Із зростанням популярності бездротових пристроїв служби передачі даних вступили в новий період швидкого розвитку, також відомий як вибухове зростання послуг передачі даних. Зараз велика кількість програм поступово переміщується з комп’ютерів на бездротові пристрої, такі як мобільні телефони, які легко носити з собою та працювати в режимі реального часу, але ця ситуація також призвела до швидкого зростання трафіку даних і дефіциту ресурсів пропускної здатності . За статистикою, швидкість передачі даних на ринку може досягти Гбіт/с або навіть Тбіт/с у найближчі 10-15 років. На даний момент швидкість передачі даних ТГц досягла Гбіт/с, тоді як швидкість передачі даних Тбіт/с все ще знаходиться на ранніх стадіях розробки. У відповідній статті наведено останні досягнення у швидкості передачі даних Гбіт/с на основі діапазону ТГц і передбачено, що Тбіт/с можна отримати за допомогою поляризаційного мультиплексування. Отже, щоб збільшити швидкість передачі даних, можливим рішенням є розробка нової смуги частот, яка є терагерцовою смугою, яка знаходиться в «порожній зоні» між мікрохвилями та інфрачервоним світлом. На Всесвітній конференції радіозв’язку ITU (WRC-19) у 2019 році діапазон частот 275–450 ГГц використовувався для фіксованих і наземних мобільних служб. Можна помітити, 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. Відповідно до стандарту IEEE терагерцові хвилі визначаються як 0,3-10 ТГц. На рисунку 1 показано, що терагерцова смуга частот знаходиться між мікрохвилями та інфрачервоним світлом.
Рис. 1. Принципова діаграма смуги частот ТГц.
Розробка терагерцових антен
Хоча дослідження терагерців почалися в 19 столітті, в той час вони не вивчалися як самостійна область. Дослідження терагерцового випромінювання в основному були зосереджені на далекому інфрачервоному діапазоні. Лише в середині-кінці 20-го століття дослідники почали просувати дослідження міліметрових хвиль до терагерцового діапазону та проводити спеціалізовані дослідження терагерцової технології.
У 1980-х роках поява джерел терагерцового випромінювання зробила можливим застосування терагерцових хвиль у практичних системах. Починаючи з 21 століття, технологія бездротового зв'язку швидко розвивалася, і попит людей на інформацію та збільшення комунікаційного обладнання висунули більш суворі вимоги до швидкості передачі даних зв'язку. Таким чином, одним із завдань комунікаційних технологій майбутнього є робота з високою швидкістю передачі даних у гігабітах на секунду в одному місці. За поточного економічного розвитку ресурси спектру стають дедалі дефіцитнішими. Однак вимоги людини до здатності та швидкості зв’язку нескінченні. Для вирішення проблеми перевантаження спектру багато компаній використовують технологію MIMO (multi-input-multi-output) для підвищення ефективності спектру та пропускної здатності системи за допомогою просторового мультиплексування. З розвитком мереж 5G швидкість передачі даних кожного користувача перевищуватиме Гбіт/с, а трафік даних базових станцій також значно зросте. Для традиційних систем зв'язку міліметрового діапазону мікрохвильові канали не зможуть обробляти ці величезні потоки даних. Крім того, через вплив прямої видимості відстань передачі інфрачервоного зв’язку є малою, а розташування її комунікаційного обладнання фіксовано. Таким чином, ТГц хвилі, які знаходяться між мікрохвилями та інфрачервоним випромінюванням, можна використовувати для побудови високошвидкісних систем зв’язку та збільшення швидкості передачі даних за допомогою каналів ТГц.
Терагерцові хвилі можуть забезпечити більш широку смугу зв’язку, а їх частотний діапазон приблизно в 1000 разів перевищує діапазон мобільного зв’язку. Тому використання ТГц для побудови надшвидкісних систем бездротового зв’язку є багатообіцяючим рішенням проблеми високих швидкостей передачі даних, що привернуло інтерес багатьох дослідницьких груп і галузей. У вересні 2017 року було випущено перший стандарт бездротового зв’язку ТГц IEEE 802.15.3d-2017, який визначає обмін даними «точка-точка» в нижньому діапазоні частот ТГц 252-325 ГГц. Альтернативний фізичний рівень (PHY) каналу може досягати швидкості передачі даних до 100 Гбіт/с при різних пропускних здатностях.
