Amb la creixent popularitat dels dispositius sense fil, els serveis de dades han entrat en un nou període de ràpid desenvolupament, també conegut com el creixement explosiu dels serveis de dades. Actualment, un gran nombre d'aplicacions estan migrant gradualment dels ordinadors a dispositius sense fil com ara telèfons mòbils que són fàcils de transportar i operar en temps real, però aquesta situació també ha provocat un ràpid augment del trànsit de dades i una escassetat de recursos d'ample de banda. Segons les estadístiques, la velocitat de dades al mercat pot arribar a Gbps o fins i tot Tbps en els propers 10 a 15 anys. Actualment, la comunicació THz ha assolit una velocitat de dades de Gbps, mentre que la velocitat de dades de Tbps encara es troba en les primeres etapes de desenvolupament. Un article relacionat enumera els darrers avenços en les velocitats de dades de Gbps basades en la banda de THz i prediu que es poden obtenir Tbps mitjançant la multiplexació de polarització. Per tant, per augmentar la velocitat de transmissió de dades, una solució viable és desenvolupar una nova banda de freqüència, que és la banda de terahertz, que es troba a la "zona en blanc" entre les microones i la llum infraroja. A la Conferència Mundial de Radiocomunicacions de la UIT (CMR-19) del 2019, es va utilitzar el rang de freqüències de 275-450 GHz per a serveis fixos i mòbils terrestres. Es pot observar que els sistemes de comunicació sense fil de terahertz han atret l'atenció de molts investigadors.
Les ones electromagnètiques de terahertz es defineixen generalment com la banda de freqüència de 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) amb una longitud d'ona de 0,03-3 mm. Segons l'estàndard IEEE, les ones de terahertz es defineixen com 0,3-10 THz. La figura 1 mostra que la banda de freqüència de terahertz es troba entre les microones i la llum infraroja.
Fig. 1 Diagrama esquemàtic de la banda de freqüència de THz.
Desenvolupament d'antenes de terahertz
Tot i que la investigació sobre terahertz va començar al segle XIX, no es va estudiar com un camp independent en aquell moment. La investigació sobre la radiació de terahertz es va centrar principalment en la banda de l'infraroig llunyà. No va ser fins a mitjans i finals del segle XX que els investigadors van començar a avançar en la investigació de les ones mil·limètriques a la banda de terahertz i a dur a terme investigacions especialitzades en tecnologia de terahertz.
A la dècada del 1980, l'aparició de fonts de radiació de terahertz va fer possible l'aplicació d'ones de terahertz en sistemes pràctics. Des del segle XXI, la tecnologia de comunicació sense fil s'ha desenvolupat ràpidament, i la demanda d'informació de la gent i l'augment dels equips de comunicació han plantejat requisits més estrictes sobre la velocitat de transmissió de dades de comunicació. Per tant, un dels reptes de la tecnologia de comunicació del futur és operar a una alta velocitat de dades de gigabits per segon en una sola ubicació. Sota el desenvolupament econòmic actual, els recursos de l'espectre s'han tornat cada cop més escassos. Tanmateix, els requisits humans pel que fa a la capacitat i la velocitat de comunicació són infinits. Pel problema de la congestió de l'espectre, moltes empreses utilitzen la tecnologia MIMO (multiple-input-multiple output) per millorar l'eficiència de l'espectre i la capacitat del sistema mitjançant la multiplexació espacial. Amb l'avanç de les xarxes 5G, la velocitat de connexió de dades de cada usuari superarà els Gbps i el trànsit de dades de les estacions base també augmentarà significativament. Per als sistemes de comunicació d'ones mil·limètriques tradicionals, els enllaços de microones no podran gestionar aquests enormes fluxos de dades. A més, a causa de la influència de la línia de visió, la distància de transmissió de la comunicació per infrarojos és curta i la ubicació del seu equip de comunicació és fixa. Per tant, les ones THz, que es troben entre les microones i l'infraroig, es poden utilitzar per construir sistemes de comunicació d'alta velocitat i augmentar les taxes de transmissió de dades mitjançant enllaços THz.
