Med den stigende popularitet af trådløse enheder er datatjenester gået ind i en ny periode med hurtig udvikling, også kendt som den eksplosive vækst af datatjenester. På nuværende tidspunkt migrerer et stort antal applikationer gradvist fra computere til trådløse enheder såsom mobiltelefoner, der er nemme at bære og betjene i realtid, men denne situation har også ført til en hurtig stigning i datatrafik og mangel på båndbredde ressourcer . Ifølge statistikker kan datahastigheden på markedet nå op på Gbps eller endda Tbps i løbet af de næste 10 til 15 år. På nuværende tidspunkt har THz-kommunikation nået en Gbps-datahastighed, mens Tbps-datahastigheden stadig er i de tidlige udviklingsstadier. Et relateret papir viser de seneste fremskridt i Gbps-datahastigheder baseret på THz-båndet og forudsiger, at Tbps kan opnås gennem polarisationsmultipleksing. For at øge datatransmissionshastigheden er en mulig løsning derfor at udvikle et nyt frekvensbånd, som er terahertz-båndet, som er i det "blanke område" mellem mikrobølger og infrarødt lys. På ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) i 2019 er frekvensområdet 275-450GHz blevet brugt til fastnet- og landmobiltjenester. Det kan ses, at terahertz trådløse kommunikationssystemer har tiltrukket sig opmærksomhed fra mange forskere.
Terahertz elektromagnetiske bølger er generelt defineret som frekvensbåndet på 0,1-10THz (1THz=1012Hz) med en bølgelængde på 0,03-3 mm. Ifølge IEEE-standarden er terahertz-bølger defineret som 0,3-10THz. Figur 1 viser, at terahertz-frekvensbåndet er mellem mikrobølger og infrarødt lys.
Fig. 1 Skematisk diagram af THz frekvensbånd.
Udvikling af Terahertz-antenner
Selvom terahertz-forskning begyndte i det 19. århundrede, blev det ikke undersøgt som et selvstændigt felt på det tidspunkt. Forskningen i terahertz-stråling var hovedsageligt fokuseret på det fjern-infrarøde bånd. Det var først i midten til slutningen af det 20. århundrede, at forskere begyndte at fremme millimeterbølgeforskning til terahertz-båndet og udføre specialiseret terahertz-teknologiforskning.
I 1980'erne gjorde fremkomsten af terahertz-strålingskilder anvendelsen af terahertz-bølger i praktiske systemer mulig. Siden det 21. århundrede har trådløs kommunikationsteknologi udviklet sig hurtigt, og folks efterspørgsel efter information og stigningen i kommunikationsudstyr har stillet strengere krav til transmissionshastigheden af kommunikationsdata. Derfor er en af udfordringerne ved fremtidens kommunikationsteknologi at operere med en høj datahastighed på gigabit per sekund på ét sted. Under den nuværende økonomiske udvikling er frekvensressourcer blevet stadig mere knappe. Men menneskelige krav til kommunikationskapacitet og hastighed er uendelige. Til problemet med spektrumkongestion bruger mange virksomheder multiple-input multiple-output (MIMO) teknologi til at forbedre spektrumeffektiviteten og systemkapaciteten gennem rumlig multipleksing. Med udviklingen af 5G-netværk vil dataforbindelseshastigheden for hver bruger overstige Gbps, og datatrafikken på basestationer vil også stige betydeligt. For traditionelle millimeterbølgekommunikationssystemer vil mikrobølgeforbindelser ikke være i stand til at håndtere disse enorme datastrømme. Derudover er transmissionsafstanden for infrarød kommunikation på grund af påvirkningen af synslinjen kort, og placeringen af dets kommunikationsudstyr er fast. Derfor kan THz-bølger, som er mellem mikrobølger og infrarøde, bruges til at bygge højhastighedskommunikationssystemer og øge datatransmissionshastighederne ved at bruge THz-links.
Terahertz-bølger kan give en bredere kommunikationsbåndbredde, og dens frekvensområde er omkring 1000 gange større end mobilkommunikation. Derfor er brugen af THz til at bygge ultra-højhastigheds trådløse kommunikationssystemer en lovende løsning på udfordringen med høje datahastigheder, som har tiltrukket sig interesse fra mange forskerhold og industrier. I september 2017 blev den første trådløse THz-kommunikationsstandard IEEE 802.15.3d-2017 frigivet, som definerer punkt-til-punkt dataudveksling i det nedre THz-frekvensområde på 252-325 GHz. Linkets alternative fysiske lag (PHY) kan opnå datahastigheder på op til 100 Gbps ved forskellige båndbredder.
