A vezeték nélküli eszközök növekvő népszerűségével az adatszolgáltatások a gyors fejlődés új korszakába léptek, amelyet az adatszolgáltatások robbanásszerű növekedésének is neveznek. Jelenleg számos alkalmazás fokozatosan átáll a számítógépekről a könnyen hordozható és valós időben kezelhető vezeték nélküli eszközökre, például a mobiltelefonokra, de ez a helyzet az adatforgalom gyors növekedéséhez és a sávszélesség-erőforrások hiányához is vezetett. A statisztikák szerint a piacon lévő adatsebesség a következő 10-15 évben elérheti a Gbps-ot vagy akár a Tbps-ot. Jelenleg a THz-es kommunikáció elérte a Gbps adatsebességet, míg a Tbps adatsebesség még a fejlesztés korai szakaszában van. Egy kapcsolódó tanulmány a THz-sáv alapján felsorolja a Gbps adatsebesség legújabb eredményeit, és azt jósolja, hogy a Tbps polarizációs multiplexeléssel érhető el. Ezért az adatátviteli sebesség növelése érdekében egy megvalósítható megoldás egy új frekvenciasáv, a terahertzes sáv kifejlesztése, amely a mikrohullámok és az infravörös fény közötti "üres területen" található. A 2019-es ITU Rádiókommunikációs Világkonferencián (WRC-19) a 275-450 GHz-es frekvenciatartományt használták mind a vezetékes, mind a földi mobil szolgáltatásokban. Látható, hogy a terahertzes vezeték nélküli kommunikációs rendszerek számos kutató figyelmét felkeltették.
A terahertzes elektromágneses hullámokat általában 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) frekvenciasávként definiálják, 0,03-3 mm hullámhosszal. Az IEEE szabvány szerint a terahertzes hullámokat 0,3-10 THz-ként definiálják. Az 1. ábra azt mutatja, hogy a terahertzes frekvenciasáv a mikrohullámok és az infravörös fény között helyezkedik el.
1. ábra A THz frekvenciasáv vázlatos rajza.
Terahertz antennák fejlesztése
Bár a terahertzes kutatás már a 19. században elkezdődött, akkoriban még nem vizsgálták önálló területként. A terahertzes sugárzással kapcsolatos kutatások főként a távoli infravörös sávra összpontosultak. Csak a 20. század közepétől-végéig kezdték a kutatók a milliméteres hullámhosszú kutatásokat a terahertzes sávra fejleszteni, és speciális terahertzes technológiai kutatásokat végezni.
Az 1980-as években a terahertzes sugárforrások megjelenése lehetővé tette a terahertzes hullámok gyakorlati rendszerekben való alkalmazását. A 21. század óta a vezeték nélküli kommunikációs technológia gyorsan fejlődött, az emberek információ iránti igénye és a kommunikációs eszközök számának növekedése szigorúbb követelményeket támasztott a kommunikációs adatok átviteli sebességével szemben. Ezért a jövő kommunikációs technológiájának egyik kihívása a gigabit/másodperces nagy adatsebességű működés egy helyen. A jelenlegi gazdasági fejlődés mellett a spektrumforrások egyre szűkösebbek. Az emberi kommunikációs kapacitás és sebesség iránti igény azonban végtelen. A spektrum torlódásának problémája miatt számos vállalat több bemenetű több kimenetű (MIMO) technológiát alkalmaz a spektrumhatékonyság és a rendszerkapacitás javítására a térbeli multiplexelés révén. Az 5G hálózatok fejlődésével az egyes felhasználók adatkapcsolati sebessége meghaladja a Gbps-ot, és a bázisállomások adatforgalma is jelentősen megnő. A hagyományos milliméteres hullámú kommunikációs rendszerek esetében a mikrohullámú kapcsolatok nem lesznek képesek kezelni ezeket a hatalmas adatfolyamokat. Ezenkívül a rálátás hatása miatt az infravörös kommunikáció átviteli távolsága rövid, és a kommunikációs berendezések helye rögzített. Ezért a THz-hullámok, amelyek a mikrohullámok és az infravörös között helyezkednek el, nagysebességű kommunikációs rendszerek kiépítésére és az adatátviteli sebesség növelésére használhatók THz-kapcsolatok használatával.
