Sa sve većom popularnošću bežičnih uređaja, data usluge su ušle u novi period brzog razvoja, poznat i kao eksplozivni rast usluga podataka. Trenutno, veliki broj aplikacija postupno migrira sa računara na bežične uređaje kao što su mobilni telefoni koji se lako nose i rade u realnom vremenu, ali ova situacija je takođe dovela do brzog povećanja prometa podataka i nedostatka resursa propusnog opsega. . Prema statistikama, brzina prenosa podataka na tržištu može dostići Gbps ili čak Tbps u narednih 10 do 15 godina. Trenutno je THz komunikacija dostigla brzinu prenosa podataka u Gbps, dok je brzina prenosa podataka u Tbps još uvek u ranoj fazi razvoja. Povezani rad navodi najnoviji napredak u brzinama podataka Gbps na osnovu THz opsega i predviđa da se Tbps može dobiti polarizacijskim multipleksiranjem. Stoga, da bi se povećala brzina prijenosa podataka, izvodljivo rješenje je da se razvije novi frekvencijski pojas, a to je teraherc opseg, koji se nalazi u "praznom području" između mikrovalnih pećnica i infracrvenog svjetla. Na ITU Svjetskoj radiokomunikacijskoj konferenciji (WRC-19) 2019. godine, frekvencijski opseg od 275-450 GHz korišten je za fiksne i kopnene mobilne usluge. Vidi se da su teraherc bežični komunikacioni sistemi privukli pažnju mnogih istraživača.
Teraherc elektromagnetski talasi se generalno definišu kao frekvencijski opseg od 0,1-10THz (1THz=1012Hz) sa talasnom dužinom od 0,03-3 mm. Prema IEEE standardu, teraherc talasi su definisani kao 0.3-10THz. Slika 1 pokazuje da je frekvencijski opseg teraherca između mikrotalasa i infracrvenog svetla.
Slika 1 Šematski dijagram frekvencijskog opsega THz.
Razvoj Teraherc antena
Iako su istraživanja teraherca počela u 19. veku, u to vreme nisu proučavana kao samostalna oblast. Istraživanja teraherc zračenja uglavnom su bila fokusirana na daleko infracrveni opseg. Tek sredinom do kasnog 20. stoljeća istraživači su počeli unaprijediti istraživanje milimetarskih valova u teraherc opseg i provoditi specijalizirana istraživanja teraherc tehnologije.
Osamdesetih godina prošlog veka, pojava teraherc izvora zračenja omogućila je primenu teraherc talasa u praktičnim sistemima. Od 21. stoljeća tehnologija bežične komunikacije se brzo razvijala, a potražnja ljudi za informacijama i povećanje komunikacione opreme postavili su strože zahtjeve u pogledu brzine prijenosa komunikacijskih podataka. Stoga je jedan od izazova buduće komunikacijske tehnologije raditi pri visokoj brzini podataka od gigabita u sekundi na jednoj lokaciji. U skladu sa trenutnim ekonomskim razvojem, resursi spektra su postali sve oskudniji. Međutim, ljudski zahtjevi za komunikacijskim kapacitetom i brzinom su beskrajni. Za problem zagušenja spektra, mnoge kompanije koriste tehnologiju višestrukih ulaza i više izlaza (MIMO) za poboljšanje efikasnosti spektra i kapaciteta sistema kroz prostorno multipleksiranje. Napretkom 5G mreža, brzina podatkovne veze svakog korisnika će premašiti Gbps, a značajno će se povećati i podatkovni promet baznih stanica. Za tradicionalne komunikacione sisteme milimetarskog talasa, mikrotalasne veze neće moći da obrađuju ove ogromne tokove podataka. Osim toga, zbog utjecaja linije vidljivosti, udaljenost prijenosa infracrvene komunikacije je kratka i lokacija njene komunikacione opreme je fiksna. Stoga, THz talasi, koji se nalaze između mikrotalasnih i infracrvenih, mogu se koristiti za izgradnju komunikacionih sistema velike brzine i povećanje brzine prenosa podataka korišćenjem THz veza.
