Med den stigende popularitet af trådløse enheder er datatjenester gået ind i en ny periode med hurtig udvikling, også kendt som den eksplosive vækst inden for datatjenester. I øjeblikket 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 båndbredderessourcer. Ifølge statistikker kan datahastigheden på markedet nå Gbps eller endda Tbps i løbet af de næste 10 til 15 år. I øjeblikket har THz-kommunikation nået en datahastighed på Gbps, mens datahastigheden på Tbps stadig er i de tidlige udviklingsstadier. En relateret artikel oplister de seneste fremskridt inden for 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, terahertz-båndet, som er i det "blanke område" mellem mikrobølger og infrarødt lys. På ITU's verdensradiokommunikationskonference (WRC-19) i 2019 blev frekvensområdet 275-450 GHz anvendt til fastnet- og landmobiltjenester. Det kan ses, at trådløse terahertz-kommunikationssystemer har tiltrukket sig mange forskeres opmærksomhed.
Terahertz-elektromagnetiske bølger defineres generelt som frekvensbåndet 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) med en bølgelængde på 0,03-3 mm. Ifølge IEEE-standarden defineres terahertz-bølger som 0,3-10 THz. Figur 1 viser, at terahertz-frekvensbåndet ligger mellem mikrobølger og infrarødt lys.
Fig. 1 Skematisk diagram over THz-frekvensbåndet.
Udvikling af terahertz-antenner
Selvom terahertz-forskning begyndte i det 19. århundrede, blev den ikke studeret som et selvstændigt felt på det tidspunkt. Forskningen i terahertz-stråling var primært fokuseret på det fjerninfrarøde bånd. Det var først i midten til slutningen af det 20. århundrede, at forskere begyndte at udvikle millimeterbølgeforskning til terahertz-båndet og udføre specialiseret terahertz-teknologiforskning.
I 1980'erne muliggjorde fremkomsten af terahertz-strålingskilder anvendelsen af terahertz-bølger i praktiske systemer. Siden det 21. århundrede har den trådløse kommunikationsteknologi udviklet sig hurtigt, og folks efterspørgsel efter information og stigningen i kommunikationsudstyr har stillet strengere krav til transmissionshastigheden for kommunikationsdata. Derfor er en af udfordringerne for fremtidens kommunikationsteknologi at operere med en høj datahastighed på gigabit pr. sekund på ét sted. Under den nuværende økonomiske udvikling er spektrumressourcerne blevet stadig mere knappe. Imidlertid er de menneskelige krav til kommunikationskapacitet og -hastighed uendelige. For at imødegå problemet med spektrumbelastning bruger mange virksomheder multiple-input multiple-output (MIMO) teknologi til at forbedre spektrumeffektiviteten og systemkapaciteten gennem rumlig multiplexing. Med udviklingen af 5G-netværk vil dataforbindelseshastigheden for hver bruger overstige Gbps, og datatrafikken fra 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 kort på grund af synslinjens indflydelse, og placeringen af kommunikationsudstyret er fast. Derfor kan THz-bølger, som ligger mellem mikrobølger og infrarød, bruges til at bygge højhastighedskommunikationssystemer og øge datatransmissionshastighederne ved hjælp af THz-links.
Terahertz-bølger kan give en bredere kommunikationsbåndbredde, og deres frekvensområde er omkring 1000 gange højere end mobilkommunikation. Derfor er brugen af THz til at bygge ultrahurtige trådløse kommunikationssystemer en lovende løsning på udfordringen med høje datahastigheder, hvilket har vakt interesse hos mange forskerhold og industrier. I september 2017 blev den første THz trådløse kommunikationsstandard IEEE 802.15.3d-2017 udgivet, som definerer punkt-til-punkt dataudveksling i det lavere THz-frekvensområde på 252-325 GHz. Det alternative fysiske lag (PHY) i forbindelsen kan opnå datahastigheder på op til 100 Gbps ved forskellige båndbredder.
Det første succesfulde 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 inden for terahertz-kommunikationssystemer i Japan fra 2004 til 2013.
Tabel 1 Forskningsfremskridt inden for terahertz-kommunikationssystemer i Japan fra 2004 til 2013
Antennestrukturen i et kommunikationssystem udviklet i 2004 blev beskrevet i detaljer af Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) i 2005. Antennekonfigurationen blev introduceret i to tilfælde, som vist i figur 2.
Figur 2 Skematisk diagram over Japans trådløse NTT 120 GHz kommunikationssystem
Systemet integrerer fotoelektrisk konvertering og antenne og anvender to arbejdstilstande:
1. I et indendørs miljø med kort afstand består den plane antennesender, der anvendes indendørs, af en single-line carrier fotodiode (UTC-PD) chip, en plan slot antenne og en siliciumlinse, som vist i figur 2(a).
