S rastućom popularnošću bežičnih uređaja, podatkovne usluge su ušle u novi period brzog razvoja, poznat i kao eksplozivan rast podatkovnih usluga. Trenutno, veliki broj aplikacija postepeno migrira s računara na bežične uređaje poput mobilnih telefona koji se lako nose i koriste u stvarnom vremenu, ali ova situacija je također dovela do brzog povećanja prometa podataka i nedostatka resursa propusnog opsega. Prema statistikama, brzina prijenosa podataka na tržištu mogla bi dostići Gbps ili čak Tbps u narednih 10 do 15 godina. Trenutno je THz komunikacija dostigla brzinu prijenosa podataka od Gbps, dok je brzina prijenosa podataka od Tbps još uvijek u ranim fazama razvoja. Povezani rad navodi najnoviji napredak u brzinama prijenosa podataka od Gbps na osnovu THz opsega i predviđa da se Tbps može dobiti putem polarizacijskog multipleksiranja. Stoga, da bi se povećala brzina prijenosa podataka, izvodljivo rješenje je razvoj novog frekvencijskog opsega, a to je terahercni opseg, koji se nalazi u "praznom području" između mikrovalova i infracrvene svjetlosti. Na Svjetskoj konferenciji o radiokomunikacijama ITU-a (WRC-19) 2019. godine, frekvencijski opseg od 275-450 GHz korišten je za fiksne i kopnene mobilne usluge. Može se vidjeti da su terahercni bežični komunikacijski sistemi privukli pažnju mnogih istraživača.
Terahercni elektromagnetni talasi se generalno definišu kao frekventni opseg od 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) sa talasnom dužinom od 0,03-3 mm. Prema IEEE standardu, terahercni talasi su definisani kao 0,3-10 THz. Slika 1 pokazuje da se terahercni frekventni opseg nalazi između mikrotalasa i infracrvene svjetlosti.
Sl. 1 Šematski dijagram THz frekventnog opsega.
Razvoj terahercnih antena
Iako su istraživanja terahercnog zračenja započela u 19. stoljeću, u to vrijeme nisu proučavana kao nezavisna oblast. Istraživanje terahercnog zračenja uglavnom je bilo usmjereno na daleki infracrveni opseg. Tek sredinom i krajem 20. stoljeća istraživači su počeli unapređivati istraživanja milimetarskih valova na terahercni opseg i provoditi specijalizirana istraživanja terahercne tehnologije.
Osamdesetih godina prošlog stoljeća, pojava terahercnih izvora zračenja omogućila je primjenu terahercnih valova u praktičnim sistemima. Od 21. stoljeća, bežična komunikacijska tehnologija se brzo razvija, a potražnja ljudi za informacijama i povećanje komunikacijske opreme postavili su strože zahtjeve za brzinu prijenosa komunikacijskih podataka. Stoga je jedan od izazova buduće komunikacijske tehnologije rad s velikom brzinom podataka od gigabita u sekundi na jednoj lokaciji. U trenutnim ekonomskim uvjetima razvoja, resursi spektra postaju sve oskudniji. Međutim, ljudske potrebe za komunikacijskim kapacitetom i brzinom su beskrajne. Zbog problema zagušenja spektra, mnoge kompanije koriste MIMO (multiple-input multiplex-output) tehnologiju kako bi poboljšale efikasnost spektra i kapacitet sistema putem prostornog multipleksiranja. S napretkom 5G mreža, brzina podatkovne veze svakog korisnika će premašiti Gbps, a promet podataka baznih stanica će se također značajno povećati. Za tradicionalne milimetarske komunikacijske sisteme, mikrovalne veze neće moći podnijeti ove ogromne tokove podataka. Osim toga, zbog utjecaja linije vidljivosti, udaljenost prijenosa infracrvene komunikacije je kratka, a lokacija komunikacijske opreme fiksna. Stoga se THz valovi, koji se nalaze između mikrovalova i infracrvenog zračenja, mogu koristiti za izgradnju brzih komunikacijskih sistema i povećanje brzine prijenosa podataka korištenjem THz veza.
