A vezeték nélküli eszközök növekvő népszerűségével az adatszolgáltatások a gyors fejlődés új időszakába léptek, amelyet az adatszolgáltatások robbanásszerű növekedésének is neveznek. Jelenleg számos alkalmazás költözik át fokozatosan a számítógépekről a vezeték nélküli eszközökre, például mobiltelefonokra, amelyek könnyen hordozhatók és valós időben működnek, de ez a helyzet az adatforgalom gyors növekedéséhez és a sávszélesség-erőforrások hiányához is vezetett. . A statisztikák szerint a piacon az adatátviteli sebesség a következő 10-15 évben elérheti a Gbps-t vagy akár a Tbps-t is. Jelenleg a THz-es kommunikáció elérte a Gbps adatsebességet, míg a Tbps adatsebesség még a fejlesztés korai szakaszában van. Egy kapcsolódó cikk felsorolja a Gbps adatsebességek legújabb előrehaladását a THz sáv alapján, és azt jósolja, hogy a Tbps polarizációs multiplexeléssel érhető el. Ezért az adatátviteli sebesség növelésére egy megvalósítható megoldás egy új frekvenciasáv kifejlesztése, ez a terahertz sáv, amely a mikrohullámú és az infravörös fény közötti "üres területen" van. Az ITU 2019-es rádiókommunikációs világkonferenciáján (WRC-19) a 275-450 GHz-es frekvenciatartományt használták vezetékes és földi mobil szolgáltatásokhoz. Látható, hogy a terahertzes vezeték nélküli kommunikációs rendszerek sok kutató figyelmét felkeltették.
A terahertzes elektromágneses hullámokat általában 0,1-10 THz (1 THz=1012 Hz) frekvenciasávként határozzák meg, 0,03-3 mm hullámhosszúsággal. Az IEEE szabvány szerint a terahertz hullámok 0,3-10 THz-esek. Az 1. ábra azt mutatja, hogy a terahertzes frekvenciasáv a mikrohullámú és az infravörös fény között van.
1. ábra A THz frekvenciasáv sematikus diagramja.
Terahertz antennák fejlesztése
A terahertz-kutatás ugyan a 19. században kezdődött, de akkor még nem vizsgálták önálló területként. A terahertz-sugárzással kapcsolatos kutatások elsősorban a távoli infravörös sávra irányultak. Csak a 20. század közepén-végén kezdték el a kutatók a milliméteres hullámok kutatását a terahertz sávba terelni, és speciális terahertz technológiai kutatásokat végezni.
Az 1980-as években a terahertzes sugárforrások megjelenése lehetővé tette a terahertz hullámok gyakorlati rendszerekben történő alkalmazását. A 21. század óta a vezeték nélküli kommunikációs technológia gyorsan fejlődik, és az emberek információigénye és a kommunikációs berendezések számának növekedése szigorúbb követelményeket támaszt a kommunikációs adatok átviteli sebességével kapcsolatban. Ezért a jövő kommunikációs technológiájának egyik kihívása az, hogy egy helyen magas, másodpercenkénti gigabites adatsebességgel működjön. A jelenlegi gazdasági fejlődés mellett a spektrumforrások egyre szűkösebbekké váltak. A kommunikációs kapacitással és sebességgel szembeni emberi követelmények azonban végtelenek. A spektrumtorlódás problémája miatt sok vállalat több bemenetű, több kimenetű (MIMO) technológiát alkalmaz a spektrum hatékonyságának és a rendszer kapacitásának térbeli multiplexelés révén történő javítására. Az 5G hálózatok előretörésével az egyes felhasználók adatkapcsolati sebessége meghaladja majd a Gbps-t, és a bázisállomások adatforgalma is jelentősen megnő. A hagyományos milliméterhullámú kommunikációs rendszerek esetében a mikrohullámú összeköttetések nem lesznek képesek kezelni ezeket a hatalmas adatfolyamokat. Ezen túlmenően a rálátás hatása miatt az infravörös kommunikáció átviteli távolsága rövid, és kommunikációs berendezéseinek helye rögzített. Ezért a THz-es hullámok, amelyek a mikrohullámú és az infravörös között helyezkednek el, felhasználhatók nagy sebességű kommunikációs rendszerek kiépítésére és az adatátviteli sebesség növelésére THz-es kapcsolatok használatával.
