С нарастващата популярност на безжичните устройства услугите за данни навлязоха в нов период на бързо развитие, известен също като експлозивен растеж на услугите за данни. Понастоящем голям брой приложения постепенно мигрират от компютри към безжични устройства като мобилни телефони, които са лесни за носене и работят в реално време, но тази ситуация също доведе до бързо нарастване 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. Понастоящем THz комуникацията е достигнала скорост на данни Gbps, докато скоростта на данни Tbps е все още в ранен етап на развитие. Свързан документ изброява най-новия напредък в скоростите на данни Gbps въз основа на THz обхвата 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 терахерцовата лента, която е в "празната зона" между микровълните и инфрачервената светлина. На Световната радиокомуникационна конференция на ITU (WRC-19) през 2019 г. честотният диапазон от 275-450 GHz е използван за фиксирани и наземни мобилни услуги. Може да се види, че терагерцовите безжични комуникационни системи са привлекли вниманието на много изследователи.
Терахерцовите електромагнитни вълни обикновено се определят като честотна лента от 0,1-10THz (1THz=1012Hz) с дължина на вълната от 0,03-3 mm. Според стандарта IEEE терахерцовите вълни се определят като 0,3-10THz. Фигура 1 показва, че терахерцовата честотна лента е между микровълните и инфрачервената светлина.
Фиг. 1 Схематична диаграма на THz честотна лента.
Разработване на терагерцови антени
Въпреки че изследванията на терахерца започват през 19 век, по това време не са били изучавани като самостоятелно поле. Изследванията на терахерцовото лъчение бяха фокусирани главно върху далечната инфрачервена лента. Едва от средата до края на 20-ти век изследователите започнаха да напредват в изследванията на милиметровите вълни до терахерцовия диапазон и да провеждат специализирани изследвания на терахерцовите технологии.
През 80-те години на миналия век появата на терахерцови източници на радиация направи възможно прилагането на терахерцови вълни в практически системи. От 21-ви век технологията за безжична комуникация се развива бързо и търсенето на информация от хората и увеличаването на комуникационното оборудване поставиха по-строги изисквания за скоростта на предаване на комуникационни данни. Следователно, едно от предизвикателствата на бъдещите комуникационни технологии е да работят с висока скорост на данни от гигабита в секунда на едно място. При настоящото икономическо развитие ресурсите от радиочестотния спектър стават все по-оскъдни. Човешките изисквания за комуникационен капацитет и скорост обаче са безкрайни. За проблема с претоварването на спектъра много компании използват технологията с множество входове и множество изходи (MIMO), за да подобрят ефективността на спектъра и капацитета на системата чрез пространствено мултиплексиране. С напредването 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 комуникационни системи с милиметрови вълни микровълновите връзки няма да могат да се справят с тези огромни потоци от данни. В допълнение, поради влиянието на линията на видимост, разстоянието на предаване на инфрачервената комуникация е кратко и местоположението на комуникационното оборудване е фиксирано. Следователно THz вълните, които са между микровълните и инфрачервените лъчи, могат да се използват за изграждане на високоскоростни комуникационни системи и увеличаване на скоростта на предаване на данни чрез използване на THz връзки.
Терахерцовите 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 THz за изграждане на ултрависокоскоростни безжични комуникационни системи е обещаващо решение на предизвикателството на високите скорости на данни, което привлече интереса на много изследователски екипи и индустрии. През септември 2017 г. беше пуснат първият THz безжичен комуникационен стандарт IEEE 802.15.3d-2017, който дефинира обмен на данни от точка до точка в по-ниския THz честотен диапазон от 252-325 GHz. Алтернативният физически слой (PHY) на връзката може да постигне скорости на данни до 100 Gbps при различни ленти.
Първата успешна THz комуникационна система от 0,12 THz беше създадена през 2004 г., а THz комуникационната система от 0,3 THz беше реализирана през 2013 г. Таблица 1 изброява напредъка на изследванията на терагерцовите комуникационни системи в Япония от 2004 до 2013 г.
Таблица 1 Напредък на изследванията на терагерцови 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 NTT 120 GHz безжична комуникационна система
Системата интегрира фотоелектрическо преобразуване и антена и приема два работни режима:
1. В затворена среда с близък обхват предавателят с планарна антена, използван на закрито, се състои от чип с еднолинеен носещ фотодиод (UTC-PD), планарна слот антена и силиконова леща, както е показано на фигура 2(a).
