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. En l'actualitat, un gran nombre d'aplicacions migren gradualment des d'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 taxa de dades al mercat pot arribar a Gbps o fins i tot Tbps en els propers 10 o 15 anys. Actualment, la comunicació THz ha assolit una velocitat de dades Gbps, mentre que la velocitat de dades Tbps encara es troba en les primeres etapes de desenvolupament. Un document relacionat enumera els últims progrés en les taxes de dades de Gbps basats en la banda 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 factible és desenvolupar una nova banda de freqüència, que és la banda de terahertz, que es troba a la "àrea en blanc" entre les microones i la llum infraroja. A la Conferència Mundial de Radiocomunicacions de l'ITU (CMR-19) de 2019, s'ha utilitzat el rang de freqüències de 275-450 GHz per a serveis fixos i mòbils terrestres. Es pot veure que els sistemes de comunicació sense fils de terahertz han cridat l'atenció de molts investigadors.
Les ones electromagnètiques de terahertz es defineixen generalment com la banda de freqüència de 0,1-10THz (1THz=1012Hz) amb una longitud d'ona de 0,03-3 mm. Segons l'estàndard IEEE, les ones de terahertz es defineixen com a 0,3-10THz. 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 THz.
Desenvolupament d'antenes de terahertz
Tot i que la investigació sobre els terahertzs va començar al segle XIX, en aquell moment no es va estudiar com a camp independent. 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 d'ones mil·límetres a la banda de terahertzs i a realitzar investigacions especialitzades en tecnologia de terahertz.
A la dècada de 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 futura tecnologia de comunicació és operar a una velocitat de dades elevada de gigabits per segon en una ubicació. Sota l'actual desenvolupament econòmic, els recursos de l'espectre s'han tornat cada cop més escassos. Tanmateix, els requisits humans de capacitat i velocitat de comunicació són infinites. Per al problema de la congestió de l'espectre, moltes empreses utilitzen la tecnologia de múltiples entrades i sortides (MIMO) per millorar l'eficiència de l'espectre i la capacitat del sistema mitjançant la multiplexació espacial. Amb l'avenç 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 tradicionals de comunicació d'ones mil·límetres, els enllaços de microones no podran gestionar aquests grans 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 dels seus equips de comunicació és fixa. Per tant, les ones THz, que es troben entre les microones i els infrarojos, 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 freqüències és d'unes 1000 vegades el de les comunicacions mòbils. Per tant, l'ús de THz per construir sistemes de comunicació sense fils d'alta velocitat és una solució prometedora per 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 THz IEEE 802.15.3d-2017, que defineix l'intercanvi de dades punt a punt en el rang de freqüència 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 amplades de banda.
El primer sistema de comunicació THz amb èxit de 0,12 THz es va establir el 2004, i el sistema de comunicació THz de 0,3 THz es va realitzar el 2013. La taula 1 enumera el progrés de la investigació dels sistemes de comunicació terahertz al Japó des del 2004 fins al 2013.
Taula 1 Progrés de la investigació dels sistemes de comunicació de terahertzs al Japó del 2004 al 2013
Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) va descriure detalladament l'estructura de l'antena d'un sistema de comunicació desenvolupat l'any 2004 l'any 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 fils NTT 120 GHz del Japó
El sistema integra conversió fotoelèctrica i antena i adopta dos modes de treball:
1. En un entorn interior de proximitat, el transmissor d'antena plana que s'utilitza a l'interior consta d'un xip de fotodiode portador d'una sola línia (UTC-PD), una antena de ranura plana i una lent de silici, tal com es mostra a la figura 2(a).
2. En un entorn exterior de llarg abast, per millorar la influència de la gran pèrdua de transmissió i la baixa sensibilitat del detector, l'antena del transmissor ha de tenir un gran guany. L'antena de terahertz existent utilitza una lent òptica gaussiana amb un guany de més de 50 dBi. La combinació de banya d'alimentació i 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 en terahertz. No obstant això, el treball de recerca actual té els inconvenients de baixa freqüència d'operació, gran mida i alt cost.
La majoria de les antenes de terahertz que s'utilitzen actualment estan modificades a partir d'antenes d'ona mil·limètrica, 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 enumera el progrés de la recerca 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 d'operació, alt cost i baixa eficiència.