Terahercni talasi mogu obezbijediti širi propusni opseg komunikacije, a njihov frekvencijski opseg je oko 1000 puta veći od mobilnih komunikacija. Stoga je korištenje THz za izgradnju ultrabrzih bežičnih komunikacijskih sistema obećavajuće rješenje za izazov visokih brzina prenosa podataka, što je privuklo interes mnogih istraživačkih timova i industrija. U septembru 2017. godine objavljen je prvi THz bežični komunikacijski standard IEEE 802.15.3d-2017, koji definiše razmjenu podataka od tačke do tačke u donjem THz frekventnom opsegu od 252-325 GHz. Alternativni fizički sloj (PHY) veze može postići brzine prenosa podataka do 100 Gbps pri različitim propusnim opsegima.
Prvi uspješan THz komunikacijski sistem od 0,12 THz uspostavljen je 2004. godine, a THz komunikacijski sistem od 0,3 THz realizovan je 2013. godine. Tabela 1 prikazuje napredak istraživanja terahercnih komunikacijskih sistema u Japanu od 2004. do 2013. godine.
Tabela 1 Napredak istraživanja terahercnih komunikacijskih sistema u Japanu od 2004. do 2013. godine
Strukturu antene komunikacijskog sistema razvijenog 2004. godine detaljno je opisala kompanija Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) 2005. godine. Konfiguracija antene je predstavljena u dva slučaja, kao što je prikazano na slici 2.
Slika 2. Šematski dijagram japanskog bežičnog komunikacijskog sistema NTT 120 GHz
Sistem integriše fotoelektričnu konverziju i antenu i usvaja dva načina rada:
1. U zatvorenom prostoru bliskog dometa, planarni antenski odašiljač koji se koristi u zatvorenom prostoru sastoji se od čipa jednolinijske noseće fotodiode (UTC-PD), planarne prorezne antene i silikonskog sočiva, kao što je prikazano na slici 2(a).
2. U vanjskom okruženju na velikim udaljenostima, kako bi se poboljšao utjecaj velikih gubitaka u prijenosu i niske osjetljivosti detektora, antena predajnika mora imati visoko pojačanje. Postojeća terahercna antena koristi Gaussovu optičku leću s pojačanjem većim od 50 dBi. Kombinacija napojne horne i dielektrične leće prikazana je na slici 2(b).
Pored razvoja komunikacijskog sistema od 0,12 THz, NTT je 2012. godine razvio i komunikacijski sistem od 0,3 THz. Kontinuiranom optimizacijom, brzina prijenosa može doseći i 100 Gbps. Kao što se može vidjeti iz Tabele 1, dao je veliki doprinos razvoju terahercne komunikacije. Međutim, trenutni istraživački rad ima nedostatke niske radne frekvencije, velike veličine i visoke cijene.
Većina terahercnih antena koje se trenutno koriste su modificirane od milimetarskih talasnih antena, a inovacija u terahercnim antenama je malo. Stoga, kako bi se poboljšale performanse terahercnih komunikacijskih sistema, važan zadatak je optimizacija terahercnih antena. Tabela 2 prikazuje napredak istraživanja njemačke THz komunikacije. Slika 3 (a) prikazuje reprezentativni THz bežični komunikacijski sistem koji kombinuje fotoniku i elektroniku. Slika 3 (b) prikazuje testnu scenu u aerotunelu. Sudeći po trenutnoj istraživačkoj situaciji u Njemačkoj, njeno istraživanje i razvoj također imaju nedostatke kao što su niska radna frekvencija, visoki troškovi i niska efikasnost.
