Traadita seadmete kasvava populaarsuse tõttu on andmesideteenused sisenenud uude kiire arengu perioodi, mida tuntakse ka andmesideteenuste plahvatusliku kasvuna. Praegu liigub suur hulk rakendusi järk-järgult arvutitest traadita seadmetesse, näiteks mobiiltelefonidesse, mida on lihtne kaasas kanda ja reaalajas kasutada, kuid see olukord on toonud kaasa ka andmeliikluse kiire kasvu ja ribalaiuse ressursside nappuse. Statistika kohaselt võib turul olev andmeedastuskiirus järgmise 10–15 aasta jooksul ulatuda Gbps-ni või isegi Tbps-ni. Praegu on THz-side saavutanud Gbps-i andmeedastuskiiruse, samas kui Tbps-i andmeedastuskiirus on alles arengu algstaadiumis. Seotud artiklis loetletakse uusimad edusammud Gbps-i andmeedastuskiiruste osas THz-riba põhjal ja ennustatakse, et Tbps-i saab saavutada polarisatsiooni multipleksimise abil. Seetõttu on andmeedastuskiiruse suurendamiseks teostatav lahendus uue sagedusriba, terahertsiriba, väljatöötamine, mis asub mikrolainete ja infrapunavalguse vahelises "tühjas alas". 2019. aasta ITU maailmaraadiosidekonverentsil (WRC-19) kasutati fikseeritud ja maapealse mobiilside teenuste jaoks sagedusvahemikku 275–450 GHz. On näha, et terahertsi traadita side süsteemid on pälvinud paljude teadlaste tähelepanu.
Terahertsi elektromagnetlaineid defineeritakse üldiselt sagedusribana 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) lainepikkusega 0,03–3 mm. IEEE standardi kohaselt on terahertsi lained defineeritud kui 0,3–10 THz. Joonis 1 näitab, et terahertsi sagedusriba asub mikrolainete ja infrapunavalguse vahel.
Joonis 1. THz sagedusriba skemaatiline diagramm.
Terahertsi antennide arendamine
Kuigi terahertsikiirguse uuringud algasid juba 19. sajandil, ei uuritud seda tol ajal iseseisva valdkonnana. Terahertsikiirguse uuringud keskendusid peamiselt kaug-infrapunasagedusalale. Alles 20. sajandi keskpaigast lõpuni hakkasid teadlased millimeeterlainete uuringuid terahertsisagedusalale laiendama ja läbi viima spetsiaalseid terahertsitehnoloogia uuringuid.
1980. aastatel tegi terahertsi kiirgusallikate teke võimalikuks terahertsi lainete rakendamise praktilistes süsteemides. Alates 21. sajandist on traadita side tehnoloogia kiiresti arenenud ning inimeste nõudlus teabe järele ja sidevahendite arvu suurenemine on esitanud sideandmete edastuskiirusele rangemad nõuded. Seetõttu on tuleviku sidetehnoloogia üheks väljakutseks töötada ühes kohas suure andmeedastuskiirusega gigabitti sekundis. Praeguse majandusarengu tingimustes on spektriressursid muutunud üha napimaks. Inimeste nõuded sidevõimsuse ja -kiiruse osas on aga lõputud. Spektri ülekoormuse probleemi lahendamiseks kasutavad paljud ettevõtted mitme sisendi ja mitme väljundi (MIMO) tehnoloogiat, et parandada spektri efektiivsust ja süsteemi läbilaskevõimet ruumilise multipleksimise abil. 5G-võrkude arenedes ületab iga kasutaja andmesidekiirus Gbps ja tugijaamade andmeliiklus suureneb samuti märkimisväärselt. Traditsiooniliste millimeetrilainetega sidesüsteemide puhul ei suuda mikrolaineühendused neid tohutuid andmevooge käsitleda. Lisaks on infrapunaühenduse edastuskaugus tänu otsevaate mõjule lühike ja sideseadmete asukoht fikseeritud. Seetõttu saab THz-laineid, mis asuvad mikrolainete ja infrapuna vahel, kasutada kiirete sidesüsteemide ehitamiseks ja andmeedastuskiiruse suurendamiseks THz-ühenduste abil.