Les ones de terahertz poden proporcionar un ample de banda de comunicació més ampli, i el seu rang de freqüència és aproximadament 1000 vegades superior al de les comunicacions mòbils. Per tant, l'ús de THz per construir sistemes de comunicació sense fil d'ultraalta velocitat és una solució prometedora al repte de les altes taxes de dades, que ha atret l'interès de molts equips de recerca i indústries. El setembre de 2017 es va publicar el primer estàndard de comunicació sense fil de THz IEEE 802.15.3d-2017, que defineix l'intercanvi de dades punt a punt en el rang de freqüència de THz inferior de 252-325 GHz. La capa física alternativa (PHY) de l'enllaç pot aconseguir velocitats de dades de fins a 100 Gbps a diferents amples de banda.
El primer sistema de comunicació THz de 0,12 THz amb èxit es va establir el 2004, i el sistema de comunicació THz de 0,3 THz es va realitzar el 2013. La taula 1 mostra el progrés de la investigació dels sistemes de comunicació de terahertz al Japó del 2004 al 2013.
Taula 1 Progrés de la recerca en sistemes de comunicació de terahertz al Japó del 2004 al 2013
L'estructura de l'antena d'un sistema de comunicació desenvolupat el 2004 va ser descrita detalladament per Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) el 2005. La configuració de l'antena es va introduir en dos casos, tal com es mostra a la Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemàtic del sistema de comunicació sense fil NTT de 120 GHz del Japó
El sistema integra conversió fotoelèctrica i antena i adopta dos modes de funcionament:
1. En un entorn interior de curta distància, el transmissor d'antena planar utilitzat en interiors consta d'un xip de fotodíode portador de línia única (UTC-PD), una antena de ranura planar i una lent de silici, tal com es mostra a la Figura 2(a).
2. En un entorn exterior de llarg abast, per tal de millorar la influència de la gran pèrdua de transmissió i la baixa sensibilitat del detector, l'antena transmissora ha de tenir un guany elevat. L'antena de terahertz existent utilitza una lent òptica gaussiana amb un guany de més de 50 dBi. La combinació de la bocina d'alimentació i la lent dielèctrica es mostra a la Figura 2(b).
A més de desenvolupar un sistema de comunicació de 0,12 THz, NTT també va desenvolupar un sistema de comunicació de 0,3 THz el 2012. Mitjançant l'optimització contínua, la velocitat de transmissió pot arribar als 100 Gbps. Com es pot veure a la Taula 1, ha fet una gran contribució al desenvolupament de la comunicació de terahertz. Tanmateix, el treball de recerca actual té els desavantatges de la baixa freqüència de funcionament, la gran mida i l'alt cost.
La majoria de les antenes de terahertz que s'utilitzen actualment són antenes d'ona mil·limètrica modificades, i hi ha poca innovació en les antenes de terahertz. Per tant, per tal de millorar el rendiment dels sistemes de comunicació de terahertz, una tasca important és optimitzar les antenes de terahertz. La taula 2 mostra el progrés de la investigació de la comunicació THz alemanya. La figura 3 (a) mostra un sistema de comunicació sense fil THz representatiu que combina fotònica i electrònica. La figura 3 (b) mostra l'escena de la prova del túnel de vent. A jutjar per la situació actual de la investigació a Alemanya, la seva investigació i desenvolupament també té desavantatges com ara baixa freqüència de funcionament, alt cost i baixa eficiència.