A terahertzes hullámok szélesebb kommunikációs sávszélességet biztosítanak, frekvenciatartományuk pedig körülbelül 1000-szerese a mobilkommunikációnak. Ezért a THz-ek használata ultragyors vezeték nélküli kommunikációs rendszerek kiépítéséhez ígéretes megoldást jelent a nagy adatsebesség kihívására, ami számos kutatócsoport és iparág érdeklődését felkeltette. 2017 szeptemberében jelent meg az első THz-es vezeték nélküli kommunikációs szabvány, az IEEE 802.15.3d-2017, amely a pont-pont adatcserét a 252-325 GHz-es alsó THz frekvenciatartományban határozza meg. A kapcsolat alternatív fizikai rétege (PHY) akár 100 Gbps adatsebességet is elérhet különböző sávszélességeken.
Az első sikeres 0,12 THz-es THz-es kommunikációs rendszert 2004-ben hozták létre, a 0,3 THz-es THz-es kommunikációs rendszert pedig 2013-ban valósították meg. Az 1. táblázat a terahertzes kommunikációs rendszerek kutatásának előrehaladását mutatja be Japánban 2004 és 2013 között.
1. táblázat A terahertzes kommunikációs rendszerek kutatásának előrehaladása Japánban 2004 és 2013 között
Egy 2004-ben kifejlesztett kommunikációs rendszer antennaszerkezetét a Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) részletesen leírta 2005-ben. Az antennakonfigurációt két esetben vezették be, amint az a 2. ábrán látható.
2. ábra Japán NTT 120 GHz-es vezeték nélküli kommunikációs rendszerének vázlatos rajza
A rendszer integrálja a fotoelektromos átalakítást és az antennát, és két üzemmódot alkalmaz:
1. Kis hatótávolságú beltéri környezetben a beltéri használatra szánt síkantenna-adó egy egyvezetékes vivőfotodióda (UTC-PD) chipből, egy síkrésantennából és egy szilíciumlencséből áll, ahogy a 2(a) ábra mutatja.
2. Nagy hatótávolságú kültéri környezetben, a detektor nagy átviteli veszteségének és alacsony érzékenységének hatásának csökkentése érdekében az adóantennának nagy nyereségűnek kell lennie. A meglévő terahertzes antenna Gauss-eloszlású optikai lencsét használ, amelynek nyeresége meghaladja az 50 dBi-t. A betápláló tölcsér és a dielektromos lencse kombinációja a 2(b) ábrán látható.
A 0,12 THz-es kommunikációs rendszer fejlesztése mellett az NTT 2012-ben egy 0,3 THz-es kommunikációs rendszert is kifejlesztett. A folyamatos optimalizálásnak köszönhetően az átviteli sebesség akár 100 Gbps is elérheti. Amint az az 1. táblázatból látható, ez nagyban hozzájárult a terahertzes kommunikáció fejlesztéséhez. A jelenlegi kutatásoknak azonban hátrányai az alacsony üzemi frekvencia, a nagy méret és a magas költségek.
A jelenleg használt terahertzes antennák többségét milliméteres hullámú antennákból módosították, és a terahertzes antennák terén kevés az innováció. Ezért a terahertzes kommunikációs rendszerek teljesítményének javítása érdekében fontos feladat a terahertzes antennák optimalizálása. A 2. táblázat a német THz-es kommunikáció kutatási előrehaladását mutatja. A 3. ábra (a) egy reprezentatív THz-es vezeték nélküli kommunikációs rendszert mutat be, amely a fotonikát és az elektronikát ötvözi. A 3. ábra (b) egy szélcsatorna-tesztelési helyszínt mutat. A jelenlegi németországi kutatási helyzet alapján ítélve a kutatásának és fejlesztésének hátrányai is vannak, mint például az alacsony üzemi frekvencia, a magas költségek és az alacsony hatásfok.