Terahertsi lained pakuvad laiemat side ribalaiust ning nende sagedusvahemik on umbes 1000 korda suurem kui mobiilsidel. Seetõttu on THz-ide kasutamine ülikiirete traadita sidesüsteemide ehitamiseks paljutõotav lahendus suure andmeedastuskiiruse probleemile, mis on äratanud paljude uurimisrühmade ja tööstusharude huvi. 2017. aasta septembris avaldati esimene THz-traadita side standard IEEE 802.15.3d-2017, mis määratleb punkt-punkti andmevahetuse madalamas THz-sagedusalas 252–325 GHz. Ühenduse alternatiivne füüsiline kiht (PHY) suudab erinevatel ribalaiustel saavutada andmeedastuskiirust kuni 100 Gbps.
Esimene edukas 0,12 THz THz sidesüsteem loodi 2004. aastal ja 0,3 THz THz sidesüsteem realiseeriti 2013. aastal. Tabelis 1 on loetletud terahertside süsteemide uurimistöö edusammud Jaapanis aastatel 2004–2013.
Tabel 1 Terahertsi sidesüsteemide uurimise edenemine Jaapanis aastatel 2004–2013
Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) kirjeldas 2005. aastal üksikasjalikult 2004. aastal välja töötatud sidesüsteemi antenni struktuuri. Antenni konfiguratsiooni tutvustati kahel juhul, nagu on näidatud joonisel 2.
Joonis 2 Jaapani NTT 120 GHz traadita sidesüsteemi skemaatiline diagramm
Süsteem integreerib fotoelektrilise muundamise ja antenni ning kasutab kahte töörežiimi:
1. Lähiümbruse sisekeskkonnas koosneb siseruumides kasutatav tasapinnaline antennisaatja üheliinilisest kandefotodioodist (UTC-PD) kiibist, tasapinnalisest piluantennist ja räniläätsest, nagu on näidatud joonisel 2(a).
2. Pika ulatusega väliskeskkonnas peab saatja antennil olema suur võimendus, et parandada detektori suure edastuskao ja madala tundlikkuse mõju. Olemasolev terahertsantenn kasutab Gaussi optilist läätse võimendusega üle 50 dBi. Toitesignaali ja dielektrilise läätse kombinatsioon on näidatud joonisel 2(b).
Lisaks 0,12 THz sidesüsteemi väljatöötamisele töötas NTT 2012. aastal välja ka 0,3 THz sidesüsteemi. Pideva optimeerimise abil saab edastuskiirust suurendada kuni 100 Gbps-ni. Nagu tabelist 1 näha, on see andnud suure panuse terahertside kommunikatsiooni arendamisse. Praeguse uurimistöö puudusteks on aga madal töösagedus, suur suurus ja kõrge hind.
Enamik praegu kasutatavaid terahertsantenne on modifitseeritud millimeeterlaineantennidest ning terahertsantennide valdkonnas on vähe innovatsiooni. Seetõttu on terahertssidesüsteemide jõudluse parandamiseks oluline ülesanne terahertsantennide optimeerimine. Tabel 2 loetleb Saksamaa THz-side uurimistöö edenemise. Joonis 3 (a) näitab tüüpilist THz-traadita sidesüsteemi, mis ühendab fotoonika ja elektroonika. Joonis 3 (b) näitab tuuletunneli katsestseeni. Saksamaa praeguse uurimisolukorra põhjal otsustades on selle uurimis- ja arendustegevusel ka puudusi, nagu madal töösagedus, kõrge hind ja madal efektiivsus.