Перша успішна система зв’язку на частоті 0,12 ТГц була створена в 2004 році, а система зв’язку на частоті 0,3 ТГц була реалізована в 2013 році. У таблиці 1 наведено прогрес досліджень терагерцових систем зв’язку в Японії з 2004 по 2013 рік.
Таблиця 1 Прогрес досліджень терагерцових систем зв’язку в Японії з 2004 по 2013 рр
Структура антени системи зв’язку, розробленої в 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 малюнку 2.
Рисунок 2. Принципова діаграма японської системи бездротового зв’язку NTT 120 ГГц
Система інтегрує фотоелектричне перетворення та антену та приймає два режими роботи:
1. У приміщенні на близькій відстані планарний антенний передавач, який використовується в приміщенні, складається з мікросхеми однолінійного несучого фотодіода (UTC-PD), планарної щілинної антени та кремнієвої лінзи, як показано на малюнку 2(a).
2. У далекому зовнішньому середовищі, щоб покращити вплив великих втрат передачі та низької чутливості детектора, антена передавача повинна мати високе посилення. Існуюча терагерцова антена використовує оптичну лінзу Гаусса з посиленням більше 50 дБі. Комбінація рупору живлення та діелектричної лінзи показана на малюнку 2(b).
Окрім розробки системи зв’язку 0,12 ТГц, NTT також розробила систему зв’язку 0,3 ТГц у 2012 році. Завдяки безперервній оптимізації швидкість передачі може досягати 100 Гбіт/с. Як видно з таблиці 1, він зробив великий внесок у розвиток терагерцового зв'язку. Однак поточна дослідницька робота має недоліки низької робочої частоти, великого розміру та високої вартості.
Більшість терагерцових антен, які зараз використовуються, модифіковані з антен міліметрового діапазону, і в терагерцових антенах мало інновацій. Тому для підвищення продуктивності терагерцових систем зв'язку важливим завданням є оптимізація терагерцових антен. У таблиці 2 наведено результати досліджень німецького ТГц зв'язку. На малюнку 3 (a) показана репрезентативна система бездротового зв’язку ТГц, яка поєднує фотоніку та електроніку. На малюнку 3 (b) показано тестову сцену в аеродинамічній трубі. Судячи з поточної дослідницької ситуації в Німеччині, її дослідження і розробки також мають недоліки, такі як низька робоча частота, висока вартість і низька ефективність.
Таблиця 2 Прогрес досліджень ТГц зв'язку в Німеччині
Малюнок 3 Сцена тестування в аеродинамічній трубі
Центр ІКТ CSIRO також розпочав дослідження систем бездротового зв’язку в ТГц для приміщень. Центр вивчав зв'язок між роком і частотою зв'язку, як показано на малюнку 4. Як видно з малюнка 4, до 2020 року дослідження бездротового зв'язку тяжіють до діапазону ТГц. Максимальна частота зв'язку з використанням радіоспектру збільшується приблизно в десять разів кожні двадцять років. Центр підготував рекомендації щодо вимог до ТГц антен і запропонував традиційні антени, такі як рупорні та лінзи для систем зв’язку ТГц. Як показано на малюнку 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 і частотою
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Рисунок 5 Два типи рупорних антен
Сполучені Штати провели широкі дослідження випромінювання та виявлення терагерцових хвиль. Відомі дослідницькі лабораторії терагерцового діапазону включають Лабораторію реактивного руху (JPL), Стенфордський центр лінійних прискорювачів (SLAC), Національну лабораторію США (LLNL), Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA), Національний науковий фонд (NSF) тощо. Було розроблено нові терагерцові антени для терагерцевих додатків, таких як антени-метелик і антени для керування частотним променем. Згідно з розробкою терагерцових антен, ми можемо отримати три основні ідеї конструкції для терагерцових антен на даний момент, як показано на малюнку 6.
