Са све већом популарношћу бежичних уређаја, услуге преноса података су ушле у нови период брзог развоја, познат и као експлозиван раст услуга преноса 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 саобраћаја података и недостатка ресурса пропусног опсега. Према статистици, брзина преноса података на тржишту може достићи Gbps или чак Tbps у наредних 10 до 15 година. Тренутно је THz комуникација достигла Gbps брзину преноса података, док је Tbps брзина преноса података још увек у раним фазама развоја. Један повезани рад наводи најновији напредак у Gbps брзинама преноса података на основу THz опсега и предвиђа да се Tbps може добити мултиплексирањем поларизације. Стога, да би се повећала брзина преноса података, изводљиво решење је развој новог фреквентног опсега, а то је терахерцни опсег, који се налази у „празном подручју“ између микроталаса и инфрацрвене светлости. На Светској конференцији о радио-комуникацијама ITU (WRC-19) 2019. године, фреквентни опсег од 275-450 GHz је коришћен за фиксне и копнено-мобилне услуге. Може се видети да су бежични комуникациони системи терахерца привукли пажњу многих истраживача.
Терахерцни електромагнетни таласи се генерално дефинишу као фреквентни опсег од 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) са таласном дужином од 0,03-3 mm. Према IEEE стандарду, терахерцни таласи су дефинисани као 0,3-10 THz. Слика 1 показује да се терахерцни фреквентни опсег налази између микроталаса и инфрацрвене светлости.
Сл. 1 Шематски дијаграм фреквентног опсега од THz.
Развој терахерцних антена
Иако су истраживања терахерцног зрачења почела у 19. веку, у то време нису проучавана као независна област. Истраживање терахерцног зрачења углавном је било усмерено на далеки инфрацрвени опсег. Тек средином и крајем 20. века истраживачи су почели да унапређују истраживање милиметарских таласа на терахерцни опсег и спроводе специјализована истраживања терахерцне технологије.
Осамдесетих година прошлог века, појава терахерцних извора зрачења омогућила је примену терахерцних таласа у практичним системима. Од 21. века, технологија бежичне комуникације се брзо развија, а потражња људи за информацијама и повећање комуникационе опреме поставили су строже захтеве за брзину преноса комуникационих података. Стога је један од изазова будуће комуникационе технологије рад са великом брзином преноса података од гигабита у секунди на једној локацији. У условима тренутног економског развоја, ресурси спектра постају све оскуднији. Међутим, људске потребе за капацитетом и брзином комуникације су бескрајне. Због проблема загушења спектра, многе компаније користе технологију вишеструких улаза и излаза (MIMO) како би побољшале ефикасност спектра и капацитет система путем просторног мултиплексирања. Са напретком 5G мрежа, брзина везе за пренос података сваког корисника ће премашити Gbps, а саобраћај података базних станица ће се такође значајно повећати. За традиционалне милиметарске комуникационе системе, микроталасне везе неће моћи да поднесу ове огромне токове података. Поред тога, због утицаја линије вида, удаљеност преноса инфрацрвене комуникације је кратка, а локација комуникационе опреме је фиксна. Стога се терахерц таласи, који се налазе између микроталаса и инфрацрвеног таласа, могу користити за изградњу брзих комуникационих система и повећање брзине преноса података коришћењем терахерц веза.
Терахерцни таласи могу да обезбеде шири комуникациони опсег, а његов фреквентни опсег је око 1000 пута већи од мобилног комуникационог. Стога је коришћење терахерцних таласа за изградњу ултрабрзих бежичних комуникационих система обећавајуће решење за изазов високих брзина преноса података, што је привукло интересовање многих истраживачких тимова и индустрија. У септембру 2017. године објављен је први терахерцни бежични комуникациони стандард IEEE 802.15.3d-2017, који дефинише размену података од тачке до тачке у нижем терахерцном фреквентном опсегу од 252-325 GHz. Алтернативни физички слој (PHY) везе може да постигне брзине преноса података до 100 Gbps при различитим пропусним опсезима.