Taula 2 Progrés de la investigació de la comunicació THz a Alemanya
Figura 3 Escena de la prova del túnel de vent
El Centre TIC CSIRO també ha iniciat investigacions sobre sistemes de comunicació sense fils interiors 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, per al 2020, la investigació sobre comunicacions sense fil tendeix a la banda THz. La freqüència màxima de comunicació utilitzant l'espectre de ràdio augmenta unes deu vegades cada vint anys. El centre ha fet recomanacions sobre els requisits per a les antenes THz i ha proposat antenes tradicionals com banyes i lents per als sistemes de comunicació THz. Com es mostra a la figura 5, dues antenes de banya funcionen a 0,84THz i 1,7THz 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 botzina
Els Estats Units han dut a terme una àmplia investigació sobre l'emissió i la detecció d'ones de terahertz. Els famosos laboratoris de recerca de terahertz inclouen el Jet Propulsion Laboratory (JPL), el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), el National Laboratory (LLNL), la 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 corbata i antenes de direcció de feix de freqüència. Segons el desenvolupament d'antenes de terahertz, podem obtenir tres idees bàsiques de disseny per a antenes de terahertz actualment, tal com es mostra a la figura 6.
Figura 6 Tres idees bàsiques de disseny 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 troba en l'etapa inicial d'exploració i desenvolupament. A causa de l'elevada pèrdua de propagació i absorció molecular, les antenes THz solen estar limitades per la distància de transmissió i la cobertura. Alguns estudis se centren en freqüències operatives més baixes a la banda THz. La investigació existent sobre antenes de terahertz se centra principalment en millorar el guany mitjançant l'ús d'antenes de lents dielèctriques, etc., i millorar l'eficiència de la comunicació mitjançant l'ús d'algorismes adequats. A més, com millorar l'eficiència de l'embalatge de l'antena de terahertz també és un tema molt urgent.
Antenes THz generals
Hi ha molts tipus d'antenes THz disponibles: antenes dipols amb cavitats còniques, matrius de reflectors cantoners, dipols de corbata, antenes planes de lent dielèctrica, antenes fotoconductores per generar fonts de radiació de font THz, antenes de banya, antenes THz basades en materials de grafè, etc. els materials utilitzats per fer antenes THz, es poden dividir aproximadament en antenes metàl·liques (principalment antenes de botzina), antenes dielèctriques (antenes de lents) i antenes de material nou. En aquesta secció primer es fa una anàlisi preliminar d'aquestes antenes, i després en la següent secció, s'introdueixen en detall cinc antenes típiques de THz i s'analitzen en profunditat.
1. Antenes metàl·liques
L'antena de banya és una antena metàl·lica típica que està dissenyada per funcionar a la banda THz. L'antena d'un receptor d'ones mil·límetres clàssic és una banya cònica. Les antenes corrugades i de mode dual tenen molts avantatges, com ara patrons de radiació simètrics en rotació, guany elevat de 20 a 30 dBi i baix nivell de polarització creuada de -30 dB i eficiència d'acoblament del 97% al 98%. Les amplades de banda disponibles de les dues antenes de botzina 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 la botzina és molt petita, cosa que dificulta molt el processament de la botzina, especialment en el disseny de matrius d'antenes, i la complexitat de la tecnologia de processament comporta un cost excessiu i producció limitada. A causa de la dificultat de fabricar la part inferior del complex disseny de la banya, s'utilitza habitualment una antena de banya senzilla en forma de banya cònica o cònica, que pot reduir el cost i la complexitat del procés, i es pot mantenir el rendiment de radiació de l'antena. bé.
Una altra antena metàl·lica és una antena de piràmide d'ona itinerant, que consisteix en una antena d'ona itinerant integrada en una pel·lícula dielèctrica de 1,2 micres i suspesa en una cavitat longitudinal gravada en una hòstia de silici, tal com es mostra a la figura 7. Aquesta antena és una estructura oberta que és compatible amb díodes Schottky. A causa de la seva estructura relativament simple i els seus baixos requisits de fabricació, generalment es pot utilitzar en bandes de freqüència superiors a 0,6 THz. Tanmateix, el nivell del lòbul lateral i el nivell de polarització creuada de l'antena són alts, 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. Mitjançant un disseny adequat, l'antena dielèctrica pot aconseguir la coincidència d'impedància amb el detector i té els avantatges d'un procés senzill, una integració fàcil i un baix cost. En els darrers anys, els investigadors han dissenyat diverses antenes de foc lateral de banda estreta i de 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 log-periòdica i antena sinusoïdal log-periòdica, com es mostra a la figura 8. A més, es poden dissenyar geometries d'antena més complexes mitjançant algorismes 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 tendeix a la banda THz. Aquest desavantatge fatal farà que l'antena perdi molta energia durant el funcionament i provocarà una reducció significativa de l'eficiència de la 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 limita al substrat dielèctric i s'acobla amb el mode de 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, donant lloc a una pèrdua 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 elevat d'ones electromagnètiques.
3) Substituïu el material dielèctric del substrat per una banda intercalada electromagnètica (EBG). Les característiques de filtratge espacial de l'EBG poden suprimir els modes d'ordre alt.
