Met die toenemende gewildheid van draadlose toestelle het datadienste 'n nuwe tydperk van vinnige ontwikkeling betree, ook bekend as die plofbare groei van datadienste. Tans migreer 'n groot aantal toepassings geleidelik van rekenaars na draadlose toestelle soos selfone wat maklik is om te dra en intyds te bedryf, maar hierdie situasie het ook gelei tot 'n vinnige toename in dataverkeer en 'n tekort aan bandwydtebronne. Volgens statistieke kan die datatempo op die mark Gbps of selfs Tbps in die volgende 10 tot 15 jaar bereik. Tans het THz-kommunikasie 'n Gbps-datatempo bereik, terwyl die Tbps-datatempo nog in die vroeë stadiums van ontwikkeling is. 'n Verwante artikel lys die nuutste vordering in Gbps-datatempo's gebaseer op die THz-band en voorspel dat Tbps verkry kan word deur polarisasiemultipleksering. Om die data-oordragtempo te verhoog, is 'n haalbare oplossing dus om 'n nuwe frekwensieband te ontwikkel, naamlik die terahertz-band, wat in die "leë area" tussen mikrogolwe en infrarooi lig is. By die ITU Wêreldradiokommunikasiekonferensie (WRC-19) in 2019 is die frekwensiebereik van 275-450 GHz vir vaste en landmobiele dienste gebruik. Daar kan gesien word dat terahertz draadlose kommunikasiestelsels die aandag van baie navorsers getrek het.
Terahertz-elektromagnetiese golwe word oor die algemeen gedefinieer as die frekwensieband van 0.1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) met 'n golflengte van 0.03-3 mm. Volgens die IEEE-standaard word terahertz-golwe gedefinieer as 0.3-10 THz. Figuur 1 toon dat die terahertz-frekwensieband tussen mikrogolwe en infrarooi lig lê.
Fig. 1 Skematiese diagram van die THz-frekwensieband.
Ontwikkeling van Terahertz-antennas
Alhoewel terahertz-navorsing in die 19de eeu begin het, is dit destyds nie as 'n onafhanklike veld bestudeer nie. Die navorsing oor terahertz-straling was hoofsaaklik gefokus op die verre infrarooi band. Dit was eers in die middel tot laat 20ste eeu dat navorsers begin het om millimetergolfnavorsing na die terahertz-band te bevorder en gespesialiseerde terahertz-tegnologie-navorsing uit te voer.
In die 1980's het die opkoms van terahertz-stralingsbronne die toepassing van terahertz-golwe in praktiese stelsels moontlik gemaak. Sedert die 21ste eeu het draadlose kommunikasietegnologie vinnig ontwikkel, en mense se vraag na inligting en die toename in kommunikasietoerusting het strenger vereistes vir die oordragsnelheid van kommunikasiedata gestel. Daarom is een van die uitdagings van toekomstige kommunikasietegnologie om teen 'n hoë datasnelheid van gigabit per sekonde op een plek te werk. Onder die huidige ekonomiese ontwikkeling het spektrumbronne toenemend skaars geword. Die menslike vereistes vir kommunikasiekapasiteit en -spoed is egter eindeloos. Vir die probleem van spektrumopeenhoping gebruik baie maatskappye veelvuldige-invoer-veelvuldige-uitvoer (MIMO) tegnologie om spektrumdoeltreffendheid en stelselkapasiteit deur ruimtelike multipleksering te verbeter. Met die vooruitgang van 5G-netwerke sal die dataverbindingspoed van elke gebruiker Gbps oorskry, en die dataverkeer van basisstasies sal ook aansienlik toeneem. Vir tradisionele millimetergolfkommunikasiestelsels sal mikrogolfskakels nie hierdie enorme datastrome kan hanteer nie. Daarbenewens, as gevolg van die invloed van siglyn, is die transmissieafstand van infrarooi kommunikasie kort en die ligging van die kommunikasietoerusting vas. Daarom kan THz-golwe, wat tussen mikrogolwe en infrarooi is, gebruik word om hoëspoed-kommunikasiestelsels te bou en data-oordragspoed te verhoog deur THz-skakels te gebruik.
