Med den økende populariteten til trådløse enheter har datatjenester gått inn i en ny periode med rask utvikling, også kjent som den eksplosive veksten av datatjenester. For tiden migrerer et stort antall applikasjoner gradvis fra datamaskiner til trådløse enheter som mobiltelefoner som er enkle å bære og betjene i sanntid, men denne situasjonen har også ført til en rask økning i datatrafikk og mangel på båndbredderessurser. Ifølge statistikk kan datahastigheten på markedet nå Gbps eller til og med Tbps i løpet av de neste 10 til 15 årene. For tiden har THz-kommunikasjon nådd en datahastighet på Gbps, mens datahastigheten på Tbps fortsatt er i de tidlige stadiene av utviklingen. En relatert artikkel viser de siste fremskrittene innen Gbps-datahastigheter basert på THz-båndet og spår at Tbps kan oppnås gjennom polarisasjonsmultipleksing. For å øke dataoverføringshastigheten er derfor en mulig løsning å utvikle et nytt frekvensbånd, som er terahertz-båndet, som er i det "blanke området" mellom mikrobølger og infrarødt lys. På ITUs verdensradiokonferanse (WRC-19) i 2019 ble frekvensområdet 275–450 GHz brukt for faste og landmobile tjenester. Det kan sees at trådløse kommunikasjonssystemer i terahertz har tiltrukket seg oppmerksomheten til mange forskere.
Terahertz-elektromagnetiske bølger er generelt definert som frekvensbåndet 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) med en bølgelengde på 0,03–3 mm. I henhold til IEEE-standarden er terahertz-bølger definert som 0,3–10 THz. Figur 1 viser at terahertz-frekvensbåndet ligger mellom mikrobølger og infrarødt lys.
Fig. 1 Skjematisk diagram av THz-frekvensbåndet.
Utvikling av terahertz-antenner
Selv om terahertz-forskning startet på 1800-tallet, ble den ikke studert som et selvstendig felt på den tiden. Forskningen på terahertz-stråling var hovedsakelig fokusert på det fjerne infrarøde båndet. Det var ikke før midten til slutten av 1900-tallet at forskere begynte å videreutvikle millimeterbølgeforskningen til terahertz-båndet og utføre spesialisert terahertz-teknologiforskning.
På 1980-tallet gjorde fremveksten av terahertz-strålingskilder det mulig å bruke terahertz-bølger i praktiske systemer. Siden det 21. århundre har trådløs kommunikasjonsteknologi utviklet seg raskt, og folks behov for informasjon og økningen i kommunikasjonsutstyr har stilt strengere krav til overføringshastigheten for kommunikasjonsdata. Derfor er en av utfordringene for fremtidens kommunikasjonsteknologi å operere med en høy datahastighet på gigabit per sekund på ett sted. Under den nåværende økonomiske utviklingen har spektrumressursene blitt stadig knappere. Imidlertid er menneskelige krav til kommunikasjonskapasitet og hastighet uendelige. For å løse problemet med spektrumoverbelastning bruker mange selskaper MIMO-teknologi (multiple-input multiple-output) for å forbedre spektrumeffektiviteten og systemkapasiteten gjennom romlig multipleksing. Med utviklingen av 5G-nettverk vil datatilkoblingshastigheten til hver bruker overstige Gbps, og datatrafikken til basestasjoner vil også øke betydelig. For tradisjonelle millimeterbølgekommunikasjonssystemer vil ikke mikrobølgekoblinger være i stand til å håndtere disse enorme datastrømmene. I tillegg, på grunn av påvirkningen fra siktlinjen, er overføringsavstanden for infrarød kommunikasjon kort, og plasseringen av kommunikasjonsutstyret er fast. Derfor kan THz-bølger, som er mellom mikrobølger og infrarød, brukes til å bygge høyhastighetskommunikasjonssystemer og øke dataoverføringshastighetene ved å bruke THz-lenker.
Terahertz-bølger kan gi en bredere kommunikasjonsbåndbredde, og frekvensområdet er omtrent 1000 ganger høyere enn for mobilkommunikasjon. Derfor er bruk av THz til å bygge ultrahøyhastighets trådløse kommunikasjonssystemer en lovende løsning på utfordringen med høye datahastigheter, noe som har vakt interesse hos mange forskningsteam og industrier. I september 2017 ble den første THz trådløse kommunikasjonsstandarden IEEE 802.15.3d-2017 utgitt, som definerer punkt-til-punkt-datautveksling i det nedre THz-frekvensområdet på 252–325 GHz. Det alternative fysiske laget (PHY) i lenken kan oppnå datahastigheter på opptil 100 Gbps ved forskjellige båndbredder.