Први успешан THz комуникациони систем од 0,12 THz успостављен је 2004. године, а THz комуникациони систем од 0,3 THz реализован је 2013. године. Табела 1 наводи напредак истраживања терахерцних комуникационих система у Јапану од 2004. до 2013. године.
Табела 1 Напредак истраживања терахерцних комуникационих система у Јапану од 2004. до 2013. године
Структура антене комуникационог система развијеног 2004. године детаљно је описана од стране компаније Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) 2005. године. Конфигурација антене је представљена у два случаја, као што је приказано на слици 2.
Слика 2 Шематски дијаграм јапанског бежичног комуникационог система NTT 120 GHz
Систем интегрише фотоелектричну конверзију и антену и усваја два режима рада:
1. У затвореном простору блиске удаљености, планарни антенски предајник који се користи у затвореном простору састоји се од чипа једнолинијске носеће фотодиоде (UTC-PD), планарне прорезне антене и силицијумског сочива, као што је приказано на слици 2(а).
2. У спољашњем окружењу на великим даљинама, како би се побољшао утицај великих губитака преноса и ниске осетљивости детектора, антена предајника мора имати високо појачање. Постојећа терахерцна антена користи Гаусово оптичко сочиво са појачањем већим од 50 dBi. Комбинација напајајућег рупа и диелектричног сочива приказана је на слици 2(б).
Поред развоја комуникационог система од 0,12 THz, NTT је 2012. године развио и комуникациони систем од 0,3 THz. Кроз континуирану оптимизацију, брзина преноса може достићи и 100 Gbps. Као што се може видети из Табеле 1, дао је велики допринос развоју терахерцне комуникације. Међутим, тренутни истраживачки рад има недостатке ниске радне фреквенције, велике величине и високе трошкове.
Већина терахерцних антена које се тренутно користе су модификоване од милиметарских таласних антена, а постоји мало иновација у терахерцним антенама. Стога, како би се побољшале перформансе терахерцних комуникационих система, важан задатак је оптимизација терахерцних антена. Табела 2 приказује напредак истраживања немачке терахерцне комуникације. Слика 3 (а) приказује репрезентативни терахерцни бежични комуникациони систем који комбинује фотонику и електронику. Слика 3 (б) приказује сцену тестирања у аеротунелу. Судећи по тренутној истраживачкој ситуацији у Немачкој, његово истраживање и развој такође имају недостатке као што су ниска радна фреквенција, висока цена и ниска ефикасност.
Табела 2 Напредак истраживања THz комуникације у Немачкој
Слика 3 Тестирање у аеротунелу
ИКТ центар CSIRO је такође покренуо истраживање терахертских бежичних комуникационих система у затвореном простору. Центар је проучавао однос између године и комуникационе фреквенције, као што је приказано на слици 4. Као што се може видети са слике 4, до 2020. године, истраживања бежичних комуникација теже терахертском опсегу. Максимална комуникациона фреквенција коришћењем радио спектра повећава се око десет пута сваких двадесет година. Центар је дао препоруке о захтевима за терахертске антене и предложио традиционалне антене као што су хорне и сочива за терахертске 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 Две врсте антена са рупом
Сједињене Америчке Државе су спровеле опсежна истраживања о емисији и детекцији терахерцних таласа. Познате терахерцне истраживачке лабораторије укључују Лабораторију за млазни погон (JPL), Станфордски центар за линеарни акцелератор (SLAC), Америчку националну лабораторију (LLNL), Националну администрацију за аеронаутику и свемир (NASA), Националну научну фондацију (NSF) итд. Пројектоване су нове терахерцне антене за терахерцне примене, као што су антене са лефт-машном и антене за управљање фреквентним снопом. Према развоју терахерцних антена, тренутно можемо добити три основне идеје за дизајн терахерцних антена, као што је приказано на слици 6.