Terahertz-golwe kan 'n wyer kommunikasiebandwydte bied, en die frekwensiebereik daarvan is ongeveer 1000 keer dié van mobiele kommunikasie. Daarom is die gebruik van THz om ultra-hoëspoed draadlose kommunikasiestelsels te bou 'n belowende oplossing vir die uitdaging van hoë datatempo's, wat die belangstelling van baie navorsingspanne en nywerhede getrek het. In September 2017 is die eerste THz draadlose kommunikasiestandaard IEEE 802.15.3d-2017 vrygestel, wat punt-tot-punt data-uitruiling in die laer THz-frekwensiebereik van 252-325 GHz definieer. Die alternatiewe fisiese laag (PHY) van die skakel kan datatempo's van tot 100 Gbps teen verskillende bandwydtes bereik.
Die eerste suksesvolle THz-kommunikasiestelsel van 0.12 THz is in 2004 gevestig, en die THz-kommunikasiestelsel van 0.3 THz is in 2013 gerealiseer. Tabel 1 lys die navorsingsvordering van terahertz-kommunikasiestelsels in Japan van 2004 tot 2013.
Tabel 1 Navorsingsvordering van terahertz-kommunikasiestelsels in Japan van 2004 tot 2013
Die antennastruktuur van 'n kommunikasiestelsel wat in 2004 ontwikkel is, is in 2005 in detail deur Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) beskryf. Die antennakonfigurasie is in twee gevalle bekendgestel, soos in Figuur 2 getoon.
Figuur 2 Skematiese diagram van Japan se NTT 120 GHz draadlose kommunikasiestelsel
Die stelsel integreer fotoëlektriese omskakeling en antenna en gebruik twee werkmodusse:
1. In 'n binneomgewing met 'n kort afstand bestaan die planêre antenna-sender wat binnenshuis gebruik word uit 'n enkellyn-draerfotodiode (UTC-PD)-skyfie, 'n planêre gleufantenna en 'n silikonlens, soos getoon in Figuur 2(a).
2. In 'n langafstand-buitelugomgewing, om die invloed van groot transmissieverlies en lae sensitiwiteit van die detektor te verbeter, moet die senderantenna hoë wins hê. Die bestaande terahertz-antenna gebruik 'n Gaussiese optiese lens met 'n wins van meer as 50 dBi. Die kombinasie van die toevoerhoring en diëlektriese lens word in Figuur 2(b) getoon.
Benewens die ontwikkeling van 'n 0.12 THz-kommunikasiestelsel, het NTT ook in 2012 'n 0.3 THz-kommunikasiestelsel ontwikkel. Deur voortdurende optimalisering kan die oordragspoed so hoog as 100 Gbps wees. Soos uit Tabel 1 gesien kan word, het dit 'n groot bydrae gelewer tot die ontwikkeling van terahertz-kommunikasie. Die huidige navorsingswerk het egter die nadele van lae bedryfsfrekwensie, groot grootte en hoë koste.
Die meeste van die terahertz-antennas wat tans gebruik word, is gemodifiseer van millimetergolf-antennas, en daar is min innovasie in terahertz-antennas. Daarom, om die werkverrigting van terahertz-kommunikasiestelsels te verbeter, is 'n belangrike taak om terahertz-antennas te optimaliseer. Tabel 2 lys die navorsingsvordering van Duitse THz-kommunikasie. Figuur 3 (a) toon 'n verteenwoordigende THz-draadlose kommunikasiestelsel wat fotonika en elektronika kombineer. Figuur 3 (b) toon die windtunnel-toetstoneel. Te oordeel aan die huidige navorsingsituasie in Duitsland, het die navorsing en ontwikkeling daarvan ook nadele soos lae bedryfsfrekwensie, hoë koste en lae doeltreffendheid.
Tabel 2 Navorsingsvordering van THz-kommunikasie in Duitsland
Figuur 3 Windtonneltoetstoneel
Die CSIRO IKT-sentrum het ook navorsing oor THz-binnenshuise draadlose kommunikasiestelsels begin. Die sentrum het die verband tussen die jaar en die kommunikasiefrekwensie bestudeer, soos getoon in Figuur 4. Soos gesien kan word in Figuur 4, is navorsing oor draadlose kommunikasie teen 2020 geneig om die THz-band te volg. Die maksimum kommunikasiefrekwensie wat die radiospektrum gebruik, neem ongeveer tien keer elke twintig jaar toe. Die sentrum het aanbevelings gemaak oor die vereistes vir THz-antennas en tradisionele antennas soos horings en lense vir THz-kommunikasiestelsels voorgestel. Soos getoon in Figuur 5, werk twee horingantennas teen onderskeidelik 0.84THz en 1.7THz, met 'n eenvoudige struktuur en goeie Gaussiese straalprestasie.