Teraherc valovi mogu pružiti širi propusni opseg komunikacije, a njihov frekvencijski raspon je oko 1000 puta veći od opsega mobilnih komunikacija. Stoga je korištenje THz-a za izgradnju ultra-brzinih bežičnih komunikacijskih sistema obećavajuće rješenje za izazov visokih brzina prijenosa podataka, što je privuklo interes mnogih istraživačkih timova i industrija. U septembru 2017. objavljen je prvi THz bežični komunikacioni standard IEEE 802.15.3d-2017, koji definira razmjenu podataka od tačke do tačke u donjem frekvencijskom opsegu THz od 252-325 GHz. Alternativni fizički sloj (PHY) veze može postići brzinu podataka do 100 Gbps na različitim propusnim opsegima.
Prvi uspješan THz komunikacioni sistem od 0,12 THz uspostavljen je 2004. godine, a THz komunikacioni sistem od 0,3 THz je realizovan 2013. U tabeli 1 prikazan je napredak istraživanja teraherc komunikacionih sistema u Japanu od 2004. do 2013. godine.
Tabela 1 Napredak istraživanja teraherc komunikacionih sistema u Japanu od 2004. do 2013. godine
Strukturu antene komunikacijskog sistema razvijenog 2004. godine detaljno je opisao Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) 2005. godine. Konfiguracija antene je uvedena u dva slučaja, kao što je prikazano na slici 2.
Slika 2 Šematski dijagram japanskog NTT 120 GHz bežičnog komunikacionog sistema
Sistem integriše fotoelektričnu konverziju i antenu i usvaja dva načina rada:
1. U zatvorenom okruženju bliskog dometa, planarni antenski predajnik koji se koristi u zatvorenom prostoru sastoji se od čipa fotodiode s jednom linijom nosioca (UTC-PD), planarne antene s prorezom i silikonskog sočiva, kao što je prikazano na slici 2(a).
2. U vanjskom okruženju velikog dometa, da bi se poboljšao utjecaj velikog gubitka prijenosa i niske osjetljivosti detektora, antena predajnika mora imati veliko pojačanje. Postojeća teraherc antena koristi Gaussovo optičko sočivo sa pojačanjem većim od 50 dBi. Kombinacija sire za napajanje i dielektričnog sočiva prikazana je na slici 2(b).
Pored razvoja komunikacionog sistema od 0,12 THz, NTT je 2012. godine razvio i komunikacioni sistem od 0,3 THz. Kroz kontinuiranu optimizaciju, brzina prenosa može biti čak 100 Gbps. Kao što se vidi iz tabele 1, dao je veliki doprinos razvoju teraherc komunikacije. Međutim, trenutni istraživački rad ima nedostatke niske radne frekvencije, velike veličine i visoke cijene.
Većina teraherc antena koje se trenutno koriste modificirane su od antena milimetarskog talasa, a malo je inovacija u teraherc antenama. Stoga, da bi se poboljšale performanse teraherc komunikacionih sistema, važan zadatak je optimizacija teraherc antena. Tabela 2 navodi napredak istraživanja njemačke THz komunikacije. Slika 3 (a) prikazuje reprezentativni THz bežični komunikacioni sistem koji kombinuje fotoniku i elektroniku. Slika 3 (b) prikazuje scenu ispitivanja u aerotunelu. Sudeći po trenutnoj istraživačkoj situaciji u Njemačkoj, njeno istraživanje i razvoj ima i nedostatke kao što su niska radna frekvencija, visoka cijena i niska efikasnost.
Tabela 2 Napredak istraživanja THz komunikacije u Njemačkoj
Slika 3 Testna scena u aerotunelu
CSIRO ICT centar je takođe pokrenuo istraživanje o THz unutrašnjim bežičnim komunikacionim sistemima. Centar je proučavao odnos između godine i frekvencije komunikacije, kao što je prikazano na slici 4. Kao što se može vidjeti sa slike 4, do 2020. godine istraživanja bežičnih komunikacija teže THz opsegu. Maksimalna komunikacijska frekvencija korištenjem radio spektra raste oko deset puta svakih dvadeset godina. Centar je dao preporuke o zahtjevima za THz antene i predložio tradicionalne antene kao što su rogovi i sočiva za THz komunikacione sisteme. Kao što je prikazano na slici 5, dvije horne antene rade na 0,84 THz odnosno 1,7 THz, sa jednostavnom strukturom i dobrim performansama Gausovog snopa.