Taula 2 Progrés de la recerca sobre la comunicació THz a Alemanya
Figura 3 Escena de prova del túnel de vent
El Centre TIC CSIRO també ha iniciat una investigació sobre sistemes de comunicació sense fils en interiors de THz. El centre va estudiar la relació entre l'any i la freqüència de comunicació, tal com es mostra a la Figura 4. Com es pot veure a la Figura 4, el 2020, la investigació sobre comunicacions sense fils tendeix a la banda de THz. La freqüència màxima de comunicació que utilitza l'espectre radioelèctric augmenta aproximadament deu vegades cada vint anys. El centre ha fet recomanacions sobre els requisits per a les antenes de THz i ha proposat antenes tradicionals com ara trompetes i lents per a sistemes de comunicació de THz. Com es mostra a la Figura 5, dues antenes de trompeta funcionen a 0,84 THz i 1,7 THz respectivament, amb una estructura senzilla i un bon rendiment del feix gaussià.
Figura 4 Relació entre any i freqüència
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Dos tipus d'antenes de trompeta
Els Estats Units han dut a terme una àmplia investigació sobre l'emissió i la detecció d'ones de terahertz. Entre els laboratoris d'investigació de terahertz més famosos hi ha el Jet Propulsion Laboratory (JPL), el Stanford Lineal Accelerator Center (SLAC), el US National Laboratory (LLNL), l'National Aeronautics and Space Administration (NASA), la National Science Foundation (NSF), etc. S'han dissenyat noves antenes de terahertz per a aplicacions de terahertz, com ara antenes de tipus bowtie i antenes de direcció de feix de freqüència. Segons el desenvolupament de les antenes de terahertz, podem obtenir tres idees de disseny bàsiques per a les antenes de terahertz actualment, com es mostra a la Figura 6.
Figura 6 Tres idees de disseny bàsiques per a antenes de terahertz
L'anàlisi anterior mostra que, tot i que molts països han prestat molta atenció a les antenes de terahertz, encara es troben en la fase inicial d'exploració i desenvolupament. A causa de l'alta pèrdua de propagació i l'absorció molecular, les antenes de THz solen estar limitades per la distància de transmissió i la cobertura. Alguns estudis se centren en freqüències de funcionament més baixes a la banda de THz. La investigació existent sobre antenes de terahertz se centra principalment en millorar el guany mitjançant l'ús d'antenes de lent dielèctrica, etc., i millorar l'eficiència de la comunicació mitjançant l'ús d'algoritmes adequats. A més, com millorar l'eficiència de l'empaquetament d'antenes de terahertz també és un tema molt urgent.
Antenes generals de THz
Hi ha molts tipus d'antenes THz disponibles: antenes dipol amb cavitats còniques, matrius de reflectors de cantonada, dipols de tipus bowtie, antenes planars de lent dielèctrica, antenes fotoconductores per generar fonts de radiació de font THz, antenes de banya, antenes THz basades en materials de grafè, etc. Segons els materials utilitzats per fabricar les antenes THz, es poden dividir aproximadament en antenes metàl·liques (principalment antenes de banya), antenes dielèctriques (antenes de lent) i antenes de materials nous. Aquesta secció primer fa una anàlisi preliminar d'aquestes antenes i, a la secció següent, es presenten en detall i s'analitzen en profunditat cinc antenes THz típiques.
1. Antenes metàl·liques
L'antena de trompeta és una antena metàl·lica típica dissenyada per funcionar a la banda de THz. L'antena d'un receptor d'ones mil·limètriques clàssic és una trompeta cònica. Les antenes corrugades i de mode dual tenen molts avantatges, com ara patrons de radiació rotacionalment simètrics, un guany elevat de 20 a 30 dBi i un nivell de polarització creuada baix de -30 dB, i una eficiència d'acoblament del 97% al 98%. Els amples de banda disponibles de les dues antenes de trompeta són del 30%-40% i del 6%-8%, respectivament.
Com que la freqüència de les ones de terahertz és molt alta, la mida de l'antena de trompa és molt petita, cosa que dificulta molt el processament de la trompa, especialment en el disseny de conjunts d'antenes, i la complexitat de la tecnologia de processament comporta un cost excessiu i una producció limitada. A causa de la dificultat de fabricar la part inferior del disseny complex de la trompa, normalment s'utilitza una antena de trompa simple en forma de trompa cònica o cònica, cosa que pot reduir el cost i la complexitat del procés, i es pot mantenir bé el rendiment de radiació de l'antena.
