Traadita seadmete populaarsuse kasvuga on andmeteenused jõudnud uude kiire arengu perioodi, mida tuntakse ka andmeteenuste plahvatusliku kasvuna. Praegu liigub suur hulk rakendusi järk-järgult arvutitelt juhtmevabadele seadmetele, nagu mobiiltelefonid, 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 andmeedastuskiirus turul järgmise 10–15 aasta jooksul ulatuda Gbps-ni või isegi Tbps-ni. Praegu on THz-side andmeedastuskiirus saavutanud Gbps andmeedastuskiiruse, samas kui Tbps andmeedastuskiirus on alles väljatöötamise algfaasis. Seotud artikkel loetleb THz-ribal põhineva Gbps andmeedastuskiiruse viimased edusammud ja ennustab, et Tbps on võimalik saada polarisatsioonimultipleksimise kaudu. Seetõttu on andmeedastuskiiruse suurendamiseks teostatav lahendus välja töötada uus sagedusriba, milleks on terahertsiriba, mis asub mikrolainete ja infrapunavalguse vahelises "tühjas alas". 2019. aasta ITU ülemaailmsel raadioside konverentsil (WRC-19) on sagedusvahemikku 275-450 GHz kasutatud nii püsi- kui ka maamobiilsideteenuste jaoks. On näha, et terahertsi traadita sidesüsteemid on pälvinud paljude teadlaste tähelepanu.
Terahertsi elektromagnetlaineid defineeritakse üldiselt kui sagedusriba 0,1–10 THz (1 THz=1012 Hz) lainepikkusega 0,03–3 mm. IEEE standardi järgi on terahertsilained defineeritud kui 0,3-10 THz. Joonisel 1 on näidatud, et terahertsi sagedusriba on mikrolainete ja infrapunavalguse vahel.
Joonis 1 THz sagedusala skemaatiline diagramm.
Terahertzi antennide arendamine
Kuigi terahertsi uurimisega alustati 19. sajandil, ei uuritud seda tol ajal iseseisva valdkonnana. Terahertskiirguse uurimine keskendus peamiselt kaug-infrapunaribale. Alles 20. sajandi keskpaigast kuni lõpuni hakkasid teadlased millimeeterlainete uurimist terahertsi sagedusalasse viima ja spetsiaalseid terahertstehnoloogia uuringuid läbi viima.
1980. aastatel võimaldas terahertslainete tekkimine praktilistes süsteemides rakendada. Alates 21. sajandist on traadita sidetehnoloogia kiiresti arenenud ning inimeste nõudlus teabe järele ja sideseadmete kasv on seadnud 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 nõudmised suhtlusvõimele ja kiirusele on aga lõputud. Spektri ülekoormuse probleemi lahendamiseks kasutavad paljud ettevõtted mitme sisendiga mitme väljundiga (MIMO) tehnoloogiat, et ruumilise multipleksimise abil parandada spektritõhusust ja süsteemi läbilaskevõimet. 5G võrkude edenedes ületab iga kasutaja andmesidekiirus Gbps, samuti kasvab oluliselt tugijaamade andmeliiklus. Traditsiooniliste millimeeterlainete sidesüsteemide puhul ei suuda mikrolaineühendused neid tohutuid andmevoogusid käsitleda. Lisaks on vaatevälja mõju tõttu infrapunaside edastuskaugus lühike ja selle sideseadmete asukoht on fikseeritud. Seetõttu saab THz laineid, mis on mikrolainete ja infrapuna vahel, kasutada kiirete sidesüsteemide ehitamiseks ja andmeedastuskiiruste suurendamiseks THz linkide abil.