Figuur 4 Verwantskap tussen jaar en frekwensie
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figuur 5 Twee tipes horingantennas
Die Verenigde State het uitgebreide navorsing gedoen oor die emissie en opsporing van terahertz-golwe. Bekende terahertz-navorsingslaboratoriums sluit in die Jet Propulsion Laboratory (JPL), die Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), die Amerikaanse Nasionale Laboratorium (LLNL), die Nasionale Lugvaart- en Ruimte-administrasie (NASA), die Nasionale Wetenskapstigting (NSF), ens. Nuwe terahertz-antennas vir terahertz-toepassings is ontwerp, soos strikdasantennas en frekwensiebundelstuurantennas. Volgens die ontwikkeling van terahertz-antennas kan ons tans drie basiese ontwerpidees vir terahertz-antennas kry, soos getoon in Figuur 6.
Figuur 6 Drie basiese ontwerpidees vir terahertz-antennas
Bogenoemde analise toon dat hoewel baie lande groot aandag aan terahertz-antennas geskenk het, dit steeds in die aanvanklike verkennings- en ontwikkelingsfase is. As gevolg van hoë voortplantingsverlies en molekulêre absorpsie, word THz-antennas gewoonlik beperk deur transmissieafstand en dekking. Sommige studies fokus op laer bedryfsfrekwensies in die THz-band. Bestaande terahertz-antennavorsing fokus hoofsaaklik op die verbetering van wins deur diëlektriese lensantennas, ens. te gebruik, en die verbetering van kommunikasie-doeltreffendheid deur toepaslike algoritmes te gebruik. Daarbenewens is die verbetering van die doeltreffendheid van terahertz-antennaverpakking ook 'n baie dringende kwessie.
Algemene THz-antennas
Daar is baie tipes THz-antennas beskikbaar: dipoolantennas met koniese holtes, hoekreflektor-skikkings, strikdas-dipole, diëlektriese lens-planêre antennas, fotogeleidende antennas vir die opwekking van THz-bronstralingsbronne, horingantennas, THz-antennas gebaseer op grafeenmateriale, ens. Volgens die materiale wat gebruik word om THz-antennas te maak, kan hulle rofweg verdeel word in metaalantennas (hoofsaaklik horingantennas), diëlektriese antennas (lensantennas) en nuwe materiaalantennas. Hierdie afdeling gee eers 'n voorlopige analise van hierdie antennas, en dan in die volgende afdeling word vyf tipiese THz-antennas in detail bekendgestel en in diepte geanaliseer.
1. Metaalantennas
Die horingantenna is 'n tipiese metaalantenna wat ontwerp is om in die THz-band te werk. Die antenna van 'n klassieke millimetergolfontvanger is 'n koniese horing. Geriffelde en dubbelmodus-antennas het baie voordele, insluitend rotasiesimmetriese stralingspatrone, hoë wins van 20 tot 30 dBi en lae kruispolarisasievlak van -30 dB, en koppeldoeltreffendheid van 97% tot 98%. Die beskikbare bandwydtes van die twee horingantennas is onderskeidelik 30%-40% en 6%-8%.
Aangesien die frekwensie van terahertz-golwe baie hoog is, is die grootte van die horingantenne baie klein, wat die verwerking van die horing baie moeilik maak, veral in die ontwerp van antenna-skikkings, en die kompleksiteit van die verwerkingstegnologie lei tot oormatige koste en beperkte produksie. As gevolg van die moeilikheid om die onderkant van die komplekse horingontwerp te vervaardig, word 'n eenvoudige horingantenne in die vorm van 'n koniese of koniese horing gewoonlik gebruik, wat die koste en proseskompleksiteit kan verminder, en die stralingsprestasie van die antenna kan goed gehandhaaf word.
