Са све већом популарношћу бежичних уређаја, услуге података су ушле у нови период брзог развоја, познат и као експлозивни раст услуга података. Тренутно, велики број апликација постепено мигрира са рачунара на бежичне уређаје као што су мобилни телефони који се лако носе и раде у реалном времену, али ова ситуација је такође довела до брзог повећања промета података и недостатка ресурса пропусног опсега. . Према статистикама, брзина преноса података на тржишту може достићи Гбпс или чак Тбпс у наредних 10 до 15 година. Тренутно је ТХз комуникација достигла брзину преноса података у Гбпс, док је брзина преноса података у Тбпс још увек у раним фазама развоја. Сродни документ наводи најновији напредак у брзинама података у Гбпс на основу ТХз опсега и предвиђа да се Тбпс може добити поларизационим мултиплексирањем. Стога, да би се повећала брзина преноса података, изводљиво решење је да се развије нови фреквентни опсег, а то је терахерц опсег, који се налази у "празном подручју" између микроталаса и инфрацрвене светлости. На ИТУ светској радиокомуникацијској конференцији (ВРЦ-19) 2019. године, опсег фреквенција од 275-450 ГХз је коришћен за фиксне и копнене мобилне услуге. Види се да су терахерц бежични комуникациони системи привукли пажњу многих истраживача.
Терахерц електромагнетни таласи се генерално дефинишу као фреквенцијски опсег од 0,1-10ТХз (1ТХз=1012Хз) са таласном дужином од 0,03-3 мм. Према ИЕЕЕ стандарду, терахерц таласи су дефинисани као 0,3-10ТХз. Слика 1 показује да је терахерц фреквенцијски опсег између микроталаса и инфрацрвене светлости.
Слика 1 Шематски дијаграм фреквенцијског опсега ТХз.
Развој Терахерц антена
Иако су истраживања терахерца почела у 19. веку, она се у то време нису проучавала као самостална област. Истраживања терахерцног зрачења углавном су била усмерена на далеко инфрацрвени опсег. Тек средином до касног 20. века истраживачи су почели да унапређују истраживање милиметарских таласа у терахерц опсег и спроводе специјализована истраживања терахерц технологије.
Осамдесетих година прошлог века, појава терахерц извора зрачења омогућила је примену терахерц таласа у практичним системима. Од 21. века, бежична комуникациона технологија се брзо развијала, а потражња људи за информацијама и повећање комуникационе опреме поставили су строже захтеве у погледу брзине преноса комуникационих података. Стога је један од изазова будуће комуникационе технологије да ради при високој брзини података од гигабита у секунди на једној локацији. У складу са тренутним економским развојем, ресурси спектра су постали све оскуднији. Међутим, људски захтеви за комуникацијским капацитетом и брзином су бескрајни. За проблем загушења спектра, многе компаније користе технологију вишеструких улаза и више излаза (МИМО) за побољшање ефикасности спектра и капацитета система кроз просторно мултиплексирање. Са унапређењем 5Г мрежа, брзина преноса података сваког корисника ће премашити Гбпс, а значајно ће се повећати и саобраћај података базних станица. За традиционалне комуникационе системе са милиметарским таласима, микроталасне везе неће моћи да поднесу ове огромне токове података. Поред тога, због утицаја линије вида, даљина преноса инфрацрвене комуникације је кратка и локација њене комуникационе опреме је фиксна. Стога, ТХз таласи, који су између микроталасних и инфрацрвених, могу да се користе за изградњу комуникационих система велике брзине и повећање брзине преноса података коришћењем ТХз веза.
Терахерц таласи могу да обезбеде шири комуникациони опсег, а њихов фреквентни опсег је око 1000 пута већи од опсега мобилних комуникација. Стога је коришћење ТХз-а за изградњу ултра-брзиних бежичних комуникационих система обећавајуће решење за изазов високих брзина преноса података, што је привукло интересовање многих истраживачких тимова и индустрија. У септембру 2017. објављен је први ТХз бежични комуникациони стандард ИЕЕЕ 802.15.3д-2017, који дефинише размену података од тачке до тачке у доњем фреквенцијском опсегу ТХз од 252-325 ГХз. Алтернативни физички слој (ПХИ) везе може да постигне брзину преноса података до 100 Гбпс на различитим пропусним опсегима.
