Met die toenemende gewildheid van draadlose toestelle, het datadienste 'n nuwe tydperk van vinnige ontwikkeling binnegegaan, 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 in reële tyd te bedryf, maar hierdie situasie het ook gelei tot 'n vinnige toename in dataverkeer en 'n tekort aan bandwydtehulpbronne . Volgens statistieke kan die datakoers op die mark in die volgende 10 tot 15 jaar Gbps of selfs Tbps 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 jongste vordering in Gbps-datatempo's gebaseer op die THz-band en voorspel dat Tbps verkry kan word deur polarisasie-multipleksing. Daarom, om die data-oordragtempo te verhoog, is 'n haalbare oplossing om 'n nuwe frekwensieband te ontwikkel, wat die terahertz-band is, wat in die "leë area" tussen mikrogolwe en infrarooi lig is. By die ITU Wêreldradiokommunikasiekonferensie (WRC-19) in 2019 is die frekwensiereeks van 275-450GHz vir vaste en landmobiele dienste gebruik. Dit 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 0.1-10THz (1THz=1012Hz) met 'n golflengte van 0.03-3 mm. Volgens die IEEE-standaard word terahertz-golwe gedefinieer as 0.3-10THz. Figuur 1 toon dat die terahertz-frekwensieband tussen mikrogolwe en infrarooi lig is.
Fig. 1 Skematiese diagram van THz frekwensieband.
Ontwikkeling van Terahertz-antennas
Alhoewel terahertz-navorsing in die 19de eeu begin het, is dit nie destyds as 'n onafhanklike veld bestudeer nie. Die navorsing oor terahertz-straling was hoofsaaklik gefokus op die ver-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-tegnologienavorsing te doen.
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 aan die transmissietempo van kommunikasiedata gestel. Daarom is een van die uitdagings van toekomstige kommunikasietegnologie om teen 'n hoë datatempo van gigabit per sekonde op een plek te werk. Onder die huidige ekonomiese ontwikkeling het spektrumhulpbronne al hoe skaarser geword. Menslike vereistes vir kommunikasievermoë en spoed is egter eindeloos. Vir die probleem van spektrumopeenhoping, gebruik baie maatskappye meervoudige-insette veelvuldige-uitset (MIMO) tegnologie om spektrum doeltreffendheid en stelsel kapasiteit te verbeter deur ruimtelike multipleksing. 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 groot datastrome kan hanteer nie. Daarbenewens, as gevolg van die invloed van siglyn, is die transmissieafstand van infrarooi kommunikasie kort en die ligging van sy kommunikasietoerusting is vas. Daarom kan THz-golwe, wat tussen mikrogolwe en infrarooi is, gebruik word om hoëspoed-kommunikasiestelsels te bou en data-oordragtempo's te verhoog deur THz-skakels te gebruik.
Terahertz-golwe kan 'n wyer kommunikasiebandwydte verskaf, en sy frekwensiereeks is ongeveer 1000 keer dié van mobiele kommunikasie. Daarom is die gebruik van THz om ultrahoëspoed draadlose kommunikasiestelsels te bou 'n belowende oplossing vir die uitdaging van hoë datatempo's, wat die belangstelling van baie navorsingspanne en nywerhede gelok 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-frekwensiereeks van 252-325 GHz definieer. Die alternatiewe fisiese laag (PHY) van die skakel kan datasnelhede van tot 100 Gbps by 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 vanaf 2004 tot 2013.
Tabel 1 Doen navorsing oor vordering van terahertz-kommunikasiestelsels in Japan vanaf 2004 tot 2013
Die antennastruktuur van 'n kommunikasiestelsel wat in 2004 ontwikkel is, is in detail beskryf deur Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) in 2005. 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 foto-elektriese omskakeling en antenna en neem twee werkmodusse aan:
1. In 'n nabygeleë binnenshuise omgewing 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 'n hoë aanwins hê. Die bestaande terahertz-antenna gebruik 'n Gaussiese optiese lens met 'n wins van meer as 50 dBi. Die voerhoring en diëlektriese lenskombinasie word in Figuur 2(b) getoon.
Benewens die ontwikkeling van 'n 0.12 THz-kommunikasiestelsel, het NTT ook 'n 0.3THz-kommunikasiestelsel in 2012 ontwikkel. Deur voortdurende optimalisering kan die transmissietempo 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, word van millimetergolfantennas verander, 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 windtonneltoetstoneel. 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 verhouding tussen die jaar en die kommunikasiefrekwensie bestudeer, soos getoon in Figuur 4. Soos gesien kan word uit Figuur 4, neig navorsing oor draadlose kommunikasie teen 2020 na die THz-band. 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 in Figuur 5 getoon, werk twee horingantennas by 0.84THz en 1.7THz onderskeidelik, met 'n eenvoudige struktuur en goeie Gaussiese straalwerkverrigting.