Det første succesrige THz-kommunikationssystem på 0,12 THz blev etableret i 2004, og THz-kommunikationssystemet på 0,3 THz blev realiseret i 2013. Tabel 1 viser forskningsfremskridtene for terahertz-kommunikationssystemer i Japan fra 2004 til 2013.
Tabel 1 Forskningsfremskridt for terahertz-kommunikationssystemer i Japan fra 2004 til 2013
Antennestrukturen af et kommunikationssystem udviklet i 2004 blev beskrevet detaljeret af Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) i 2005. Antennekonfigurationen blev introduceret i to tilfælde, som vist i figur 2.
Figur 2 Skematisk diagram af Japans NTT 120 GHz trådløse kommunikationssystem
Systemet integrerer fotoelektrisk konvertering og antenne og vedtager to arbejdstilstande:
1. I et nærliggende indendørsmiljø består den plane antennesender, der anvendes indendørs, af en single-line carrier photodiode (UTC-PD)-chip, en planar slot-antenne og en siliciumlinse, som vist i figur 2(a).
2. I et langtrækkende udendørs miljø skal senderantennen have høj forstærkning for at forbedre indflydelsen af stort transmissionstab og lav følsomhed af detektoren. Den eksisterende terahertz-antenne bruger en Gaussisk optisk linse med en forstærkning på mere end 50 dBi. Kombinationen af fødehorn og dielektrisk linse er vist i figur 2(b).
Udover at udvikle et 0,12 THz kommunikationssystem, udviklede NTT også et 0,3 THz kommunikationssystem i 2012. Gennem kontinuerlig optimering kan transmissionshastigheden være helt op til 100 Gbps. Som det fremgår af tabel 1, har den ydet et stort bidrag til udviklingen af terahertz-kommunikation. Det nuværende forskningsarbejde har dog ulemperne ved lav driftsfrekvens, stor størrelse og høje omkostninger.
De fleste af de terahertz-antenner, der bruges i øjeblikket, er modificeret fra millimeterbølgeantenner, og der er lidt innovation i terahertz-antenner. Derfor, for at forbedre ydeevnen af terahertz kommunikationssystemer, er en vigtig opgave at optimere terahertz antenner. Tabel 2 viser forskningsfremskridtene for tysk THz-kommunikation. Figur 3 (a) viser et repræsentativt THz trådløst kommunikationssystem, der kombinerer fotonik og elektronik. Figur 3 (b) viser vindtunneltestscenen. At dømme ud fra den nuværende forskningssituation i Tyskland har dens forskning og udvikling også ulemper såsom lav driftsfrekvens, høje omkostninger og lav effektivitet.
Tabel 2 Forskningsfremskridt for THz-kommunikation i Tyskland
Figur 3 Vindtunneltestscene
CSIRO ICT Center har også igangsat forskning i THz indendørs trådløse kommunikationssystemer. Centret undersøgte forholdet mellem årstal og kommunikationsfrekvensen, som vist i figur 4. Som det kan ses af figur 4, tenderer forskning i trådløs kommunikation i 2020 til THz-båndet. Den maksimale kommunikationsfrekvens ved brug af radiospektret stiger omkring ti gange hvert tyvende år. Centret har lavet anbefalinger om kravene til THz-antenner og foreslået traditionelle antenner som horn og linser til THz-kommunikationssystemer. Som vist i figur 5 arbejder to hornantenner ved henholdsvis 0,84THz og 1,7THz med en enkel struktur og god Gauss-stråleydelse.
Figur 4 Sammenhæng mellem år og frekvens
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figur 5 To typer hornantenner
USA har udført omfattende forskning i emission og detektion af terahertz-bølger. Berømte terahertz forskningslaboratorier omfatter 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 til terahertz-applikationer er blevet designet, såsom bowtie-antenner og frekvensstrålestyringsantenner. I henhold til udviklingen af terahertz-antenner kan vi få tre grundlæggende designideer til terahertz-antenner på nuværende tidspunkt, som vist i figur 6.