Слика 6 Три основне идеје за дизајн терахерцних антена
Горе наведена анализа показује да, иако су многе земље посветиле велику пажњу терахерцним антенама, оне су још увек у почетној фази истраживања и развоја. Због великих губитака услед пропагације и молекуларне апсорпције, терахерцне антене су обично ограничене даљином преноса и покривеношћу. Неке студије се фокусирају на ниже радне фреквенције у терахерцном опсегу. Постојећа истраживања терахерцних антена углавном се фокусирају на побољшање појачања коришћењем диелектричних сочива антена итд. и побољшање ефикасности комуникације коришћењем одговарајућих алгоритама. Поред тога, веома хитно питање је како побољшати ефикасност паковања терахерцних антена.
Опште THz антене
Доступне су многе врсте ТХз антена: диполне антене са конусним шупљинама, низови угаоних рефлектора, диполи у облику машне, планарне антене са диелектричним сочивима, фотопроводљиве антене за генерисање извора зрачења ТХз, антене са роговима, ТХз антене засноване на графенским материјалима итд. Према материјалима који се користе за израду ТХз антена, оне се могу грубо поделити на металне антене (углавном антене са роговима), диелектричне антене (антене са сочивима) и антене од нових материјала. Овај одељак прво даје прелиминарну анализу ових антена, а затим у следећем одељку детаљно је представљено и детаљно анализирано пет типичних ТХз антена.
1. Металне антене
Рожна антена је типична метална антена која је дизајнирана за рад у терахерцном опсегу. Антена класичног милиметарског пријемника је конусни рог. Таласасте и двомодне антене имају многе предности, укључујући ротационо симетричне дијаграме зрачења, високо појачање од 20 до 30 dBi и низак ниво унакрсне поларизације од -30 dB, као и ефикасност спрезања од 97% до 98%. Доступни пропусни опсези две ронжне антене су 30%-40% и 6%-8%, респективно.
Пошто је фреквенција терахерцних таласа веома висока, величина антене са рогом је веома мала, што чини обраду рога веома тешком, посебно при пројектовању антенских низова, а сложеност технологије обраде доводи до прекомерних трошкова и ограничене производње. Због тешкоће у производњи дна сложеног дизајна рога, обично се користи једноставна антена са рогом у облику конусног или конусног рога, што може смањити трошкове и сложеност процеса, а перформансе зрачења антене могу се добро одржавати.
Још једна метална антена је пирамидална антена са путујућим таласом, која се састоји од антене са путујућим таласом интегрисане на диелектричном филму од 1,2 микрона и окачене у уздужној шупљини угравираној на силицијумској плочици, као што је приказано на слици 7. Ова антена је отворене структуре која је компатибилна са Шоткијевим диодама. Због своје релативно једноставне структуре и ниских захтева за производњу, генерално се може користити у фреквентним опсезима изнад 0,6 THz. Међутим, ниво бочних режњева и ниво унакрсне поларизације антене су високи, вероватно због њене отворене структуре. Стога је њена ефикасност спрезања релативно ниска (око 50%).
Слика 7 Пирамидална антена са путујућим таласом
2. Диелектрична антена
Диелектрична антена је комбинација диелектричне подлоге и радијатора антене. Правилним дизајном, 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 бочним усмеравањем које могу да се подударају са детекторима ниске импедансе терахерцних диелектричних антена: антена лептир, антена у облику двоструког слова U, лог-периодична антена и лог-периодична синусоидна антена, као што је приказано на слици 8. Поред тога, сложеније геометрије антена могу се дизајнирати помоћу генетских алгоритама.
Слика 8 Четири типа планарних антена
Међутим, пошто је диелектрична антена комбинована са диелектричном подлогом, ефекат површинског таласа ће се јавити када фреквенција тежи терахерцном 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 угла граничника, њена енергија је ограничена у диелектричној подлози и спрегнута са модом подлоге.