A terahertzes hullámok szélesebb kommunikációs sávszélességet tudnak biztosítani, frekvenciatartománya pedig körülbelül 1000-szerese a mobil kommunikációénak. Ezért a THz használata ultra-nagy sebességű vezeték nélküli kommunikációs rendszerek kiépítésére ígéretes megoldást jelent a nagy adatsebesség kihívására, amely 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 pont-pont adatcserét határoz meg az alsó, 252-325 GHz-es THz-es frekvenciatartományban. A kapcsolat alternatív fizikai rétege (PHY) akár 100 Gbps adatátviteli sebességet is képes elérni 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 Japánban 2004 és 2013 között sorolja fel.
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) 2005-ben ismertette részletesen, az antennakonfigurációt két esetben vezették be, a 2. ábrán látható módon.
2. ábra Japán NTT 120 GHz-es vezeték nélküli kommunikációs rendszerének vázlata
A rendszer integrálja a fotoelektromos átalakítást és az antennát, és két üzemmódot alkalmaz:
1. Kis hatótávolságú beltéri környezetben a beltérben használt síkantennás adó egysoros vivőfotodióda (UTC-PD) chipből, síknyílású antennából és szilíciumlencséből áll, amint az a 2(a) ábrán látható.
2. Nagy hatótávolságú kültéri környezetben a nagy átviteli veszteség és az érzékelő alacsony érzékenységének javítása érdekében az adóantennának nagy erősítéssel kell rendelkeznie. A meglévő terahertzes antenna Gauss-optikai lencsét használ, több mint 50 dBi erősítéssel. A betápláló kürt 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 optimalizálás révén az átviteli sebesség akár 100 Gbps is lehet. Amint az 1. táblázatból látható, nagyban hozzájárult a terahertzes kommunikáció fejlődéséhez. A jelenlegi kutatási munkának azonban hátrányai vannak az alacsony működési frekvencia, a nagy méret és a magas költségek.
A jelenleg használt terahertz antennák többsége milliméteres hullámantennákból készült, és a terahertz antennák terén kevés az innováció. Ezért a terahertzes kommunikációs rendszerek teljesítményének javítása érdekében fontos feladat a terahertz antennák optimalizálása. A 2. táblázat a német THz-es kommunikáció kutatási előrehaladását sorolja fel. A 3 (a) ábra egy reprezentatív THz-es vezeték nélküli kommunikációs rendszert mutat be, amely a fotonikát és az elektronikát egyesíti. A 3(b) ábra a szélcsatorna tesztjelenetét mutatja. A jelenlegi németországi kutatási helyzetből ítélve kutatásának és fejlesztésének olyan hátrányai is vannak, mint az alacsony működési frekvencia, a magas költségek és az alacsony hatékonyság.
2. táblázat A THz-es kommunikáció kutatásának előrehaladása Németországban
3. ábra Szélcsatorna tesztjelenet
A CSIRO ICT Központ kutatásokat is kezdeményezett a THz-es beltéri vezeték nélküli kommunikációs rendszerekkel kapcsolatban. A központ tanulmányozta az évszám és a kommunikációs frekvencia közötti összefüggést, amint az a 4. ábrán látható. Amint a 4. ábrán látható, 2020-ra a vezeték nélküli kommunikációval kapcsolatos kutatások a THz-es sávra irányulnak. A rádióspektrumot használó maximális kommunikációs frekvencia húszévenként körülbelül tízszeresére nő. A központ ajánlásokat fogalmazott meg a THz-es antennák követelményeire vonatkozóan, és hagyományos antennákat javasolt, például kürtöket és lencséket a THz-es kommunikációs rendszerekhez. Amint az 5. ábrán látható, két kürtantenna 0,84 THz-en, illetve 1,7 THz-en működik, egyszerű felépítéssel és jó Gauss-nyalábteljesítménnyel.
4. ábra Év és gyakoriság kapcsolata
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
5. ábra Kétféle kürtantenna
Az Egyesült Államok kiterjedt kutatásokat végzett a terahertz hullámok kibocsátásával és észlelésével 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 National Aeronautics and Space Administration (NASA), a National Science Foundation (NSF) stb. Új terahertz antennákat terveztek terahertzes alkalmazásokhoz, például csokornyakkendős antennákat és frekvenciasugár-kormányzó antennákat. A terahertz antennák fejlesztése szerint jelenleg három alapvető tervezési ötletet kaphatunk a terahertz antennákhoz, amint azt a 6. ábra mutatja.