Slika 4 Odnos između godine i učestalosti
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Slika 5 Dvije vrste rog antena
Sjedinjene Države su provele opsežna istraživanja o emisiji i detekciji teraherc talasa. Poznate teraherc istraživačke laboratorije uključuju Laboratoriju za mlazni pogon (JPL), Centar za linearne akceleratore Stanforda (SLAC), Nacionalnu laboratoriju SAD-a (LLNL), Nacionalnu administraciju za aeronautiku i svemir (NASA), Nacionalnu naučnu fondaciju (NSF) itd. Dizajnirane su nove teraherc antene za teraherc aplikacije, kao što su antene mašne i antene za upravljanje frekvencijskim snopom. Prema razvoju teraherc antena, možemo dobiti tri osnovne ideje za dizajn teraherc antena trenutno, kao što je prikazano na slici 6.
Slika 6 Tri osnovne dizajnerske ideje za teraherc antene
Navedena analiza pokazuje da iako su mnoge zemlje posvetile veliku pažnju teraherc antenama, one su još uvijek u početnoj fazi istraživanja i razvoja. Zbog velikog gubitka širenja i molekularne apsorpcije, THz antene su obično ograničene udaljenosti i pokrivenošću prijenosa. Neke studije se fokusiraju na niže radne frekvencije u THz opsegu. Postojeća istraživanja teraherc antena uglavnom se fokusiraju na poboljšanje pojačanja upotrebom antena sa dielektričnim sočivom, itd., i poboljšanje efikasnosti komunikacije korištenjem odgovarajućih algoritama. Pored toga, veoma je hitno pitanje kako poboljšati efikasnost pakovanja teraherc antena.
Opšte THz antene
Dostupne su mnoge vrste THz antena: dipolne antene sa konusnim šupljinama, ugaoni reflektorski nizovi, dipoli mašni, planarne antene sa dielektričnim sočivima, fotokonduktivne antene za generisanje izvora zračenja THz izvora, rog antene, THz antene na bazi grafenskih materijala, itd. Materijali koji se koriste za izradu THz antena, mogu se grubo podijeliti na metalne antene (uglavnom rog antene), dielektrične antene (lećaste antene) i antene od novog materijala. Ovaj dio prvo daje preliminarnu analizu ovih antena, a zatim u sljedećem dijelu, pet tipičnih THz antena je detaljno predstavljeno i detaljno analizirano.
1. Metalne antene
Rožna antena je tipična metalna antena koja je dizajnirana da radi u THz opsegu. Antena klasičnog prijemnika milimetarskog talasa je konična rog. Rebraste i dual-mode antene imaju mnoge prednosti, uključujući rotaciono simetrične uzorke zračenja, visoko pojačanje od 20 do 30 dBi i nizak nivo unakrsne polarizacije od -30 dB i efikasnost spajanja od 97% do 98%. Dostupni propusni opseg za dvije rog antene je 30%-40% i 6%-8%, respektivno.
Budući da je frekvencija teraherc talasa veoma visoka, veličina horne antene je veoma mala, što veoma otežava obradu horne, posebno kod projektovanja antenskih nizova, a složenost tehnologije obrade dovodi do previsokih troškova i ograničena proizvodnja. Zbog poteškoća u izradi dna složenog dizajna rogova, obično se koristi jednostavna rog antena u obliku stožastog ili stožastog sirena, što može smanjiti troškove i složenost procesa, a performanse zračenja antene se mogu održati. dobro.
Druga metalna antena je piramidalna antena putujućeg talasa, koja se sastoji od antene putujućeg talasa integrisane na 1,2 mikronski dielektrični film i suspendovane u uzdužnoj šupljini urezanoj na silikonskoj pločici, kao što je prikazano na slici 7. Ova antena je otvorena struktura koja je kompatibilan sa Schottky diodama. Zbog svoje relativno jednostavne strukture i niskih proizvodnih zahtjeva, općenito se može koristiti u frekvencijskim opsezima iznad 0,6 THz. Međutim, nivo bočnog dela i nivo unakrsne polarizacije antene su visoki, verovatno zbog njene otvorene strukture. Stoga je njegova efikasnost spajanja relativno niska (oko 50%).
Slika 7 Piramidalna antena putujućeg talasa
2. Dielektrična antena
Dielektrična antena je kombinacija dielektrične podloge i antenskog radijatora. Kroz pravilan dizajn, dielektrična antena može postići usklađivanje impedancije sa detektorom i ima prednosti jednostavnog procesa, lake integracije i niske cijene. Posljednjih godina istraživači su dizajnirali nekoliko uskopojasnih i širokopojasnih antena sa bočnom paljbom koje mogu odgovarati detektorima niske impedancije teraherc dielektričnih antena: leptir antena, dvostruka antena u obliku slova U, logperiodična antena i logperiodična sinusoidna antena, kao što su prikazano na slici 8. Pored toga, složenije geometrije antene mogu se dizajnirati putem genetskih algoritama.
