Зі зростанням популярності бездротових пристроїв, сервіси передачі даних вступили в новий період швидкого розвитку, також відомий як вибухове зростання сервісів передачі даних. Наразі велика кількість програм поступово мігрує з комп'ютерів на бездротові пристрої, такі як мобільні телефони, які легко носити з собою та використовувати в режимі реального часу, але ця ситуація також призвела до швидкого збільшення трафіку даних та дефіциту ресурсів пропускної здатності. Згідно зі статистикою, швидкість передачі даних на ринку може досягти Гбіт/с або навіть Тбіт/с протягом наступних 10-15 років. Наразі терагерцовий зв'язок досяг швидкості передачі даних Гбіт/с, тоді як швидкість передачі даних Тбіт/с все ще знаходиться на ранніх стадіях розвитку. У відповідній статті перераховано останній прогрес у швидкості передачі даних Гбіт/с на основі терагерцового діапазону та прогнозується, що Тбіт/с можна отримати за допомогою поляризаційного мультиплексування. Тому для збільшення швидкості передачі даних можливим рішенням є розробка нового діапазону частот, який є терагерцовим діапазоном, що знаходиться в "порожній області" між мікрохвилями та інфрачервоним світлом. На Всесвітній конференції радіозв'язку МСЕ (ВКР-19) у 2019 році діапазон частот 275-450 ГГц був використаний для фіксованих та наземних рухомих служб. Можна побачити, що терагерцові системи бездротового зв'язку привернули увагу багатьох дослідників.
Терагерцові електромагнітні хвилі зазвичай визначаються як діапазон частот 0,1-10 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) з довжиною хвилі 0,03-3 мм. Згідно зі стандартом IEEE, терагерцові хвилі визначаються як 0,3-10 ТГц. На рисунку 1 показано, що терагерцовий діапазон частот знаходиться між мікрохвилями та інфрачервоним світлом.
Рис. 1. Принципова діаграма терагерцового діапазону частот.
Розробка терагерцових антен
Хоча дослідження терагерцового випромінювання розпочалися ще в 19 столітті, на той час воно не вивчалося як самостійна галузь. Дослідження терагерцового випромінювання були зосереджені переважно на далекому інфрачервоному діапазоні. Лише в середині-кінці 20 століття дослідники почали просувати дослідження міліметрових хвиль у терагерцовому діапазоні та проводити спеціалізовані дослідження терагерцової технології.
У 1980-х роках поява джерел терагерцового випромінювання зробила можливим застосування терагерцових хвиль у практичних системах. З 21 століття технології бездротового зв'язку швидко розвиваються, а потреби людей в інформації та збільшення кількості комунікаційного обладнання висунули більш жорсткі вимоги до швидкості передачі даних. Тому одним із викликів майбутніх комунікаційних технологій є робота з високою швидкістю передачі даних у гігабітах на секунду в одному місці. За сучасного економічного розвитку ресурси спектру стають дедалі меншими. Однак людські потреби в пропускній здатності та швидкості зв'язку безмежні. Для вирішення проблеми перевантаження спектру багато компаній використовують технологію MIMO (multiple-input-multiple-output) для підвищення ефективності використання спектру та пропускної здатності системи за допомогою просторового мультиплексування. З розвитком мереж 5G швидкість з'єднання даних кожного користувача перевищуватиме Гбіт/с, а трафік даних базових станцій також значно зросте. Для традиційних систем зв'язку міліметрового діапазону мікрохвильові лінії зв'язку не зможуть обробляти ці величезні потоки даних. Крім того, через вплив прямої видимості, відстань передачі інфрачервоного зв'язку є короткою, а розташування комунікаційного обладнання фіксованим. Тому терагерцові хвилі, які знаходяться між мікрохвильовим та інфрачервоним випромінюванням, можна використовувати для побудови високошвидкісних систем зв'язку та збільшення швидкості передачі даних за допомогою терагерцових каналів.
Терагерцові хвилі можуть забезпечити ширшу пропускну здатність зв'язку, а їх діапазон частот приблизно в 1000 разів перевищує діапазон мобільного зв'язку. Тому використання ТГц для побудови надшвидкісних систем бездротового зв'язку є перспективним рішенням проблеми високих швидкостей передачі даних, що привернуло увагу багатьох дослідницьких груп та галузей промисловості. У вересні 2017 року було випущено перший терагерцовий стандарт бездротового зв'язку IEEE 802.15.3d-2017, який визначає обмін даними "точка-точка" в нижньому терагерцовому діапазоні частот 252-325 ГГц. Альтернативний фізичний рівень (PHY) каналу може досягати швидкості передачі даних до 100 Гбіт/с при різних пропускних здатність.