2. táblázat A THz-kommunikáció kutatásának előrehaladása Németországban
3. ábra Szélcsatorna-tesztelési jelenet
A CSIRO ICT Központ kutatásokat indított a THz beltéri vezeték nélküli kommunikációs rendszerekkel kapcsolatban is. A központ az év és a kommunikációs frekvencia közötti kapcsolatot vizsgálta, amint az a 4. ábrán látható. Amint a 4. ábrán látható, 2020-ra a vezeték nélküli kommunikációval kapcsolatos kutatások a THz sáv felé haladnak. A rádióspektrumot használó maximális kommunikációs frekvencia húszévente körülbelül tízszeresére nő. A központ ajánlásokat tett a THz antennákkal szemben támasztott követelményekre vonatkozóan, és hagyományos antennákat, például kürtöket és lencséket javasolt a THz kommunikációs rendszerekhez. Amint az 5. ábrán látható, két kürtantenna 0,84 THz-en, illetve 1,7 THz-en működik, egyszerű szerkezettel és jó Gauss-nyaláb teljesítménnyel.
4. ábra Az év és a gyakoriság közötti összefüggés
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
5. ábra Kétféle kürtantenna
Az Egyesült Államok kiterjedt kutatásokat végzett a terahertzes hullámok kibocsátásával és detektálásával kapcsolatban. A híres terahertzes kutatólaboratóriumok közé tartozik a Jet Propulsion Laboratory (JPL), a Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), az Egyesült Államok Nemzeti Laboratóriuma (LLNL), a Nemzeti Repülési és Űrkutatási Hivatal (NASA), a Nemzeti Tudományos Alapítvány (NSF) stb. Új terahertzes antennákat terveztek terahertzes alkalmazásokhoz, például csokornyakkendős antennákat és frekvencianyaláb-irányító antennákat. A terahertzes antennák fejlődése szerint jelenleg három alapvető tervezési ötletet kaphatunk a terahertzes antennákra, amint az a 6. ábrán látható.
6. ábra Három alapvető tervezési ötlet terahertzes antennákhoz
A fenti elemzés azt mutatja, hogy bár sok ország nagy figyelmet fordított a terahertzes antennákra, még mindig a kezdeti kutatási és fejlesztési szakaszban tartanak. A magas terjedési veszteség és a molekuláris abszorpció miatt a THz-es antennákat általában az átviteli távolság és a lefedettség korlátozza. Egyes tanulmányok a THz-sáv alacsonyabb működési frekvenciáira összpontosítanak. A meglévő terahertzes antennakutatások főként a dielektromos lencsés antennák stb. használatával történő erősítés javítására, valamint a kommunikációs hatékonyság javítására összpontosítanak megfelelő algoritmusok alkalmazásával. Ezenkívül a terahertzes antennacsomagolás hatékonyságának javítása is nagyon sürgető kérdés.
Általános THz antennák
Sokféle THz-antenna létezik: kúpos üregekkel ellátott dipólantennák, sarokreflektor-tömbök, masni dipólusok, dielektromos lencsés síkantennák, THz-forrás sugárforrások előállítására szolgáló fotovezető antennák, kürtantennák, grafén anyagokon alapuló THz-antennák stb. A THz-antennák gyártásához felhasznált anyagok szerint nagyjából fémantennákra (főként kürtantennákra), dielektromos antennákra (lencseantennákra) és új anyagú antennákra oszthatók. Ez a szakasz először ezen antennák előzetes elemzését tartalmazza, majd a következő szakaszban öt tipikus THz-antennát mutatunk be részletesen és elemzünk mélyrehatóan.
1. Fémantennák
A kürtantenna egy tipikus fémantenna, amelyet a THz-es sávban való működésre terveztek. A klasszikus milliméteres hullámú vevő antennája egy kúpos kürtantenna. A hullámosított és a kettős üzemmódú antennák számos előnnyel rendelkeznek, beleértve a forgásszimmetrikus sugárzási mintákat, a 20-30 dBi nagy nyereséget és az alacsony, -30 dB-es keresztpolarizációs szintet, valamint a 97%-98%-os csatolási hatásfokot. A két kürtantenna elérhető sávszélessége 30%-40%, illetve 6%-8%.
Mivel a terahertzes hullámok frekvenciája nagyon magas, a kürtantenna mérete nagyon kicsi, ami nagyon megnehezíti a kürt feldolgozását, különösen az antennatömbök tervezésénél, és a feldolgozási technológia bonyolultsága túlzott költségekhez és korlátozott termeléshez vezet. A komplex kürtkialakítás aljának gyártási nehézségei miatt általában egy egyszerű kürtantennát használnak kúpos vagy kúpos kürt formájában, ami csökkentheti a költségeket és a folyamat bonyolultságát, és az antenna sugárzási teljesítménye jól fenntartható.