Det første vellykkede THz-kommunikasjonssystemet på 0,12 THz ble etablert i 2004, og THz-kommunikasjonssystemet på 0,3 THz ble realisert i 2013. Tabell 1 viser forskningsfremdriften for terahertz-kommunikasjonssystemer i Japan fra 2004 til 2013.
Tabell 1 Forskningsfremgang for terahertz-kommunikasjonssystemer i Japan fra 2004 til 2013
Antennestrukturen til et kommunikasjonssystem utviklet i 2004 ble beskrevet i detalj av Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) i 2005. Antennekonfigurasjonen ble introdusert i to tilfeller, som vist i figur 2.
Figur 2 Skjematisk diagram av Japans NTT 120 GHz trådløse kommunikasjonssystem
Systemet integrerer fotoelektrisk konvertering og antenne og bruker to arbeidsmoduser:
1. I et innendørsmiljø med kort rekkevidde består den plane antennesenderen som brukes innendørs av en enkeltlinjet bærerfotodiodebrikke (UTC-PD), en plan spalteantenne og en silisiumlinse, som vist i figur 2(a).
2. I et utendørsmiljø med lang rekkevidde må senderantennen ha høy forsterkning for å redusere påvirkningen fra store transmisjonstap og lav følsomhet hos detektoren. Den eksisterende terahertz-antennen bruker en gaussisk optisk linse med en forsterkning på mer enn 50 dBi. Kombinasjonen av matehorn og dielektrisk linse er vist i figur 2(b).
I tillegg til å utvikle et 0,12 THz-kommunikasjonssystem, utviklet NTT også et 0,3 THz-kommunikasjonssystem i 2012. Gjennom kontinuerlig optimalisering kan overføringshastigheten være så høy som 100 Gbps. Som det fremgår av tabell 1, har det gitt et stort bidrag til utviklingen av terahertz-kommunikasjon. Nåværende forskningsarbeid har imidlertid ulempene med lav driftsfrekvens, stor størrelse og høy kostnad.
De fleste terahertz-antennene som brukes i dag er modifisert fra millimeterbølgeantenner, og det er lite innovasjon innen terahertz-antenner. For å forbedre ytelsen til terahertz-kommunikasjonssystemer er det derfor viktig å optimalisere terahertz-antenner. Tabell 2 viser forskningsfremdriften innen tysk THz-kommunikasjon. Figur 3 (a) viser et representativt trådløst THz-kommunikasjonssystem som kombinerer fotonikk og elektronikk. Figur 3 (b) viser testscenen i vindtunnelen. Ut fra den nåværende forskningssituasjonen i Tyskland har forskning og utvikling også ulemper som lav driftsfrekvens, høye kostnader og lav effektivitet.
Tabell 2 Forskningsfremgang for THz-kommunikasjon i Tyskland
Figur 3 Testscene i vindtunnel
CSIRO ICT Center har også startet forskning på THz-innendørs trådløse kommunikasjonssystemer. Senteret studerte forholdet mellom året og kommunikasjonsfrekvensen, som vist i figur 4. Som det fremgår av figur 4, tenderer forskningen på trådløs kommunikasjon innen 2020 mot THz-båndet. Den maksimale kommunikasjonsfrekvensen ved bruk av radiospekteret øker omtrent ti ganger hvert tjue år. Senteret har gitt anbefalinger om kravene til THz-antenner og foreslått tradisjonelle antenner som horn og linser for THz-kommunikasjonssystemer. Som vist i figur 5, fungerer to hornantenner på henholdsvis 0,84 THz og 1,7 THz, med en enkel struktur og god Gaussisk stråleytelse.
Figur 4 Forholdet mellom år og frekvens
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figur 5 To typer hornantenner
USA har utført omfattende forskning på emisjon og deteksjon av terahertz-bølger. Kjente terahertz-forskningslaboratorier inkluderer Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), osv. Nye terahertz-antenner for terahertz-applikasjoner er blitt designet, for eksempel bowtie-antenner og frekvensstrålestyringsantenner. I henhold til utviklingen av terahertz-antenner kan vi få tre grunnleggende designideer for terahertz-antenner for tiden, som vist i figur 6.
