С нарастващата популярност на безжичните устройства, услугите за данни навлязоха в нов период на бързо развитие, известен още като експлозивен растеж на услугите за данни. В момента голям брой приложения постепенно мигрират от компютри към безжични устройства като мобилни телефони, които са лесни за носене и работа в реално време, но тази ситуация доведе и до бързо увеличаване на трафика на данни и недостиг на ресурси за честотна лента. Според статистиката, скоростта на данни на пазара може да достигне Gbps или дори Tbps през следващите 10 до 15 години. В момента THz комуникацията е достигнала Gbps скорост на данни, докато Tbps скоростта на данни все още е в ранните етапи на развитие. Свързана статия изброява най-новия напредък в Gbps скоростите на данни, базирани на THz лентата, и прогнозира, че Tbps може да се получи чрез поляризационно мултиплексиране. Следователно, за да се увеличи скоростта на предаване на данни, възможно решение е да се разработи нова честотна лента, която е терагерцовата лента, която се намира в „празната област“ между микровълните и инфрачервената светлина. На Световната конференция по радиокомуникации на ITU (WRC-19) през 2019 г. честотният диапазон от 275-450 GHz беше използван за фиксирани и наземни мобилни услуги. Вижда се, че терагерцовите безжични комуникационни системи са привлекли вниманието на много изследователи.
Терагерцовите електромагнитни вълни обикновено се определят като честотна лента от 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) с дължина на вълната от 0,03-3 mm. Според стандарта IEEE, терагерцовите вълни се определят като 0,3-10 THz. Фигура 1 показва, че терагерцовата честотна лента е между микровълните и инфрачервената светлина.
Фиг. 1 Схематична диаграма на THz честотната лента.
Разработване на терагерцови антени
Въпреки че изследванията на терагерцовото лъчение започват през 19-ти век, по това време те не са били изучавани като самостоятелна област. Изследванията на терагерцовото лъчение са били фокусирани главно върху далечния инфрачервен диапазон. Едва в средата до края на 20-ти век изследователите започват да развиват изследванията на милиметровите вълни в терагерцовия диапазон и да провеждат специализирани изследвания в областта на терагерцовите технологии.
През 80-те години на миналия век появата на терагерцови радиационни източници направи възможно приложението на терагерцови вълни в практически системи. От 21-ви век насам безжичните комуникационни технологии се развиват бързо, а търсенето на информация от страна на хората и увеличаването на комуникационното оборудване поставят по-строги изисквания към скоростта на предаване на комуникационни данни. Следователно, едно от предизвикателствата на бъдещите комуникационни технологии е да работят с висока скорост на предаване на данни от гигабита в секунда на едно място. При сегашното икономическо развитие, радиочестотните ресурси стават все по-оскъдни. Човешките изисквания за комуникационен капацитет и скорост обаче са безкрайни. За проблема с претоварването на радиочестотния спектър много компании използват технологията MIMO (множество входове и множествени изходи), за да подобрят спектралната ефективност и системния капацитет чрез пространствено мултиплексиране. С развитието на 5G мрежите скоростта на връзката за данни на всеки потребител ще надхвърли Gbps, а трафикът на данни на базовите станции също ще се увеличи значително. За традиционните милиметрови вълнови комуникационни системи, микровълновите връзки няма да могат да обработват тези огромни потоци от данни. Освен това, поради влиянието на пряката видимост, разстоянието на предаване на инфрачервена комуникация е кратко, а местоположението на комуникационното оборудване е фиксирано. Следователно, THz вълните, които са между микровълните и инфрачервения диапазон, могат да се използват за изграждане на високоскоростни комуникационни системи и увеличаване на скоростта на предаване на данни чрез използване на THz връзки.
Терагерцовите вълни могат да осигурят по-широка комуникационна честотна лента, а честотният им диапазон е около 1000 пъти по-голям от този на мобилните комуникации. Следователно, използването на терагерцови вълни за изграждане на ултрависокоскоростни безжични комуникационни системи е обещаващо решение на предизвикателството на високите скорости на пренос на данни, което привлече интереса на много изследователски екипи и индустрии. През септември 2017 г. беше пуснат първият терагерцов стандарт за безжична комуникация IEEE 802.15.3d-2017, който определя обмена на данни от точка до точка в долния терагерцов честотен диапазон от 252-325 GHz. Алтернативният физически слой (PHY) на връзката може да постигне скорости на пренос на данни до 100 Gbps при различни честотни ленти.