Први успешан ТХз комуникациони систем од 0,12 ТХз успостављен је 2004. године, а ТХз комуникациони систем од 0,3 ТХз је реализован 2013. У табели 1 приказан је напредак истраживања терахерц комуникационих система у Јапану од 2004. до 2013. године.
Табела 1 Напредак истраживања терахерц комуникационих система у Јапану од 2004. до 2013. године
Структуру антене комуникационог система развијеног 2004. године детаљно је описао Ниппон Телеграпх анд Телепхоне Цорпоратион (НТТ) 2005. Конфигурација антене је уведена у два случаја, као што је приказано на слици 2.
Слика 2 Шематски дијаграм јапанског НТТ 120 ГХз бежичног комуникационог система
Систем интегрише фотоелектричну конверзију и антену и усваја два режима рада:
1. У затвореном окружењу блиског домета, планарни антенски предајник који се користи у затвореном простору састоји се од чипа фотодиоде са једном линијом носиоца (УТЦ-ПД), планарне антене и силиконског сочива, као што је приказано на слици 2(а).
2. У спољном окружењу великог домета, да би се побољшао утицај великог губитка преноса и ниске осетљивости детектора, антена предајника мора имати високо појачање. Постојећа терахерц антена користи Гаусово оптичко сочиво са појачањем већим од 50 дБи. Комбинација сире за напајање и диелектричног сочива приказана је на слици 2(б).
Поред развоја комуникационог система од 0,12 ТХз, НТТ је 2012. године развио и комуникациони систем од 0,3 ТХз. Кроз континуирану оптимизацију, брзина преноса може бити и до 100 Гбпс. Као што се види из табеле 1, дала је велики допринос развоју терахерц комуникације. Међутим, тренутни истраживачки рад има недостатке ниске радне фреквенције, велике величине и високе цене.
Већина терахерц антена које се тренутно користе су модификоване од антена са милиметарским таласима, а мало је иновација у терахерц антенама. Стога, у циљу побољшања перформанси терахерц комуникационих система, важан задатак је оптимизација терахерц антена. Табела 2 наводи напредак истраживања немачке ТХз комуникације. Слика 3 (а) приказује репрезентативни ТХз бежични комуникациони систем који комбинује фотонику и електронику. Слика 3 (б) приказује сцену испитивања у аеротунелу. Судећи по тренутној истраживачкој ситуацији у Немачкој, њено истраживање и развој има и недостатке као што су ниска радна фреквенција, висока цена и ниска ефикасност.
Табела 2 Напредак истраживања ТХз комуникације у Немачкој
Слика 3 Тестна сцена у аеротунелу
ЦСИРО ИЦТ центар је такође покренуо истраживање о ТХз унутрашњим бежичним комуникационим системима. Центар је проучавао однос између године и фреквенције комуникације, као што је приказано на слици 4. Као што се може видети са слике 4, до 2020. године истраживања бежичних комуникација теже ТХз опсегу. Максимална фреквенција комуникације коришћењем радио спектра расте око десет пута сваких двадесет година. Центар је дао препоруке о захтевима за ТХз антене и предложио традиционалне антене као што су рогови и сочива за ТХз комуникационе системе. Као што је приказано на слици 5, две хорне антене раде на 0,84 ТХз и 1,7 ТХз респективно, са једноставном структуром и добрим перформансама Гаусовог снопа.
Слика 4 Однос између године и учесталости
РМ-БДХА818-20А
РМ-ДЦПХА105145-20
Слика 5 Два типа рог антена
Сједињене Државе су спровеле опсежна истраживања о емисији и детекцији терахерц таласа. Познате терахерц истраживачке лабораторије укључују Лабораторију за млазни погон (ЈПЛ), Центар за линеарне акцелераторе Станфорда (СЛАЦ), Националну лабораторију САД (ЛЛНЛ), Националну администрацију за аеронаутику и свемир (НАСА), Националну научну фондацију (НСФ) итд. Дизајниране су нове терахерц антене за терахерц апликације, као што су антене машне и антене за управљање фреквенцијским снопом. Према развоју терахерц антена, тренутно можемо добити три основне идеје за дизајн терахерц антена, као што је приказано на слици 6.