6. ábra Három alapvető tervezési ötlet a terahertz antennákhoz
A fenti elemzés azt mutatja, hogy bár sok ország nagy figyelmet fordított a terahertz antennákra, ez még mindig a kezdeti kutatási és fejlesztési szakaszban van. A nagy terjedési veszteség és a molekuláris abszorpció miatt a THz-es antennákat általában korlátozza az átviteli távolság és a lefedettség. Egyes tanulmányok a THz sáv alacsonyabb működési frekvenciáira összpontosítanak. A meglévő terahertz-antennakutatások főként az erősítés javítására összpontosítanak dielektromos lencseantennák stb. használatával, és a kommunikációs hatékonyság javítására megfelelő algoritmusok használatával. Emellett nagyon sürgető kérdés a terahertzes antennacsomagolás hatékonyságának javítása is.
Általános THz-es antennák
Sokféle THz-es antenna kapható: kúpos üreges dipólusantennák, sarokreflektor tömbök, csokornyakkendő dipólusok, dielektromos lencsés síkantennák, fényvezető antennák THz-es forrássugárforrások generálására, kürtantennák, grafénanyag alapú THz-es antennák stb. A THz-es antennák gyártásához használt anyagokat nagyjából fémantennákra (főleg kürtantennák), dielektromos antennákra (lencseantennák) és új anyagantennákra oszthatjuk. Ez a rész először ezeknek az antennáknak az előzetes elemzését adja, majd a következő részben öt tipikus THz-es antennát mutatunk be részletesen és elemezünk részletesen.
1. Fém antennák
A kürtantenna egy tipikus fémantenna, amelyet úgy terveztek, hogy a THz sávban működjön. A klasszikus milliméteres hullám vevő antennája egy kúpos kürt. A hullámos és kétmódusú antennák számos előnnyel rendelkeznek, beleértve a forgásszimmetrikus sugárzási mintákat, a nagy, 20-30 dBi-es erősítést és az alacsony, -30 dB-es keresztpolarizációs szintet, valamint a 97-98%-os csatolási hatékonyságot. A két kürtantenna elérhető sávszélessége 30%-40%, illetve 6%-8%.
Mivel a terahertz hullámok frekvenciája nagyon magas, a kürt antenna mérete nagyon kicsi, ami nagyon megnehezíti a kürt feldolgozását, különösen az antennatömbök tervezésénél, és a feldolgozási technológia bonyolultsága túlzott költségekhez vezet. korlátozott termelés. Az összetett kürt kialakításának alsó részének gyártási nehézségei miatt általában egyszerű kúpos vagy kúpos kürt formájú kürtantennát használnak, amely csökkentheti a költségeket és a folyamat bonyolultságát, és az antenna sugárzási teljesítménye fenntartható. jól.
Egy másik fémantenna egy mozgóhullámú piramisantenna, amely egy 1,2 mikronos dielektromos fóliába integrált, szilíciumlapkára maratott hosszirányú üregben felfüggesztett mozgóhullámú antennából áll, amint az a 7. ábrán látható. Ez az antenna egy nyitott szerkezet, amely kompatibilis a Schottky diódákkal. Viszonylag egyszerű felépítése és alacsony gyártási igénye miatt általában 0,6 THz feletti frekvenciasávokban használható. Az antenna oldalkaréja szintje és keresztpolarizációs szintje azonban magas, valószínűleg nyitott szerkezete miatt. Ezért a csatolási hatásfoka viszonylag alacsony (kb. 50%).
7. ábra Járóhullámú piramis antenna
2. Dielektromos antenna
A dielektromos antenna egy dielektromos hordozó és egy antennasugárzó kombinációja. A megfelelő tervezés révén a dielektromos antenna impedanciaillesztést érhet el az érzékelővel, és előnye az egyszerű folyamat, a könnyű integráció és az alacsony költség. Az elmúlt években a kutatók több keskeny és szélessávú oldaltűz antennát terveztek, amelyek megfelelnek a terahertzes dielektromos antennák alacsony impedanciájú detektorainak: pillangóantenna, dupla U-alakú antenna, log-periodikus antenna és log-periodikus szinuszos antenna, mint pl. A 8. ábrán látható. Ezen kívül genetikai algoritmusok segítségével bonyolultabb antenna geometriák is megtervezhetők.
8. ábra Négyféle síkantenna
Mivel azonban a dielektromos antenna dielektromos hordozóval van kombinálva, felületi hullámhatás lép fel, amikor a frekvencia a THz sávba hajlik. Ez a végzetes hátrány azt eredményezi, hogy az antenna sok energiát veszít működés közben, és az antenna sugárzási hatékonyságának jelentős csökkenéséhez vezet. A 9. ábrán látható módon, ha az antenna sugárzási szöge nagyobb, mint a vágási szög, energiája a dielektromos hordozóban van korlátozva, és a hordozó üzemmódhoz kapcsolódik.