Малюнок 6 Три основні ідеї дизайну терагерцових антен
Наведений вище аналіз показує, що хоча багато країн приділяють велику увагу терагерцевим антенам, вони все ще перебувають на початковій стадії дослідження та розробки. Через високі втрати при розповсюдженні та молекулярне поглинання ТГц антени зазвичай обмежені відстанню передачі та покриттям. Деякі дослідження зосереджені на нижчих робочих частотах у діапазоні ТГц. Існуючі дослідження терагерцових антен головним чином зосереджені на покращенні посилення за допомогою діелектричних лінзових антен тощо, а також на покращенні ефективності зв’язку за допомогою відповідних алгоритмів. Крім того, як підвищити ефективність упаковки терагерцової антени, також є дуже актуальним питанням.
Загальні ТГц антени
Існує багато типів ТГц антен: дипольні антени з конічними порожнинами, кутові рефлекторні решітки, диполі-метелики, планарні антени з діелектричними лінзами, фотопровідні антени для генерації джерел випромінювання ТГц, рупорні антени, ТГц антени на основі графенових матеріалів тощо. матеріали, що використовуються для виготовлення ТГц антен, їх можна грубо розділити на метал антени (головним чином рупорні антени), діелектричні антени (лінзові антени) і антени з нових матеріалів. У цьому розділі спочатку наводиться попередній аналіз цих антен, а потім у наступному розділі детально представлено та детально проаналізовано п’ять типових ТГц антен.
1. Металеві антени
Рупорна антена — типова металева антена, призначена для роботи в діапазоні ТГц. Антеною класичного приймача міліметрового діапазону є конічний рупор. Гофровані та двомодові антени мають багато переваг, включаючи обертально-симетричні діаграми спрямованості, високе посилення від 20 до 30 дБі та низький рівень крос-поляризації -30 дБ, а також ефективність зв’язку від 97% до 98%. Доступна смуга пропускання двох рупорних антен становить 30%-40% і 6%-8% відповідно.
Оскільки частота терагерцових хвиль дуже висока, розмір рупорної антени дуже малий, що дуже ускладнює обробку рупору, особливо в конструкції антенних решіток, а складність технології обробки призводить до надмірної вартості та обмежене виробництво. Через складність виготовлення нижньої частини складної рупорної конструкції зазвичай використовується проста рупорна антена у формі конічного або конічного рупору, що може знизити вартість і складність процесу, а радіаційні характеристики антени можна зберегти добре.
Ще одна металева антена – це піраміда біжучої хвилі, яка складається з антени біжучої хвилі, вбудованої в діелектричну плівку товщиною 1,2 мікрона та підвішеної в поздовжній порожнині, вигравіруваній на кремнієвій пластині, як показано на малюнку 7. Ця антена є відкритою структурою, яка сумісний з діодами Шотткі. Завдяки своїй відносно простій структурі та низьким виробничим вимогам, він зазвичай може використовуватися в діапазонах частот вище 0,6 ТГц. Однак рівень бічних пелюсток і рівень крос-поляризації антени високі, ймовірно, через її відкриту структуру. Тому його ефективність зчеплення 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 дизайну діелектрична антена може досягти узгодження імпедансу з детектором і має переваги простого процесу, легкої інтеграції та низької вартості. Останніми роками дослідники розробили кілька вузькосмугових і широкосмугових бічних антен, які можуть відповідати низькоомним детекторам терагерцових діелектричних антен: антена-метелик, подвійна U-подібна антена, логперіодична антена та логперіодична синусоїдальна антена, як показано на малюнку 8. Крім того, за допомогою генетичних алгоритмів можна спроектувати більш складну геометрію антени.
Рисунок 8 Чотири типи планарних антен
Однак, оскільки діелектрична антена поєднується з діелектричною підкладкою, ефект поверхневої хвилі виникне, коли частота прагне до діапазону ТГц. Цей фатальний недолік призведе до того, що антена втратить багато енергії під час роботи та призведе до значного зниження ефективності випромінювання антени. Як показано на малюнку 9, коли кут випромінювання антени більший за кут зрізу, її енергія утримується в діелектричній підкладці та поєднується з модою підкладки.
Рисунок 9 Ефект поверхневої хвилі антени
Зі збільшенням товщини підкладки кількість мод високого порядку збільшується, а зв’язок між антеною та підкладкою збільшується, що призводить до втрати енергії. Для послаблення ефекту поверхневої хвилі існують три схеми оптимізації:
1) Установіть лінзу на антену, щоб збільшити посилення за допомогою характеристик формування променя електромагнітних хвиль.