Tabela 2 Napredak istraživanja THz komunikacije u Njemačkoj
Slika 3 Scena ispitivanja u aerotunelu
CSIRO ICT centar je također pokrenuo istraživanje o THz bežičnim komunikacijskim sistemima u zatvorenom prostoru. Centar je proučavao odnos između godine i komunikacijske frekvencije, kao što je prikazano na Slici 4. Kao što se može vidjeti na Slici 4, do 2020. godine, istraživanja bežičnih komunikacija teže THz opsegu. Maksimalna komunikacijska frekvencija korištenjem radio spektra povećava se oko deset puta svakih dvadeset godina. Centar je dao preporuke o zahtjevima za THz antene i predložio tradicionalne antene kao što su horne i sočiva za THz komunikacijske sisteme. Kao što je prikazano na Slici 5, dvije horne antene rade na 0,84THz i 1,7THz respektivno, s jednostavnom strukturom i dobrim performansama Gaussovog snopa.
Slika 4 Odnos između godine i učestalosti
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Slika 5 Dvije vrste rog antena
Sjedinjene Američke Države su provele opsežna istraživanja o emisiji i detekciji terahercnih talasa. Poznate terahercne istraživačke laboratorije uključuju Laboratoriju za mlazni pogon (JPL), Stanfordski centar za linearne akceleratore (SLAC), Američku nacionalnu laboratoriju (LLNL), Nacionalnu upravu za aeronautiku i svemir (NASA), Nacionalnu naučnu fondaciju (NSF) itd. Dizajnirane su nove terahercne antene za terahercne primjene, kao što su antene u obliku leptir-mašne i antene za upravljanje frekvencijskim snopom. Prema razvoju terahercnih antena, trenutno možemo dobiti tri osnovne ideje za dizajn terahercnih antena, kao što je prikazano na slici 6.
Slika 6 Tri osnovne ideje za dizajn terahercnih antena
Gornja analiza pokazuje da, iako su mnoge zemlje posvetile veliku pažnju terahercnim antenama, one su još uvijek u početnoj fazi istraživanja i razvoja. Zbog visokog gubitka propagacije i molekularne apsorpcije, THz antene su obično ograničene dometom prijenosa i pokrivenošću. Neke studije se fokusiraju na niže radne frekvencije u THz opsegu. Postojeća istraživanja terahercnih antena uglavnom se fokusiraju na poboljšanje pojačanja korištenjem dielektričnih sočiva antena itd., te poboljšanje efikasnosti komunikacije korištenjem odgovarajućih algoritama. Osim toga, vrlo hitno pitanje je i kako poboljšati efikasnost pakiranja terahercnih antena.
Opće THz antene
Dostupne su mnoge vrste THz antena: dipolne antene sa konusnim šupljinama, nizovi kutnih reflektora, dipoli u obliku leptir-mašne, dielektrične planarne antene sa sočivima, fotoprovodljive antene za generiranje THz izvora zračenja, horn antene, THz antene bazirane na grafenskim materijalima itd. Prema materijalima koji se koriste za izradu THz antena, mogu se grubo podijeliti na metalne antene (uglavnom horn antene), dielektrične antene (sočivne antene) i antene od novih materijala. Ovaj odjeljak prvo daje preliminarnu analizu ovih antena, a zatim u sljedećem odjeljku detaljno je predstavljeno i analizirano pet tipičnih THz antena.
1. Metalne antene
Horn antena je tipična metalna antena dizajnirana za rad u THz opsegu. Antena klasičnog milimetarskog prijemnika je konusna horna. Valovite i dual-modne antene imaju mnoge prednosti, uključujući rotacijsko simetrične dijagrame zračenja, visoko pojačanje od 20 do 30 dBi i nizak nivo unakrsne polarizacije od -30 dB, te efikasnost sprege od 97% do 98%. Dostupni propusni opseg dvije horne antene je 30%-40% i 6%-8%, respektivno.