Перша успішна система зв'язку терагерцового діапазону з частотою 0,12 ТГц була створена у 2004 році, а система зв'язку терагерцового діапазону з частотою 0,3 ТГц була реалізована у 2013 році. У таблиці 1 наведено прогрес у дослідженнях систем терагерцового зв'язку в Японії з 2004 по 2013 рік.
Таблиця 1. Прогрес досліджень терагерцових систем зв'язку в Японії з 2004 по 2013 рік
Структура антени системи зв'язку, розробленої у 2004 році, була детально описана корпорацією Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) у 2005 році. Конфігурація антени була представлена у двох випадках, як показано на рисунку 2.
Рисунок 2. Принципова схема бездротової системи зв'язку NTT 120 ГГц Японії
Система поєднує фотоелектричне перетворення та антену і має два режими роботи:
1. У приміщенні з близьким радіусом дії планарний антенний передавач, що використовується в приміщенні, складається з однолінійного несучого фотодіода (UTC-PD), планарної щілинної антени та кремнієвої лінзи, як показано на рисунку 2(a).
2. У зовнішньому середовищі на великі відстані, щоб покращити вплив великих втрат передачі та низької чутливості детектора, передавальна антена повинна мати високий коефіцієнт посилення. Існуюча терагерцова антена використовує гаусівську оптичну лінзу з коефіцієнтом посилення понад 50 дБі. Комбінація рупора живлення та діелектричної лінзи показана на рисунку 2(b).
Окрім розробки системи зв'язку на частоті 0,12 ТГц, у 2012 році NTT також розробила систему зв'язку на частоті 0,3 ТГц. Завдяки постійній оптимізації швидкість передачі може сягати 100 Гбіт/с. Як видно з таблиці 1, вона зробила великий внесок у розвиток терагерцового зв'язку. Однак поточні дослідження мають недоліки: низьку робочу частоту, великі розміри та високу вартість.
Більшість терагерцових антен, що використовуються наразі, є модифікаціями міліметрових хвильових антен, і в терагерцових антенах мало інновацій. Тому, щоб покращити продуктивність терагерцових систем зв'язку, важливим завданням є оптимізація терагерцових антен. У таблиці 2 наведено прогрес досліджень німецького терагерцового зв'язку. На рисунку 3 (а) показано репрезентативну терагерцову систему бездротового зв'язку, що поєднує фотоніку та електроніку. На рисунку 3 (b) показано випробувальну сцену в аеродинамічній трубі. Судячи з поточної дослідницької ситуації в Німеччині, її дослідження та розробки також мають такі недоліки, як низька робоча частота, висока вартість та низька ефективність.
Таблиця 2. Прогрес досліджень ТГц-зв'язку в Німеччині
Рисунок 3. Випробувальна сцена в аеродинамічній трубі
Центр інформаційно-комунікаційних технологій CSIRO також ініціював дослідження систем бездротового зв'язку всередині приміщень на ТГц. Центр вивчав зв'язок між роком і частотою зв'язку, як показано на рисунку 4. Як видно з рисунка 4, до 2020 року дослідження бездротового зв'язку тяжіють до діапазону ТГц. Максимальна частота зв'язку з використанням радіоспектра збільшується приблизно в десять разів кожні двадцять років. Центр дав рекомендації щодо вимог до терагерцових антен і запропонував традиційні антени, такі як рупорні та лінзові, для систем зв'язку на ТГц. Як показано на рисунку 5, дві рупорні антени працюють на частотах 0,84 ТГц і 1,7 ТГц відповідно, мають просту структуру та хороші характеристики гауссового променя.
Рисунок 4. Зв'язок між роком та частотою
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Рисунок 5. Два типи рупорних антен
Сполучені Штати провели масштабні дослідження випромінювання та виявлення терагерцових хвиль. Серед відомих терагерцових дослідницьких лабораторій є Лабораторія реактивного руху (JPL), Стенфордський центр лінійних прискорювачів (SLAC), Національна лабораторія США (LLNL), Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA), Національний науковий фонд (NSF) тощо. Були розроблені нові терагерцові антени для терагерцового застосування, такі як антени типу «краватка-метелик» та антени з керуванням частотним променем. Відповідно до розвитку терагерцових антен, ми можемо отримати три основні ідеї проектування терагерцових антен на даний момент, як показано на рисунку 6.