9. ábra Antenna felületi hullámhatás
A szubsztrát vastagságának növekedésével a magasabb rendű módok száma nő, és az antenna és a hordozó közötti csatolás növekszik, ami energiaveszteséget eredményez. A felületi hullámhatás gyengítésére három optimalizálási séma létezik:
1) Helyezzen lencsét az antennára, hogy növelje az erősítést az elektromágneses hullámok sugárformálási jellemzőinek felhasználásával.
2) Csökkentse az aljzat vastagságát, hogy megakadályozza az elektromágneses hullámok magas rendű módusait.
3) Cserélje ki a hordozó dielektromos anyagát elektromágneses sávrésszel (EBG). Az EBG térbeli szűrési jellemzői elnyomhatják a magasabb rendű módokat.
3. Új anyagantennák
A fenti két antenna mellett egy új anyagokból készült terahertz antenna is található. Például 2006-ban Jin Hao et al. szén nanocső dipól antennát javasolt. A 10. (a) ábrán látható módon a dipól fém anyagok helyett szén nanocsövekből készül. Gondosan tanulmányozta a szén nanocsöves dipólantenna infravörös és optikai tulajdonságait, és megvitatta a véges hosszúságú szén nanocsöves dipól antenna általános jellemzöit, mint a bemeneti impedancia, árameloszlás, erösítés, hatásfok és sugárzási mintázat. A 10 (b) ábra a szén nanocső dipólusantenna bemeneti impedanciája és frekvenciája közötti összefüggést mutatja. Amint a 10(b) ábrán látható, a bemeneti impedancia képzeletbeli részének több nullája van magasabb frekvenciákon. Ez azt jelzi, hogy az antenna többféle rezonanciát képes elérni különböző frekvenciákon. Nyilvánvaló, hogy a szén nanocsöves antenna egy bizonyos frekvenciatartományon belül (alacsonyabb THz-es frekvenciák) rezonanciát mutat, de ezen a tartományon kívül teljesen képtelen rezonálni.
10. ábra (a) Szén nanocső dipól antenna. (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 csomagolt szén nanocső kötegből áll. A belső dielektromos réteg egy dielektromos habréteg, a külső dielektromos réteg pedig egy metaanyag réteg. A konkrét szerkezet a 11. ábrán látható. A tesztelés révén az antenna sugárzási teljesítménye javult az egyfalú szén nanocsövekhez képest.
11. ábra Új terahertz antenna szén nanocsöveken
A fent javasolt új anyagú terahertz antennák főként háromdimenziósak. Az antenna sávszélességének javítása és a konform antennák előállítása érdekében a sík grafén antennák széleskörű figyelmet kaptak. A grafén kiváló dinamikus folyamatos szabályozási jellemzőkkel rendelkezik, és az előfeszítési feszültség beállításával felületi plazmát tud előállítani. 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. Számos „szabad elektron” van az olyan vezetőkben, mint a nemesfémek és a grafén. Ezeket a szabad elektronokat plazmának is nevezik. A vezetőben rejlő potenciáltér miatt ezek a plazmák stabil állapotban vannak, és nem zavarja őket a külvilág. Amikor a beeső elektromágneses hullámenergiát ezekhez a plazmákhoz kapcsoljuk, a plazmák eltérnek az állandósult állapottól és rezegnek. Az átalakítás után az elektromágneses üzemmód keresztirányú mágneses hullámot képez a határfelületen. A fémfelületi plazma diszperziós összefüggésének Drude-modell általi leírása szerint a fémek szabad térben természetesen nem tudnak elektromágneses hullámokkal párosulni és energiát átalakítani. A felületi plazmahullámok gerjesztéséhez más anyagokat kell használni. A felületi plazmahullámok gyorsan lecsengenek a fém-szubsztrát határfelület párhuzamos irányában. Amikor a fémvezető a felületre merőleges irányban vezet, bőrhatás lép fel. Nyilvánvaló, hogy az antenna kis mérete miatt a nagyfrekvenciás sávban bőreffektus van, ami miatt az antenna teljesítménye meredeken csökken, és nem felel meg a terahertz antennák követelményeinek. A grafén felületi plazmonja nemcsak nagyobb kötőerővel és kisebb veszteséggel rendelkezik, hanem támogatja a folyamatos elektromos hangolást is. Ezenkívül a grafén összetett vezetőképességgel rendelkezik a terahertz sávban. Ezért a lassú hullámterjedés összefügg a plazma üzemmóddal terahertz frekvenciákon. Ezek a jellemzők teljes mértékben demonstrálják a grafén megvalósíthatóságát a terahertz sávban lévő fémanyagok helyettesítésére.