Terahertsilained võivad pakkuda laiemat side ribalaiust ja selle sagedusvahemik on umbes 1000 korda suurem kui mobiilside omast. Seetõttu on THz kasutamine ülikiirete traadita sidesüsteemide ehitamiseks paljulubav lahendus suure andmeedastuskiiruse väljakutsele, mis on äratanud huvi paljudes uurimisrühmades ja tööstusharudes. 2017. aasta septembris ilmus esimene THz traadita side standard IEEE 802.15.3d-2017, mis määratleb punkt-punkti andmevahetuse madalamas THz sagedusvahemikus 252-325 GHz. Lingi alternatiivne füüsiline kiht (PHY) suudab erinevatel ribalaiustel saavutada andmeedastuskiiruse kuni 100 Gbps.
Esimene edukas 0,12 THz THz sidesüsteem loodi 2004. aastal ja 0,3 THz THz sidesüsteem realiseeriti 2013. Tabelis 1 on ära toodud terahertsi sidesüsteemide uurimistöö Jaapanis aastatel 2004–2013.
Tabel 1 Terahertssidesüsteemide uurimise edenemine Jaapanis aastatel 2004–2013
2004. aastal välja töötatud sidesüsteemi antennistruktuuri kirjeldas üksikasjalikult Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) aastal 2005. Antenni konfiguratsiooni võeti kasutusele 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. Lähikeskkonnas siseruumides kasutatav tasapinnaline antennisaatja koosneb üherealisest kandefotodioodi (UTC-PD) kiibist, tasapinnalisest piluantennist ja räniläätsest, nagu on näidatud joonisel 2(a).
2. Suure edastuskao ja detektori madala tundlikkuse mõju parandamiseks peab pikamaa väliskeskkonnas saatja antenn olema suure võimendusega. Olemasolev terahertsantenn kasutab Gaussi optilist läätse, mille võimendus on üle 50 dBi. Toitesarve ja dielektrilise läätse kombinatsioon on näidatud joonisel 2(b).
Lisaks 0,12 THz sidesüsteemi arendamisele töötas NTT 2012. aastal välja ka 0,3 THz sidesüsteemi. Läbi pideva optimeerimise võib edastuskiirus ulatuda 100 Gbps-ni. Nagu tabelist 1 näha, on see andnud suure panuse terahertsside arengusse. Praegusel uurimistööl on aga madal töösagedus, suur suurus ja kõrge hind.
Enamik praegu kasutatavatest terahertsantennidest on modifitseeritud millimeeterlaineantennidest ja terahertsantennide osas on uuendusi vähe. Seetõttu on terahertssidesüsteemide jõudluse parandamiseks oluline ülesanne terahertsantennide optimeerimine. Tabelis 2 on ära toodud Saksa THz side uurimise edenemine. Joonis 3 (a) näitab tüüpilist THz traadita sidesüsteemi, mis ühendab fotoonikat ja elektroonikat. Joonis 3 (b) näitab tuuletunneli katsestseeni. Otsustades praegust uurimissituatsiooni Saksamaal, on selle teadus- ja arendustegevusel ka puudusi, nagu madal töösagedus, kõrge hind ja madal efektiivsus.
Tabel 2 THz side uurimise edenemine Saksamaal
Joonis 3 Tuuletunneli katsestseen
CSIRO IKT keskus on algatanud ka uurimistööd THz siseruumide traadita sidesüsteemide kohta. Keskus uuris aasta ja sidesageduse vahelist seost, nagu on näidatud joonisel 4. Nagu on näha jooniselt 4, kipuvad 2020. aastaks traadita side uuringud THz sagedusalasse. Raadiospektrit kasutav maksimaalne sidesagedus suureneb umbes kümme korda iga kahekümne aasta tagant. Keskus on andnud soovitusi THz antennide nõuete kohta ja pakkunud välja traditsioonilised antennid, nagu sarved ja läätsed THz sidesüsteemide jaoks. Nagu on näidatud joonisel 5, töötavad kaks sarveantenni vastavalt sagedustel 0,84 THz ja 1,7 THz, millel on lihtne struktuur ja hea Gaussi kiire jõudlus.