Nog 'n metaalantenna is 'n bewegende golfpiramide-antenna, wat bestaan uit 'n bewegende golfantenna wat geïntegreer is op 'n 1.2 mikron diëlektriese film en opgehang is in 'n longitudinale holte wat geëts is op 'n silikonwafel, soos getoon in Figuur 7. Hierdie antenna het 'n oop struktuur wat versoenbaar is met Schottky-diodes. As gevolg van sy relatief eenvoudige struktuur en lae vervaardigingsvereistes, kan dit oor die algemeen in frekwensiebande bo 0.6 THz gebruik word. Die sylobvlak en kruispolarisasievlak van die antenna is egter hoog, waarskynlik as gevolg van sy oop struktuur. Daarom is sy koppeldoeltreffendheid relatief laag (ongeveer 50%).
Figuur 7 Reisgolf-piramidale antenna
2. Diëlektriese antenna
Die diëlektriese antenna is 'n kombinasie van 'n diëlektriese substraat en 'n antennastraler. Deur behoorlike ontwerp kan die diëlektriese antenna impedansie-ooreenstemming met die detektor bereik, en het die voordele van eenvoudige proses, maklike integrasie en lae koste. In onlangse jare het navorsers verskeie smalband- en breëband-syvuur-antennas ontwerp wat kan ooreenstem met die lae-impedansie-detektors van terahertz-diëlektriese antennas: vlinderantenna, dubbel U-vormige antenna, log-periodiese antenna en log-periodiese sinusvormige antenna, soos getoon in Figuur 8. Daarbenewens kan meer komplekse antenna-geometrieë ontwerp word deur genetiese algoritmes.
Figuur 8 Vier tipes planêre antennas
Aangesien die diëlektriese antenna egter met 'n diëlektriese substraat gekombineer word, sal 'n oppervlakgolfeffek voorkom wanneer die frekwensie na die THz-band neig. Hierdie noodlottige nadeel sal veroorsaak dat die antenna baie energie tydens werking verloor en lei tot 'n beduidende vermindering in die antenna se stralingsdoeltreffendheid. Soos getoon in Figuur 9, wanneer die antenna se stralingshoek groter is as die afsnyhoek, word die energie daarvan in die diëlektriese substraat beperk en gekoppel aan die substraatmodus.
Figuur 9 Antenna-oppervlakgolf-effek
Soos die dikte van die substraat toeneem, neem die aantal hoë-orde modusse toe, en die koppeling tussen die antenna en die substraat neem toe, wat lei tot energieverlies. Om die oppervlakgolfeffek te verswak, is daar drie optimaliseringskemas:
1) Laai 'n lens op die antenna om die wins te verhoog deur die straalvormingseienskappe van elektromagnetiese golwe te gebruik.
2) Verminder die dikte van die substraat om die opwekking van hoë-orde modusse van elektromagnetiese golwe te onderdruk.
3) Vervang die substraat diëlektriese materiaal met 'n elektromagnetiese bandgaping (EBG). Die ruimtelike filtereienskappe van EBG kan hoë-orde modusse onderdruk.
3. Nuwe materiaal antennas
Benewens die bogenoemde twee antennas, is daar ook 'n terahertz-antenna wat van nuwe materiale gemaak is. Byvoorbeeld, in 2006 het Jin Hao et al. 'n koolstof-nanobuis-dipoolantenna voorgestel. Soos getoon in Figuur 10 (a), is die dipool gemaak van koolstof-nanobuise in plaas van metaalmateriale. Hy het die infrarooi en optiese eienskappe van die koolstof-nanobuis-dipoolantenna noukeurig bestudeer en die algemene eienskappe van die eindige-lengte koolstof-nanobuis-dipoolantenna bespreek, soos insetimpedansie, stroomverspreiding, wins, doeltreffendheid en stralingspatroon. Figuur 10 (b) toon die verband tussen die insetimpedansie en frekwensie van die koolstof-nanobuis-dipoolantenna. Soos gesien kan word in Figuur 10 (b), het die denkbeeldige deel van die insetimpedansie veelvuldige nulle by hoër frekwensies. Dit dui daarop dat die antenna veelvuldige resonansies by verskillende frekwensies kan bereik. Dit is duidelik dat die koolstof-nanobuis-antenna resonansie binne 'n sekere frekwensiebereik (laer THz-frekwensies) vertoon, maar heeltemal nie in staat is om buite hierdie reeks te resoneer nie.