Първата успешна терагерцова комуникационна система с честота 0,12 THz е създадена през 2004 г., а терагерцовата комуникационна система с честота 0,3 THz е реализирана през 2013 г. Таблица 1 изброява напредъка в изследванията на терагерцовите комуникационни системи в Япония от 2004 до 2013 г.
Таблица 1 Напредък в изследванията на терагерцовите комуникационни системи в Япония от 2004 до 2013 г.
Структурата на антената на комуникационна система, разработена през 2004 г., беше описана подробно от Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) през 2005 г. Конфигурацията на антената беше въведена в два случая, както е показано на Фигура 2.
Фигура 2 Схематична диаграма на японската безжична комуникационна система NTT 120 GHz
Системата интегрира фотоелектрично преобразуване и антена и приема два режима на работа:
1. В затворена среда на близко разстояние, планарният антенен предавател, използван на закрито, се състои от чип с еднолинеен носещ фотодиод (UTC-PD), планарна шлицова антена и силициева леща, както е показано на Фигура 2(a).
2. В среда на открито на голям обсег, за да се подобри влиянието на големите загуби при предаване и ниската чувствителност на детектора, предавателната антена трябва да има високо усилване. Съществуващата терагерцова антена използва Гаусова оптична леща с усилване над 50 dBi. Комбинацията от захранващ рог и диелектрична леща е показана на Фигура 2(b).
В допълнение към разработването на комуникационна система с честота 0,12 THz, през 2012 г. NTT разработи и такава с честота 0,3 THz. Чрез непрекъсната оптимизация скоростта на предаване може да достигне до 100 Gbps. Както може да се види от Таблица 1, тя е допринесла значително за развитието на терагерцовата комуникация. Настоящите изследвания обаче имат недостатъците на ниската работна честота, големите размери и високата цена.
Повечето от използваните в момента терагерцови антени са модифицирани от милиметрови вълнови антени и има малко иновации в терагерцовите антени. Следователно, за да се подобри производителността на терагерцовите комуникационни системи, важна задача е да се оптимизират терагерцовите антени. Таблица 2 изброява напредъка в изследванията на немската терагерцова комуникация. Фигура 3 (а) показва представителна терагерцова безжична комуникационна система, комбинираща фотоника и електроника. Фигура 3 (б) показва тестова сцена в аеродинамичен тунел. Съдейки по текущата изследователска ситуация в Германия, нейните изследвания и разработки имат и недостатъци като ниска работна честота, висока цена и ниска ефективност.
Таблица 2 Напредък в изследванията на THz комуникацията в Германия
Фигура 3 Тестова сцена в аеродинамичен тунел
ИКТ центърът CSIRO също така е инициирал изследвания върху терагерцови безжични комуникационни системи за вътрешни помещения. Центърът е изследвал връзката между годината и комуникационната честота, както е показано на Фигура 4. Както може да се види от Фигура 4, до 2020 г. изследванията върху безжичните комуникации са насочени към терагерцовия диапазон. Максималната комуникационна честота, използваща радиоспектъра, се увеличава около десет пъти на всеки двадесет години. Центърът е направил препоръки относно изискванията за терагерцови антени и е предложил традиционни антени, като например рупорни и лещи, за терагерцови комуникационни системи. Както е показано на Фигура 5, две рупорни антени работят съответно на 0,84 THz и 1,7 THz, с проста структура и добри характеристики на Гаусовия лъч.
Фигура 4 Връзка между годината и честотата
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Фигура 5 Два вида рупорни антени
Съединените щати са провели обширни изследвания върху излъчването и откриването на терагерцови вълни. Известни терагерцови изследователски лаборатории включват Лабораторията за реактивно движение (JPL), Станфордския център за линейни ускорители (SLAC), Националната лаборатория на САЩ (LLNL), Националната администрация по аеронавтика и изследване на космоса (NASA), Националната научна фондация (NSF) и др. Проектирани са нови терагерцови антени за терагерцови приложения, като например антени тип „папионка“ и антени за насочване на честотен лъч. В зависимост от развитието на терагерцовите антени, можем да получим три основни дизайнерски идеи за терагерцови антени в момента, както е показано на Фигура 6.