2. В среда на открито на дълги разстояния, за да се подобри влиянието на големи загуби при предаване и ниска чувствителност на детектора, антената на предавателя трябва да има голямо усилване. Съществуващата терагерцова антена използва оптична леща на Гаус с коефициент на усилване над 50 dBi. Комбинацията от захранващ рог и диелектрична леща е показана на фигура 2(b).
В допълнение към разработването на 0,12 THz комуникационна система, NTT разработи и 0,3 THz комуникационна система през 2012 г. Чрез непрекъсната оптимизация скоростта на предаване може да достигне до 100 Gbps. Както се вижда от таблица 1, той има голям принос за развитието на терагерцовата комуникация. Въпреки това, настоящата изследователска работа има недостатъците на ниска работна честота, голям размер и висока цена.
Повечето от използваните в момента терагерцови антени са модифицирани от антени с милиметрови вълни и има малко иновации в терагерцовите антени. Следователно, за да се подобри работата на терагерцовите комуникационни системи, важна задача е оптимизирането на терагерцовите антени. Таблица 2 изброява напредъка на изследванията на немската THz комуникация. Фигура 3 (a) показва представителна THz безжична комуникационна система, съчетаваща фотоника и електроника. Фигура 3 (b) показва тестовата сцена в аеродинамичен тунел. Съдейки по текущата изследователска ситуация в Германия, неговите изследвания и разработки също имат недостатъци като ниска работна честота, висока цена и ниска ефективност.
Таблица 2 Напредък на изследванията на THz комуникация в Германия
Фигура 3 Тестова сцена в аеродинамичен тунел
CSIRO ICT Center също инициира изследване на THz вътрешни безжични комуникационни системи. Центърът изследва връзката между годината и комуникационната честота, както е показано на Фигура 4. Както може да се види от Фигура 4, до 2020 г. изследванията на безжичните комуникации клонят към обхвата THz. Максималната комуникационна честота, използваща радиочестотния спектър, се увеличава около десет пъти на всеки двадесет години. Центърът направи препоръки относно изискванията за THz антени и предложи традиционни антени като клаксони и лещи за THz комуникационни системи. Както е показано на Фигура 5, две рупорни антени работят съответно на 0,84THz и 1,7THz, с проста структура и добро представяне на гауссовия лъч.
Фигура 4 Връзка между година и честота
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Фигура 5 Два вида рупорни антени
Съединените щати са провели обширни изследвания върху излъчването и откриването на терахерцови вълни. Известни терагерцови изследователски лаборатории включват Лабораторията за реактивни двигатели (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 антени тип "папийонка" и антени за управление на честотен лъч. Според 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 развитие. Поради високата загуба на разпространение и молекулярното поглъщане, THz антените обикновено са ограничени от разстоянието на предаване и покритието. Някои изследвания се фокусират върху по-ниските работни честоти в THz обхвата. Съществуващите изследвания на терагерцови антени се фокусират главно върху подобряване на усилването чрез използване на антени с диелектрични лещи и т.н. и подобряване на комуникационната ефективност чрез използване на подходящи алгоритми. В допълнение, как да се подобри ефективността на опаковката на терагерцовата антена също е много спешен въпрос.
Общи THz антени
Налични са много видове THz антени: диполни антени с конични кухини, ъглови рефлекторни решетки, диполи с папийонки, планарни антени с диелектрични лещи, фотопроводими антени за генериране на източници на THz радиация, рупорни антени, THz антени на базата на графенови материали и др. материалите, използвани за направата на THz антени, те могат грубо да бъдат разделени на метал антени (основно рупорни антени), диелектрични антени (антени с лещи) 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 в дълбочина.