Tabel 2. THz-kommunikatsiooni uuringute edusammud Saksamaal
Joonis 3 Tuuletunneli katsestseen
CSIRO IKT keskus on algatanud ka uuringud THz siseruumides kasutatavate traadita side süsteemide kohta. Keskus uuris aasta ja sidesageduse vahelist seost, nagu on näidatud joonisel 4. Nagu jooniselt 4 näha, on 2020. aastaks traadita side uuringud kaldunud THz-sagedusala poole. Raadiospektri maksimaalne sidesagedus suureneb umbes kümme korda iga kahekümne aasta tagant. Keskus on andnud soovitusi THz-antennide nõuete kohta ja pakkunud välja traditsioonilisi antenne, nagu sarved ja läätsed THz-sidesüsteemide jaoks. Nagu on näidatud joonisel 5, töötavad kaks sarveantenni vastavalt sagedustel 0,84 THz ja 1,7 THz, neil on lihtne konstruktsioon ja hea Gaussi kiire jõudlus.
Joonis 4 Aasta ja sageduse vaheline seos
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Joonis 5 Kaks tüüpi ruuporantenne
Ameerika Ühendriigid on läbi viinud ulatuslikke uuringuid terahertsi lainete kiirguse ja tuvastamise kohta. Kuulsate terahertsi uurimislaborite hulka kuuluvad Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), USA National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF) jne. Terahertsi rakenduste jaoks on konstrueeritud uusi terahertsi antenne, näiteks lipsantennid ja sageduskiire suunamisega antennid. Terahertsi antennide arengu põhjal saame praegu terahertsi antennide jaoks kolm peamist disainiideed, nagu on näidatud joonisel 6.
Joonis 6. Terahertsi antennide kolm peamist disainiideed
Ülaltoodud analüüs näitab, et kuigi paljud riigid on terahertsiantennidele suurt tähelepanu pööranud, on see alles algstaadiumis uurimis- ja arendustegevuses. Suure levikadu ja molekulaarse neeldumise tõttu piiravad THz-antenne tavaliselt edastuskaugus ja leviala. Mõned uuringud keskenduvad THz-sagedusala madalamatele töösagedustele. Olemasolevad terahertsiantennide uuringud keskenduvad peamiselt võimenduse parandamisele dielektriliste läätseantennide jms abil ning side efektiivsuse parandamisele sobivate algoritmide abil. Lisaks on väga pakiline küsimus ka see, kuidas parandada terahertsiantennide pakendi efektiivsust.
Üldised THz-antennid
Saadaval on mitut tüüpi THz-antenne: kooniliste õõnsustega dipoolantennid, nurkpeegeldipoolid, lipsdipoolid, dielektriliste läätsedega tasapinnalised antennid, fotojuhtivad antennid THz-kiirgusallikate genereerimiseks, ruupantennid, grafeenmaterjalidel põhinevad THz-antennid jne. THz-antennide valmistamiseks kasutatavate materjalide järgi saab need laias laastus jagada metallantennideks (peamiselt ruupantennid), dielektrilisteks antennideks (läätseantennid) ja uutest materjalidest antennideks. Selles osas antakse esmalt nende antennide esialgne analüüs ning järgmises osas tutvustatakse ja analüüsitakse põhjalikult viit tüüpilist THz-antenni.
1. Metallantennid
Ruuviantenn on tüüpiline metallantenn, mis on loodud töötama THz-sagedusalas. Klassikalise millimeeterlaine vastuvõtja antenn on koonilise kujuga ruuviantenn. Lainepapist ja kaherežiimilistel antennidel on palju eeliseid, sealhulgas pöörlemissümmeetrilised kiirgusmustrid, suur võimendus 20–30 dBi ja madal ristpolarisatsioonitase -30 dB ning sidestustõhusus 97–98%. Kahe ruuviantenni saadaolev ribalaius on vastavalt 30–40% ja 6–8%.
Kuna terahertsi lainete sagedus on väga kõrge, on sarvantenni suurus väga väike, mis muudab sarve töötlemise väga keeruliseks, eriti antennimassiivide projekteerimisel, ning töötlemistehnoloogia keerukus toob kaasa liigsed kulud ja piiratud tootmise. Kuna keeruka sarvekonstruktsiooni alumise osa valmistamine on keeruline, kasutatakse tavaliselt lihtsat koonilise või koonilise sarve kujul olevat sarvantenni, mis võib vähendada kulusid ja protsessi keerukust ning säilitada antenni kiirgusomadusi hästi.