A grafén felszíni plazmonok polarizációs viselkedése alapján a 12. ábra egy új típusú szalagantennát mutat be, és a plazmahullámok terjedési jellemzőinek sáv alakját javasolja a grafénben. A hangolható antennasáv tervezése új módot kínál az új anyagú terahertz antennák terjedési jellemzőinek tanulmányozására.
12. ábra Új szalagantenna
Az új anyagú terahertzes antennaelemek feltárása mellett a grafén nanopatch terahertz antennák tömbként is tervezhetők terahertzes többbemenetes, több kimenetű antenna kommunikációs rendszerek kialakításához. Az antenna szerkezetét a 13. ábra mutatja. A grafén nanopatch antennák egyedi tulajdonságai alapján az antennaelemek mikron léptékű méretekkel rendelkeznek. A kémiai gőzleválasztás közvetlenül szintetizálja a különböző grafénképeket egy vékony nikkelrétegen, és átviszi azokat bármilyen hordozóra. Megfelelő számú komponens kiválasztásával és az elektrosztatikus előfeszítési feszültség változtatásával a sugárzás iránya hatékonyan változtatható, így a rendszer újrakonfigurálható.
13. ábra Graphene nanopatch terahertz antennatömb
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 elsősorban az új antennák innovációjától függenek. anyagok és a folyamattechnológia fejlődése. Mindenesetre a terahertz antennák fejlesztése innovatív anyagokat, precíz feldolgozási technológiát és újszerű tervezési struktúrákat igényel, hogy megfeleljenek a terahertz antennák magas nyereségének, alacsony költségének és széles sávszélességének követelményeinek.
Az alábbiakban bemutatjuk három terahertz antenna típusának alapelveit: a fémantennákat, a dielektromos antennákat és az új anyagú antennákat, és elemezzük ezek különbségeit, előnyeit és hátrányait.
1. Fém antenna: A geometria egyszerű, könnyen feldolgozható, viszonylag alacsony költségű, és alacsony követelményeket támaszt a szubsztrátum anyagokkal szemben. A fémantennák azonban mechanikus módszerrel állítják be az antenna helyzetét, ami hajlamos a hibákra. Ha a beállítás nem megfelelő, az antenna teljesítménye jelentősen csökken. Bár a fém antenna kis méretű, nehéz összeszerelni egy sík áramkörrel.
2. Dielektromos antenna: A dielektromos antenna bemeneti impedanciája alacsony, könnyen illeszthető alacsony impedanciájú detektorhoz, és viszonylag egyszerűen csatlakoztatható síkáramkörhöz. A dielektromos antennák geometriai formái közé tartozik a pillangó alak, a dupla U alak, a hagyományos logaritmikus alak és a logaritmikus periodikus szinusz alak. A dielektromos antennáknak azonban van egy végzetes hibája is, nevezetesen a vastag hordozó okozta felületi hullámhatás. A megoldás egy lencse betöltése és a dielektromos hordozó EBG szerkezetre való cseréje. Mindkét megoldás innovációt, a folyamattechnológia és az anyagok folyamatos fejlesztését igényli, de kiváló teljesítményük (például mindenirányúság és felületi hullámelnyomás) új ötleteket adhat a terahertz antennák kutatásához.
3. Új anyagantennák: Jelenleg új, szén nanocsövekből készült dipól antennák és új metaanyagokból készült antennaszerkezetek jelentek meg. Az új anyagok új áttöréseket hozhatnak a teljesítményben, de az előfeltétel az anyagtudomány innovációja. Jelenleg az új anyagantennákkal kapcsolatos kutatás még csak a feltárás szakaszában van, és sok kulcsfontosságú technológia még nem elég kiforrott.
Összefoglalva, a tervezési követelményeknek megfelelően különböző típusú terahertz antennák választhatók:
1) Ha egyszerű tervezésre és alacsony gyártási költségre van szükség, fém antennák választhatók.
2) Ha nagy integrációra és alacsony bemeneti impedanciára van szükség, dielektromos antennák választhatók.
3) Ha a teljesítményben áttörésre van szükség, új anyagantennák választhatók.
A fenti kialakítások egyedi igények szerint is módosíthatók. Például kétféle antenna kombinálható több előnyhöz, de az összeszerelési módnak és a tervezési technológiának szigorúbb követelményeknek kell megfelelnie.
Ha többet szeretne megtudni az antennákról, látogasson el a következő oldalra:
Feladás időpontja: 2024.02.02