Figuur 10 (a) Koolstof-nanobuis-dipoolantenne. (b) Invoerimpedansie-frekwensie-kromme
In 2012 het Samir F. Mahmoud en Ayed R. AlAjmi 'n nuwe terahertz-antennastruktuur voorgestel, gebaseer op koolstofnanobuise, wat bestaan uit 'n bondel koolstofnanobuise wat in twee diëlektriese lae toegedraai is. Die binneste diëlektriese laag is 'n diëlektriese skuimlaag, en die buitenste diëlektriese laag is 'n metamateriaallaag. Die spesifieke struktuur word in Figuur 11 getoon. Deur toetsing is die stralingsprestasie van die antenna verbeter in vergelyking met enkelwandige koolstofnanobuise.
Figuur 11 Nuwe terahertz-antenna gebaseer op koolstofnanobuise
Die nuwe materiaal terahertz antennas wat hierbo voorgestel word, is hoofsaaklik driedimensioneel. Om die bandwydte van die antenna te verbeter en konforme antennas te maak, het planêre grafeen antennas wydverspreide aandag gekry. Grafeen het uitstekende dinamiese kontinue beheer eienskappe en kan oppervlakplasma genereer deur die voorspanning aan te pas. Oppervlakplasma bestaan op die koppelvlak tussen positiewe diëlektriese konstante substrate (soos Si, SiO2, ens.) en negatiewe diëlektriese konstante substrate (soos edelmetale, grafeen, ens.). Daar is 'n groot aantal "vrye elektrone" in geleiers soos edelmetale en grafeen. Hierdie vrye elektrone word ook plasmas genoem. As gevolg van die inherente potensiële veld in die geleier, is hierdie plasmas in 'n stabiele toestand en word nie deur die buitewêreld versteur nie. Wanneer die invallende elektromagnetiese golfenergie aan hierdie plasmas gekoppel word, sal die plasmas van die bestendige toestand afwyk en vibreer. Na die omskakeling vorm die elektromagnetiese modus 'n transversale magnetiese golf by die koppelvlak. Volgens die beskrywing van die dispersieverhouding van metaaloppervlakplasma deur die Drude-model, kan metale nie natuurlik met elektromagnetiese golwe in vrye ruimte koppel en energie omskakel nie. Dit is nodig om ander materiale te gebruik om oppervlakplasmagolwe op te wek. Oppervlakplasmagolwe verval vinnig in die parallelle rigting van die metaal-substraat-koppelvlak. Wanneer die metaalgeleier in die rigting loodreg op die oppervlak gelei, vind 'n vel-effek plaas. As gevolg van die klein grootte van die antenna, is daar natuurlik 'n vel-effek in die hoëfrekwensieband, wat veroorsaak dat die antenna se werkverrigting skerp daal en nie aan die vereistes van terahertz-antennas kan voldoen nie. Die oppervlakplasmon van grafeen het nie net 'n hoër bindingskrag en laer verlies nie, maar ondersteun ook deurlopende elektriese afstemming. Daarbenewens het grafeen komplekse geleidingsvermoë in die terahertz-band. Daarom hou stadige golfvoortplanting verband met die plasmamodus by terahertz-frekwensies. Hierdie eienskappe demonstreer ten volle die haalbaarheid van grafeen om metaalmateriale in die terahertz-band te vervang.
Gebaseer op die polarisasiegedrag van grafeen-oppervlakplasmone, toon Figuur 12 'n nuwe tipe strookantenne, en stel die bandvorm van die voortplantingseienskappe van plasmagolwe in grafeen voor. Die ontwerp van die afstembare antenneband bied 'n nuwe manier om die voortplantingseienskappe van nuwe materiaal terahertz-antennas te bestudeer.