Фигура 6 Три основни дизайнерски идеи за терагерцови антени
Горният анализ показва, че въпреки че много страни са обърнали голямо внимание на терагерцовите антени, те все още са в начален етап на проучване и разработване. Поради високите загуби при разпространение и молекулярно поглъщане, терагерцовите антени обикновено са ограничени от разстоянието на предаване и покритието. Някои изследвания се фокусират върху по-ниските работни честоти в терагерцовия диапазон. Съществуващите изследвания на терагерцовите антени се фокусират главно върху подобряване на усилването чрез използване на диелектрични лещи и др., както и върху подобряване на комуникационната ефективност чрез използване на подходящи алгоритми. Освен това, как да се подобри ефективността на опаковката на терагерцовите антени също е много актуален въпрос.
Общи THz антени
Съществуват много видове THz антени: диполни антени с конични кухини, ъглови рефлекторни решетки, диполи тип „папионка“, диелектрични лещи планарни антени, фотопроводящи антени за генериране на THz източници на радиация, рупорни антени, THz антени, базирани на графенови материали и др. Според материалите, използвани за направата на THz антените, те могат грубо да бъдат разделени на метални антени (главно рупорни антени), диелектрични антени (лещи антени) и антени от нови материали. Този раздел първо дава предварителен анализ на тези антени, а след това в следващия раздел пет типични THz антени са представени подробно и анализирани задълбочено.
1. Метални антени
Рупорната антена е типична метална антена, проектирана да работи в терагерцовия диапазон. Антената на класически милиметров приемник е конична рупорна антена. Гофрираните и двумодовите антени имат много предимства, включително ротационно симетрични диаграми на излъчване, високо усилване от 20 до 30 dBi и ниско ниво на кръстосана поляризация от -30 dB, както и ефективност на свързване от 97% до 98%. Наличните честотни ленти на двете рупорни антени са съответно 30%-40% и 6%-8%.
Тъй като честотата на терагерцовите вълни е много висока, размерът на рупорната антена е много малък, което прави обработката на рога много трудна, особено при проектирането на антенни решетки, а сложността на технологията на обработка води до прекомерни разходи и ограничено производство. Поради трудността при производството на дъното на сложния дизайн на рога, обикновено се използва проста рупорна антена във формата на коничен или коничен рупор, което може да намали разходите и сложността на процеса, а радиационните характеристики на антената могат да се поддържат добре.
Друга метална антена е пирамидална антена с пътуваща вълна, която се състои от антена с пътуваща вълна, интегрирана върху 1,2 микрона диелектричен филм и окачена в надлъжна кухина, гравирана върху силициева пластина, както е показано на Фигура 7. Тази антена е с отворена структура, съвместима с Шотки диоди. Поради сравнително простата си структура и ниските производствени изисквания, тя обикновено може да се използва в честотни ленти над 0,6 THz. Нивото на страничния лоб и нивото на кръстосана поляризация на антената обаче са високи, вероятно поради отворената ѝ структура. Следователно, ефективността на свързването ѝ е сравнително ниска (около 50%).
Фигура 7 Пирамидална антена с пътуваща вълна
2. Диелектрична антена
Диелектричната антена е комбинация от диелектричен субстрат и антенен радиатор. Чрез правилно проектиране, диелектричната антена може да постигне импедансно съгласуване с детектора и има предимствата на прост процес, лесна интеграция и ниска цена. През последните години изследователите са проектирали няколко теснолентови и широколентови антени със странично излъчване, които могат да съответстват на нискоимпедансните детектори на терагерцови диелектрични антени: антена тип „пеперуда“, двойна U-образна антена, логаритмично-периодична антена и логаритмично-периодична синусоидална антена, както е показано на Фигура 8. Освен това, по-сложни геометрии на антените могат да бъдат проектирани чрез генетични алгоритми.
Фигура 8 Четири вида планарни антени
Въпреки това, тъй като диелектричната антена е комбинирана с диелектричен субстрат, ще възникне ефект на повърхностна вълна, когато честотата се насочи към терагерцовия диапазон. Този фатален недостатък ще доведе до загуба на много енергия от антената по време на работа и ще доведе до значително намаляване на ефективността на излъчване на антената. Както е показано на Фигура 9, когато ъгълът на излъчване на антената е по-голям от ъгъла на сключване, нейната енергия се ограничава в диелектричния субстрат и се свързва с модата на субстрата.