Joonis 4 Aasta ja sageduse vaheline seos
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Joonis 5 Kahte tüüpi sarveantenne
Ameerika Ühendriigid on teinud ulatuslikke uuringuid terahertsilainete emissiooni ja tuvastamise kohta. Tuntud terahertsi uurimislaborite hulka kuuluvad Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanfordi lineaarkiirendi keskus (SLAC), USA riiklik labor (LLNL), riiklik lennundus- ja kosmoseamet (NASA), riiklik teadusfond (NSF) jne. On välja töötatud uued terahertsantennid terahertsirakenduste jaoks, näiteks kikiantennid ja sageduskiire juhtimine antennid. Vastavalt terahertsantennide arengule saame praegu terahertsantennide jaoks kolm peamist disainiideed, nagu on näidatud joonisel 6.
Joonis 6 Kolm peamist disainiideed terahertsantennide jaoks
Ülaltoodud analüüs näitab, et kuigi paljud riigid on terahertsantennidele suurt tähelepanu pööranud, on see alles esialgses uurimis- ja arendusjärgus. Suure levikao ja molekulaarse neeldumise tõttu on THz antennid tavaliselt piiratud edastuskauguse ja levialaga. Mõned uuringud keskenduvad madalamatele töösagedustele THz sagedusalas. Olemasolevad terahertsantennide uuringud keskenduvad peamiselt võimenduse parandamisele dielektriliste läätsede antennide jms abil ning side tõhususe parandamisele sobivate algoritmide abil. Lisaks on väga kiireloomuline küsimus ka terahertsantenni pakendamise tõhususe parandamine.
Üldised THz antennid
Saadaval on mitut tüüpi THz antenne: kooniliste õõnsustega dipoolantennid, nurgareflektori massiivid, kiki dipoolid, dielektriliste läätsede tasapinnalised antennid, fotojuhtivad antennid THz allika kiirgusallikate genereerimiseks, sarveantennid, grafeenmaterjalidel põhinevad THz antennid jne. THz antennide valmistamiseks kasutatud materjalidest saab need jämedalt jagada metallantennideks (peamiselt sarvantennid), dielektrilised antennid (objektiiviantennid) ja uutest materjalidest antennid. See osa annab esmalt nende antennide esialgse analüüsi ja seejärel järgmises osas tutvustatakse üksikasjalikult ja põhjalikult analüüsitakse viit tüüpilist THz antenni.
1. Metallist antennid
Sarvantenn on tüüpiline metallist antenn, mis on mõeldud töötama THz sagedusalas. Klassikalise millimeeterlaine vastuvõtja antenn on kooniline sarv. Gofreeritud ja kaherežiimilistel antennidel on palju eeliseid, sealhulgas pöörlemissümmeetrilised kiirgusmustrid, suur võimendus 20 kuni 30 dBi ja madal ristpolarisatsioonitase -30 dB ning sidestuse efektiivsus 97% kuni 98%. Kahe sarveantenni saadaolevad ribalaiused on vastavalt 30–40% ja 6–8%.
Kuna terahertsilainete sagedus on väga kõrge, on sarveantenni suurus väga väike, mis muudab sarve töötlemise väga keeruliseks, eriti antennimassiivide kujundamisel, ning töötlemistehnoloogia keerukus toob kaasa liigseid kulusid ja piiratud tootmine. Keerulise sarve konstruktsiooni põhja valmistamise raskuste tõttu kasutatakse tavaliselt lihtsat koonilise või koonilise sarve kujulist sarveantenni, mis võib vähendada kulusid ja protsessi keerukust ning säilitada antenni kiirgusjõudlust. hästi.