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 vrystelling en opsporing van terahertz-golwe. Bekende terahertz-navorsingslaboratoriums sluit in die Jet Propulsion Laboratory (JPL), die Stanford Linear Accelerator Centre (SLAC), die US National Laboratory (LLNL), die National Aeronautics and Space Administration (NASA), die National Science Foundation (NSF), ens. Nuwe terahertz-antennas vir terahertz-toepassings is ontwerp, soos bowtie-antennas en frekwensie-bundelstuurantennas. Volgens die ontwikkeling van terahertz-antennas kan ons tans drie basiese ontwerpidees vir terahertz-antennas kry, soos in Figuur 6 getoon.
Figuur 6 Drie basiese ontwerpidees vir terahertz-antennas
Bogenoemde ontleding toon dat alhoewel baie lande groot aandag aan terahertz-antennas gegee het, dit nog in die aanvanklike eksplorasie- en ontwikkelingstadium 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-antennanavorsing fokus hoofsaaklik op die verbetering van wins deur diëlektriese lensantennas, ens., en die verbetering van kommunikasiedoeltreffendheid deur toepaslike algoritmes te gebruik. Daarbenewens is hoe om die doeltreffendheid van terahertz-antennaverpakking te verbeter ook 'n baie dringende kwessie.
Algemene THz-antennas
Daar is baie soorte THz-antennas beskikbaar: dipool-antennas met koniese holtes, hoekreflektor-skikkings, bowtie-dipole, diëlektriese lens-planêre antennas, fotogeleidende antennas vir die opwekking van THz-bronstralingsbronne, horingantennas, THz-antennas gebaseer op grafeenmateriaal, ens. die materiaal wat gebruik word om THz-antennas te maak, kan hulle wees rofweg verdeel in metaal antennas (hoofsaaklik horing antennas), diëlektriese antennas (lens antennas) en nuwe materiaal antennas. Hierdie afdeling gee eers 'n voorlopige ontleding van hierdie antennas, en dan in die volgende afdeling word vyf tipiese THz-antennas in detail bekendgestel en in diepte ontleed.
1. Metaal antennas
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 rotasie-simmetriese stralingspatrone, hoë wins van 20 tot 30 dBi en lae kruispolarisasievlak van -30 dB, en koppelingsdoeltreffendheid 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 horingantenna 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 buitensporige koste en beperkte produksie. As gevolg van die moeilikheid om die onderkant van die komplekse horingontwerp te vervaardig, word 'n eenvoudige horingantenna 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 gehandhaaf word wel.
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 word in 'n longitudinale holte wat op 'n silikonwafer geëts is, soos getoon in Figuur 7. Hierdie antenna is 'n oop struktuur wat versoenbaar 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 koppelingsdoeltreffendheid 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-passing 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-kantvuurantennas ontwerp wat by die lae-impedansie-detektors van terahertz-diëlektriese antennas kan pas: skoenlapperantenna, dubbele U-vormige antenna, log-periodieke antenna en log-periodieke 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 oppervlakgolf-effek voorkom wanneer die frekwensie na die THz-band neig. Hierdie noodlottige nadeel sal veroorsaak dat die antenna baie energie verloor tydens werking en lei tot 'n aansienlike vermindering in die antenna-stralingsdoeltreffendheid. Soos getoon in Figuur 9, wanneer die antenna-stralingshoek groter is as die afsnyhoek, word die energie daarvan beperk in die diëlektriese substraat en gekoppel aan die substraatmodus.
Figuur 9 Antenna oppervlak golf 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 oppervlakgolf-effek te verswak, is daar drie optimaliseringskemas:
1) Laai 'n lens op die antenna om die wins te verhoog deur die straalvormende eienskappe 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 filterkenmerke 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. het 'n koolstofnanobuis-dipoolantenna voorgestel. Soos getoon in Figuur 10 (a), is die dipool gemaak van koolstof nanobuise in plaas van metaal materiale. Hy het die infrarooi en optiese eienskappe van die koolstofnanobuis-dipoolantenna noukeurig bestudeer en die algemene kenmerke van die eindige-lengte koolstofnanobuisdipoolantenna bespreek, soos insetimpedansie, stroomverspreiding, versterking, doeltreffendheid en bestralingspatroon. Figuur 10 (b) toon die verband tussen die insetimpedansie en frekwensie van die koolstofnanobuis-dipoolantenna. Soos gesien kan word in Figuur 10(b), het die denkbeeldige deel van die insetimpedansie veelvuldige nulle by hoër frekwensies. Dit dui aan dat die antenna veelvuldige resonansies by verskillende frekwensies kan bereik. Dit is duidelik dat die koolstof-nanobuis-antenna resonansie binne 'n sekere frekwensiereeks (laer THz-frekwensies) vertoon, maar is heeltemal nie in staat om buite hierdie reeks te resoneer nie.