Budući da je frekvencija terahercnih talasa veoma visoka, veličina roga antene je veoma mala, što otežava obradu roga, posebno pri dizajniranju antenskih nizova, a složenost tehnologije obrade dovodi do prekomjernih troškova i ograničene proizvodnje. Zbog teškoće u proizvodnji dna složenog dizajna roga, obično se koristi jednostavna rog antena u obliku konusnog ili konusnog roga, što može smanjiti troškove i složenost procesa, a performanse zračenja antene mogu se dobro održavati.
Druga metalna antena je piramidalna antena putujućeg vala, koja se sastoji od antene putujućeg vala integrirane na dielektrični film debljine 1,2 mikrona i ovješene u uzdužnoj šupljini ugraviranoj na silicijskoj pločici, kao što je prikazano na slici 7. Ova antena je otvorene strukture koja je kompatibilna sa Schottky diodama. Zbog svoje relativno jednostavne strukture i niskih zahtjeva za proizvodnju, općenito se može koristiti u frekvencijskim opsezima iznad 0,6 THz. Međutim, nivo bočnih režnja i nivo unakrsne polarizacije antene su visoki, vjerovatno zbog njene otvorene strukture. Stoga je njena efikasnost sprege relativno niska (oko 50%).
Slika 7 Piramidalna antena s putujućim valom
2. Dielektrična antena
Dielektrična antena je kombinacija dielektrične podloge i radijatora antene. Pravilnim dizajnom, dielektrična antena može postići usklađivanje impedanse s detektorom, a ima prednosti jednostavnog procesa, lake integracije i niske cijene. Posljednjih godina, istraživači su dizajnirali nekoliko uskopojasnih i širokopojasnih bočnih antena koje se mogu uskladiti s detektorima niske impedanse terahercnih dielektričnih antena: leptir antena, dvostruka antena u obliku slova U, logaritamsko-periodična antena i logaritamsko-periodična sinusoidna antena, kao što je prikazano na slici 8. Pored toga, složenije geometrije antene mogu se dizajnirati pomoću genetskih algoritama.
Slika 8 Četiri tipa planarnih antena
Međutim, budući da je dielektrična antena kombinovana sa dielektričnom podlogom, efekat površinskog talasa će se pojaviti kada frekvencija teži THz opsegu. Ovaj fatalni nedostatak će uzrokovati da antena izgubi mnogo energije tokom rada i dovesti do značajnog smanjenja efikasnosti zračenja antene. Kao što je prikazano na slici 9, kada je ugao zračenja antene veći od graničnog ugla, njena energija je ograničena u dielektričnoj podlozi i povezana sa modom podloge.
Slika 9 Efekat površinskog talasa antene
Kako se debljina podloge povećava, povećava se broj modova višeg reda, a povećava se i sprega između antene i podloge, što rezultira gubitkom energije. Da bi se oslabio efekat površinskog talasa, postoje tri optimizacione sheme:
1) Postavite sočivo na antenu kako biste povećali pojačanje koristeći karakteristike formiranja snopa elektromagnetnih talasa.
2) Smanjite debljinu podloge kako biste suzbili generiranje elektromagnetskih valova višeg reda.
3) Zamijenite dielektrični materijal supstrata elektromagnetnim energetskim procjepom (EBG). Karakteristike prostornog filtriranja EBG-a mogu potisnuti modove višeg reda.
3. Antene od novog materijala
Pored gore navedene dvije antene, postoji i terahercna antena napravljena od novih materijala. Na primjer, 2006. godine, Jin Hao i saradnici su predložili dipolnu antenu od ugljičnih nanocijevi. Kao što je prikazano na slici 10 (a), dipol je napravljen od ugljičnih nanocijevi umjesto metalnih materijala. Pažljivo je proučio infracrvena i optička svojstva dipolne antene od ugljičnih nanocijevi i raspravljao o općim karakteristikama dipolne antene konačne dužine od ugljičnih nanocijevi, kao što su ulazna impedancija, raspodjela struje, pojačanje, efikasnost i dijagram zračenja. Slika 10 (b) prikazuje odnos između ulazne impedancije i frekvencije dipolne antene od ugljičnih nanocijevi. Kao što se može vidjeti na slici 10(b), imaginarni dio ulazne impedancije ima više nula na višim frekvencijama. To ukazuje na to da antena može postići više rezonancija na različitim frekvencijama. Očigledno je da antena od ugljičnih nanocijevi pokazuje rezonanciju unutar određenog frekventnog opsega (niže THz frekvencije), ali je potpuno nesposobna da rezonira izvan ovog opsega.