Egy másik fémantenna egy haladóhullámú piramisantenna, amely egy 1,2 mikronos dielektromos fóliára integrált és egy szilíciumlapra maratott hosszanti üregben felfüggesztett haladóhullámú antennából áll, ahogy az a 7. ábrán látható. Ez az antenna egy nyitott szerkezetű, amely kompatibilis a Schottky-diódákkal. Viszonylag egyszerű szerkezete és alacsony gyártási igényei miatt általában 0,6 THz feletti frekvenciasávokban használható. Az antenna oldalirányú lebenyszintje és keresztpolarizációs szintje azonban magas, valószínűleg a nyitott szerkezete miatt. Ezért a csatolási hatásfoka viszonylag alacsony (körülbelül 50%).
7. ábra Haladóhullámú piramisantenna
2. Dielektromos antenna
A dielektromos antenna egy dielektromos szubsztrátum és egy antennasugárzó kombinációja. Megfelelő tervezéssel a dielektromos antenna impedanciaillesztést érhet el a detektorral, és az egyszerű folyamat, a könnyű integráció és az alacsony költség előnyeivel rendelkezik. Az elmúlt években a kutatók számos keskeny sávú és szélessávú oldaltüzelésű antennát terveztek, amelyek illeszkednek a terahertzes dielektromos antennák alacsony impedanciájú detektoraihoz: pillangóantenna, dupla U alakú antenna, log-periodikus antenna és log-periodikus szinuszos antenna, ahogy a 8. ábra mutatja. Ezenkívül genetikus algoritmusok segítségével összetettebb antennageometriák is tervezhetők.
8. ábra Négyféle síkantenna
Mivel azonban a dielektromos antennát dielektromos szubsztrátummal kombinálják, felületi hullámhatás lép fel, amikor a frekvencia a THz-es sávba kerül. Ez a végzetes hátrány az antenna jelentős energiaveszteségét okozza működés közben, és az antenna sugárzási hatékonyságának jelentős csökkenéséhez vezet. Amint a 9. ábrán látható, amikor az antenna sugárzási szöge nagyobb, mint a határszög, energiája a dielektromos szubsztrátumban korlátozódik, és a szubsztrát módusához kapcsolódik.
9. ábra Az antenna felszíni hullámhatása
A szubsztrát vastagságának növekedésével a magasabb rendű módusok száma is növekszik, és az antenna és a szubsztrát közötti csatolás is megnő, ami energiaveszteséget eredményez. A felületi hullámhatás gyengítése érdekében három optimalizálási séma létezik:
1) Helyezzen egy lencsét az antennára az elektromágneses hullámok nyalábformálási jellemzőit kihasználva az erősítés növelése érdekében.
2) Csökkentse az aljzat vastagságát az elektromágneses hullámok magasabb rendű módusainak keletkezésének elnyomása érdekében.
3) Cserélje ki a szubsztrát dielektromos anyagát elektromágneses sávú sávval (EBG). Az EBG térbeli szűrési jellemzői elnyomják a magasabb rendű módusokat.
3. Új anyagú antennák
A fenti két antennán kívül létezik egy új anyagokból készült terahertzes antenna is. Például 2006-ban Jin Hao és munkatársai egy szén nanocsöves dipólantennát javasoltak. Amint a 10(a) ábrán látható, a dipól szén nanocsövekből készül fém anyagok helyett. Gondosan tanulmányozták a szén nanocsöves dipólantenna infravörös és optikai tulajdonságait, és megvitatták a véges hosszúságú szén nanocsöves dipólantenna általános jellemzőit, mint például a bemeneti impedancia, az árameloszlás, az erősítés, a hatásfok és a sugárzási minta. A 10(b) ábra a szén nanocsöves dipólantenna bemeneti impedanciája és frekvenciája közötti összefüggést mutatja. Amint a 10(b) ábrán látható, a bemeneti impedancia képzetes része több nullával rendelkezik magasabb frekvenciákon. Ez azt jelzi, hogy az antenna több rezonanciát is képes elérni különböző frekvenciákon. Nyilvánvaló, hogy a szén nanocsöves antenna egy bizonyos frekvenciatartományon belül (alacsonyabb THz frekvenciák) rezonanciát mutat, de ezen a tartományon kívül egyáltalán nem képes rezonálni.