Слика 9 Ефекат површинског таласа антене
Како се дебљина подлоге повећава, повећава се број модова вишег реда, а повећава се и спрега између антене и подлоге, што доводи до губитка енергије. Да би се ослабио ефекат површинског таласа, постоје три шеме оптимизације:
1) Поставите сочиво на антену да бисте повећали појачање користећи карактеристике формирања снопа електромагнетних таласа.
2) Смањите дебљину подлоге да бисте сузбили генерисање електромагнетних таласа вишег реда.
3) Замените диелектрични материјал подлоге електромагнетним енергетским забрањеним опсегом (EBG). Просторне карактеристике филтрирања EBG-а могу потиснути модове вишег реда.
3. Антене од новог материјала
Поред горе наведене две антене, постоји и терахерцна антена направљена од нових материјала. На пример, 2006. године, Јин Хао и др. су предложили диполну антену од угљеничне наноцеви. Као што је приказано на слици 10 (а), дипол је направљен од угљеничних наноцеви уместо од металних материјала. Пажљиво је проучио инфрацрвена и оптичка својства диполне антене од угљеничне наноцеви и разматрао опште карактеристике диполне антене од угљеничне наноцеви коначне дужине, као што су улазна импеданса, расподела струје, појачање, ефикасност и дијаграм зрачења. Слика 10 (б) приказује везу између улазне импедансе и фреквенције диполне антене од угљеничне наноцеви. Као што се може видети на слици 10(б), имагинарни део улазне импедансе има вишеструке нуле на вишим фреквенцијама. Ово указује да антена може постићи вишеструке резонанције на различитим фреквенцијама. Очигледно је да антена од угљеничне наноцеви показује резонанцију унутар одређеног фреквентног опсега (ниже THz фреквенције), али је потпуно неспособна да резонује ван овог опсега.
Слика 10 (а) Диполна антена од угљеничних наноцеви. (б) Крива улазне импедансе и фреквенције
Године 2012, Самир Ф. Махмуд и Ајед Р. АлАјми су предложили нову структуру терахерцне антене засновану на угљеничним наноцевчицама, која се састоји од снопа угљеничних наноцевчица обмотаних 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 су побољшане перформансе зрачења антене у поређењу са једнозидним угљеничним наноцевчицама.
Слика 11 Нова терахерцна антена заснована на угљеничним наноцевчицама
Нове материјалне терахерцне антене предложене горе су углавном тродимензионалне. Да би се побољшао пропусни опсег антене и направиле конформне антене, планарне графенске антене су добиле широку пажњу. Графен има одличне карактеристике динамичке континуиране контроле и може да генерише површинску плазму подешавањем напона преднапона. Површинска плазма постоји на граници између подлога са позитивном диелектричном константом (као што су Si, SiO2, итд.) и подлога са негативном диелектричном константом (као што су племенити метали, графен, итд.). Постоји велики број „слободних електрона“ у проводницима као што су племенити метали и графен. Ови слободни електрони се такође називају плазме. Због инхерентног потенцијалног поља у проводнику, ове плазме су у стабилном стању и нису поремећене спољашњим светом. Када се енергија упадног електромагнетног таласа споји са овим плазмама, плазме ће одступити од стабилног стања и вибрирати. Након конверзије, електромагнетни мод формира попречни магнетни талас на граници. Према опису дисперзионог односа плазме површине метала Друдеовим моделом, метали се не могу природно спојити са електромагнетним таласима у слободном простору и претворити енергију. Потребно је користити друге материјале за побуђивање површинских плазма таласа. Површински плазма таласи брзо опадају у паралелном смеру интерфејса метал-подлога. Када метални проводник проводи у смеру нормалном на површину, јавља се скин ефекат. Очигледно је да због мале величине антене постоји скин ефекат у високофреквентном опсегу, што узрокује нагли пад перформанси антене и не може да задовољи захтеве терахерцних антена. Површински плазмон графена не само да има већу силу везивања и мање губитке, већ подржава и континуирано електрично подешавање. Поред тога, графен има сложену проводљивост у терахерцном опсегу. Стога је простирање спорог таласа повезано са плазма модом на терахерцним фреквенцијама. Ове карактеристике у потпуности показују изводљивост графена као замене за металне материјале у терахерцном опсегу.