Teine metallantenn on kulglainepüramiidantenn, mis koosneb 1,2-mikronisele dielektrilisele kilele integreeritud ja räniplaadile söövitatud pikisuunalisse õõnsusse riputatud kulglaineantennist, nagu on näidatud joonisel 7. See antenn on avatud struktuuriga, mis ühildub Schottky dioodidega. Tänu oma suhteliselt lihtsale konstruktsioonile ja madalatele tootmisnõuetele saab seda üldiselt kasutada sagedusribades üle 0,6 THz. Antenni külglobe tase ja ristpolarisatsiooni tase on aga kõrged, tõenäoliselt tänu avatud konstruktsioonile. Seetõttu on selle sidestustõhusus suhteliselt madal (umbes 50%).
Joonis 7. Rändlaine püramiidantenn
2. Dielektriline antenn
Dielektriline antenn on dielektrilise substraadi ja antennikiirguse kombinatsioon. Õige konstruktsiooni abil saab dielektrilise antenni impedantsi sobitada detektoriga ning selle eelised on lihtne protsess, hõlbus integreerimine ja madal hind. Viimastel aastatel on teadlased konstrueerinud mitu kitsaribalist ja lairiba külgtuleantenni, mis sobivad terahertside dielektriliste antennide madala impedantsiga detektoritega: liblikantenn, topelt-U-kujuline antenn, log-perioodiline antenn ja log-perioodiline sinusoidaalne antenn, nagu on näidatud joonisel 8. Lisaks saab geneetiliste algoritmide abil kujundada keerukamaid antenni geomeetriaid.
Joonis 8. Neli tüüpi tasapinnalisi antenne
Kuna dielektriline antenn on aga kombineeritud dielektrilise substraadiga, tekib THz-ribale lähenedes pinnalaine efekt. See saatuslik puudus põhjustab antenni suure energiakaotuse töötamise ajal ja viib antenni kiirguse efektiivsuse olulise vähenemiseni. Nagu joonisel 9 näidatud, piirdub antenni energia dielektrilise substraadiga ja on seotud substraadi moodiga, kui antenni kiirgusnurk on suurem kui piirnurk.
Joonis 9 Antenni pinnalaine efekt
Substraadi paksuse suurenedes suureneb kõrgema järgu moodide arv ja antenni ning substraadi vaheline sidestus suureneb, mille tulemuseks on energiakadu. Pinnalainete efekti nõrgendamiseks on kolm optimeerimisskeemi:
1) Laadige antennile lääts, et suurendada võimendust, kasutades ära elektromagnetlainete kiirgusmoodustamise omadusi.
2) Vähendage aluspinna paksust, et pärssida elektromagnetlainete kõrgema astme mooduste teket.
3) Asendage substraadi dielektriline materjal elektromagnetilise keelutsooniga (EBG). EBG ruumilised filtreerimisomadused võivad summutada kõrgema astme moodid.
3. Uued materjalist antennid
Lisaks kahele ülaltoodule antennile on olemas ka uutest materjalidest valmistatud terahertsantenn. Näiteks 2006. aastal pakkusid Jin Hao jt välja süsiniknanotoruga dipoolantenni. Nagu joonisel 10 (a) näidatud, on dipool valmistatud süsiniknanotorudest, mitte metallmaterjalidest. Ta uuris hoolikalt süsiniknanotoruga dipoolantenni infrapunaseid ja optilisi omadusi ning arutas piiratud pikkusega süsiniknanotoruga dipoolantenni üldisi omadusi, nagu sisendtakistus, voolujaotus, võimendus, efektiivsus ja kiirgusmuster. Joonis 10 (b) näitab süsiniknanotoruga dipoolantenni sisendtakistuse ja sageduse vahelist seost. Nagu jooniselt 10 (b) näha, on sisendtakistuse imaginaarosal kõrgematel sagedustel mitu nulli. See näitab, et antenn suudab saavutada mitu resonantsi erinevatel sagedustel. Ilmselgelt on süsiniknanotoruga antennil teatud sagedusvahemikus (madalamad THz sagedused) resonants, kuid see ei ole üldse võimeline resoneeruma väljaspool seda vahemikku.