Рисунок 6. Три основні ідеї проектування терагерцових антен
Наведений вище аналіз показує, що хоча багато країн приділяли велику увагу терагерцовим антенам, вони все ще перебувають на початковій стадії дослідження та розробки. Через високі втрати на поширення та молекулярне поглинання, терагерцові антени зазвичай обмежені дальністю передачі та покриттям. Деякі дослідження зосереджені на нижчих робочих частотах у терагерцовому діапазоні. Існуючі дослідження терагерцових антен в основному зосереджені на покращенні коефіцієнта посилення за допомогою використання діелектричних лінзових антен тощо, а також на підвищенні ефективності зв'язку за допомогою відповідних алгоритмів. Крім того, дуже актуальним питанням є також підвищення ефективності корпусування терагерцових антен.
Загальні терагерцові антени
Існує багато типів ТГц антен: дипольні антени з конічними резонаторами, решітки кутових відбивачів, диполі типу «метелик», планарні антени з діелектричними лінзами, фотопровідні антени для генерації джерел ТГц випромінювання, рупорні антени, ТГц антени на основі графенових матеріалів тощо. За матеріалами, що використовуються для виготовлення ТГц антен, їх можна грубо розділити на металеві антени (переважно рупорні антени), діелектричні антени (лінзові антени) та антени з нових матеріалів. У цьому розділі спочатку наведено попередній аналіз цих антен, а потім у наступному розділі детально представлено та глибоко проаналізовано п'ять типових ТГц антен.
1. Металеві антени
Рупорна антена — це типова металева антена, призначена для роботи в терагерцовому діапазоні. Антена класичного приймача міліметрових хвиль — це конічний рупор. Гофровані та двомодові антени мають багато переваг, включаючи обертально-симетричні діаграми спрямованості, високий коефіцієнт підсилення від 20 до 30 дБі та низький рівень крос-поляризації -30 дБ, а також ефективність зв'язку від 97% до 98%. Доступні смуги пропускання двох рупорних антен становлять 30%-40% та 6%-8% відповідно.
Оскільки частота терагерцових хвиль дуже висока, розмір рупорної антени дуже малий, що значно ускладнює обробку рупора, особливо при проектуванні антенних решіток, а складність технології обробки призводить до надмірної вартості та обмеженого виробництва. Через складність виготовлення нижньої частини складної конструкції рупора зазвичай використовується проста рупорна антена у формі конічного або конічного рупора, що може зменшити вартість та складність процесу, а також добре підтримувати випромінювальні характеристики антени.
Ще одна металева антена – це пірамідальна антена біжучої хвилі, яка складається з антени біжучої хвилі, інтегрованої на діелектричну плівку товщиною 1,2 мікрона та підвішеної в поздовжньому резонаторі, витравленому на кремнієвій пластині, як показано на рисунку 7. Ця антена має відкриту структуру, сумісну з діодами Шотткі. Завдяки своїй відносно простій структурі та низьким виробничим вимогам, її зазвичай можна використовувати в діапазонах частот вище 0,6 ТГц. Однак рівень бічних пелюсток та рівень крос-поляризації антени високі, ймовірно, через її відкриту структуру. Тому її ефективність зв'язку відносно низька (близько 50%).
Рисунок 7. Пірамідальна антена біжучої хвилі
2. Діелектрична антена
Діелектрична антена являє собою комбінацію діелектричної підкладки та випромінювача антени. Завдяки правильному проектуванню діелектрична антена може досягти узгодження імпедансу з детектором, що має такі переваги, як простота процесу, легка інтеграція та низька вартість. В останні роки дослідники розробили кілька вузькосмугових та широкосмугових антен бокового випромінювання, які можуть узгоджуватися з низькоімпедансними детекторами терагерцових діелектричних антен: антена типу «метелик», подвійна U-подібна антена, логарифмічно-періодична антена та логарифмічно-періодична синусоїдальна антена, як показано на рисунку 8. Крім того, за допомогою генетичних алгоритмів можна розробити більш складні геометрії антен.
Рисунок 8. Чотири типи планарних антен
Однак, оскільки діелектрична антена поєднана з діелектричною підкладкою, ефект поверхневої хвилі виникатиме, коли частота прямує до терагерцового діапазону. Цей фатальний недолік призведе до великих втрат енергії антеною під час роботи та призведе до значного зниження ефективності випромінювання антени. Як показано на рисунку 9, коли кут випромінювання антени більший за кут зрізу, її енергія утримується в діелектричній підкладці та пов'язана з модою підкладки.