Слика 6 Три основне дизајнерске идеје за терахерц антене
Наведена анализа показује да иако су многе земље посветиле велику пажњу терахерц антенама, оне су још увек у почетној фази истраживања и развоја. Због великог губитка ширења и молекуларне апсорпције, ТХз антене су обично ограничене даљином преноса и покривеношћу. Неке студије се фокусирају на ниже радне фреквенције у ТХз опсегу. Постојећа истраживања терахерц антена се углавном фокусирају на побољшање појачања коришћењем антена са диелектричним сочивима, итд., и побољшање ефикасности комуникације коришћењем одговарајућих алгоритама. Поред тога, веома је хитно питање како побољшати ефикасност паковања терахерц антена.
Опште ТХз антене
Доступне су многе врсте ТХз антена: диполне антене са конусним шупљинама, угаони рефлектори, диполи машни, планарне антене са диелектричним сочивима, фотокондуктивне антене за генерисање ТХз извора зрачења, рог антене, ТХз антене на бази графенских материјала итд. Од материјала који се користе за прављење ТХз антена, могу се грубо поделити на металне антене (углавном рог антене), диелектричне антене (антене са сочивима) и антене од новог материјала. Овај одељак прво даје прелиминарну анализу ових антена, а затим у следећем делу, пет типичних ТХз антена је детаљно представљено и детаљно анализирано.
1. Металне антене
Рожна антена је типична метална антена која је дизајнирана да ради у ТХз опсегу. Антена класичног пријемника милиметарског таласа је конусни рог. Ребрасте и дуал-моде антене имају многе предности, укључујући ротационо симетричне обрасце зрачења, високо појачање од 20 до 30 дБи и низак ниво унакрсне поларизације од -30 дБ и ефикасност спајања од 97% до 98%. Доступни пропусни опсег за две рог антене је 30%-40% и 6%-8%, респективно.
Пошто је фреквенција терахерц таласа веома висока, величина хорне антене је веома мала, што веома отежава обраду хорне, посебно у пројектовању антенских низова, а сложеност технологије обраде доводи до превисоких трошкова и ограничена производња. Због потешкоћа у производњи дна сложеног дизајна хорне, обично се користи једноставна рог антена у облику конусног или конусног сирена, што може смањити трошкове и сложеност процеса, а перформансе зрачења антене се могу одржати. добро.
Друга метална антена је пирамидална антена путујућег таласа, која се састоји од антене путујућег таласа интегрисане на диелектричном филму од 1,2 микрона и суспендоване у уздужној шупљини урезаној на силиконској плочици, као што је приказано на слици 7. Ова антена је отворена структура која је компатибилан са Шоткијевим диодама. Због своје релативно једноставне структуре и ниских производних захтева, генерално се може користити у фреквентним опсезима изнад 0,6 ТХз. Међутим, ниво бочног дела и ниво унакрсне поларизације антене су високи, вероватно због њене отворене структуре. Због тога је његова ефикасност спајања релативно ниска (око 50%).
Слика 7 Пирамидална антена путујућег таласа
2. Диелектрична антена
Диелектрична антена је комбинација диелектричне подлоге и антенског радијатора. Кроз правилан дизајн, диелектрична антена може постићи усклађивање импедансе са детектором и има предности једноставног процеса, лаке интеграције и ниске цене. Последњих година, истраживачи су дизајнирали неколико ускопојасних и широкопојасних антена са бочном паљбом које могу да одговарају детекторима ниске импедансе терахерц диелектричних антена: лептир антена, двострука У-обликована антена, лог-периодична антена и лог-периодична синусоидна антена, као нпр. приказано на слици 8. Поред тога, сложеније геометрије антена се могу дизајнирати путем генетских алгоритама.
Слика 8 Четири типа планарних антена
Међутим, пошто је диелектрична антена комбинована са диелектричним супстратом, ефекат површинског таласа ће се појавити када фреквенција тежи ТХз опсегу. Овај фатални недостатак ће узроковати да антена изгуби много енергије током рада и довести до значајног смањења ефикасности зрачења антене. Као што је приказано на слици 9, када је угао зрачења антене већи од граничног угла, њена енергија је ограничена у диелектричној подлози и повезана са модом супстрата.
