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 . I følge statistikk kan datahastigheten på markedet nå Gbps eller til og med Tbps i løpet av de neste 10 til 15 årene. For øyeblikket har THz-kommunikasjon nådd en Gbps-datahastighet, mens Tbps-datahastigheten fortsatt er i de tidlige utviklingsstadiene. En relatert artikkel viser den siste fremgangen i Gbps-datahastigheter basert på THz-båndet og forutsier at Tbps kan oppnås gjennom polarisasjonsmultipleksing. Derfor, for å øke dataoverføringshastigheten, er en gjennomførbar løsning å utvikle et nytt frekvensbånd, som er terahertz-båndet, som er i det "blanke området" mellom mikrobølger og infrarødt lys. På ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) i 2019 har frekvensområdet på 275-450GHz blitt brukt for faste og landmobile tjenester. Det kan sees at terahertz trådløse kommunikasjonssystemer har tiltrukket seg oppmerksomheten til mange forskere.
Terahertz elektromagnetiske bølger er generelt definert som frekvensbåndet på 0,1-10THz (1THz=1012Hz) med en bølgelengde på 0,03-3 mm. I henhold til IEEE-standarden er terahertz-bølger definert som 0,3-10THz. Figur 1 viser at terahertz-frekvensbåndet er mellom mikrobølger og infrarødt lys.
Fig. 1 Skjematisk diagram av THz frekvensbånd.
Utvikling av Terahertz-antenner
Selv om terahertz-forskning begynte på 1800-tallet, ble den ikke studert som et selvstendig felt på den tiden. Forskningen på terahertz-stråling var hovedsakelig fokusert på det langt infrarøde båndet. Det var ikke før midten til slutten av 1900-tallet at forskere begynte å fremme millimeterbølgeforskning til terahertz-båndet og utføre spesialisert terahertz-teknologiforskning.
På 1980-tallet gjorde fremveksten av terahertz-strålingskilder bruk av terahertz-bølger i praktiske systemer mulig. Siden det 21. århundre har trådløs kommunikasjonsteknologi utviklet seg raskt, og folks etterspørsel etter informasjon og økningen i kommunikasjonsutstyr har stilt strengere krav til overføringshastigheten til kommunikasjonsdata. Derfor er en av utfordringene med fremtidig kommunikasjonsteknologi å operere med en høy datahastighet på gigabit per sekund på ett sted. Under den nåværende økonomiske utviklingen har spektrumressurser blitt stadig knappere. Menneskelige krav til kommunikasjonskapasitet og hastighet er imidlertid uendelige. For problemet med overbelastning av spektrum bruker mange selskaper MIMO-teknologi 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 mikrobølgelenker kunne håndtere disse enorme datastrømmene. I tillegg, på grunn av påvirkning av siktlinje, er overføringsavstanden for infrarød kommunikasjon kort og plasseringen av kommunikasjonsutstyret er fast. Derfor kan THz-bølger, som er mellom mikrobølger og infrarøde, brukes til å bygge høyhastighetskommunikasjonssystemer og øke dataoverføringshastighetene ved å bruke THz-koblinger.
Terahertz-bølger kan gi en bredere kommunikasjonsbåndbredde, og frekvensområdet er omtrent 1000 ganger større enn mobilkommunikasjon. Derfor er det å bruke THz til å bygge ultra-høyhastighets trådløse kommunikasjonssystemer en lovende løsning på utfordringen med høye datahastigheter, som har tiltrukket seg interesse fra mange forskerteam og bransjer. I september 2017 ble den første trådløse THz-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) av koblingen 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 forskningsfremgangen til 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 tar i bruk to arbeidsmoduser:
1. I et nærliggende innendørsmiljø består den plane antennesenderen som brukes innendørs av en single-line carrier photodiode (UTC-PD) chip, en planar slot-antenne og en silisiumlinse, som vist i figur 2(a).
2. I et langdistanse utendørs miljø, for å forbedre påvirkningen av stort overføringstap og lav følsomhet av detektoren, må senderantennen ha høy forsterkning. 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 den gitt et stort bidrag til utviklingen av terahertz-kommunikasjon. Imidlertid har dagens forskningsarbeid ulempene med lav driftsfrekvens, stor størrelse og høye kostnader.
De fleste av terahertz-antennene som brukes i dag er modifisert fra millimeterbølgeantenner, og det er lite innovasjon i terahertz-antenner. Derfor, for å forbedre ytelsen til terahertz-kommunikasjonssystemer, er en viktig oppgave å optimalisere terahertz-antenner. Tabell 2 viser forskningsfremgangen for tysk THz-kommunikasjon. Figur 3 (a) viser et representativt THz trådløst kommunikasjonssystem som kombinerer fotonikk og elektronikk. Figur 3 (b) viser testscenen i vindtunnelen. Ut fra dagens forskningssituasjon 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 IKT-senteret har også startet forskning på THz innendørs trådløse kommunikasjonssystemer. Senteret studerte forholdet mellom år og kommunikasjonsfrekvens, som vist i figur 4. Som man kan se av figur 4, vil forskning på trådløs kommunikasjon innen 2020 ha en tendens til THz-båndet. Den maksimale kommunikasjonsfrekvensen ved bruk av radiospekteret øker omtrent ti ganger hvert tjuende 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 ved henholdsvis 0,84THz og 1,7THz, med en enkel struktur og god Gauss-stråleytelse.