Teine metallantenn on liikuva laine püramiidantenn, mis koosneb 1,2-mikronilisele dielektrilisele kilele integreeritud liikuva laine antennist, mis on riputatud räniplaadile söövitatud pikiõõnsusesse, nagu on näidatud joonisel 7. See antenn on avatud konstruktsioon, mis on ühildub Schottky dioodidega. Tänu oma suhteliselt lihtsale ülesehitusele ja madalatele tootmisnõuetele saab seda üldiselt kasutada sagedusaladel üle 0,6 THz. Siiski on antenni külgharu tase ja ristpolarisatsioonitase kõrged, tõenäoliselt selle avatud struktuuri tõttu. Seetõttu on selle sidumise efektiivsus suhteliselt madal (umbes 50%).
Joonis 7 Rändlaine püramiidantenn
2. Dielektriline antenn
Dielektriline antenn on dielektrilise substraadi ja antenniradiaatori kombinatsioon. Õige disaini abil saab dielektriline antenn saavutada impedantsi sobitamise detektoriga ning selle eelised on lihtne protsess, lihtne integreerimine ja madal hind. Viimastel aastatel on teadlased välja töötanud mitu kitsa- ja lairiba külgtuleantenni, mis sobivad kokku terahertsi dielektriliste antennide madala takistusega detektoritega: liblikantenn, topelt-U-kujuline antenn, logaritmiline perioodiline antenn ja logaritmiline siinusantenn. näidatud joonisel 8. Lisaks saab geneetiliste algoritmide abil kujundada keerukamaid antennide geomeetriaid.
Joonis 8 Neli tüüpi tasapinnalisi antenne
Kuna aga dielektriline antenn on kombineeritud dielektrilise substraadiga, tekib pinnalaine efekt, kui sagedus kaldub THz-ribale. See saatuslik puudus põhjustab antenni töö ajal suure energiakaotuse ja antenni kiirgusefektiivsuse olulise vähenemise. Nagu on näidatud joonisel 9, kui antenni kiirgusnurk on suurem kui piirnurk, on selle energia piiratud dielektrilise substraadiga ja ühendatud substraadi režiimiga.
Joonis 9 Antenni pinnalaineefekt
Substraadi paksuse kasvades suureneb kõrgetasemeliste režiimide arv ning antenni ja substraadi vaheline side suureneb, mille tulemuseks on energiakadu. Pinnalaineefekti nõrgendamiseks on kolm optimeerimisskeemi:
1) Laadige antennile lääts, et suurendada võimendust, kasutades elektromagnetlainete kiirt kujundavaid omadusi.
2) Vähendage substraadi paksust, et pärssida elektromagnetlainete kõrgetasemeliste režiimide teket.
3) Asendage substraadi dielektriline materjal elektromagnetilise ribavahega (EBG). EBG ruumilise filtreerimise omadused võivad kõrgetasemelisi režiime maha suruda.
3. Uuest materjalist antennid
Lisaks ülaltoodud kahele antennile on olemas ka uutest materjalidest valmistatud terahertsantenn. Näiteks 2006. aastal Jin Hao jt. pakkus välja süsiniknanotoru dipoolantenni. Nagu on näidatud joonisel 10 (a), on dipool valmistatud süsinik-nanotorudest, mitte metallmaterjalidest. Ta uuris hoolikalt süsinik-nanotoru dipoolantenni infrapuna- ja optilisi omadusi ning arutas lõpliku pikkusega süsinik-nanotoru dipoolantenni üldisi omadusi, nagu sisendtakistus, voolujaotus, võimendus, efektiivsus ja kiirgusmuster. Joonis 10 (b) näitab süsinik-nanotoru dipoolantenni sisendtakistuse ja sageduse vahelist seost. Nagu on näha jooniselt 10(b), on sisendtakistuse kujuteldaval osal kõrgematel sagedustel mitu nulli. See näitab, et antenn suudab erinevatel sagedustel saavutada mitu resonantsi. Ilmselgelt avaldab süsinik-nanotoru antenn resonantsi teatud sagedusvahemikus (madalamad THz sagedused), kuid ei suuda sellest vahemikust väljapoole resoneerida.