Slika 8 Četiri tipa planarnih antena
Međutim, pošto je dielektrična antena kombinovana sa dielektričnim supstratom, 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 supstrata.
Slika 9. Efekat površinskog talasa antene
Kako se debljina podloge povećava, broj modova visokog reda se povećava, a sprega između antene i podloge se povećava, što rezultira gubitkom energije. Da bi se oslabio efekat površinskog talasa, postoje tri šeme optimizacije:
1) Stavite sočivo na antenu da povećate pojačanje koristeći karakteristike formiranja zraka elektromagnetnih talasa.
2) Smanjite debljinu podloge kako biste suzbili stvaranje modova elektromagnetnih talasa visokog reda.
3) Zamijenite dielektrični materijal podloge elektromagnetnim pojasom (EBG). Karakteristike prostornog filtriranja EBG-a mogu potisnuti modove visokog reda.
3. Nove antene od materijala
Pored navedene dvije antene, tu je i teraherc antena napravljena od novih materijala. Na primjer, 2006. Jin Hao et al. predložio dipolnu antenu od ugljeničnih nanocijevi. Kao što je prikazano na slici 10 (a), dipol je napravljen od ugljičnih nanocijevi umjesto metalnih materijala. Pažljivo je proučavao infracrvena i optička svojstva dipolne antene od ugljeničnih nanocevi i raspravljao o opštim karakteristikama dipol antene sa ugljeničnim nanocevima konačne dužine, kao što su ulazna impedansa, raspodela struje, pojačanje, efikasnost i dijagram zračenja. Slika 10 (b) prikazuje odnos između ulazne impedanse i frekvencije dipolne antene od ugljeničnih nanocijevi. Kao što se može vidjeti na slici 10(b), imaginarni dio ulazne impedanse ima više nula na višim frekvencijama. Ovo ukazuje da antena može postići višestruke rezonancije na različitim frekvencijama. Očigledno, antena sa ugljičnim nanocijevima pokazuje rezonanciju unutar određenog frekventnog opsega (niže frekvencije THz), ali potpuno ne može rezonirati izvan ovog opsega.
Slika 10 (a) Dipolna antena od ugljeničnih nanocevi. (b) Kriva ulazne impedanse i frekvencije
Samir F. Mahmoud i Ayed R. AlAjmi su 2012. godine predložili novu teraherc antensku strukturu zasnovanu na ugljičnim nanocijevima, koja se sastoji od snopa ugljičnih nanocijevi umotanih 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 je poboljšana radijacija antene u poređenju sa jednozidnim ugljeničnim nanocevima.
Slika 11 Nova teraherc antena zasnovana na ugljenim nanocevima
Gore predložene teraherc antene od novog materijala su uglavnom trodimenzionalne. Kako bi se poboljšao propusni opseg antene i napravile konformne antene, planarne grafenske antene su dobile široku pažnju. Grafen ima odlične karakteristike dinamičke kontinuirane kontrole i može generirati površinsku plazmu podešavanjem prednapona. Površinska plazma postoji na granici između supstrata pozitivne dielektrične konstante (kao što su Si, SiO2, itd.) i supstrata negativne dielektrične konstante (kao što su plemeniti metali, grafen, itd.). Postoji veliki broj "slobodnih elektrona" u provodnicima kao što su plemeniti metali i grafen. Ovi slobodni elektroni se takođe nazivaju plazmama. Zbog inherentnog potencijalnog polja u provodniku, ove plazme su u stabilnom stanju i ne ometaju ih vanjski svijet. Kada se energija upadnog elektromagnetnog talasa spoji na ove plazme, plazma će odstupiti od stabilnog stanja i vibrirati. Nakon konverzije, elektromagnetski mod formira poprečni magnetni val na sučelju. Prema opisu disperzijskog odnosa plazme na površini metala prema Drude modelu, metali se ne mogu prirodno spajati s elektromagnetnim valovima u slobodnom prostoru i pretvarati energiju. Za pobuđivanje površinskih plazma talasa potrebno je koristiti druge materijale. Površinski plazma talasi brzo opadaju u paralelnom smjeru međumesta metal-podloga. Kada metalni provodnik vodi u smjeru okomitom na površinu, javlja se skin efekt. Očigledno, zbog male veličine antene, postoji skin efekat u visokofrekventnom opsegu, što uzrokuje nagli pad performansi antene i ne može zadovoljiti zahtjeve teraherc antena. Površinski plazmon grafena ne samo da ima veću silu vezivanja i manji gubitak, već podržava i kontinuirano električno podešavanje. Osim toga, grafen ima složenu provodljivost u terahercnom pojasu. Stoga je sporo širenje talasa povezano sa plazma modom na teraherc frekvencijama. Ove karakteristike u potpunosti pokazuju izvodljivost grafena da zamijeni metalne materijale u terahercnom pojasu.