Joonis 10 (a) Süsiniknanotoruga dipoolantenn. (b) Sisendtakistuse-sageduse kõver
2012. aastal pakkusid Samir F. Mahmoud ja Ayed R. AlAjmi välja uue terahertsi antennistruktuuri, mis põhineb süsiniknanotorudel ja koosneb kahe dielektrilise kihi sisse mähitud süsiniknanotorude kimbust. Sisemine dielektriline kiht on dielektriline vahukiht ja välimine dielektriline kiht on metamaterjali kiht. Spetsiifiline struktuur on näidatud joonisel 11. Testimise käigus on antenni kiirgusomadused üheseinaliste süsiniknanotorudega võrreldes paranenud.
Joonis 11. Uus terahertsi antenn, mis põhineb süsiniknanotorudel
Ülalpool pakutud uued terahertsi materjalist antennid on peamiselt kolmemõõtmelised. Antenni ribalaiuse parandamiseks ja konformsete antennide valmistamiseks on laialdast tähelepanu pälvinud tasapinnalised grafeenantennid. Grafeenil on suurepärased dünaamilised pideva juhtimise omadused ja see suudab eelpinge reguleerimise abil tekitada pinnaplasmat. Pinnaplasma asub positiivse dielektrilise konstandiga aluspindade (nt Si, SiO2 jne) ja negatiivse dielektrilise konstandiga aluspindade (nt väärismetallid, grafeen jne) vahelisel liidesel. Juhtides, nagu väärismetallid ja grafeen, on suur hulk "vabu elektrone". Neid vabu elektrone nimetatakse ka plasmadeks. Juhi loomupärase potentsiaalivälja tõttu on need plasmad stabiilses olekus ega häiri neid välismaailm. Kui langeva elektromagnetlaine energia on nende plasmadega ühendatud, kalduvad plasmad püsiseisundist kõrvale ja hakkavad vibreerima. Pärast muundamist moodustab elektromagnetiline režiim liidesel põiki magnetlaine. Drude mudeli abil metalli pinnaplasma dispersioonisuhte kirjelduse kohaselt ei saa metallid loomulikult elektromagnetlainetega vabas ruumis siduda ja energiat muundada. Pinna plasmalainete ergastamiseks on vaja kasutada teisi materjale. Pinnaplasmalained hääbuvad metalli ja aluspinna vahelise liidese paralleelsuunas kiiresti. Kui metalljuht juhib pinnaga risti, tekib nahaefekt. Ilmselgelt on antenni väikese suuruse tõttu kõrgsagedusribas nahaefekt, mis põhjustab antenni jõudluse järsu languse ja ei suuda terahertsi antennide nõuetele vastata. Grafeeni pinnaplasmonil pole mitte ainult suurem sidumisjõud ja väiksemad kaod, vaid see toetab ka pidevat elektrilist häälestamist. Lisaks on grafeenil terahertsi sagedusalas keeruline juhtivus. Seega on aeglane lainete levik seotud plasmarežiimiga terahertsi sagedustel. Need omadused näitavad täielikult grafeeni võimalikkust metallmaterjalide asendamiseks terahertsi sagedusalas.
Grafeeni pinnaplasmonite polarisatsioonikäitumise põhjal kujutab joonis 12 uut tüüpi ribaantenni ja pakub välja grafeenis levivate plasmalainete levimisomaduste riba kuju. Häälestatava antenniriba disain pakub uue viisi uue materjali terahertsantennide levimisomaduste uurimiseks.
Joonis 12 Uus ribaantenn
Lisaks uute materjalidega terahertsantennielementide uurimisele saab grafeennanopatch-terahertsantenne konstrueerida ka massiividena, et ehitada teraherts-mitme sisendi ja mitme väljundiga antenni sidesüsteeme. Antenni struktuur on näidatud joonisel 13. Grafeennanopatch-antennide ainulaadsete omaduste põhjal on antennielementidel mikroni suurused mõõtmed. Keemiline aurustamine sünteesib erinevaid grafeenipilte otse õhukesele niklikihile ja kannab need üle mis tahes aluspinnale. Sobiva arvu komponentide valimise ja elektrostaatilise eelpinge muutmise abil saab kiirgussuunda tõhusalt muuta, muutes süsteemi ümberkonfigureeritavaks.