Una altra antena metàl·lica és una antena piramidal d'ona viatgera, que consisteix en una antena d'ona viatgera integrada en una pel·lícula dielèctrica d'1,2 micres i suspesa en una cavitat longitudinal gravada en una oblia de silici, com es mostra a la Figura 7. Aquesta antena és una estructura oberta compatible amb els díodes Schottky. A causa de la seva estructura relativament senzilla i els seus baixos requisits de fabricació, generalment es pot utilitzar en bandes de freqüència superiors a 0,6 THz. Tanmateix, el nivell de lòbul lateral i el nivell de polarització creuada de l'antena són elevats, probablement a causa de la seva estructura oberta. Per tant, la seva eficiència d'acoblament és relativament baixa (al voltant del 50%).
Figura 7 Antena piramidal d'ona viatgera
2. Antena dielèctrica
L'antena dielèctrica és una combinació d'un substrat dielèctric i un radiador d'antena. Amb un disseny adequat, l'antena dielèctrica pot aconseguir l'adaptació d'impedància amb el detector i té els avantatges d'un procés senzill, una fàcil integració i un baix cost. En els darrers anys, els investigadors han dissenyat diverses antenes de foc lateral de banda estreta i banda ampla que poden coincidir amb els detectors de baixa impedància de les antenes dielèctriques de terahertz: antena papallona, antena doble en forma d'U, antena logperiòdica i antena sinusoidal logperiòdica, com es mostra a la Figura 8. A més, es poden dissenyar geometries d'antena més complexes mitjançant algoritmes genètics.
Figura 8 Quatre tipus d'antenes planars
Tanmateix, com que l'antena dielèctrica es combina amb un substrat dielèctric, es produirà un efecte d'ona superficial quan la freqüència tendeixi a la banda de THz. Aquest desavantatge fatal farà que l'antena perdi molta energia durant el funcionament i comportarà una reducció significativa de l'eficiència de radiació de l'antena. Com es mostra a la Figura 9, quan l'angle de radiació de l'antena és més gran que l'angle de tall, la seva energia es confina al substrat dielèctric i s'acobla al mode del substrat.
Figura 9 Efecte d'ona superficial de l'antena
A mesura que augmenta el gruix del substrat, augmenta el nombre de modes d'ordre superior i augmenta l'acoblament entre l'antena i el substrat, cosa que provoca pèrdues d'energia. Per tal de debilitar l'efecte d'ona superficial, hi ha tres esquemes d'optimització:
1) Carregueu una lent a l'antena per augmentar el guany utilitzant les característiques de formació de feix de les ones electromagnètiques.
2) Reduir el gruix del substrat per suprimir la generació de modes d'ordre superior d'ones electromagnètiques.
3) Substituir el material dielèctric del substrat per una banda prohibida electromagnètica (EBG). Les característiques de filtratge espacial de l'EBG poden suprimir els modes d'ordre superior.
3. Antenes de nous materials
A més de les dues antenes anteriors, també hi ha una antena de terahertz feta de nous materials. Per exemple, el 2006, Jin Hao et al. van proposar una antena dipol de nanotubs de carboni. Com es mostra a la Figura 10 (a), el dipol està fet de nanotubs de carboni en lloc de materials metàl·lics. Va estudiar acuradament les propietats infraroges i òptiques de l'antena dipol de nanotubs de carboni i va discutir les característiques generals de l'antena dipol de nanotubs de carboni de longitud finita, com ara la impedància d'entrada, la distribució del corrent, el guany, l'eficiència i el patró de radiació. La Figura 10 (b) mostra la relació entre la impedància d'entrada i la freqüència de l'antena dipol de nanotubs de carboni. Com es pot veure a la Figura 10 (b), la part imaginària de la impedància d'entrada té múltiples zeros a freqüències més altes. Això indica que l'antena pot aconseguir múltiples ressonàncies a diferents freqüències. Òbviament, l'antena de nanotubs de carboni presenta ressonància dins d'un cert rang de freqüències (freqüències de THz més baixes), però és completament incapaç de ressonar fora d'aquest rang.