2) Зменшити товщину підкладки для придушення генерації вищих мод електромагнітних хвиль.
3) Замініть діелектричний матеріал підкладки на електромагнітну заборонену зону (EBG). Характеристики просторової фільтрації EBG можуть пригнічувати режими високого порядку.
3. Антени з нового матеріалу
Крім двох вищевказаних антен, існує також терагерцова антена з нових матеріалів. Наприклад, у 2006 році Jin Hao та ін. запропонував дипольну антену з вуглецевих нанотрубок. Як показано на малюнку 10 (а), диполь виготовлено з вуглецевих нанотрубок замість металевих матеріалів. Він ретельно вивчив інфрачервоні та оптичні властивості дипольної антени з вуглецевих нанотрубок і обговорив загальні характеристики дипольної антени з вуглецевих нанотрубок кінцевої довжини, такі як вхідний опір, розподіл струму, посилення, ефективність і діаграма спрямованості. На малюнку 10 (b) показано співвідношення між вхідним опором і частотою дипольної антени з вуглецевої нанотрубки. Як видно на малюнку 10(b), уявна частина вхідного імпедансу має кілька нулів на вищих частотах. Це означає, що антена може створювати численні резонанси на різних частотах. Очевидно, що антена з вуглецевих нанотрубок демонструє резонанс у певному діапазоні частот (нижчі частоти ТГц), але абсолютно нездатна резонувати за межами цього діапазону.
Рисунок 10 (a) Дипольна антена з вуглецевих нанотрубок. (b) Крива вхідного імпедансу-частоти
У 2012 році Самір Ф. Махмуд і Айед Р. Аль-Аджмі запропонували нову структуру терагерцової антени на основі вуглецевих нанотрубок, яка складається з пучка вуглецевих нанотрубок, загорнутих у два шари діелектрика. Внутрішній шар діелектрика - це шар діелектричної піни, а зовнішній шар діелектрика - це шар метаматеріалу. Конкретна структура показана на малюнку 11. Завдяки тестуванню продуктивність випромінювання антени була покращена порівняно з одностінними вуглецевими нанотрубками.
Рисунок 11 Нова терагерцова антена на основі вуглецевих нанотрубок
Запропоновані вище терагерцові антени з нового матеріалу є в основному тривимірними. З метою покращення смуги пропускання антени та створення конформних антен широку увагу привернули планарні графенові антени. Графен має чудові характеристики динамічного безперервного контролю 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 таких провідниках, як дорогоцінні метали та графен, є велика кількість «вільних електронів». Ці вільні електрони також називають плазмою. Завдяки властивому провіднику потенціальному полю ця плазма перебуває в стабільному стані й на неї не впливає зовнішній світ. Коли енергія падаючої електромагнітної хвилі поєднується з цією плазмою, плазма буде відхилятися від сталого стану та вібрувати. Після перетворення електромагнітна мода утворює на межі розділу поперечну магнітну хвилю. Відповідно до опису співвідношення дисперсії плазми металевої поверхні за допомогою моделі Друде, метали не можуть природним чином з’єднуватися з електромагнітними хвилями у вільному просторі та перетворювати енергію. Для збудження поверхневих плазмових хвиль необхідно використовувати інші матеріали. Поверхневі плазмові хвилі швидко загасають у паралельному напрямку межі розділу метал-підкладка. Коли металевий провідник проводить у напрямку, перпендикулярному до поверхні, виникає скін-ефект. Очевидно, що через невеликий розмір антени в смузі високих частот виникає скін-ефект, який призводить до різкого зниження продуктивності антени та не може відповідати вимогам терагерцових антен. Поверхневий плазмон графену не тільки має вищу силу зв’язування та менші втрати, але також підтримує постійне електричне налаштування. Крім того, графен має комплексну провідність в терагерцовому діапазоні. Тому повільне поширення хвилі пов'язане з плазмовим режимом на терагерцевих частотах. Ці характеристики повністю демонструють доцільність графену замінити металеві матеріали в терагерцовому діапазоні.