Joonis 10 (a) Süsinik-nanotoru dipoolantenn. (b) Sisendtakistuse-sageduse kõver
2012. aastal pakkusid Samir F. Mahmoud ja Ayed R. AlAjmi välja uue süsiniknanotorudel põhineva terahertsantenni struktuuri, mis koosneb süsiniknanotorude kimbust, mis on mässitud kahte dielektrilist kihti. Sisemine dielektriline kiht on dielektriline vahukiht ja välimine dielektriline kiht on metamaterjali kiht. Konkreetne struktuur on näidatud joonisel 11. Testimise kaudu on antenni kiirgusvõime paranenud võrreldes ühe seinaga süsinik-nanotorudega.
Joonis 11 Uus süsiniknanotorudel põhinev terahertsantenn
Eespool välja pakutud uuest materjalist terahertsantennid on peamiselt kolmemõõtmelised. Antenni ribalaiuse parandamiseks ja konformaalsete antennide valmistamiseks on laialdast tähelepanu pälvinud tasapinnalised grafeenantennid. Grafeenil on suurepärased dünaamilised pidevad juhtimisomadused ja see võib tekitada pinnaplasmat, reguleerides eelpinge pinget. Pinnaplasma eksisteerib positiivse dielektrilise konstandiga substraatide (nagu Si, SiO2 jne) ja negatiivse dielektrilise konstandiga substraatide (nagu väärismetallid, grafeen jne) vahelisel liidesel. Juhtides, nagu väärismetallid ja grafeen, on suur hulk "vabu elektrone". Neid vabu elektrone nimetatakse ka plasmadeks. Tänu juhile omasele potentsiaalväljale on need plasmad stabiilses olekus ja välismaailm neid ei häiri. Kui langev elektromagnetlaine energia on nende plasmadega ühendatud, kalduvad plasmad tasakaaluolekust kõrvale ja vibreerivad. Pärast teisendamist moodustab elektromagnetiline režiim liideses ristsuunalise magnetlaine. Metallpinna plasma dispersioonisuhte kirjelduse kohaselt Drude'i mudeliga ei saa metallid vabas ruumis loomulikult siduda elektromagnetlainetega ja muundada energiat. Pinnaplasmalainete ergastamiseks on vaja kasutada muid materjale. Pinna plasmalained vaibuvad kiiresti metall-substraadi liidese paralleelsuunas. Kui metalljuht juhib pinnaga risti, tekib nahaefekt. Ilmselgelt on antenni väiksuse tõttu kõrgsagedusribas nahaefekt, mis põhjustab antenni jõudluse järsu languse ega suuda vastata terahertsantennide nõuetele. Grafeeni pinnaplasmonil pole mitte ainult suurem sidumisjõud ja väiksem kadu, vaid see toetab ka pidevat elektrilist häälestamist. Lisaks on grafeenil keeruline juhtivus terahertsiribas. Seetõttu on aeglase laine levik seotud plasmarežiimiga terahertsi sagedustel. Need omadused näitavad täielikult grafeeni teostatavust metallmaterjalide asendamiseks terahertsiribas.
Grafeeni pinnaplasmonite polarisatsioonikäitumise põhjal on joonisel 12 kujutatud uut tüüpi ribaantenni ja pakutakse välja grafeeni plasmalainete levimisomaduste ribakuju. Häälestatava antenniriba disain pakub uut võimalust uute materjalide terahertsantennide levimisomaduste uurimiseks.
Joonis 12 Uus ribaantenn
Lisaks uute materjalide terahertsi antennielementide uurimisele saab grafeeni nanopatch terahertsantenne kujundada ka massiividena terahertsi mitme sisendiga mitme väljundiga antennisidesüsteemide loomiseks. Antenni struktuur on näidatud joonisel 13. Grafeen-nanoplaastri antennide ainulaadsete omaduste põhjal on antenni elemendid mikronimõõtkavas. Keemiline aurustamine-sadestamine sünteesib õhukesele niklikihile otse erinevad grafeenikujutised ja kannab need üle mis tahes substraadile. Valides sobiva arvu komponente ja muutes elektrostaatilist eelpinget, saab kiirgussuunda tõhusalt muuta, muutes süsteemi ümberkonfigureeritavaks.