1. Метални антени
Роксовата антена е типична метална антена, която е проектирана да работи в обхвата THz. Антената на класически приемник с милиметрови вълни е коничен рупор. Вълнообразните и двурежимните антени имат много предимства, включително ротационно симетрични модели на излъчване, голямо усилване от 20 до 30 dBi и ниско ниво на кръстосана поляризация от -30 dB 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 терахерцовите вълни е много висока, размерът на рупорната антена е много малък, което прави обработката на рупора много трудна, особено при проектирането на антенни решетки, а сложността на технологията за обработка води до прекомерни разходи и ограничено производство. Поради трудността при производството на дъното на сложния дизайн на рог обикновено се използва проста рупорна антена под формата на коничен или коничен рог, което може да намали разходите и сложността на процеса и може да се запази радиационната производителност на антената 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 силиконова пластина, както е показано на фигура 7. Тази антена е отворена структура, която е съвместими с диоди на Шотки. Поради сравнително простата си структура и ниските изисквания за производство, той обикновено може да се използва в честотни ленти над 0,6 THz. Нивото на страничния облъч и нивото на кръстосана поляризация на антената обаче са високи, вероятно поради отворената й структура. Следователно неговата ефективност на свързване е относително ниска (около 50%).
Фигура 7 Пирамидална антена с пътуващи вълни
2. Диелектрична антена
Диелектричната антена е комбинация от диелектричен субстрат и антенен радиатор. Чрез подходящ дизайн, диелектричната антена може да постигне съвпадение на импеданса 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 страничен огън, които могат да съответстват на детекторите с нисък импеданс на терагерцови диелектрични антени: антена тип пеперуда, двойна U-образна антена, логаритмично периодична антена и логаритмично периодична синусоидална антена, като показано на фигура 8. В допълнение, по-сложни геометрии на антената 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 клони към THz обхвата. Този фатален недостатък ще накара антената да загуби много енергия 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 прекъсване, нейната енергия се ограничава в диелектричния субстрат и се свързва с режима на субстрата.
Фигура 9 Ефект на повърхностната вълна на антената
С увеличаване на дебелината на субстрата, броят на режимите от висок порядък се увеличава и свързването между антената и субстрата се увеличава, което води до загуба на енергия. За да се отслаби ефектът на повърхностната вълна, има три оптимизационни схеми:
1) Поставете леща на антената, за да увеличите усилването чрез използване на характеристиките за формиране на лъч на електромагнитните вълни.
2) Намалете дебелината на субстрата, за да потиснете генерирането на модове от висок порядък на електромагнитни вълни.
3) Заменете диелектричния материал на субстрата с електромагнитна забранена лента (EBG). Характеристиките на пространственото филтриране на EBG могат да потискат режимите от висок ред.
3. Антени от нов материал
В допълнение към горните две антени има и терагерцова антена, изработена от нови материали. Например през 2006 г. Jin Hao et al. предложи диполна антена от въглеродни нанотръби. 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 нанотръби и обсъди общите характеристики на диполната антена от въглеродни нанотръби с крайна дължина, като входен импеданс, разпределение на тока, усилване, ефективност и модел на излъчване. Фигура 10 (b) показва връзката между входния импеданс и честотата на диполната антена от въглеродни нанотръби. Както може да се види на фигура 10(b), въображаемата част от входния импеданс има множество нули при по-високи честоти. Това показва, че антената може да постигне множество резонанси при различни честоти. Очевидно антената от въглеродни нанотръби проявява резонанс в определен честотен диапазон (по-ниски THz честоти), но е напълно неспособна да резонира извън този диапазон.
Фигура 10 (a) Диполна антена от въглеродни нанотръби. (b) Крива на входния импеданс-честота
През 2012 г. Samir F. Mahmoud и Ayed R. AlAjmi предложиха нова структура на терагерцова антена, 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 тестване, излъчването на антената е подобрено в сравнение с едностенни въглеродни нанотръби.
Фигура 11 Нова терагерцова антена, базирана на въглеродни нанотръби
Предложените по-горе терахерцови антени от нов материал са предимно триизмерни. За да се подобри честотната лента на антената и да се направят конформни антени, планарните графенови антени получиха широко внимание. Графенът има отлични динамични непрекъснати контролни характеристики и може да генерира повърхностна плазма чрез регулиране на преднапрежението. 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.). Има голям брой „свободни електрони“ в проводници като благородни метали и графен. Тези свободни електрони се наричат още плазми. Благодарение на присъщото потенциално поле в проводника, тези плазми са в стабилно състояние и не се нарушават от външния свят. Когато енергията на падащата електромагнитна вълна се свърже с тези плазми, плазмите ще се отклонят от стационарното състояние и ще вибрират. След преобразуването електромагнитният режим образува напречна магнитна вълна на интерфейса. Според описанието на дисперсионното отношение на плазмата на металната повърхност от модела на Друде, металите не могат естествено да се свързват с електромагнитни вълни в свободното пространство и да преобразуват енергия. Необходимо е да се използват други материали за възбуждане на повърхностни плазмени вълни. Повърхностните плазмени вълни се разпадат бързо в успоредна посока на интерфейса метал-субстрат. Когато металният проводник провежда в посока, перпендикулярна на повърхността, възниква скин ефект. Очевидно поради малкия размер на антената има скин ефект във високочестотната лента, което води до рязък спад на производителността на антената и 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 също така поддържа непрекъсната електрическа настройка. В допълнение, графенът има сложна проводимост в терахерцовата лента. Следователно бавното разпространение на вълната е свързано с плазмения режим при терахерцови честоти. Тези характеристики напълно демонстрират осъществимостта на графена да замени металните материали в терахерцовата лента.