Figur 6 Tre grundlæggende designideer til terahertz-antenner
Ovenstående analyse viser, at selvom mange lande har været meget opmærksomme på terahertz-antenner, er de stadig i den indledende udforsknings- og udviklingsfase. På grund af højt udbredelsestab og molekylær absorption er THz-antenner normalt begrænset af transmissionsafstand og dækning. Nogle undersøgelser fokuserer på lavere driftsfrekvenser i THz-båndet. Eksisterende terahertz-antenneforskning fokuserer hovedsageligt på at forbedre forstærkningen ved at bruge dielektriske linseantenner osv. og forbedre kommunikationseffektiviteten ved at bruge passende algoritmer. Derudover er det også et meget presserende spørgsmål, hvordan man kan forbedre effektiviteten af terahertz-antenneemballage.
Generelle THz-antenner
Der er mange typer THz-antenner tilgængelige: dipolantenner med koniske hulrum, hjørnereflektor-arrays, bowtie-dipoler, dielektriske linseplanantenner, fotoledende antenner til generering af THz-kildestrålingskilder, hornantenner, THz-antenner baseret på grafenmaterialer osv. materialerne, der bruges til at lave THz-antenner, kan de være groft opdelt i metalantenner (hovedsagelig hornantenner), dielektriske antenner (linseantenner) og nye materialeantenner. Dette afsnit giver først en foreløbig analyse af disse antenner, og derefter i næste afsnit introduceres fem typiske THz-antenner i detaljer og analyseres i dybden.
1. Metalantenner
Hornantennen er en typisk metalantenne, der er designet til at fungere i THz-båndet. Antennen på en klassisk millimeterbølgemodtager er et konisk horn. Korrugerede og dual-mode antenner har mange fordele, herunder rotationssymmetriske strålingsmønstre, høj forstærkning på 20 til 30 dBi og lavt krydspolariseringsniveau på -30 dB og koblingseffektivitet på 97 % til 98 %. De tilgængelige båndbredder for de to hornantenner er henholdsvis 30%-40% og 6%-8%.
Da frekvensen af terahertz-bølger er meget høj, er størrelsen af hornantennen meget lille, hvilket gør behandlingen af hornet meget vanskelig, især i design af antennearrays, og kompleksiteten af behandlingsteknologien fører til for store omkostninger og begrænset produktion. På grund af vanskeligheden ved at fremstille bunden af det komplekse horndesign, bruges der normalt en simpel hornantenne i form af et konisk eller konisk horn, hvilket kan reducere omkostningerne og proceskompleksiteten, og antennens strålingsydelse kan opretholdes godt.
En anden metalantenne er en rejsebølgepyramideantenne, som består af en vandrende bølgeantenne integreret på en 1,2 mikron dielektrisk film og ophængt i et langsgående hulrum ætset på en siliciumwafer, som vist i figur 7. Denne antenne er en åben struktur, der er kompatibel med Schottky dioder. På grund af dens relativt enkle struktur og lave produktionskrav kan den generelt bruges i frekvensbånd over 0,6 THz. Imidlertid er sidesløjfeniveauet og krydspolarisationsniveauet for antennen høje, sandsynligvis på grund af dens åbne struktur. Derfor er dens koblingseffektivitet relativt lav (ca. 50%).
Figur 7 Vandrende bølgepyramideformet antenne
2. Dielektrisk antenne
Den dielektriske antenne er en kombination af et dielektrisk substrat og en antenneradiator. Gennem korrekt design kan den dielektriske antenne opnå impedanstilpasning med detektoren og har fordelene ved enkel proces, nem integration og lave omkostninger. I de senere år har forskere designet adskillige smalbånds- og bredbånds-side-fire-antenner, der kan matche lavimpedansdetektorerne fra terahertz dielektriske antenner: sommerfugleantenne, dobbelt U-formet antenne, log-periodisk antenne og log-periodisk sinusformet antenne, som f. vist i figur 8. Derudover kan mere komplekse antennegeometrier designes gennem genetiske algoritmer.
Figur 8 Fire typer plane antenner
Men da den dielektriske antenne er kombineret med et dielektrisk substrat, vil der opstå en overfladebølgeeffekt, når frekvensen tenderer mod THz-båndet. Denne fatale ulempe vil medføre, at antennen mister meget energi under drift og fører til en væsentlig reduktion af antennens strålingseffektivitet. Som vist i figur 9, når antennestrålingsvinklen er større end afskæringsvinklen, er dens energi begrænset i det dielektriske substrat og koblet med substrattilstanden.