Figura 10 (a) Antena dipol de nanotubs de carboni. (b) Corba d'impedància-freqüència d'entrada
El 2012, Samir F. Mahmoud i Ayed R. AlAjmi van proposar una nova estructura d'antena de terahertz basada en nanotubs de carboni, que consisteix en un feix de nanotubs de carboni embolicats en dues capes dielèctriques. La capa dielèctrica interior és una capa d'escuma dielèctrica i la capa dielèctrica exterior és una capa de metamaterial. L'estructura específica es mostra a la Figura 11. Mitjançant proves, el rendiment de radiació de l'antena s'ha millorat en comparació amb els nanotubs de carboni de paret simple.
Figura 11 Nova antena de terahertz basada en nanotubs de carboni
Les noves antenes de terahertz de material proposades anteriorment són principalment tridimensionals. Per tal de millorar l'amplada de banda de l'antena i fer antenes conformals, les antenes planars de grafè han rebut una àmplia atenció. El grafè té excel·lents característiques de control continu dinàmic i pot generar plasma superficial ajustant la tensió de polarització. El plasma superficial existeix a la interfície entre substrats de constant dielèctrica positiva (com ara Si, SiO2, etc.) i substrats de constant dielèctrica negativa (com ara metalls preciosos, grafè, etc.). Hi ha un gran nombre d'"electrons lliures" en conductors com ara metalls preciosos i grafè. Aquests electrons lliures també s'anomenen plasmes. A causa del camp potencial inherent al conductor, aquests plasmes es troben en un estat estable i no són pertorbats pel món exterior. Quan l'energia de l'ona electromagnètica incident s'acobla a aquests plasmes, els plasmes es desviaran de l'estat estacionari i vibraran. Després de la conversió, el mode electromagnètic forma una ona magnètica transversal a la interfície. Segons la descripció de la relació de dispersió del plasma superficial metàl·lic mitjançant el model Drude, els metalls no es poden acoblar naturalment amb ones electromagnètiques a l'espai lliure i convertir energia. Cal utilitzar altres materials per excitar les ones de plasma superficials. Les ones de plasma superficials decauen ràpidament en la direcció paral·lela a la interfície metall-substrat. Quan el conductor metàl·lic condueix en la direcció perpendicular a la superfície, es produeix un efecte pelicular. Òbviament, a causa de la petita mida de l'antena, hi ha un efecte pelicular a la banda d'alta freqüència, cosa que fa que el rendiment de l'antena disminueixi bruscament i no pugui complir els requisits de les antenes de terahertz. El plasmó superficial del grafè no només té una força d'enllaç més alta i una pèrdua més baixa, sinó que també suporta una sintonització elèctrica contínua. A més, el grafè té una conductivitat complexa a la banda de terahertz. Per tant, la propagació d'ones lentes està relacionada amb el mode plasma a freqüències de terahertz. Aquestes característiques demostren plenament la viabilitat del grafè per substituir materials metàl·lics a la banda de terahertz.
Basant-se en el comportament de polarització dels plasmons de superfície del grafè, la Figura 12 mostra un nou tipus d'antena de banda i proposa la forma de banda de les característiques de propagació de les ones de plasma en el grafè. El disseny de la banda d'antena sintonitzable proporciona una nova manera d'estudiar les característiques de propagació de les antenes de terahertz de nous materials.