Figur 6 Tre grunnleggende designideer for terahertz-antenner
Analysen ovenfor viser at selv om mange land har viet terahertz-antenner stor oppmerksomhet, er det fortsatt i den innledende utforsknings- og utviklingsfasen. På grunn av høyt forplantningstap og molekylær absorpsjon er THz-antenner vanligvis begrenset av overføringsavstand og dekning. Noen studier fokuserer på lavere driftsfrekvenser i THz-båndet. Eksisterende forskning på terahertz-antenner fokuserer hovedsakelig på å forbedre forsterkningen ved å bruke dielektriske linseantenner, etc., og forbedre kommunikasjonseffektiviteten ved å bruke passende algoritmer. I tillegg er det også et svært presserende spørsmål å forbedre effektiviteten til terahertz-antennepakking.
Generelle THz-antenner
Det finnes mange typer THz-antenner tilgjengelig: dipolantenner med koniske hulrom, hjørnereflektormatriser, bowtie-dipoler, dielektriske linseplanantenner, fotoledende antenner for generering av THz-strålingskilder, hornantenner, THz-antenner basert på grafenmaterialer, osv. I henhold til materialene som brukes til å lage THz-antenner, kan de grovt sett deles inn i metallantenner (hovedsakelig hornantenner), dielektriske antenner (linseantenner) og antenner av nye materialer. Denne delen gir først en foreløpig analyse av disse antennene, og deretter i neste avsnitt introduseres fem typiske THz-antenner i detalj og analyseres i dybden.
1. Metallantenner
Hornantennen er en typisk metallantenne som er designet for å fungere i THz-båndet. Antennen til en klassisk millimeterbølgemottaker er et konisk horn. Korrugerte og dual-mode antenner har mange fordeler, inkludert rotasjonssymmetriske strålingsmønstre, høy forsterkning på 20 til 30 dBi og lavt krysspolarisasjonsnivå på -30 dB, og koblingseffektivitet på 97 % til 98 %. De tilgjengelige båndbreddene for de to hornantennene er henholdsvis 30 %–40 % og 6 %–8 %.
Siden frekvensen av terahertz-bølger er svært høy, er størrelsen på hornantennen svært liten, noe som gjør behandlingen av hornet svært vanskelig, spesielt i design av antennearrayer, og kompleksiteten i behandlingsteknologien fører til overdreven kostnad og begrenset produksjon. På grunn av vanskeligheten med å produsere bunnen av den komplekse horndesignen, brukes vanligvis en enkel hornantenne i form av et konisk eller konisk horn, noe som kan redusere kostnadene og prosesskompleksiteten, og antennens strålingsytelse kan opprettholdes godt.
En annen metallantenne er en vandrebølgepyramideantenne, som består av en vandrebølgeantenne integrert på en 1,2 mikron dielektrisk film og opphengt i et langsgående hulrom etset på en silisiumskive, som vist i figur 7. Denne antennen har en åpen struktur som er kompatibel med Schottky-dioder. På grunn av den relativt enkle strukturen og lave produksjonskravene, kan den generelt brukes i frekvensbånd over 0,6 THz. Imidlertid er sidelobenivået og krysspolarisasjonsnivået til antennen høyt, sannsynligvis på grunn av den åpne strukturen. Derfor er koblingseffektiviteten relativt lav (omtrent 50 %).
Figur 7 Pyramideformet vandrebølgeantenne
2. Dielektrisk antenne
Den dielektriske antennen er en kombinasjon av et dielektrisk substrat og en antenneradiator. Gjennom riktig design kan den dielektriske antennen oppnå impedanstilpasning med detektoren, og har fordelene med enkel prosess, enkel integrering og lave kostnader. I de senere år har forskere designet flere smalbånds- og bredbånds-sidefire-antenner som kan matche lavimpedansdetektorene til terahertz dielektriske antenner: sommerfuglantenne, dobbel U-formet antenne, log-periodisk antenne og log-periodisk sinusformet antenne, som vist i figur 8. I tillegg kan mer komplekse antennegeometrier designes gjennom genetiske algoritmer.
Figur 8 Fire typer plane antenner
Men siden den dielektriske antennen er kombinert med et dielektrisk substrat, vil det oppstå en overflatebølgeeffekt når frekvensen tenderer mot THz-båndet. Denne fatale ulempen vil føre til at antennen mister mye energi under drift og fører til en betydelig reduksjon i antennens strålingseffektivitet. Som vist i figur 9, når antennens strålingsvinkel er større enn avskjæringsvinkelen, er energien begrenset i det dielektriske substratet og koblet til substratmodusen.