Figur 9 Antenneoverfladebølgeeffekt
Når tykkelsen af substratet øges, øges antallet af højordenstilstande, og koblingen mellem antennen og substratet øges, hvilket resulterer i energitab. For at svække overfladebølgeeffekten er der tre optimeringsskemaer:
1) Indlæs en linse på antennen for at øge forstærkningen ved at bruge de stråleformende karakteristika for elektromagnetiske bølger.
2) Reducer tykkelsen af substratet for at undertrykke genereringen af højordenstilstande af elektromagnetiske bølger.
3) Udskift substratets dielektriske materiale med et elektromagnetisk båndgab (EBG). EBG's rumlige filtreringsegenskaber kan undertrykke højordenstilstande.
3. Nye materialeantenner
Udover de to ovenstående antenner er der også en terahertz-antenne lavet af nye materialer. For eksempel, i 2006, Jin Hao et al. foreslået en carbon nanorør dipol antenne. Som vist i figur 10 (a) er dipolen lavet af kulstof nanorør i stedet for metalmaterialer. Han studerede omhyggeligt de infrarøde og optiske egenskaber af kulstofnanorørs dipolantennen og diskuterede de generelle karakteristika af kulstofnanorørsdipolantennen med finit længde, såsom inputimpedans, strømfordeling, forstærkning, effektivitet og strålingsmønster. Figur 10 (b) viser forholdet mellem indgangsimpedansen og frekvensen af carbonnanorør-dipolantennen. Som det kan ses i figur 10(b), har den imaginære del af indgangsimpedansen flere nuller ved højere frekvenser. Dette indikerer, at antennen kan opnå flere resonanser ved forskellige frekvenser. Det er klart, at kulstofnanorørsantennen udviser resonans inden for et bestemt frekvensområde (lavere THz-frekvenser), men er fuldstændig ude af stand til at resonere uden for dette område.
Figur 10 (a) Carbon nanorør dipolantenne. (b) Indgangsimpedans-frekvenskurve
I 2012 foreslog Samir F. Mahmoud og Ayed R. AlAjmi en ny terahertz-antennestruktur baseret på kulstofnanorør, som består af et bundt kulstofnanorør pakket ind i to dielektriske lag. Det indre dielektriske lag er et dielektrisk skumlag, og det ydre dielektriske lag er et metamaterialelag. Den specifikke struktur er vist i figur 11. Gennem test er antennens strålingsydelse blevet forbedret sammenlignet med enkeltvæggede kulstofnanorør.
Figur 11 Ny terahertz-antenne baseret på kulstofnanorør
De nye materiale terahertz-antenner foreslået ovenfor er hovedsageligt tredimensionelle. For at forbedre antennens båndbredde og lave konforme antenner har plane grafenantenner fået stor opmærksomhed. Grafen har fremragende dynamiske kontinuerlige kontrolkarakteristika og kan generere overfladeplasma ved at justere forspændingen. Overfladeplasma eksisterer på grænsefladen mellem positive dielektriske konstantsubstrater (såsom Si, SiO2 osv.) og negative dielektriske konstantsubstrater (såsom ædelmetaller, grafen osv.). Der er et stort antal "frie elektroner" i ledere som ædelmetaller og grafen. Disse frie elektroner kaldes også plasmaer. På grund af det iboende potentialefelt i lederen er disse plasmaer i en stabil tilstand og forstyrres ikke af omverdenen. Når den indfaldende elektromagnetiske bølgeenergi kobles til disse plasmaer, vil plasmaerne afvige fra den stabile tilstand og vibrere. Efter konverteringen danner den elektromagnetiske tilstand en tværgående magnetisk bølge ved grænsefladen. Ifølge beskrivelsen af spredningsforholdet af metaloverfladeplasma ved Drude-modellen kan metaller ikke naturligt koble sig med elektromagnetiske bølger i frit rum og omdanne energi. Det er nødvendigt at bruge andre materialer til at excitere overfladeplasmabølger. Overfladeplasmabølger henfalder hurtigt i den parallelle retning af metal-substrat-grænsefladen. Når metallederen leder i retningen vinkelret på overfladen, opstår der en hudeffekt. På grund af antennens lille størrelse er der naturligvis en skin-effekt i højfrekvensbåndet, som får antennens ydeevne til at falde kraftigt og ikke kan opfylde kravene til terahertz-antenner. Overfladeplasmon af grafen har ikke kun højere bindingskraft og lavere tab, men understøtter også kontinuerlig elektrisk tuning. Derudover har grafen kompleks ledningsevne i terahertz-båndet. Derfor er langsom bølgeudbredelse relateret til plasmatilstanden ved terahertz-frekvenser. Disse egenskaber demonstrerer fuldt ud gennemførligheden af grafen til at erstatte metalmaterialer i terahertz-båndet.