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 antenskog opsega pruža novi način proučavanja karakteristika propagacije novih teraherc antena od materijala.
Slika 12 Nova trakasta antena
Pored istraživanja teraherc antenskih elemenata novog materijala, teraherc antene sa nanopatchom od grafena mogu se takođe dizajnirati kao nizovi za izgradnju terahercnih multi-input multi-output antenskih komunikacionih sistema. Struktura antene je prikazana na slici 13. Na osnovu jedinstvenih svojstava grafenskih nanopatch antena, elementi antene imaju mikronske dimenzije. Kemijsko taloženje pare direktno sintetizira različite slike grafena na tankom sloju nikla i prenosi ih na bilo koju podlogu. Odabirom odgovarajućeg broja komponenti i promjenom elektrostatičkog prednapona, smjer zračenja se može efikasno promijeniti, čineći sistem rekonfigurirajućim.
Slika 13 Grafen nanopatch teraherc antenski niz
Istraživanje novih materijala je relativno nov pravac. 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 ovisi o inovacijama novih materijala i napretka procesne tehnologije. U svakom slučaju, razvoj teraherc antena zahtijeva inovativne materijale, preciznu tehnologiju obrade i nove strukture dizajna kako bi se zadovoljili zahtjevi teraherc antena sa visokim pojačanjem, niskom cijenom i širokim propusnim opsegom.
U nastavku su predstavljeni osnovni principi tri vrste teraherc antena: metalne antene, dielektrične antene i antene od novog materijala, te se analiziraju njihove razlike i prednosti i nedostaci.
1. Metalna antena: Geometrija je jednostavna, laka za obradu, relativno niska cena i niski zahtevi za materijale podloge. Međutim, metalne antene koriste mehaničku metodu za podešavanje položaja antene, koja je sklona greškama. Ako podešavanje nije ispravno, performanse antene će biti znatno smanjene. Iako je metalna antena male veličine, teško ju je sastaviti s planarnim krugom.
2. Dielektrična antena: Dielektrična antena ima nisku ulaznu impedanciju, lako je uskladiti sa detektorom niske impedancije i relativno je jednostavno povezati s ravnim kolom. Geometrijski oblici dielektričnih antena uključuju oblik leptira, dvostruki U oblik, konvencionalni logaritamski oblik i logaritamski periodični sinusni oblik. Međutim, dielektrične antene imaju i fatalnu manu, odnosno efekat površinskog talasa uzrokovan gustom podlogom. Rješenje je učitati sočivo i zamijeniti dielektrični supstrat sa EBG strukturom. Oba rješenja zahtijevaju inovacije i kontinuirano poboljšanje procesne tehnologije i materijala, ali njihove odlične performanse (kao što su omnidirekcija i potiskivanje površinskih valova) mogu pružiti nove ideje za istraživanje teraherc antena.
3. Nove antene od materijala: Trenutno su se pojavile nove dipolne antene napravljene od ugljeničnih nanocevi i nove antenske strukture napravljene od metamaterijala. Novi materijali mogu donijeti nova dostignuća u performansama, ali premisa je inovacija nauke o materijalima. Trenutno je istraživanje antena od novih materijala još uvijek u fazi istraživanja, a mnoge ključne tehnologije nisu dovoljno zrele.
Ukratko, različite vrste teraherc antena mogu se odabrati prema zahtjevima dizajna:
1) Ako je potreban jednostavan dizajn i niski troškovi proizvodnje, mogu se odabrati metalne antene.
2) Ako su 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 specifičnim zahtjevima. Na primjer, dvije vrste antena mogu se kombinirati kako bi se dobile više prednosti, ali način sklapanja i tehnologija dizajna moraju zadovoljiti strože zahtjeve.
Da saznate više o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 02.08.2024