Figur 9 Antenneoverflatebølgeeffekt
Etter hvert som tykkelsen på substratet øker, øker antallet høyereordensmoduser, og koblingen mellom antennen og substratet øker, noe som resulterer i energitap. For å svekke overflatebølgeeffekten finnes det tre optimaliseringsordninger:
1) Plasser en linse på antennen for å øke forsterkningen ved å bruke stråleformingsegenskapene til elektromagnetiske bølger.
2) Reduser tykkelsen på substratet for å undertrykke generering av elektromagnetiske bølger av høyere orden.
3) Erstatt det dielektriske substratmaterialet med et elektromagnetisk båndgap (EBG). De romlige filtreringsegenskapene til EBG kan undertrykke moduser av høyere orden.
3. Antenner av nytt materiale
I tillegg til de to ovennevnte antennene finnes det også en terahertz-antenne laget av nye materialer. For eksempel foreslo Jin Hao et al. i 2006 en karbon-nanorør-dipolantenne. Som vist i figur 10 (a), er dipolen laget av karbon-nanorør i stedet for metallmaterialer. Han studerte nøye de infrarøde og optiske egenskapene til karbon-nanorør-dipolantennen og diskuterte de generelle egenskapene til den endelige karbon-nanorør-dipolantennen, som inngangsimpedans, strømfordeling, forsterkning, effektivitet og strålingsmønster. Figur 10 (b) viser forholdet mellom inngangsimpedansen og frekvensen til karbon-nanorør-dipolantennen. Som det kan sees i figur 10 (b), har den imaginære delen av inngangsimpedansen flere nuller ved høyere frekvenser. Dette indikerer at antennen kan oppnå flere resonanser ved forskjellige frekvenser. Karbon-nanorørantennen viser åpenbart resonans innenfor et visst frekvensområde (lavere THz-frekvenser), men er fullstendig ute av stand til å resonere utenfor dette området.
Figur 10 (a) Dipolantenne av karbonnanorør. (b) Inngangsimpedans-frekvenskurve
I 2012 foreslo Samir F. Mahmoud og Ayed R. AlAjmi en ny terahertz-antennestruktur basert på karbonnanorør, som består av en bunt med karbonnanorør pakket inn i to dielektriske lag. Det indre dielektriske laget er et dielektrisk skumlag, og det ytre dielektriske laget er et metamateriallag. Den spesifikke strukturen er vist i figur 11. Gjennom testing har antennens strålingsytelse blitt forbedret sammenlignet med enkeltveggede karbonnanorør.
Figur 11 Ny terahertz-antenne basert på karbonnanorør
De nye terahertz-antennene i materiale som er foreslått ovenfor, er hovedsakelig tredimensjonale. For å forbedre antennens båndbredde og lage konforme antenner, har plane grafenantenner fått bred oppmerksomhet. Grafen har utmerkede dynamiske kontinuerlige kontrollegenskaper og kan generere overflateplasma ved å justere forspenningen. Overflateplasma finnes på grensesnittet mellom substrater med positiv dielektrisk konstant (som Si, SiO2, etc.) og substrater med negativ dielektrisk konstant (som edle metaller, grafen, etc.). Det finnes et stort antall "frie elektroner" i ledere som edle metaller og grafen. Disse frie elektronene kalles også plasmaer. På grunn av det iboende potensialfeltet i lederen, er disse plasmaene i en stabil tilstand og forstyrres ikke av omverdenen. Når den innfallende elektromagnetiske bølgeenergien kobles til disse plasmaene, vil plasmaene avvike fra den stabile tilstanden og vibrere. Etter konverteringen danner den elektromagnetiske modusen en transversal magnetisk bølge ved grensesnittet. I følge beskrivelsen av dispersjonsforholdet til metalloverflateplasma av Drude-modellen, kan ikke metaller naturlig koble seg til elektromagnetiske bølger i fritt rom og konvertere energi. Det er nødvendig å bruke andre materialer for å eksitere overflateplasmabølger. Overflateplasmabølger avtar raskt i parallell retning av metall-substrat-grensesnittet. Når metalllederen leder i retning vinkelrett på overflaten, oppstår en hudeffekt. På grunn av antennens lille størrelse er det åpenbart en hudeffekt i høyfrekvensbåndet, noe som fører til at antennens ytelse faller kraftig og ikke kan oppfylle kravene til terahertz-antenner. Overflateplasmonet til grafen har ikke bare høyere bindingskraft og lavere tap, men støtter også kontinuerlig elektrisk justering. I tillegg har grafen kompleks konduktivitet i terahertz-båndet. Derfor er langsom bølgeforplantning relatert til plasmamodus ved terahertz-frekvenser. Disse egenskapene demonstrerer fullt ut at grafen kan erstatte metallmaterialer i terahertz-båndet.