3. Nou material d'antenes
A més de les dues antenes anteriors, també hi ha una antena de terahertz feta amb nous materials. Per exemple, el 2006, Jin Hao et al. va 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 òptiques i infrarojes de l'antena dipol de nanotub de carboni i va discutir les característiques generals de l'antena dipol de nanotub 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 del nanotub 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 del nanotub de carboni presenta ressonància dins d'un determinat rang de freqüències (freqüències THz més baixes), però és completament incapaç de ressonar fora d'aquest rang.
Figura 10 (a) Antena dipol de nanotubs de carboni. (b) Corba 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 interna 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 les proves, s'ha millorat el rendiment de radiació de l'antena en comparació amb els nanotubs de carboni d'una sola paret.
Figura 11 Nova antena de terahertz basada en nanotubs de carboni
Les noves antenes de terahertz materials proposades anteriorment són principalment tridimensionals. Per tal de millorar l'amplada de banda de l'antena i fer antenes conformes, les antenes planars de grafè han rebut una atenció generalitzada. 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 metalls preciosos, grafè, etc.). Hi ha un gran nombre d'"electrons lliures" en conductors com els metalls preciosos i el 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 d'ones electromagnètiques 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 de superfície metàl·lica pel model Drude, els metalls no poden acoblar-se naturalment amb ones electromagnètiques a l'espai lliure i convertir energia. Cal utilitzar altres materials per excitar ones de plasma superficials. Les ones de plasma superficials decauen ràpidament en la direcció paral·lela de la interfície metall-substrat. Quan el conductor metàl·lic condueix en la direcció perpendicular a la superfície, es produeix un efecte pell. Òbviament, a causa de la petita mida de l'antena, hi ha un efecte de pell a la banda d'alta freqüència, que fa que el rendiment de l'antena caigui bruscament i no pugui complir els requisits de les antenes de terahertz. El plasmó superficial del grafè no només té una força d'unió més gran i una pèrdua menor, sinó que també admet una sintonització elèctrica contínua. A més, el grafè té una conductivitat complexa a la banda de terahertzs. Per tant, la propagació de l'ona lenta està relacionada amb el mode de plasma a freqüències de terahertz. Aquestes característiques demostren plenament la viabilitat del grafè per substituir els materials metàl·lics a la banda de terahertzs.
A partir del comportament de polarització dels plasmons de superfície de 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 noves antenes de terahertz de materials.
Figura 12 Nova antena de banda
A més d'explorar elements d'antena de terahertz nous materials de la unitat, les antenes de terahertz nanopatch de grafè també es poden dissenyar com a matrius per construir sistemes de comunicació d'antena de múltiples entrades i sortides de terahertz. L'estructura de l'antena es mostra a la figura 13. Basant-se en les propietats úniques de les antenes nanopatch de grafè, els elements de l'antena tenen dimensions a escala de micres. 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 la tensió 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 nanopegat de grafè
La recerca de nous materials és una direcció relativament nova. S'espera que la innovació dels materials superi les limitacions de les antenes tradicionals i desenvolupi una varietat de noves antenes, com ara metamaterials reconfigurables, materials bidimensionals (2D), etc. No obstant això, aquest tipus d'antenes depèn principalment de la innovació de nous materials i l'avenç 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 àmplia 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 nous materials, i s'analitza les seves diferències i avantatges i inconvenients.
1. Antena metàl·lica: la geometria és senzilla, fàcil de processar, de cost relativament baix i de requisits baixos per als materials del substrat. Tanmateix, les antenes metàl·liques utilitzen un mètode mecànic per ajustar la posició de l'antena, que és propensa a errors. Si l'ajust no és correcte, el rendiment de l'antena es reduirà molt. Tot i que l'antena metàl·lica és de mida petita, és difícil de muntar amb un circuit pla.
2. Antena dielèctrica: l'antena dielèctrica té una impedància d'entrada baixa, és fàcil de combinar amb un detector de baixa impedància i és relativament senzill de connectar amb un circuit pla. Les formes geomètriques de les antenes dielèctriques inclouen forma de papallona, forma de doble U, forma logarítmica convencional i forma sinusoïdal 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 i els materials del procés, però el seu excel·lent rendiment (com ara l'omnidireccionalitat i la supressió d'ones superficials) poden aportar noves idees per a la recerca d'antenes de terahertz.
3. Noves antenes de materials: En l'actualitat han aparegut noves antenes dipols 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 investigació sobre noves antenes de materials encara es troba en fase exploratòria i moltes tecnologies clau no estan 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 noves antenes de material.
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 requisits més estrictes.
Per obtenir més informació sobre les antenes, visiteu:
Hora de publicació: 02-agost-2024