Joonis 13. Grafeeni nanopatchi terahertsi antennimassiiv
Uute materjalide uurimine on suhteliselt uus suund. Materjalide innovatsiooni abil loodetakse murda läbi traditsiooniliste antennide piirangute ja arendada välja mitmesuguseid uusi antenne, näiteks rekonfigureeritavaid metamaterjale, kahemõõtmelisi (2D) materjale jne. Seda tüüpi antenn sõltub aga peamiselt uute materjalide innovatsioonist ja protsessitehnoloogia arengust. Terahertsantennide arendamine nõuab igal juhul uuenduslikke materjale, täpset töötlemistehnoloogiat ja uudseid disainistruktuure, et täita terahertsantennide suure võimenduse, madala hinna ja laia ribalaiuse nõudeid.
Järgnevalt tutvustatakse kolme tüüpi terahertsantennide – metallantennide, dielektriliste antennide ja uutest materjalidest antennide – põhiprintsiipe ning analüüsitakse nende erinevusi, eeliseid ja puudusi.
1. Metallantenn: geomeetria on lihtne, seda on lihtne töödelda, see on suhteliselt odav ja nõuab vähe alusmaterjali. Metallantennid kasutavad aga antenni asendi reguleerimiseks mehaanilist meetodit, mis on altid vigadele. Kui reguleerimine pole õige, väheneb antenni jõudlus oluliselt. Kuigi metallantenn on väikese suurusega, on seda keeruline tasapinnalise vooluringiga kokku panna.
2. Dielektriline antenn: Dielektrilisel antennil on madal sisendtakistus, seda on lihtne sobitada madala takistusega detektoriga ja see on suhteliselt lihtne ühendada tasapinnalise vooluringiga. Dielektriliste antennide geomeetrilised kujud hõlmavad liblikakuju, topelt-U-kuju, tavapärast logaritmilist kuju ja logaritmilist perioodilist siinuskuju. Dielektrilistel antennidel on aga ka saatuslik puudus, nimelt paksu aluspinna põhjustatud pinnalaine efekt. Lahenduseks on läätse laadimine ja dielektrilise aluspinna asendamine EBG-struktuuriga. Mõlemad lahendused nõuavad innovatsiooni ja pidevat protsessitehnoloogia ja materjalide täiustamist, kuid nende suurepärane jõudlus (näiteks igasuunalisus ja pinnalaine summutamine) võib pakkuda uusi ideid terahertsantennide uurimiseks.
3. Uutest materjalidest antennid: Praegu on ilmunud uued süsiniknanotorudest valmistatud dipoolantennid ja metamaterjalidest valmistatud uued antennistruktuurid. Uued materjalid võivad küll kaasa tuua uusi läbimurdeid jõudluses, kuid eelduseks on materjaliteaduse innovatsioon. Praegu on uute materjalide antennide uurimine alles uurimisjärgus ja paljud võtmetehnoloogiad pole piisavalt küpsed.
Kokkuvõttes saab vastavalt disaininõuetele valida erinevat tüüpi terahertsi antenne:
1) Kui on vaja lihtsat disaini ja madalaid tootmiskulusid, saab valida metallantennid.
2) Kui on vaja suurt integreerimist ja madalat sisendtakistust, saab valida dielektrilised antennid.
3) Kui on vaja läbimurret jõudluses, saab valida uue materjali antennid.
Ülaltoodud konstruktsioone saab vastavalt konkreetsetele nõuetele kohandada. Näiteks saab kahte tüüpi antenne kombineerida, et saada rohkem eeliseid, kuid montaažimeetod ja disainitehnoloogia peavad vastama rangematele nõuetele.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage palun järgmist saiti:
Postituse aeg: 02.08.2024