Slika 10 (a) Dipolna antena od ugljičnih nanocjevčica. (b) Kriva ulazne impedanse i frekvencije
Samir F. Mahmoud i Ayed R. AlAjmi su 2012. godine predložili novu strukturu terahercne antene zasnovanu na ugljičnim nanocjevčicama, koja se sastoji od snopa ugljičnih nanocjevčica omotanih u dva dielektrična sloja. Unutrašnji dielektrični sloj je sloj dielektrične pjene, a vanjski dielektrični sloj je sloj metamaterijala. Specifična struktura je prikazana na slici 11. Testiranjem su poboljšane performanse zračenja antene u poređenju sa jednoslojnim ugljičnim nanocjevčicama.
Slika 11 Nova terahercna antena bazirana na ugljičnim nanocjevčicama
Nove materijalne terahercne antene predložene gore su uglavnom trodimenzionalne. Kako bi se poboljšao propusni opseg antene i napravile konformne antene, planarne grafenske antene su privukle široku pažnju. Grafen ima odlične karakteristike dinamičke kontinuirane kontrole i može generirati površinsku plazmu podešavanjem napona prednapona. Površinska plazma postoji na granici između supstrata s pozitivnom dielektričnom konstantom (kao što su Si, SiO2, itd.) i supstrata s negativnom dielektričnom konstantom (kao što su plemeniti metali, grafen, itd.). U provodnicima kao što su plemeniti metali i grafen postoji veliki broj "slobodnih elektrona". Ovi slobodni elektroni se također nazivaju plazme. Zbog inherentnog potencijalnog polja u provodniku, ove plazme su u stabilnom stanju i nisu ometane vanjskim svijetom. Kada se energija upadnog elektromagnetskog vala spoji s ovim plazmama, plazme će odstupiti od stabilnog stanja i vibrirati. Nakon konverzije, elektromagnetski mod formira transverzalni magnetski val na granici. Prema opisu disperzijskog odnosa plazme metalne površine Drudeovim modelom, metali se ne mogu prirodno spojiti s elektromagnetskim valovima u slobodnom prostoru i pretvoriti energiju. Potrebno je koristiti druge materijale za pobuđivanje površinskih plazma valova. Površinski plazma valovi brzo opadaju u paralelnom smjeru granice metal-podloga. Kada metalni provodnik provodi u smjeru okomitom na površinu, javlja se skin efekat. Očigledno je da zbog male veličine antene postoji skin efekat u visokofrekventnom opsegu, što uzrokuje nagli pad performansi antene i ne može zadovoljiti zahtjeve terahercnih antena. Površinski plazmon grafena ne samo da ima veću silu vezivanja i manje gubitke, već i podržava kontinuirano električno podešavanje. Osim toga, grafen ima složenu provodljivost u terahercnom opsegu. Stoga je širenje sporog talasa povezano s plazma modom na terahercnim frekvencijama. Ove karakteristike u potpunosti pokazuju izvodljivost grafena kao zamjene metalnih materijala u terahercnom opsegu.
Na osnovu ponašanja polarizacije plazmona na površini grafena, slika 12 prikazuje novi tip trakaste antene i predlaže oblik pojasa karakteristika propagacije plazma talasa u grafenu. Dizajn podesivog pojasa antene pruža novi način proučavanja karakteristika propagacije terahercnih antena od novog materijala.