Baseret på polarisationsadfærden af grafenoverfladeplasmoner viser figur 12 en ny type strimmelantenne og foreslår båndformen af udbredelsesegenskaberne for plasmabølger i grafen. Designet af det afstembare antennebånd giver en ny måde at studere udbredelsesegenskaberne for nye materiale terahertz-antenner.
Figur 12 Ny strimmelantenne
Ud over at udforske enhedsnye materiale terahertz-antenneelementer, kan graphene nanopatch terahertz-antenner også designes som arrays til at bygge terahertz multi-input multi-output antennekommunikationssystemer. Antennestrukturen er vist i figur 13. Baseret på de unikke egenskaber ved graphene nanopatch-antenner, har antenneelementerne mikronskala-dimensioner. Kemisk dampaflejring syntetiserer direkte forskellige grafenbilleder på et tyndt nikkellag og overfører dem til ethvert substrat. Ved at vælge et passende antal komponenter og ændre den elektrostatiske forspænding kan strålingsretningen effektivt ændres, hvilket gør systemet rekonfigurerbart.
Figur 13 Graphene nanopatch terahertz antenne array
Forskningen i nye materialer er en relativt ny retning. Innovationen af materialer forventes at bryde igennem begrænsningerne for traditionelle antenner og udvikle en række nye antenner, såsom rekonfigurerbare metamaterialer, todimensionelle (2D) materialer osv. Denne type antenne afhænger dog hovedsageligt af innovationen af nye materialer og fremskridt inden for procesteknologi. Under alle omstændigheder kræver udviklingen af terahertz-antenner innovative materialer, præcis behandlingsteknologi og nye designstrukturer for at opfylde kravene til høj forstærkning, lave omkostninger og bred båndbredde for terahertz-antenner.
Det følgende introducerer de grundlæggende principper for tre typer terahertz-antenner: metalantenner, dielektriske antenner og nye materialeantenner og analyserer deres forskelle og fordele og ulemper.
1. Metalantenne: Geometrien er enkel, nem at behandle, relativt lav pris og lave krav til underlagsmaterialer. Metalantenner bruger dog en mekanisk metode til at justere antennens position, som er udsat for fejl. Hvis justeringen ikke er korrekt, vil antennens ydeevne blive stærkt reduceret. Selvom metalantennen er lille i størrelse, er den vanskelig at samle med et plant kredsløb.
2. Dielektrisk antenne: Den dielektriske antenne har en lav indgangsimpedans, er let at matche med en lavimpedansdetektor og er forholdsvis enkel at forbinde med et plant kredsløb. De geometriske former for dielektriske antenner inkluderer sommerfugleform, dobbelt U-form, konventionel logaritmisk form og logaritmisk periodisk sinusform. Dielektriske antenner har dog også en fatal fejl, nemlig overfladebølgeeffekten forårsaget af det tykke substrat. Løsningen er at indlæse en linse og erstatte det dielektriske substrat med en EBG-struktur. Begge løsninger kræver innovation og kontinuerlig forbedring af procesteknologi og materialer, men deres fremragende ydeevne (såsom omnidirektionalitet og overfladebølgeundertrykkelse) kan give nye ideer til forskningen i terahertz-antenner.
3. Nye materialeantenner: På nuværende tidspunkt er der dukket nye dipolantenner lavet af kulstof nanorør og nye antennestrukturer lavet af metamaterialer op. Nye materialer kan bringe nye præstationsgennembrud, men præmissen er innovation af materialevidenskab. På nuværende tidspunkt er forskningen i nye materialeantenner stadig på udforskningsstadiet, og mange nøgleteknologier er ikke modne nok.
Sammenfattende kan forskellige typer terahertz-antenner vælges i henhold til designkrav:
1) Hvis enkelt design og lave produktionsomkostninger er påkrævet, kan metalantenner vælges.
2) Hvis høj integration og lav indgangsimpedans er påkrævet, kan dielektriske antenner vælges.
3) Hvis et gennembrud i ydeevne er påkrævet, kan der vælges nye materialeantenner.
Ovenstående designs kan også justeres efter specifikke krav. For eksempel kan to typer antenner kombineres for at opnå flere fordele, men monteringsmetoden og designteknologien skal opfylde strengere krav.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Indlægstid: Aug-02-2024