Рисунок 9. Вплив поверхневої хвилі антени
Зі збільшенням товщини підкладки збільшується кількість мод вищого порядку, а також зв'язок між антеною та підкладкою, що призводить до втрат енергії. Для послаблення ефекту поверхневої хвилі існують три схеми оптимізації:
1) Встановіть лінзу на антену, щоб збільшити коефіцієнт посилення, використовуючи характеристики формування променя електромагнітних хвиль.
2) Зменшити товщину підкладки, щоб придушити генерацію високопорядкових мод електромагнітних хвиль.
3) Замінити діелектричний матеріал підкладки електромагнітною забороненою зоною (ЕЗЗ). Просторові фільтруючі характеристики ЕЗЗ можуть пригнічувати моди вищого порядку.
3. Антени з нового матеріалу
Окрім двох вищезгаданих антен, існує також терагерцова антена, виготовлена з нових матеріалів. Наприклад, у 2006 році Цзінь Хао та ін. запропонували дипольну антену з вуглецевих нанотрубок. Як показано на рисунку 10 (а), диполь виготовлений з вуглецевих нанотрубок замість металевих матеріалів. Він ретельно вивчив інфрачервоні та оптичні властивості дипольної антени з вуглецевих нанотрубок та обговорив загальні характеристики дипольної антени з вуглецевих нанотрубок скінченної довжини, такі як вхідний імпеданс, розподіл струму, коефіцієнт підсилення, ефективність та діаграма спрямованості. На рисунку 10 (b) показано зв'язок між вхідним імпедансом та частотою дипольної антени з вуглецевих нанотрубок. Як видно на рисунку 10 (b), уявна частина вхідного імпедансу має кілька нулів на вищих частотах. Це вказує на те, що антена може досягати кількох резонансів на різних частотах. Очевидно, що антена з вуглецевих нанотрубок демонструє резонанс у певному діапазоні частот (нижчі частоти ТГц), але повністю не здатна резонувати поза цим діапазоном.
Рисунок 10 (a) Дипольна антена з вуглецевих нанотрубок. (b) Крива вхідного імпедансу від частоти
У 2012 році Самір Ф. Махмуд та Аїд Р. Аль-Аджмі запропонували нову структуру терагерцової антени на основі вуглецевих нанотрубок, яка складається з пучка вуглецевих нанотрубок, обгорнутих двома діелектричними шарами. Внутрішній діелектричний шар являє собою шар діелектричної піни, а зовнішній діелектричний шар - шар метаматеріалу. Конкретна структура показана на рисунку 11. Завдяки випробуванням, характеристики випромінювання антени були покращені порівняно з одностінними вуглецевими нанотрубками.
Рисунок 11. Нова терагерцова антена на основі вуглецевих нанотрубок
Нові матеріали терагерцових антен, запропоновані вище, є переважно тривимірними. Для покращення пропускної здатності антени та створення конформних антен, планарні графенові антени отримали широку увагу. Графен має чудові динамічні характеристики безперервного керування та може генерувати поверхневу плазму шляхом регулювання напруги зміщення. Поверхнева плазма існує на межі розділу між підкладками з позитивною діелектричною проникністю (такими як Si, SiO2 тощо) та підкладками з негативною діелектричною проникністю (такими як дорогоцінні метали, графен тощо). У провідниках, таких як дорогоцінні метали та графен, є велика кількість "вільних електронів". Ці вільні електрони також називають плазмою. Через власне потенційне поле в провіднику, ця плазма знаходиться в стабільному стані та не порушується зовнішнім світом. Коли енергія падаючої електромагнітної хвилі пов'язана з цією плазмою, плазма відхиляється від стаціонарного стану та вібрує. Після перетворення електромагнітна мода утворює поперечну магнітну хвилю на межі розділу. Згідно з описом дисперсійного співвідношення плазми поверхні металу за моделлю Друде, метали не можуть природним чином зв'язуватися з електромагнітними хвилями у вільному просторі та перетворювати енергію. Необхідно використовувати інші матеріали для збудження поверхневих плазмових хвиль. Поверхневі плазмові хвилі швидко затухають у напрямку, паралельному межі метал-підкладка. Коли металевий провідник проводить струм у напрямку, перпендикулярному до поверхні, виникає скін-ефект. Очевидно, що через малий розмір антени у смузі високих частот виникає скін-ефект, що призводить до різкого зниження продуктивності антени та не може відповідати вимогам терагерцових антен. Поверхневий плазмон графену не тільки має вищу силу зв'язку та менші втрати, але й підтримує безперервне електричне налаштування. Крім того, графен має складну провідність у терагерцовому діапазоні. Тому поширення повільних хвиль пов'язане з плазмовим режимом на терагерцових частотах. Ці характеристики повністю демонструють можливість заміни графеном металевих матеріалів у терагерцовому діапазоні.