Слика 9. Ефекат површинског таласа антене
Како се дебљина подлоге повећава, број модова високог реда се повећава, а спрега између антене и подлоге се повећава, што резултира губитком енергије. Да би се ослабио ефекат површинског таласа, постоје три шеме оптимизације:
1) Поставите сочиво на антену да бисте повећали појачање коришћењем карактеристика формирања зрака електромагнетних таласа.
2) Смањите дебљину подлоге да бисте сузбили генерисање модова електромагнетних таласа високог реда.
3) Замените диелектрични материјал супстрата са електромагнетним појасом (ЕБГ). Карактеристике просторног филтрирања ЕБГ-а могу потиснути модове високог реда.
3. Нове антене материјала
Поред поменуте две антене, постоји и терахерц антена од нових материјала. На пример, 2006. године, Јин Хао ет ал. предложио диполну антену од угљеничних наноцеви. Као што је приказано на слици 10 (а), дипол је направљен од угљеничних наноцеви уместо металних материјала. Пажљиво је проучавао инфрацрвена и оптичка својства диполне антене од угљеничних наноцеви и разговарао о општим карактеристикама диполне антене са угљеничним наноцевима коначне дужине, као што су улазна импеданса, расподела струје, појачање, ефикасност и дијаграм зрачења. Слика 10 (б) приказује однос између улазне импедансе и фреквенције диполне антене од угљеничних наноцеви. Као што се може видети на слици 10(б), имагинарни део улазне импедансе има више нула на вишим фреквенцијама. Ово указује да антена може постићи вишеструке резонанце на различитим фреквенцијама. Очигледно, антена од угљеничне наноцеви показује резонанцију унутар одређеног фреквентног опсега (ниже фреквенције ТХз), али потпуно не може да резонује изван овог опсега.
Слика 10 (а) Диполна антена од угљеничних наноцеви. (б) Крива улазне импедансе и фреквенције
Самир Ф. Махмоуд и Аиед Р. АлАјми су 2012. године предложили нову терахерц антенску структуру засновану на угљеничним наноцевима, која се састоји од снопа угљеничних наноцеви умотаних у два диелектрична слоја. Унутрашњи диелектрични слој је слој диелектричне пене, а спољашњи диелектрични слој је слој метаматеријала. Специфична структура је приказана на слици 11. Тестирањем, перформансе зрачења антене су побољшане у поређењу са угљеничним наноцевима са једним зидом.
Слика 11 Нова терахерц антена на бази угљеничних наноцеви
Горе предложене терахерц антене од новог материјала су углавном тродимензионалне. Да би се побољшао пропусни опсег антене и направиле конформне антене, планарне графенске антене су добиле широку пажњу. Графен има одличне динамичке континуиране контролне карактеристике и може да генерише површинску плазму подешавањем напона преднапона. Површинска плазма постоји на интерфејсу између супстрата позитивне диелектричне константе (као што су Си, СиО2, итд.) и супстрата негативне диелектричне константе (као што су племенити метали, графен, итд.). У проводницима као што су племенити метали и графен постоји велики број „слободних електрона“. Ови слободни електрони се такође називају плазмама. Због инхерентног потенцијалног поља у проводнику, ове плазме су у стабилном стању и не ометају их спољашњи свет. Када се енергија упадног електромагнетног таласа повеже са овим плазмама, плазме ће одступити од стабилног стања и вибрирати. Након конверзије, електромагнетни режим формира попречни магнетни талас на интерфејсу. Према опису дисперзионе релације металне површинске плазме према Друде моделу, метали се не могу природно спајати са електромагнетним таласима у слободном простору и претварати енергију. За побуђивање површинских плазма таласа неопходно је користити друге материјале. Површински плазма таласи брзо опадају у паралелном смеру интерфејса метал-подлога. Када метални проводник води у правцу који је окомит на површину, јавља се скин ефекат. Очигледно, због мале величине антене, постоји скин ефекат у високофреквентном опсегу, што доводи до наглог пада перформанси антене и не може да испуни захтеве терахерц антена. Површински плазмон графена не само да има већу силу везивања и мањи губитак, већ подржава и континуирано електрично подешавање. Поред тога, графен има сложену проводљивост у терахерцном опсегу. Стога је споро ширење таласа повезано са плазма модом на терахерц фреквенцијама. Ове карактеристике у потпуности показују изводљивост графена да замени металне материјале у терахерцном опсегу.
