertzové antény založenou na uhlíkových nanotrubičkách, která se skládá ze svazku uhlíkových nanotrubic obalených dvěma dielektrickými vrstvami. Vnitřní dielektrická vrstva je vrstva dielektrické pěny a vnější dielektrická vrstva je vrstva 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 nanotrubičkách
Nové materiálové terahertzové antény navržené výše jsou převážně trojrozměrné. Za účelem zlepšení šířky pásma antény a vytvoření konformních antén se plošným grafenovým anténám dostalo široké pozornosti. Grafen má vynikající dynamické kontinuální regulační charakteristiky a může generovat povrchové plazma úpravou předpětí. Povrchové plazma existuje na rozhraní mezi substráty s pozitivní dielektrickou konstantou (jako je Si, SiO2 atd.) a substráty s negativní dielektrickou konstantou (jako jsou drahé kovy, grafen atd.). Ve vodičích, jako jsou drahé kovy a grafen, je velké množství „volných elektronů“. Tyto volné elektrony se také nazývají plazma. Díky inherentnímu potenciálnímu poli ve vodiči jsou tyto plazmy ve stabilním stavu a nejsou rušeny vnějším světem. Když se dopadající energie elektromagnetických vln spojí s těmito plazmami, plazma se bude odchylovat od ustáleného stavu a vibrovat. Po převodu tvoří elektromagnetický mód na rozhraní příčnou magnetickou vlnu. Podle popisu disperzního vztahu plazmatu na kovovém povrchu pomocí Drudeova modelu se kovy nemohou přirozeně spojovat s elektromagnetickými vlnami ve volném prostoru a přeměňovat energii. K vybuzení povrchových plazmových vln je nutné použít jiné materiály. Povrchové plazmové vlny se rychle rozpadají v paralelním směru rozhraní kov-substrát. Když kovový vodič vede ve směru kolmém k povrchu, dochází ke kožnímu efektu. Je zřejmé, že vzhledem k malé velikosti antény dochází ve vysokofrekvenčním pásmu ke kožnímu efektu, který způsobuje prudký pokles výkonu antény a nemůže splnit požadavky terahertzových antén. Povrchový plasmon grafenu má nejen vyšší vazebnou sílu a nižší ztráty, ale také podporuje nepřetržité elektrické ladění. Kromě toho má grafen komplexní vodivost v terahertzovém pásmu. Šíření pomalé vlny proto souvisí s plazmovým módem na terahertzových frekvencích. Tyto charakteristiky plně demonstrují proveditelnost grafenu jako náhrady kovových materiálů v terahertzovém pásmu.
Na základě polarizačního chování grafenových povrchových plasmonů ukazuje obrázek 12 nový typ páskové antény a navrhuje tvar pásu charakteristik šíření plazmových vln v grafenu. Návrh laditelného anténního pásma poskytuje nový způsob studia charakteristik šíření nových materiálových terahertzových antén.
Obrázek 12 Nová pásková anténa
Kromě zkoumání nových materiálových terahertzových anténních prvků jednotky mohou být grafenové nanopatchové terahertzové antény navrženy také jako pole pro vybudování terahertzových vícevstupových vícevýstupních anténních komunikačních systémů. Struktura antény je znázorněna na obrázku 13. Na základě jedinečných vlastností grafenových nanopatchových antén mají prvky antény rozměry v mikrometrovém měřítku. Chemická depozice par přímo syntetizuje různé obrázky grafenu na tenké vrstvě niklu a přenáší je na jakýkoli substrát. Výběrem vhodného počtu komponent a změnou elektrostatického předpětí lze efektivně změnit směr záření, díky čemuž je systém rekonfigurovatelný.
Obrázek 13 Graphene nanopatch terahertzové anténní pole
Relativně novým směrem je výzkum nových materiálů. 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 materiály a pokrok v technologii procesu. V každém případě vývoj terahertzových antén vyžaduje inovativní materiály, přesnou technologii zpracování a nové konstrukční struktury, aby byly splněny požadavky na vysoký zisk, nízkou cenu a širokou šířku pásma terahertzových antén.
V následujícím textu jsou představeny základní principy tří typů terahertzových antén: kovové antény, dielektrické antény a antény z nových materiálů a analyzovány jejich rozdíly a výhody a nevýhody.
1. Kovová anténa: Geometrie je jednoduchá, snadno zpracovatelná, relativně nízká cena a nízké požadavky na podkladové materiály. Kovové antény však k úpravě polohy antény používají mechanickou metodu, která je náchylná k chybám. Pokud není nastavení správné, výkon antény se výrazně sníží. Přestože je kovová anténa malých rozměrů, je obtížné ji sestavit pomocí planárního obvodu.
2. Dielektrická anténa: Dielektrická anténa má nízkou vstupní impedanci, lze ji snadno sladit s detektorem s nízkou impedancí a lze ji relativně snadno připojit k planárnímu obvodu. Geometrické tvary dielektrických antén zahrnují tvar motýla, tvar dvojitého U, konvenční logaritmický tvar a logaritmický periodický sinusový tvar. Dielektrické antény však mají také fatální nedostatek, a to efekt povrchových vln způsobený tlustým substrátem. Řešením je naložení čočky a nahrazení dielektrického substrátu strukturou EBG. Obě řešení vyžadují inovace 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. Nové materiálové antény: V současné době se objevily nové dipólové antény z uhlíkových nanotrubic a nové anténní struktury z metamateriálů. Nové materiály mohou přinést nové průlomové výkony, ale předpokladem je inovace materiálové vědy. V současné době je výzkum nových materiálových antén 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) Je-li požadována vysoká integrace a nízká vstupní impedance, lze zvolit dielektrické antény.
3) Je-li požadován průlom ve výkonu, lze zvolit antény z nového materiálu.
Výše uvedená provedení lze také upravit dle konkrétních požadavků. Například lze kombinovat dva typy antén, aby se získalo více výhod, ale způsob montáže a technologie návrhu musí splňovat přísnější požadavky.
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte:
Čas odeslání: srpen-02-2024