На основі поляризаційної поведінки плазмонів поверхні графену, на рисунку 12 показано новий тип смугової антени та запропоновано форму смуги характеристик поширення плазмових хвиль у графені. Конструкція антени з настроюваною смугою забезпечує новий спосіб вивчення характеристик поширення нових матеріальних терагерцових антен.
Рисунок 12 Нова смугова антена
Окрім дослідження нових матеріалів для терагерцових антенних елементів, графенові нанопатч-терагерцові антени також можуть бути розроблені як решітки для побудови терагерцових багатовходових та багатовихідних антенних систем зв'язку. Структура антени показана на рисунку 13. Завдяки унікальним властивостям графенових нанопатч-антен, антенні елементи мають мікронні розміри. Хімічне осадження з парової фази безпосередньо синтезує різні графенові зображення на тонкому шарі нікелю та переносить їх на будь-яку підкладку. Вибираючи відповідну кількість компонентів та змінюючи напругу електростатичного зміщення, можна ефективно змінювати напрямок випромінювання, що робить систему реконфігурованою.
Рисунок 13. Терагерцова антенна решітка з графенових нанопатчів
Дослідження нових матеріалів – це відносно новий напрямок. Очікується, що інновації в матеріалах дозволять подолати обмеження традиційних антен та розробити різноманітні нові антени, такі як реконфігуровані метаматеріали, двовимірні (2D) матеріали тощо. Однак цей тип антени головним чином залежить від інновацій нових матеріалів та розвитку технологічних процесів. У будь-якому випадку, розробка терагерцових антен вимагає інноваційних матеріалів, точної технології обробки та нових конструктивних елементів, щоб задовольнити вимоги терагерцових антен до високого коефіцієнта посилення, низької вартості та широкої смуги пропускання.
Нижче представлено основні принципи трьох типів терагерцових антен: металевих антен, діелектричних антен та антен з нових матеріалів, а також проаналізовано їхні відмінності, переваги та недоліки.
1. Металева антена: Геометрія проста, легко оброблюється, відносно низька вартість та низькі вимоги до матеріалів підкладки. Однак, металеві антени використовують механічний метод регулювання положення антени, що схильне до помилок. Якщо регулювання неправильне, продуктивність антени значно знизиться. Хоча металева антена має невеликі розміри, її важко зібрати за допомогою планарної схеми.
2. Діелектрична антена: Діелектрична антена має низький вхідний опір, легко узгоджується з низьким імпедансним детектором і відносно просто підключається до планарної схеми. Геометричні форми діелектричних антен включають форму метелика, форму подвійної U, звичайну логарифмічну форму та форму логарифмічно-періодичного синусоїдального сигналу. Однак діелектричні антени також мають фатальний недолік, а саме ефект поверхневої хвилі, спричинений товстою підкладкою. Рішенням є завантаження лінзи та заміна діелектричної підкладки структурою EBG. Обидва рішення вимагають інновацій та постійного вдосконалення технології процесу та матеріалів, але їхні чудові характеристики (такі як всеспрямованість та придушення поверхневих хвиль) можуть надати нові ідеї для дослідження терагерцових антен.
3. Антени з нових матеріалів: Наразі з'явилися нові дипольні антени, виготовлені з вуглецевих нанотрубок, та нові антенні структури з метаматеріалів. Нові матеріали можуть забезпечити нові прориви в продуктивності, але їхньою передумовою є інновації в матеріалознавстві. Наразі дослідження антен з нових матеріалів все ще перебувають на стадії дослідження, і багато ключових технологій ще недостатньо розвинені.
Таким чином, різні типи терагерцових антен можна вибрати відповідно до вимог проектування:
1) Якщо потрібна проста конструкція та низька вартість виробництва, можна вибрати металеві антени.
2) Якщо потрібна висока інтеграція та низький вхідний імпеданс, можна вибрати діелектричні антени.
3) Якщо потрібен прорив у продуктивності, можна вибрати антени з нових матеріалів.
Вищезазначені конструкції також можна налаштувати відповідно до конкретних вимог. Наприклад, два типи антен можна комбінувати для отримання більшої кількості переваг, але метод складання та технологія проектування повинні відповідати суворішим вимогам.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 02 серпня 2024 р.