На основу понашања поларизације плазмона на површини графена, Слика 12 приказује нови тип тракасте антене и предлаже облик појаса карактеристика пропагације плазма таласа у графену. Дизајн подесивог антенског опсега пружа нови начин проучавања карактеристика пропагације нових терахерц антена од материјала.
Слика 12 Нова тракаста антена
Поред истраживања терахерц антенских елемената новог материјала, графенске нанопатцх терахерц антене такође могу бити дизајниране као низови за изградњу терахерцних мулти-инпут мулти-оутпут антенских комуникационих система. Структура антене је приказана на слици 13. На основу јединствених својстава графенских нанопатцх антена, елементи антене имају димензије у микронској скали. Хемијско таложење паре директно синтетише различите слике графена на танком слоју никла и преноси их на било коју подлогу. Одабиром одговарајућег броја компоненти и променом електростатичког напона, правац зрачења се може ефикасно променити, чинећи систем реконфигурационим.
Слика 13 Графенски нанопатцх терахерц антенски низ
Истраживање нових материјала је релативно нов правац. Очекује се да ће иновација материјала пробити ограничења традиционалних антена и развити низ нових антена, као што су реконфигурабилни метаматеријали, дводимензионални (2Д) материјали, итд. Међутим, овај тип антене углавном зависи од иновација нових материјала и унапређење процесне технологије. У сваком случају, развој терахерц антена захтева иновативне материјале, прецизну технологију обраде и нове структуре дизајна да би се задовољили захтеви терахерц антена са високим појачањем, ниском ценом и широким пропусним опсегом.
У наставку су представљени основни принципи три типа терахерц антена: металне антене, диелектричне антене и антене од новог материјала и анализирају се њихове разлике и предности и недостаци.
1. Метална антена: Геометрија је једноставна, лака за обраду, релативно ниска цена и ниски захтеви за материјале подлоге. Међутим, металне антене користе механичку методу за подешавање положаја антене, која је склона грешкама. Ако подешавање није исправно, перформансе антене ће бити знатно смањене. Иако је метална антена мале величине, тешко је саставити са планарним колом.
2. Диелектрична антена: Диелектрична антена има ниску улазну импедансу, лако се може ускладити са детектором ниске импедансе и релативно је једноставна за повезивање са равним колом. Геометријски облици диелектричних антена укључују облик лептира, двоструки У облик, конвенционални логаритамски облик и логаритамски периодични синусни облик. Међутим, диелектричне антене такође имају фаталну ману, односно ефекат површинских таласа узрокован густом подлогом. Решење је да се учита сочиво и замени диелектрични супстрат са ЕБГ структуром. Оба решења захтевају иновације и континуирано унапређење технологије процеса и материјала, али њихове одличне перформансе (као што су омнидирекционост и потискивање површинских таласа) могу пружити нове идеје за истраживање терахерц антена.
3. Нове антене од материјала: Тренутно су се појавиле нове диполне антене направљене од угљеничних наноцеви и нове антенске структуре направљене од метаматеријала. Нови материјали могу донети нова достигнућа у перформансама, али претпоставка је иновација науке о материјалима. Тренутно је истраживање антена од нових материјала још увек у фази истраживања, а многе кључне технологије нису довољно зреле.
Укратко, различити типови терахерц антена могу се одабрати према захтевима дизајна:
1) Ако су потребни једноставан дизајн и ниски трошкови производње, могу се одабрати металне антене.
2) Ако су потребна висока интеграција и ниска улазна импеданса, могу се изабрати диелектричне антене.
3) Ако је потребан напредак у перформансама, могу се изабрати антене од новог материјала.
Горе наведени дизајни се такође могу прилагодити специфичним захтевима. На пример, две врсте антена се могу комбиновати да би се добило више предности, али начин склапања и технологија дизајна морају да задовоље строже захтеве.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време поста: 02.08.2024