На основу понашања поларизације површинских плазмона графена, слика 12 приказује нови тип тракасте антене и предлаже облик траке карактеристика пропагације плазма таласа у графену. Дизајн подесиве траке антене пружа нови начин за проучавање карактеристика пропагације терахерцних антена новог материјала.
Слика 12 Нова тракаста антена
Поред истраживања нових материјала за терахерцне антенске елементе, графенске нанопатч терахерцне антене могу се пројектовати и као низови за изградњу терахерцних комуникационих система са више улаза и више излаза. Структура антене је приказана на слици 13. На основу јединствених својстава графенских нанопатч антена, антенски елементи имају димензије микронске скале. Хемијско таложење из паре директно синтетише различите графенске слике на танком слоју никла и преноси их на било коју подлогу. Одабиром одговарајућег броја компоненти и променом напона електростатичке преднапоне, правац зрачења се може ефикасно променити, чинећи систем реконфигурабилним.
Слика 13. Графенски нанопатч терахерцни антенски низ
Истраживање нових материјала је релативно нов правац. Очекује се да ће иновација материјала пробити ограничења традиционалних антена и развити разне нове антене, као што су реконфигурабилни метаматеријали, дводимензионални (2Д) материјали итд. Међутим, ова врста антене углавном зависи од иновације нових материјала и напретка процесне технологије. У сваком случају, развој терахерцних антена захтева иновативне материјале, прецизну технологију обраде и нове дизајнерске структуре како би се задовољили захтеви терахерцних антена за високим појачањем, ниском ценом и широким пропусним опсегом.
У наставку су представљени основни принципи три врсте терахерцних антена: металне антене, диелектричне антене и антене од нових материјала, и анализиране су њихове разлике, предности и мане.
1. Метална антена: Геометрија је једноставна, лака за обраду, релативно ниска цена и мали захтеви за материјале подлоге. Међутим, металне антене користе механички метод за подешавање положаја антене, што је склоно грешкама. Ако подешавање није исправно, перформансе антене ће бити знатно смањене. Иако је метална антена мале величине, тешко ју је саставити са планарним колом.
2. Диелектрична антена: Диелектрична антена има ниску улазну импедансу, лако се упарује са детектором ниске импедансе и релативно је једноставна за повезивање са планарним колом. Геометријски облици диелектричних антена укључују облик лептира, облик двоструког слова U, конвенционални логаритамски облик и логаритамски периодични синусни облик. Међутим, диелектричне антене такође имају фаталну ману, наиме ефекат површинског таласа изазван дебелом подлогом. Решење је да се убаци сочиво и замени диелектрична подлога EBG структуром. Оба решења захтевају иновације и континуирано унапређење процесне технологије и материјала, али њихове одличне перформансе (као што су свесмерност и супресија површинских таласа) могу пружити нове идеје за истраживање терахерцних антена.
3. Антене од нових материјала: Тренутно су се појавиле нове диполне антене направљене од угљеничних наноцеви и нове антенске структуре направљене од метаматеријала. Нови материјали могу донети нове продоре у перформансама, али претпоставка је иновација науке о материјалима. Тренутно је истраживање антена од нових материјала још увек у фази истраживања и многе кључне технологије нису довољно зреле.
Укратко, различите врсте терахерцних антена могу се одабрати према захтевима дизајна:
1) Ако је потребан једноставан дизајн и ниски трошкови производње, могу се одабрати металне антене.
2) Ако је потребна висока интеграција и ниска улазна импеданса, могу се одабрати диелектричне антене.
3) Ако је потребан пробој у перформансама, могу се одабрати антене од новог материјала.
Горе наведени дизајни се такође могу прилагодити специфичним захтевима. На пример, две врсте антена могу се комбиновати да би се добиле додатне предности, али метод монтаже и технологија дизајна морају испуњавати строже захтеве.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време објаве: 02.08.2024.