Въз основа на поляризационното поведение на графеновите повърхностни плазмони, Фигура 12 показва нов тип лентова антена и предлага формата на лентата на характеристиките на разпространение на плазмените вълни в графена. Дизайнът на регулируема антенна лента осигурява нов начин за изследване на характеристиките на разпространение на терахерцови антени от нов материал.
Фигура 12 Нова лентова антена
В допълнение към проучването на нови материални терагерцови антенни елементи, графеновите нанопач терагерцови антени могат също да бъдат проектирани като масиви за изграждане на комуникационни системи за терагерцова антена с множество входове и изходи. Структурата на антената е показана на Фигура 13. Въз основа на уникалните свойства на графеновите нанопач антени, елементите на антената имат микронни размери. Химичното отлагане на пари директно синтезира различни графенови изображения върху тънък никелов слой и ги прехвърля върху всеки субстрат. Чрез избиране на подходящ брой компоненти и промяна на напрежението на електростатичното отклонение, посоката на излъчване може да бъде ефективно променена, което прави системата реконфигурируема.
Фигура 13 Терахерцова антенна решетка от графенов нанопач
Изследването на нови материали е сравнително ново направление. Очаква се иновацията на материалите да преодолее ограниченията на традиционните антени и да разработи разнообразие от нови антени, като преконфигурируеми метаматериали, двуизмерни (2D) материали и т.н. Въпреки това, този тип антена зависи главно от иновациите на новите материали и напредъка на технологията на процеса. 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 въвежда основните принципи на три вида терагерцови антени: метални антени, диелектрични антени и антени от нов материал и анализира техните разлики, предимства и недостатъци.
1. Метална антена: Геометрията е проста, лесна за обработка, сравнително ниска цена и ниски изисквания за субстратни материали. Металните антени обаче използват механичен метод за регулиране на позицията на антената, което е податливо на грешки. Ако настройката не е правилна, производителността на антената ще бъде значително намалена. Въпреки че металната антена е малка по размер, е трудно да се сглоби с планарна верига.
2. Диелектрична антена: Диелектричната антена има нисък входен импеданс, лесно се свързва 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 форма, конвенционална логаритмична форма и логаритмична периодична синусова форма. Диелектричните антени обаче имат и фатален недостатък, а именно ефекта на повърхностната вълна, причинен от дебелия субстрат. Решението е да заредите леща и да замените диелектричния субстрат с EBG структура. И двете решения изискват иновации и непрекъснато усъвършенстване на технологията и материалите, но тяхната отлична производителност (като многопосочност и потискане на повърхностните вълни) може да предостави нови идеи за изследване на терагерцови антени.
3. Нови материални антени: Понастоящем се появиха нови диполни антени, направени от въглеродни нанотръби и нови антенни структури, направени от метаматериали. Новите материали могат да донесат нови пробиви в производителността, но предпоставката е иновацията в науката за материалите. Понастоящем изследването на нови материални антени е все още в проучвателен етап и много ключови технологии не са достатъчно зрели.
В обобщение, различни типове терагерцови антени могат да бъдат избрани според изискванията за дизайн:
1) Ако се изисква прост дизайн и ниски производствени разходи, могат да бъдат избрани метални антени.
2) Ако се изисква висока интеграция и нисък входен импеданс, могат да бъдат избрани диелектрични антени.
3) Ако се изисква пробив в производителността, могат да бъдат избрани антени от нов материал.
Горните дизайни също могат да бъдат коригирани според специфични изисквания. Например, два вида антени могат да се комбинират, 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 август 2024 г