Joonis 13 Grafeen nanoplaastri terahertsi antenni massiiv
Uute materjalide uurimine on suhteliselt uus suund. Eeldatakse, et materjalide uuendused murravad läbi traditsiooniliste antennide piirangud ja arendavad välja mitmesuguseid uusi antenne, nagu ümberkonfigureeritavad metamaterjalid, kahemõõtmelised (2D) materjalid jne. Seda tüüpi antennid sõltuvad aga peamiselt uute antennide innovatsioonist. materjalid ja protsessitehnoloogia areng. Igal juhul nõuab terahertsantennide väljatöötamine uuenduslikke materjale, täpset töötlemistehnoloogiat ja uudseid disainistruktuure, et vastata terahertsantennide kõrge võimenduse, madalate kulude ja laia ribalaiuse nõuetele.
Järgnevalt tutvustatakse kolme tüüpi terahertsantennide põhiprintsiipe: metallantennid, dielektrilised antennid ja uuest materjalist antennid ning analüüsitakse nende erinevusi ning eeliseid ja puudusi.
1. Metallantenn: geomeetria on lihtne, kergesti töödeldav, suhteliselt odav ja madalad nõuded substraadi materjalidele. Metallantennide puhul kasutatakse aga antenni asendi reguleerimiseks mehaanilist meetodit, mis on vigadele kalduv. Kui reguleerimine pole õige, väheneb antenni jõudlus oluliselt. Kuigi metallantenn on väikese suurusega, on seda tasapinnalise vooluringiga keeruline kokku panna.
2. Dielektriline antenn: dielektrilisel antennil on madal sisendtakistus, seda on lihtne sobitada madala takistusega detektoriga ja seda on suhteliselt lihtne ühendada tasapinnalise vooluringiga. Dielektriliste antennide geomeetrilised kujundid hõlmavad liblika kuju, topelt U-kuju, tavalist logaritmilist kuju ja logaritmilist perioodilist siinuse kuju. Dielektrilistel antennidel on aga ka saatuslik viga, nimelt paksust substraadist põhjustatud pinnalaineefekt. Lahenduseks on objektiivi laadimine ja dielektrilise substraadi asendamine EBG struktuuriga. Mõlemad lahendused nõuavad innovatsiooni ning protsessitehnoloogia ja materjalide pidevat täiustamist, kuid nende suurepärane jõudlus (näiteks kõiksuunalisus ja pinnalaine summutus) võib anda uusi ideid terahertsantennide uurimisel.
3. Uued materjalist antennid: Praeguseks on ilmunud uued süsinik-nanotorudest dipoolantennid ja uued metamaterjalidest antennistruktuurid. Uued materjalid võivad tuua jõudluses uusi läbimurdeid, kuid eelduseks on materjaliteaduse innovatsioon. Praegu on uute materjalide antennide uurimine alles uurimisjärgus ja paljud võtmetehnoloogiad pole veel piisavalt küpsed.
Kokkuvõttes saab vastavalt konstruktsiooninõuetele valida erinevat tüüpi terahertsantenne:
1) Kui on vaja lihtsat disaini ja madalaid tootmiskulusid, saab valida metallantennid.
2) Kui on vaja suurt integratsiooni ja madalat sisendtakistust, saab valida dielektrilised antennid.
3) Kui jõudluses on vaja läbimurret, saab valida uued materjalist antennid.
Ülaltoodud kujundusi saab kohandada ka vastavalt konkreetsetele nõuetele. Näiteks saab kahte tüüpi antenne kombineerida, et saada rohkem eeliseid, kuid monteerimismeetod ja projekteerimistehnoloogia peavad vastama rangematele nõuetele.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage:
Postitusaeg: august 02-2024