Фигура 9 Ефект на повърхностната вълна на антената
С увеличаване на дебелината на подложката, броят на модовете от висок порядък се увеличава и връзката между антената и подложката се увеличава, което води до загуба на енергия. За да се отслаби ефектът на повърхностните вълни, съществуват три схеми за оптимизация:
1) Поставете леща на антената, за да увеличите усилването, като използвате характеристиките на формиране на лъча на електромагнитните вълни.
2) Намалете дебелината на субстрата, за да потиснете генерирането на електромагнитни вълни от висок порядък.
3) Заменете диелектричния материал на субстрата с електромагнитна забранена зона (EBG). Характеристиките на пространственото филтриране на EBG могат да потиснат модовете от висок порядък.
3. Антени от нов материал
В допълнение към горните две антени, съществува и терагерцова антена, изработена от нови материали. Например, през 2006 г. Джин Хао и др. предложиха диполна антена от въглеродни нанотръбички. Както е показано на Фигура 10 (а), диполът е направен от въглеродни нанотръби, вместо от метални материали. Той внимателно проучи инфрачервените и оптичните свойства на диполната антена от въглеродни нанотръбички и обсъди общите характеристики на диполната антена от въглеродни нанотръбички с крайна дължина, като входен импеданс, разпределение на тока, усилване, ефективност и диаграма на излъчване. Фигура 10 (б) показва връзката между входния импеданс и честотата на диполната антена от въглеродни нанотръбички. Както може да се види на Фигура 10 (б), имагинерната част на входния импеданс има множество нули при по-високи честоти. Това показва, че антената може да постигне множество резонанси при различни честоти. Очевидно е, че антената от въглеродни нанотръбички проявява резонанс в определен честотен диапазон (по-ниски THz честоти), но е напълно неспособна да резонира извън този диапазон.
Фигура 10 (а) Диполна антена от въглеродни нанотръбички. (б) Крива на входния импеданс-честота
През 2012 г. Самир Ф. Махмуд и Айед Р. Ал-Аджми предложиха нова терагерцова антенна структура, базирана на въглеродни нанотръби, която се състои от сноп от въглеродни нанотръби, обвити в два диелектрични слоя. Вътрешният диелектричен слой е слой от диелектрична пяна, а външният диелектричен слой е слой от метаматериал. Специфичната структура е показана на Фигура 11. Чрез тестове, радиационните характеристики на антената са подобрени в сравнение с едностенните въглеродни нанотръби.
Фигура 11 Нова терагерцова антена, базирана на въглеродни нанотръби
Предложените по-горе нови материални терагерцови антени са предимно триизмерни. За да се подобри честотната лента на антената и да се създадат конформни антени, планарните графенови антени са получили широко внимание. Графенът има отлични динамични характеристики за непрекъснат контрол и може да генерира повърхностна плазма чрез регулиране на напрежението на отклонение. Повърхностната плазма съществува на границата между субстрати с положителна диелектрична константа (като Si, SiO2 и др.) и субстрати с отрицателна диелектрична константа (като благородни метали, графен и др.). В проводниците като благородни метали и графен има голям брой „свободни електрони“. Тези свободни електрони се наричат още плазми. Поради присъщото потенциално поле в проводника, тези плазми са в стабилно състояние и не се смущават от външния свят. Когато падащата електромагнитна вълнова енергия се свърже с тези плазми, плазмите ще се отклонят от стационарното състояние и ще вибрират. След преобразуването, електромагнитният режим образува напречна магнитна вълна на границата. Според описанието на дисперсионното отношение на металната повърхностна плазма от модела на Друде, металите не могат естествено да се свържат с електромагнитните вълни в свободното пространство и да преобразуват енергия. Необходимо е да се използват други материали за възбуждане на повърхностни плазмени вълни. Повърхностните плазмени вълни затихват бързо в успоредна посока на границата метал-субстрат. Когато металният проводник провежда в посока, перпендикулярна на повърхността, възниква скин-ефект. Очевидно е, че поради малкия размер на антената, има скин-ефект във високочестотната лента, което води до рязък спад на производителността на антената и тя не може да отговори на изискванията на терагерцовите антени. Повърхностният плазмон на графена не само има по-висока сила на свързване и по-ниски загуби, но и поддържа непрекъсната електрическа настройка. Освен това, графенът има сложна проводимост в терагерцовата лента. Следователно, бавното разпространение на вълните е свързано с плазмения режим при терагерцови честоти. Тези характеристики напълно демонстрират възможността графенът да замени металните материали в терагерцовата лента.