Figuur 12 Nuwe strookantenna
Benewens die verkenning van nuwe materiaal terahertz-antenna-elemente, kan grafeen-nanopatch-terahertz-antennas ook as skikkings ontwerp word om terahertz-multi-inset-multi-uitset-antenna-kommunikasiestelsels te bou. Die antennestruktuur word in Figuur 13 getoon. Gebaseer op die unieke eienskappe van grafeen-nanopatch-antennas, het die antenne-elemente mikron-skaal afmetings. Chemiese dampafsetting sintetiseer direk verskillende grafeenbeelde op 'n dun nikkellaag en dra dit oor na enige substraat. Deur 'n gepaste aantal komponente te kies en die elektrostatiese voorspanning te verander, kan die stralingsrigting effektief verander word, wat die stelsel herkonfigureerbaar maak.
Figuur 13 Grafeen-nanopatch-terahertz-antenna-skikking
Die navorsing van nuwe materiale is 'n relatief nuwe rigting. Daar word verwag dat die innovasie van materiale die beperkings van tradisionele antennas sal deurbreek en 'n verskeidenheid nuwe antennas sal ontwikkel, soos herkonfigureerbare metamateriale, tweedimensionele (2D) materiale, ens. Hierdie tipe antenna hang egter hoofsaaklik af van die innovasie van nuwe materiale en die vooruitgang van prosestegnologie. In elk geval vereis die ontwikkeling van terahertz-antennas innoverende materiale, presiese verwerkingstegnologie en nuwe ontwerpstrukture om aan die hoë wins-, lae koste- en wye bandwydtevereistes van terahertz-antennas te voldoen.
Die volgende stel die basiese beginsels van drie tipes terahertz-antennas bekend: metaalantennas, diëlektriese antennas en nuwe materiaalantennas, en ontleed hul verskille en voor- en nadele.
1. Metaalantenna: Die geometrie is eenvoudig, maklik om te verwerk, relatief lae koste, en lae vereistes vir substraatmateriaal. Metaalantennas gebruik egter 'n meganiese metode om die posisie van die antenna aan te pas, wat geneig is tot foute. As die aanpassing nie korrek is nie, sal die prestasie van die antenna aansienlik verminder word. Alhoewel die metaalantenna klein is, is dit moeilik om dit met 'n planêre stroombaan te monteer.
2. Diëlektriese antenna: Die diëlektriese antenna het 'n lae insetimpedansie, is maklik om te pas by 'n lae-impedansiedetektor, en is relatief eenvoudig om aan 'n planêre stroombaan te koppel. Die geometriese vorms van diëlektriese antennas sluit in vlindervorm, dubbel U-vorm, konvensionele logaritmiese vorm en logaritmiese periodiese sinusvorm. Diëlektriese antennas het egter ook 'n fatale nadeel, naamlik die oppervlaktegolfeffek wat deur die dik substraat veroorsaak word. Die oplossing is om 'n lens te laai en die diëlektriese substraat met 'n EBG-struktuur te vervang. Beide oplossings vereis innovasie en voortdurende verbetering van prosestegnologie en materiale, maar hul uitstekende werkverrigting (soos omnidireksionaliteit en oppervlaktegolfonderdrukking) kan nuwe idees bied vir die navorsing van terahertz-antennas.
3. Nuwe materiaalantennas: Tans het nuwe dipoolantennas van koolstofnanobuise en nuwe antennestrukture van metamateriale verskyn. Nuwe materiale kan nuwe deurbrake in werkverrigting bring, maar die uitgangspunt is die innovasie van materiaalwetenskap. Tans is die navorsing oor nuwe materiaalantennas nog in die verkenningstadium, en baie sleuteltegnologieë is nie volwasse genoeg nie.
Kortliks kan verskillende tipes terahertz-antennas gekies word volgens ontwerpvereistes:
1) Indien eenvoudige ontwerp en lae produksiekoste benodig word, kan metaalantennas gekies word.
2) Indien hoë integrasie en lae insetimpedansie benodig word, kan diëlektriese antennas gekies word.
3) Indien 'n deurbraak in werkverrigting benodig word, kan nuwe materiaalantennas gekies word.
Bogenoemde ontwerpe kan ook aangepas word volgens spesifieke vereistes. Byvoorbeeld, twee tipes antennas kan gekombineer word om meer voordele te verkry, maar die monteringsmetode en ontwerptegnologie moet aan strenger vereistes voldoen.
Om meer oor antennas te wete te kom, besoek asseblief:
Plasingstyd: 2 Augustus 2024