Figura 12 Nova antena de tira
A més d'explorar elements d'antena de terahertz de nous materials, les antenes de terahertz de nanopegats de grafè també es poden dissenyar com a matrius per construir sistemes de comunicació d'antenes de terahertz de múltiples entrades i múltiples sortides. L'estructura de l'antena es mostra a la Figura 13. Basant-se en les propietats úniques de les antenes de nanopegats de grafè, els elements de l'antena tenen dimensions a escala micromètrica. La deposició química de vapor sintetitza directament diferents imatges de grafè sobre una capa fina de níquel i les transfereix a qualsevol substrat. Seleccionant un nombre adequat de components i canviant el voltatge de polarització electrostàtica, la direcció de la radiació es pot canviar de manera efectiva, fent que el sistema sigui reconfigurable.
Figura 13 Matriu d'antenes de terahertz de nanopegats de grafè
La recerca de nous materials és una direcció relativament nova. S'espera que la innovació de materials trenqui les limitacions de les antenes tradicionals i desenvolupi una varietat de noves antenes, com ara metamaterials reconfigurables, materials bidimensionals (2D), etc. Tanmateix, aquest tipus d'antena depèn principalment de la innovació de nous materials i l'avanç de la tecnologia de processos. En qualsevol cas, el desenvolupament d'antenes de terahertz requereix materials innovadors, tecnologia de processament precisa i estructures de disseny noves per satisfer els requisits d'alt guany, baix cost i amplada de banda de les antenes de terahertz.
A continuació s'introdueixen els principis bàsics de tres tipus d'antenes de terahertz: antenes metàl·liques, antenes dielèctriques i antenes de materials nous, i s'analitzen les seves diferències, avantatges i desavantatges.
1. Antena metàl·lica: La geometria és simple, fàcil de processar, de cost relativament baix i amb pocs requisits de materials de substrat. Tanmateix, les antenes metàl·liques utilitzen un mètode mecànic per ajustar la posició de l'antena, cosa que és propensa a errors. Si l'ajust no és correcte, el rendiment de l'antena es reduirà considerablement. Tot i que l'antena metàl·lica és de mida petita, és difícil de muntar amb un circuit planar.
2. Antena dielèctrica: L'antena dielèctrica té una baixa impedància d'entrada, és fàcil d'adaptar a un detector de baixa impedància i és relativament senzilla de connectar a un circuit planar. Les formes geomètriques de les antenes dielèctriques inclouen la forma de papallona, la forma de doble U, la forma logarítmica convencional i la forma sinusoidal periòdica logarítmica. Tanmateix, les antenes dielèctriques també tenen un defecte fatal, és a dir, l'efecte d'ona superficial causat pel substrat gruixut. La solució és carregar una lent i substituir el substrat dielèctric per una estructura EBG. Ambdues solucions requereixen innovació i millora contínua de la tecnologia de processos i els materials, però el seu excel·lent rendiment (com ara l'omnidireccionalitat i la supressió de l'ona superficial) pot proporcionar noves idees per a la investigació d'antenes de terahertz.
3. Antenes de nous materials: Actualment, han aparegut noves antenes dipolars fetes de nanotubs de carboni i noves estructures d'antenes fetes de metamaterials. Els nous materials poden aportar nous avenços en el rendiment, però la premissa és la innovació de la ciència dels materials. Actualment, la recerca sobre antenes de nous materials encara es troba en fase exploratòria i moltes tecnologies clau no són prou madures.
En resum, es poden seleccionar diferents tipus d'antenes de terahertz segons els requisits de disseny:
1) Si es requereix un disseny senzill i un baix cost de producció, es poden seleccionar antenes metàl·liques.
2) Si es requereix una alta integració i una baixa impedància d'entrada, es poden seleccionar antenes dielèctriques.
3) Si es requereix un avenç en el rendiment, es poden seleccionar antenes de nous materials.
Els dissenys anteriors també es poden ajustar segons requisits específics. Per exemple, es poden combinar dos tipus d'antenes per obtenir més avantatges, però el mètode de muntatge i la tecnologia de disseny han de complir uns requisits més estrictes.
Per a més informació sobre les antenes, visiteu:
Data de publicació: 02-08-2024