Въз основа на поляризационното поведение на повърхностните плазмони на графен, Фигура 12 показва нов тип лентова антена и предлага формата на лентата на характеристиките на разпространение на плазмените вълни в графен. Дизайнът на регулируема лента на антената предоставя нов начин за изучаване на характеристиките на разпространение на терагерцови антени от нов материал.
Фигура 12 Нова лентова антена
В допълнение към изследването на нови материали за терагерцови антенни елементи, графеновите нанопластови терагерцови антени могат да бъдат проектирани и като решетки за изграждане на терагерцови комуникационни системи с множество входове и множество изходи. Структурата на антената е показана на Фигура 13. Въз основа на уникалните свойства на графеновите нанопластови антени, антенните елементи имат размери в микронен мащаб. Химическото отлагане на пари директно синтезира различни графенови изображения върху тънък никелов слой и ги пренася върху произволен субстрат. Чрез избиране на подходящ брой компоненти и промяна на електростатичното напрежение, посоката на излъчване може ефективно да се променя, което прави системата реконфигурируема.
Фигура 13. Терахерцова антенна решетка от графенови нанопласти
Изследването на нови материали е сравнително ново направление. Очаква се иновациите в материалите да преодолеят ограниченията на традиционните антени и да разработят разнообразие от нови антени, като например реконфигурируеми метаматериали, двуизмерни (2D) материали и др. Този тип антена обаче зависи главно от иновациите в новите материали и развитието на технологичните процеси. Във всеки случай, разработването на терагерцови антени изисква иновативни материали, прецизна технология за обработка и нови дизайнерски структури, за да се отговори на изискванията за високо усилване, ниска цена и широка честотна лента на терагерцовите антени.
Следното представя основните принципи на три вида терагерцови антени: метални антени, диелектрични антени и антени от нови материали, и анализира техните разлики, предимства и недостатъци.
1. Метална антена: Геометрията е проста, лесна за обработка, сравнително ниска цена и ниски изисквания за материалите на основата. Металните антени обаче използват механичен метод за регулиране на позицията си, което е склонно към грешки. Ако регулирането не е правилно, производителността на антената ще бъде значително намалена. Въпреки че металната антена е с малки размери, е трудно да се сглоби с планарна схема.
2. Диелектрична антена: Диелектричната антена има нисък входен импеданс, лесно се съгласува с детектор с нисък импеданс и е сравнително лесна за свързване с планарна верига. Геометричните форми на диелектричните антени включват форма на пеперуда, двойна U-образна форма, конвенционална логаритмична форма и логаритмична периодична синусоидална форма. Диелектричните антени обаче имат и фатален недостатък, а именно ефекта на повърхностната вълна, причинен от дебелия субстрат. Решението е да се зареди леща и диелектричният субстрат да се замени с EBG структура. И двете решения изискват иновации и непрекъснато усъвършенстване на технологичния процес и материалите, но отличните им характеристики (като всепосочност и потискане на повърхностните вълни) могат да предоставят нови идеи за изследване на терагерцови антени.
3. Антени от нови материали: В момента се появиха нови диполни антени, изработени от въглеродни нанотръби, и нови антенни структури, изработени от метаматериали. Новите материали могат да донесат нови пробиви в производителността, но предпоставката е иновацията в материалознанието. В момента изследванията върху антени от нови материали все още са в етап на проучване и много ключови технологии не са достатъчно зрели.
В обобщение, различни видове терагерцови антени могат да бъдат избрани според проектните изисквания:
1) Ако се изисква опростен дизайн и ниска производствена цена, могат да се изберат метални антени.
2) Ако се изисква висока интеграция и нисък входен импеданс, могат да се изберат диелектрични антени.
3) Ако е необходим пробив в производителността, могат да се изберат антени от нови материали.
Горните конструкции могат да бъдат коригирани според специфични изисквания. Например, два вида антени могат да бъдат комбинирани, за да се получат повече предимства, но методът на сглобяване и технологията на проектиране трябва да отговарят на по-строги изисквания.
За да научите повече за антените, моля, посетете:
Време на публикуване: 02.08.2024 г.