10. ábra (a) Szén nanocsöves dipólantenna. (b) Bemeneti impedancia-frekvencia görbe
2012-ben Samir F. Mahmoud és Ayed R. AlAjmi egy új, szén nanocsöveken alapuló terahertzes antennaszerkezetet javasolt, amely két dielektromos rétegbe burkolt szén nanocsövek kötegéből áll. A belső dielektromos réteg egy dielektromos habréteg, a külső dielektromos réteg pedig egy metaanyag réteg. A konkrét szerkezet a 11. ábrán látható. A tesztek során az antenna sugárzási teljesítménye javult az egyfalú szén nanocsövekhez képest.
11. ábra Új, szén nanocsöveken alapuló terahertzes antenna
A fent javasolt új anyagú terahertzes antennák főként háromdimenziósak. Az antenna sávszélességének javítása és a konform antennák létrehozása érdekében a sík grafénantennák széles körű figyelmet kaptak. A grafén kiváló dinamikus folyamatos szabályozási jellemzőkkel rendelkezik, és az előfeszültség beállításával felületi plazmát képes létrehozni. A felületi plazma a pozitív dielektromos állandójú szubsztrátok (például Si, SiO2 stb.) és a negatív dielektromos állandójú szubsztrátok (például nemesfémek, grafén stb.) közötti határfelületen található. A vezetőkben, például a nemesfémekben és a grafénben nagyszámú "szabad elektron" található. Ezeket a szabad elektronokat plazmáknak is nevezik. A vezetőben lévő inherens potenciálmező miatt ezek a plazma stabil állapotban vannak, és a külvilág nem zavarja őket. Amikor a beeső elektromágneses hullámenergia ezekhez a plazmákhoz kapcsolódik, a plazma eltér az állandó állapottól és rezegni kezd. Az átalakítás után az elektromágneses módus transzverzális mágneses hullámot képez a határfelületen. A fémfelületi plazma diszperziós viszonyának Drude-modell általi leírása szerint a fémek természetes módon nem tudnak elektromágneses hullámokkal kölcsönhatásba lépni a szabad térben, és energiát átalakítani. Más anyagok használata szükséges a felületi plazmahullámok gerjesztéséhez. A felületi plazmahullámok gyorsan lecsengenek a fém-hordozó határfelülettel párhuzamos irányban. Amikor a fémvezető a felületre merőleges irányban vezet, bőrhatás lép fel. Nyilvánvaló, hogy az antenna kis mérete miatt bőrhatás lép fel a nagyfrekvenciás sávban, ami az antenna teljesítményének hirtelen csökkenéséhez vezet, és nem tudja kielégíteni a terahertzes antennák követelményeit. A grafén felületi plazmonja nemcsak nagyobb kötőerővel és alacsonyabb veszteséggel rendelkezik, hanem folyamatos elektromos hangolást is támogat. Ezenkívül a grafén komplex vezetőképességgel rendelkezik a terahertzes sávban. Ezért a lassú hullámterjedés összefügg a plazma módussal terahertzes frekvenciákon. Ezek a jellemzők teljes mértékben igazolják a grafén alkalmasságát a fémes anyagok helyettesítésére a terahertzes sávban.
A grafén felületi plazmonjainak polarizációs viselkedése alapján a 12. ábra egy új típusú szalagantennát mutat be, és javaslatot tesz a plazmahullámok grafénben való terjedési jellemzőinek sávalakjára. A hangolható antennasáv kialakítása új módszert kínál az új anyagú terahertzes antennák terjedési jellemzőinek tanulmányozására.