Figur 4 Sammenheng mellom år og frekvens
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figur 5 To typer hornantenner
USA har utført omfattende forskning på utslipp og deteksjon av terahertzbølger. 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), etc. Nye terahertz-antenner for terahertz-applikasjoner er 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
Ovenstående analyse viser at selv om mange land har lagt stor vekt på terahertz-antenner, er de fortsatt i det innledende lete- og utviklingsstadiet. 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 terahertz-antenneforskning fokuserer hovedsakelig på å forbedre forsterkning ved å bruke dielektriske linseantenner, etc., og å forbedre kommunikasjonseffektiviteten ved å bruke passende algoritmer. I tillegg er hvordan man kan forbedre effektiviteten til terahertz-antenneemballasje også et veldig presserende spørsmål.
Generelle THz-antenner
Det er mange typer THz-antenner tilgjengelig: dipolantenner med koniske hulrom, hjørnereflektor-arrayer, sløyfe-dipoler, dielektriske linseplanantenner, fotoledende antenner for å generere THz-kildestrålingskilder, hornantenner, THz-antenner basert på grafenmaterialer, etc. materialene som brukes til å lage THz-antenner, kan de grovt sett deles inn i metallantenner (hovedsakelig hornantenner), dielektriske antenner (linseantenner) og nye materialantenner. 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 til de to hornantennene er henholdsvis 30%-40% og 6%-8%.
Siden frekvensen av terahertz-bølger er veldig høy, er størrelsen på hornantennen veldig liten, noe som gjør behandlingen av hornet veldig vanskelig, spesielt i utformingen av antenner, og kompleksiteten til prosesseringsteknologien fører til overdreven kostnader 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 strålingsytelsen til antennen kan opprettholdes godt.
En annen metallantenne er en vandrende bølgepyramideantenne, 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 er en åpen struktur som er kompatibel med Schottky-dioder. På grunn av sin relativt enkle struktur og lave produksjonskrav, kan den generelt brukes i frekvensbånd over 0,6 THz. Imidlertid er sidelobenivået og krysspolarisasjonsnivået til antennen høye, sannsynligvis på grunn av dens åpne struktur. Derfor er koblingseffektiviteten relativt lav (ca. 50%).
Figur 7 Vandrende bølgepyramideformet antenne
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 integrasjon og lave kostnader. I løpet av de siste årene har forskere designet flere smalbånds- og bredbåndssidebrannantenner 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 planantenner
Men siden den dielektriske antennen er kombinert med et dielektrisk substrat, vil en overflatebølgeeffekt oppstå 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 antennestrålingsvinkelen er større enn avskjæringsvinkelen, er dens energi begrenset i det dielektriske substratet og koblet til substratmodusen.
Figur 9 Antenneoverflatebølgeeffekt
Når tykkelsen på underlaget øker, øker antallet høyordensmoduser, og koblingen mellom antennen og underlaget øker, noe som resulterer i energitap. For å svekke overflatebølgeeffekten er det tre optimaliseringsopplegg:
1) Sett en linse på antennen for å øke forsterkningen ved å bruke stråleformingsegenskapene til elektromagnetiske bølger.
2) Reduser tykkelsen på underlaget for å undertrykke genereringen av høyordens moduser av elektromagnetiske bølger.
3) Bytt ut det dielektriske substratet med et elektromagnetisk båndgap (EBG). De romlige filtreringsegenskapene til EBG kan undertrykke høyordensmoduser.
3. Nye materialantenner
I tillegg til de to ovennevnte antennene, er det også en terahertz-antenne laget av nye materialer. For eksempel, i 2006, Jin Hao et al. foreslått 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 karbon-nanorør-dipolantennen med begrenset lengde, 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. Det er klart at karbon-nanorørantennen viser resonans innenfor et visst frekvensområde (lavere THz-frekvenser), men er helt ute av stand til å resonere utenfor dette området.
Figur 10 (a) Karbon nanorør dipolantenne. (b) Inngangsimpedans-frekvenskurve
I 2012 foreslo Samir F. Mahmoud og Ayed R. AlAjmi en ny terahertz-antennestruktur basert på karbon-nanorør, som består av en bunt karbon-nanorør 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 strålingsytelsen til antennen blitt forbedret sammenlignet med enkeltveggede karbon nanorør.