Slika 12 Nova trakasta antena
Pored istraživanja novih materijala za terahercne antenske elemente, grafen nanopatch terahercne antene mogu se dizajnirati i kao nizovi za izgradnju terahercnih antenskih komunikacijskih sistema sa više ulaza i više izlaza. Struktura antene je prikazana na slici 13. Na osnovu jedinstvenih svojstava grafen nanopatch antena, antenski elementi imaju dimenzije mikronske skale. Hemijsko taloženje iz pare direktno sintetizira različite grafenske slike na tankom sloju nikla i prenosi ih na bilo koju podlogu. Odabirom odgovarajućeg broja komponenti i promjenom napona elektrostatičkog prednapona, smjer zračenja može se efikasno promijeniti, čineći sistem rekonfigurabilnim.
Slika 13. Grafenski nanopatch terahercni antenski niz
Istraživanje novih materijala je relativno nov smjer. Očekuje se da će inovacija materijala probiti ograničenja tradicionalnih antena i razviti niz novih antena, kao što su rekonfigurabilni metamaterijali, dvodimenzionalni (2D) materijali itd. Međutim, ova vrsta antene uglavnom zavisi od inovacije novih materijala i napretka procesne tehnologije. U svakom slučaju, razvoj terahercnih antena zahtijeva inovativne materijale, preciznu tehnologiju obrade i nove dizajnerske strukture kako bi se zadovoljili zahtjevi terahercnih antena za visokim pojačanjem, niskom cijenom i širokim propusnim opsegom.
U nastavku se predstavljaju osnovni principi tri vrste terahercnih antena: metalne antene, dielektrične antene i antene od novih materijala, te se analiziraju njihove razlike, prednosti i nedostaci.
1. Metalna antena: Geometrija je jednostavna, laka za obradu, relativno niska i ima niske zahtjeve za materijale podloge. Međutim, metalne antene koriste mehaničku metodu za podešavanje položaja antene, što je sklono greškama. Ako podešavanje nije ispravno, performanse antene će biti znatno smanjene. Iako je metalna antena male veličine, teško ju je sastaviti s planarnim kolom.
2. Dielektrična antena: Dielektrična antena ima nisku ulaznu impedansu, lako se uparuje s detektorom niske impedanse i relativno ju je jednostavno povezati s planarnim kolom. Geometrijski oblici dielektričnih antena uključuju oblik leptira, oblik dvostrukog slova U, konvencionalni logaritamski oblik i logaritamski periodični sinusni oblik. Međutim, dielektrične antene također imaju fatalnu manu, naime efekt površinskog vala uzrokovan debelim supstratom. Rješenje je staviti sočivo i zamijeniti dielektrični supstrat EBG strukturom. Oba rješenja zahtijevaju inovacije i kontinuirano poboljšanje procesne tehnologije i materijala, ali njihove odlične performanse (kao što su omnidirekcionalnost i supresija površinskog vala) mogu pružiti nove ideje za istraživanje terahercnih antena.
3. Antene od novih materijala: Trenutno su se pojavile nove dipolne antene napravljene od ugljičnih nanocjevčica i nove antenske strukture napravljene od metamaterijala. Novi materijali mogu donijeti nove proboje u performansama, ali premisa je inovacija u nauci o materijalima. Trenutno je istraživanje antena od novih materijala još uvijek u fazi istraživanja i mnoge ključne tehnologije nisu dovoljno zrele.
Ukratko, različite vrste terahercnih antena mogu se odabrati prema zahtjevima dizajna:
1) Ako su potrebni jednostavan dizajn i niski troškovi proizvodnje, mogu se odabrati metalne antene.
2) Ako je potrebna visoka integracija i niska ulazna impedancija, mogu se odabrati dielektrične antene.
3) Ako je potreban napredak u performansama, mogu se odabrati antene od novog materijala.
Gore navedeni dizajni se također mogu prilagoditi prema specifičnim zahtjevima. Na primjer, dvije vrste antena mogu se kombinirati radi postizanja više prednosti, ali način montaže i tehnologija dizajna moraju ispunjavati strože zahtjeve.
Za više informacija o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 02.08.2024.