Figuur 10 (a) Koolstof nanobuis dipool antenna. (b) Insetimpedansie-frekwensie-kromme
In 2012 het Samir F. Mahmoud en Ayed R. AlAjmi 'n nuwe terahertz-antennastruktuur voorgestel wat gebaseer is 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. Ten einde die bandwydte van die antenna te verbeter en konforme antennas te maak, het planêre grafeen antennas wydverspreide aandag geniet. Grafeen het uitstekende dinamiese deurlopende beheer eienskappe en kan oppervlakplasma genereer deur die voorspanning aan te pas. Oppervlakplasma bestaan op die raakvlak 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 potensiaalveld in die geleier, is hierdie plasma's 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 verspreidingsverhouding 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. Natuurlik, as gevolg van die klein grootte van die antenna, is daar 'n vel effek in die hoë frekwensie band, wat veroorsaak dat die antenna werkverrigting skerp daal en nie kan voldoen aan die vereistes van terahertz antennas nie. Die oppervlakplasmon van grafeen het nie net hoër bindingskrag en laer verlies nie, maar ondersteun ook deurlopende elektriese stemming. 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 uitvoerbaarheid van grafeen om metaalmateriaal in die terahertz-band te vervang.
Gebaseer op die polarisasiegedrag van grafeenoppervlakplasmone, toon Figuur 12 'n nuwe tipe strookantenna, en stel die bandvorm van die voortplantingskenmerke van plasmagolwe in grafeen voor. Die ontwerp van instelbare antennaband bied 'n nuwe manier om die voortplantingskenmerke van nuwe materiaal terahertz-antennas te bestudeer.
Figuur 12 Nuwe strookantenna
Benewens die verkenning van eenheidsnuwe materiaal terahertz-antenna-elemente, kan grafeen-nanopatch-terahertz-antennas ook ontwerp word as skikkings om terahertz-multi-insette multi-uitset-antenna-kommunikasiestelsels te bou. Die antennastruktuur word in Figuur 13 getoon. Gebaseer op die unieke eienskappe van grafeen nanopatch-antennas, het die antenna-elemente mikronskaal afmetings. Chemiese dampneerlegging sintetiseer verskillende grafeenbeelde direk op 'n dun nikkellaag en dra dit oor na enige substraat. Deur 'n toepaslike aantal komponente te kies en die elektrostatiese voorspanningspanning 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. Die innovasie van materiale sal na verwagting deur die beperkings van tradisionele antennas breek en 'n verskeidenheid nuwe antennas ontwikkel, soos herkonfigureerbare metamateriale, tweedimensionele (2D) materiale, ens. Hierdie tipe antenna is egter hoofsaaklik afhanklik van die innovasie van nuwe materiaal en die bevordering 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 voordele en nadele.
1. Metaalantenna: Die geometrie is eenvoudig, maklik om te verwerk, relatief lae koste en lae vereistes vir substraatmateriale. 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 werkverrigting van die antenna aansienlik verminder word. Alhoewel die metaalantenna klein in grootte is, is dit moeilik om met 'n vlakke stroombaan te monteer.
2. Diëlektriese antenna: Die diëlektriese antenna het 'n lae insetimpedansie, is maklik om te pas by 'n lae impedansie detektor, en is relatief eenvoudig om met 'n planêre stroombaan te verbind. Die geometriese vorms van diëlektriese antennas sluit vlindervorm, dubbel U-vorm, konvensionele logaritmiese vorm en logaritmiese periodieke sinusvorm in. Diëlektriese antennas het egter ook 'n noodlottige fout, naamlik die oppervlakgolf-effek 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. Albei oplossings vereis innovasie en voortdurende verbetering van prosestegnologie en -materiale, maar hul uitstekende werkverrigting (soos omnidireksionaliteit en oppervlakgolfonderdrukking) kan nuwe idees vir die navorsing van terahertz-antennas verskaf.
3. Nuwe materiaal antennas: Op die oomblik het nuwe dipool antennas gemaak van koolstof nanobuise en nuwe antenna strukture gemaak van metamateriale verskyn. Nuwe materiale kan nuwe prestasie-deurbrake bring, maar die uitgangspunt is die innovasie van materiaalwetenskap. Op die oomblik is die navorsing oor nuwe materiaal-antennas nog in die verkennende stadium, en baie sleuteltegnologieë is nie volwasse genoeg nie.
Ter opsomming kan verskillende tipes terahertz-antennas gekies word volgens ontwerpvereistes:
1) As eenvoudige ontwerp en lae produksiekoste vereis word, kan metaalantennas gekies word.
2) Indien hoë integrasie en lae insetimpedansie vereis word, kan diëlektriese antennas gekies word.
3) Indien 'n deurbraak in prestasie vereis word, kan nuwe materiaal antennas gekies word.
Bogenoemde ontwerpe kan ook volgens spesifieke vereistes aangepas word. Twee soorte antennas kan byvoorbeeld gekombineer word om meer voordele te verkry, maar die monteermetode en ontwerptegnologie moet aan strenger vereistes voldoen.
Om meer te wete te kom oor antennas, besoek asseblief:
Postyd: Aug-02-2024