Figur 11 Ny terahertz-antenne basert på karbon-nanorør
De nye terahertz-antennene som er foreslått ovenfor, er hovedsakelig tredimensjonale. For å forbedre båndbredden til antennen 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 eksisterer på grensesnittet mellom positive dielektriske konstantsubstrater (som Si, SiO2, etc.) og negative dielektriske konstantsubstrater (som edelmetaller, grafen, etc.). Det er et stort antall "frie elektroner" i ledere som edle metaller og grafen. Disse frie elektronene kalles også plasmaer. På grunn av det iboende potensielle feltet i lederen er disse plasmaene i en stabil tilstand og blir ikke forstyrret av omverdenen. Når den innfallende elektromagnetiske bølgeenergien kobles til disse plasmaene, vil plasmaene avvike fra stabil tilstand og vibrere. Etter konverteringen danner den elektromagnetiske modusen en tverrgående magnetisk bølge ved grensesnittet. I henhold til beskrivelsen av spredningsforholdet til metalloverflateplasma av Drude-modellen, kan metaller ikke naturlig koble seg til elektromagnetiske bølger i ledig plass og konvertere energi. Det er nødvendig å bruke andre materialer for å eksitere overflateplasmabølger. Overflateplasmabølger forfaller raskt i parallell retning av metall-substrat-grensesnittet. Når metalllederen leder i retningen vinkelrett på overflaten, oppstår en hudeffekt. På grunn av den lille størrelsen på antennen er det åpenbart en hudeffekt i høyfrekvensbåndet, noe som gjør at antenneytelsen synker kraftig og ikke kan oppfylle kravene til terahertz-antenner. Overflateplasmonen av grafen har ikke bare høyere bindingskraft og lavere tap, men støtter også kontinuerlig elektrisk tuning. I tillegg har grafen kompleks ledningsevne i terahertz-båndet. Derfor er langsom bølgeutbredelse relatert til plasmamodus ved terahertz-frekvenser. Disse egenskapene demonstrerer fullt ut gjennomførbarheten av grafen for å erstatte metallmaterialer i terahertz-båndet.
Basert på polarisasjonsoppførselen til grafenoverflateplasmoner, viser figur 12 en ny type stripeantenne, og foreslår båndformen til forplantningsegenskapene til plasmabølger i grafen. Utformingen av avstembart antennebånd gir en ny måte å studere forplantningsegenskapene til nye terahertz-antenner.
Figur 12 Ny stripeantenne
I tillegg til å utforske enhetens nye terahertz-antenneelementer, kan graphene nanopatch terahertz-antenner også utformes som arrays for å bygge terahertz multi-input multi-output antennekommunikasjonssystemer. Antennestrukturen er vist i figur 13. Basert på de unike egenskapene til grafen nanopatch-antenner, har antenneelementene dimensjoner i mikronskala. Kjemisk dampavsetning syntetiserer forskjellige grafenbilder direkte på et tynt nikkellag og overfører dem til ethvert underlag. Ved å velge et passende antall komponenter og endre den elektrostatiske forspenningen, kan strålingsretningen effektivt endres, noe som gjør systemet rekonfigurerbart.
Figur 13 Graphene nanopatch terahertz-antennearray
Forskningen av nye materialer er en relativt ny retning. Innovasjon av materialer forventes å bryte gjennom begrensningene til tradisjonelle antenner og utvikle en rekke nye antenner, slik som rekonfigurerbare metamaterialer, todimensjonale (2D) materialer osv. Denne typen antenner er imidlertid hovedsakelig avhengig av innovasjonen av nye materialer og utvikling av prosessteknologi. I alle fall krever utviklingen av terahertz-antenner innovative materialer, presis prosesseringsteknologi og nye designstrukturer for å møte kravene til høy forsterkning, lave kostnader og bred båndbredde til terahertz-antenner.
Følgende introduserer de grunnleggende prinsippene for tre typer terahertz-antenner: metallantenner, dielektriske antenner og nye materialantenner, og analyserer deres forskjeller og fordeler og ulemper.
1. Metallantenne: Geometrien er enkel, lett å behandle, relativt lav kostnad og lave krav til underlagsmaterialer. Imidlertid bruker metallantenner en mekanisk metode for å justere posisjonen til antennen, som er utsatt for feil. Hvis justeringen ikke er riktig, vil ytelsen til antennen 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 lett 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 feil, nemlig overflatebølgeeffekten forårsaket av det tykke underlaget. Løsningen er å belaste 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 karbon nanorør og nye antennestrukturer laget av metamaterialer. Nye materialer kan gi nye ytelsesgjennombrudd, men premisset er innovasjonen innen materialvitenskap. Foreløpig er forskningen på nye materialantenner fortsatt i det utforskende stadiet, og mange nøkkelteknologier er ikke modne nok.
Oppsummert kan forskjellige typer terahertz-antenner velges i henhold til designkrav:
1) Hvis enkel design og lave produksjonskostnader kreves, kan metallantenner velges.
2) Hvis høy integrasjon og lav inngangsimpedans er nødvendig, kan dielektriske antenner velges.
3) Hvis et gjennombrudd i ytelse er nødvendig, kan nye materialantenner velges.
Ovennevnte design 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:
Innleggstid: Aug-02-2024