Basert på polarisasjonsatferden til grafenoverflateplasmoner, viser figur 12 en ny type stripeantenne, og foreslår båndformen til forplantningsegenskapene til plasmabølger i grafen. Utformingen av det avstemmbare antennebåndet gir en ny måte å studere forplantningsegenskapene til terahertz-antenner av nye materialer.
Figur 12 Ny stripeantenne
I tillegg til å utforske nye materialer for terahertz-antenneelementer, kan grafen-nanopatch-terahertz-antenner også utformes som matriser for å bygge terahertz-kommunikasjonssystemer med flere innganger og flere utganger for antenner. Antennestrukturen er vist i figur 13. Basert på de unike egenskapene til grafen-nanopatch-antenner, har antenneelementene dimensjoner på mikronskala. Kjemisk dampavsetning syntetiserer direkte forskjellige grafenbilder på et tynt nikkellag og overfører dem til et hvilket som helst substrat. Ved å velge et passende antall komponenter og endre den elektrostatiske forspenningen, kan strålingsretningen endres effektivt, noe som gjør systemet omkonfigurerbart.
Figur 13 Grafen nanopatch terahertz antennegruppe
Forskning på nye materialer er en relativt ny retning. Innovasjon av materialer forventes å bryte gjennom begrensningene til tradisjonelle antenner og utvikle en rekke nye antenner, som rekonfigurerbare metamaterialer, todimensjonale (2D) materialer, osv. Denne typen antenner er imidlertid hovedsakelig avhengig av innovasjon av nye materialer og fremskritt innen prosessteknologi. Uansett krever utviklingen av terahertz-antenner innovative materialer, presis prosesseringsteknologi og nye designstrukturer for å møte kravene til høy forsterkning, lave kostnader og bred båndbredde for terahertz-antenner.
Det følgende introduserer de grunnleggende prinsippene for tre typer terahertz-antenner: metallantenner, dielektriske antenner og antenner av nye materialer, og analyserer forskjellene samt fordeler og ulemper.
1. Metallantenne: Geometrien er enkel, lett å bearbeide, relativt lav kostnad og det stilles lave krav til substratmaterialer. Metallantenner bruker imidlertid en mekanisk metode for å justere antennens posisjon, noe som er utsatt for feil. Hvis justeringen ikke er riktig, vil antennens ytelse bli kraftig redusert. Selv om metallantennen er liten i størrelse, er den vanskelig å montere med en plan krets.
2. Dielektrisk antenne: Den dielektriske antennen har lav inngangsimpedans, er enkel å matche med en lavimpedansdetektor, og er relativt enkel å koble til en plan krets. De geometriske formene til dielektriske antenner inkluderer sommerfuglform, dobbel U-form, konvensjonell logaritmisk form og logaritmisk periodisk sinusform. Dielektriske antenner har imidlertid også en fatal svakhet, nemlig overflatebølgeeffekten forårsaket av det tykke substratet. Løsningen er å laste inn en linse og erstatte det dielektriske substratet med en EBG-struktur. Begge løsningene krever innovasjon og kontinuerlig forbedring av prosessteknologi og materialer, men deres utmerkede ytelse (som omnidireksjonalitet og overflatebølgeundertrykkelse) kan gi nye ideer for forskning på terahertz-antenner.
3. Nye materialantenner: For tiden har det dukket opp nye dipolantenner laget av karbonnanorør og nye antennestrukturer laget av metamaterialer. Nye materialer kan gi nye gjennombrudd innen ytelse, men premisset er innovasjon innen materialvitenskap. For tiden er forskningen på nye materialantenner fortsatt i utforskningsfasen, og mange nøkkelteknologier er ikke modne nok.
Oppsummert kan ulike typer terahertz-antenner velges i henhold til designkrav:
1) Hvis det kreves enkel design og lave produksjonskostnader, kan metallantenner velges.
2) Hvis det kreves høy integrasjon og lav inngangsimpedans, kan dielektriske antenner velges.
3) Hvis det kreves et gjennombrudd i ytelse, kan det velges nye materialantenner.
Designene ovenfor kan også justeres i henhold til spesifikke krav. For eksempel kan to typer antenner kombineres for å oppnå flere fordeler, men monteringsmetoden og designteknologien må oppfylle strengere krav.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Publisert: 02.08.2024