Базуючись на поляризаційній поведінці графенових поверхневих плазмонів, на малюнку 12 показано новий тип стрічкової антени та запропоновано форму смуги характеристик поширення плазмових хвиль у графені. Конструкція регульованого діапазону антен забезпечує новий спосіб дослідження характеристик розповсюдження терагерцових антен з нового матеріалу.
Рисунок 12 Нова стрічкова антена
На додаток до вивчення елементів терагерцової антени з нового матеріалу, графенові нанопатчі терагерцові антени також можуть бути розроблені як масиви для побудови систем зв’язку терагерцової антени з кількома входами та кількома виходами. Структура антени показана на малюнку 13. Завдяки унікальним властивостям антен із графенових нанопатчів елементи антени мають мікронні розміри. Хімічне осадження з парової фази безпосередньо синтезує різні графенові зображення на тонкому шарі нікелю та переносить їх на будь-яку підкладку. Вибравши відповідну кількість компонентів і змінивши електростатичну напругу зсуву, напрям випромінювання можна ефективно змінити, що робить систему реконфігурованою.
Рисунок 13 Графенова нанопатч терагерцова антенна решітка
Дослідження нових матеріалів є відносно новим напрямком. Очікується, що інноваційні матеріали подолають обмеження традиційних антен і розроблять різноманітні нові антени, такі як реконфігуровані метаматеріали, двовимірні (2D) матеріали тощо. Однак цей тип антени в основному залежить від інновацій нових матеріалів і прогрес технології процесу. У будь-якому випадку розробка терагерцових антен потребує інноваційних матеріалів, точної технології обробки та нових конструктивних структур, щоб задовольнити вимоги високого коефіцієнта посилення, низької вартості та широкої смуги пропускання терагерцових антен.
Далі представлені основні принципи трьох типів терагерцових антен: металеві антени, діелектричні антени та антени з нових матеріалів, а також аналізуються їхні відмінності, переваги та недоліки.
1. Металева антена: геометрія проста, легка в обробці, відносно низька вартість і низькі вимоги до матеріалів підкладки. Однак металеві антени використовують механічний метод регулювання положення антени, який схильний до помилок. Якщо регулювання буде виконано неправильно, продуктивність антени буде значно знижена. Незважаючи на те, що металева антена має невеликі розміри, її складно зібрати з плоскою схемою.
2. Діелектрична антена: діелектрична антена має низький вхідний опір, її легко поєднати з детектором з низьким опором і відносно просто підключити до планарної схеми. Геометричні форми діелектричних антен включають форму метелика, подвійну U-подібну форму, звичайну логарифмічну форму та логарифмічну періодичну синусну форму. Однак діелектричні антени також мають фатальну ваду, а саме ефект поверхневої хвилі, викликаний товстою підкладкою. Рішення полягає в тому, щоб завантажити лінзу та замінити діелектричну підкладку структурою EBG. Обидва рішення вимагають інновацій і постійного вдосконалення технологічних процесів і матеріалів, але їх відмінні характеристики (такі як всеспрямованість і придушення поверхневих хвиль) можуть дати нові ідеї для дослідження терагерцових антен.
3. Антени з нових матеріалів: в даний час з'явилися нові дипольні антени з вуглецевих нанотрубок і нові антенні структури з метаматеріалів. Нові матеріали можуть принести нові прориви в продуктивності, але передумовою є інновації в матеріалознавстві. На даний момент дослідження антен з нових матеріалів все ще знаходяться на дослідницькій стадії, і багато ключових технологій недостатньо зрілі.
Таким чином, можна вибрати різні типи терагерцових антен відповідно до вимог конструкції:
1) Якщо потрібна проста конструкція та низька вартість виробництва, можна вибрати металеві антени.
2) Якщо потрібна висока інтеграція та низький вхідний опір, можна вибрати діелектричні антени.
3) Якщо потрібен прорив у продуктивності, можна вибрати антени з нового матеріалу.
Наведені вище конструкції також можна налаштувати відповідно до конкретних вимог. Наприклад, можна поєднати два типи антен, щоб отримати більше переваг, але спосіб складання і технологія конструкції повинні відповідати більш жорстким вимогам.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 2 серпня 2024 р