12. ábra Új szalagantenna
Az új anyagú terahertzes antennaelemek egységnyi egységnyi anyagának feltárása mellett a grafén nanopatch terahertzes antennák tömbökként is tervezhetők terahertzes többbemenetes, többkimenetes antennás kommunikációs rendszerek kiépítéséhez. Az antenna szerkezete a 13. ábrán látható. A grafén nanopatch antennák egyedi tulajdonságai alapján az antennaelemek mikron méretűek. A kémiai gőzfázisú leválasztás közvetlenül egy vékony nikkelrétegen szintetizálja a különböző grafénképeket, és bármilyen hordozóra átviszi azokat. Megfelelő számú komponens kiválasztásával és az elektrosztatikus előfeszültség változtatásával a sugárzás iránya hatékonyan megváltoztatható, így a rendszer újrakonfigurálható.
13. ábra Grafén nanopatch terahertzes antennarendszer
Az új anyagok kutatása viszonylag új irány. Az anyagok innovációja várhatóan áttöri a hagyományos antennák korlátait, és számos új antennát fejleszt ki, például újrakonfigurálható metaanyagokat, kétdimenziós (2D) anyagokat stb. Az ilyen típusú antennák azonban főként az új anyagok innovációjától és a folyamattechnológia fejlődésétől függenek. Mindenesetre a terahertzes antennák fejlesztése innovatív anyagokat, precíz feldolgozási technológiát és újszerű tervezési struktúrákat igényel a terahertzes antennák nagy nyereségű, alacsony költségű és széles sávszélességű követelményeinek kielégítéséhez.
A következőkben bemutatjuk a terahertzes antennák három típusának alapelveit: a fémantennákat, a dielektromos antennákat és az új anyagú antennákat, valamint elemezzük azok különbségeit, előnyeit és hátrányait.
1. Fémantenna: A geometria egyszerű, könnyen megmunkálható, viszonylag olcsó, és az aljzatanyaggal szembeni követelmények alacsonyak. A fémantennák azonban mechanikus módszert alkalmaznak az antenna pozíciójának beállítására, ami hibákra hajlamos. Ha a beállítás nem megfelelő, az antenna teljesítménye jelentősen csökken. Bár a fémantenna mérete kicsi, nehéz sík áramkörrel összeszerelni.
2. Dielektromos antenna: A dielektromos antenna alacsony bemeneti impedanciával rendelkezik, könnyen illeszthető egy alacsony impedanciájú detektorhoz, és viszonylag egyszerűen csatlakoztatható egy síkkörhöz. A dielektromos antennák geometriai alakjai közé tartozik a pillangó alak, a kettős U alak, a hagyományos logaritmikus alak és a logaritmikus periodikus szinusz alak. A dielektromos antennáknak azonban van egy végzetes hibájuk is, nevezetesen a vastag hordozó által okozott felületi hullámhatás. A megoldás egy lencse feltöltése és a dielektromos hordozó EBG szerkezettel való helyettesítése. Mindkét megoldás innovációt és a folyamattechnológia, valamint az anyagok folyamatos fejlesztését igényli, de kiváló teljesítményük (például mindenirányú működés és felületi hullám elnyomás) új ötleteket adhat a terahertzes antennák kutatásához.
3. Új anyagú antennák: Jelenleg új, szén nanocsövekből készült dipólantennák és metaanyagokból készült új antennaszerkezetek jelentek meg. Az új anyagok új teljesítménybeli áttörést hozhatnak, de a kiindulópont az anyagtudomány innovációja. Jelenleg az új anyagú antennákkal kapcsolatos kutatás még a kísérleti szakaszban van, és számos kulcsfontosságú technológia még nem elég érett.
Összefoglalva, a terahertzes antennák különböző típusai választhatók ki a tervezési követelményeknek megfelelően:
1) Ha egyszerű kialakításra és alacsony gyártási költségre van szükség, fémantennák választhatók.
2) Ha nagy integrációra és alacsony bemeneti impedanciára van szükség, dielektromos antennák választhatók.
3) Ha áttörésre van szükség a teljesítményben, új anyagú antennák választhatók.
A fenti kialakítások a konkrét igényeknek megfelelően is módosíthatók. Például kétféle antenna kombinálható a nagyobb előnyök elérése érdekében, de az összeszerelési módszernek és a tervezési technológiának szigorúbb követelményeknek kell megfelelnie.
Az antennákról bővebben itt olvashat:
Közzététel ideje: 2024. augusztus 2.