2. I et udendørs miljø med lang rækkevidde skal senderantennen have en høj forstærkning for at forbedre indflydelsen af store transmissionstab og lav detektorfølsomhed. 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 løbende optimering kan transmissionshastigheden være så høj som 100 Gbps. Som det fremgår af tabel 1, har det ydet et stort bidrag til udviklingen af terahertz-kommunikation. Den nuværende forskning har dog ulemperne ved lav driftsfrekvens, stor størrelse og høje omkostninger.
De fleste af de terahertz-antenner, der anvendes i øjeblikket, er modificeret fra millimeterbølgeantenner, og der er begrænset innovation inden for terahertz-antenner. For at forbedre ydeevnen af terahertz-kommunikationssystemer er det derfor en vigtig opgave at optimere terahertz-antenner. Tabel 2 viser forskningsfremskridtene inden for tysk THz-kommunikation. Figur 3 (a) viser et repræsentativt trådløst THz-kommunikationssystem, der kombinerer fotonik og elektronik. Figur 3 (b) viser testscenen i vindtunnelen. Ud fra den nuværende forskningssituation i Tyskland har forskning og udvikling også ulemper såsom lav driftsfrekvens, høje omkostninger og lav effektivitet.
Tabel 2 Forskningsfremskridt inden for THz-kommunikation i Tyskland
Figur 3 Testscene i vindtunnel
CSIRO ICT Center har også igangsat forskning i THz indendørs trådløse kommunikationssystemer. Centret undersøgte forholdet mellem året og kommunikationsfrekvensen, som vist i figur 4. Som det fremgår af figur 4, tenderer forskningen i trådløs kommunikation i 2020 mod THz-båndet. Den maksimale kommunikationsfrekvens ved brug af radiospektret stiger omkring ti gange hvert tyve år. Centret har fremsat anbefalinger om kravene til THz-antenner og foreslået traditionelle antenner såsom horn og linser til THz-kommunikationssystemer. Som vist i figur 5 arbejder to hornantenner ved henholdsvis 0,84 THz og 1,7 THz med en simpel struktur og god Gaussisk stråleydelse.
Figur 4 Forholdet mellem år og hyppighed
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 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 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 i øjeblikket, som vist i figur 6.
Figur 6 Tre grundlæggende designidéer til terahertz-antenner
Ovenstående analyse viser, at selvom mange lande har lagt stor vægt på terahertz-antenner, er det 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 forskning i terahertz-antenner fokuserer primært på at forbedre forstærkningen ved hjælp af dielektriske linseantenner osv. og forbedre kommunikationseffektiviteten ved hjælp af passende algoritmer. Derudover er det også et meget presserende spørgsmål, hvordan man kan forbedre effektiviteten af terahertz-antennepakning.
Generelle THz-antenner
Der findes mange typer THz-antenner: dipolantenner med koniske hulrum, hjørnereflektorarrays, bowtie-dipoler, dielektriske linseplanarantenner, fotoledende antenner til generering af THz-strålingskilder, hornantenner, THz-antenner baseret på grafenmaterialer osv. Afhængigt af de materialer, der anvendes til at fremstille THz-antenner, kan de groft opdeles i metalantenner (primært hornantenner), dielektriske antenner (linseantenner) og antenner af nye materialer. Dette afsnit giver først en indledende analyse af disse antenner, og i det 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 krydspolarisationsniveau på -30 dB samt koblingseffektivitet på 97% til 98%. De tilgængelige båndbredder for de to hornantenner er henholdsvis 30%-40% og 6%-8%.
Da frekvensen af terahertzbølger er meget høj, er hornantennens størrelse meget lille, hvilket gør hornbehandlingen meget vanskelig, især i design af antennearrayer, og kompleksiteten af behandlingsteknologien fører til for store omkostninger og begrænset produktion. På grund af vanskeligheden ved at fremstille bunden af det komplekse horndesign anvendes 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 vandrebølgepyramideantenne, som består af en vandrebølgeantenne 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 har en åben struktur, der er kompatibel med Schottky-dioder. På grund af dens relativt enkle struktur og lave fremstillingskrav kan den generelt bruges i frekvensbånd over 0,6 THz. Imidlertid er sidelobeniveauet og krydspolarisationsniveauet for antennen højt, sandsynligvis på grund af dens åbne struktur. Derfor er dens koblingseffektivitet relativt lav (ca. 50%).
Figur 7 Pyramideformet vandrebølgeantenne
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-sidefire-antenner, der kan matche lavimpedansdetektorerne i terahertz dielektriske antenner: sommerfugleantenne, dobbelt U-formet antenne, logaritmisk periodisk antenne og logaritmisk sinusformet antenne, som vist i figur 8. Derudover kan mere komplekse antennegeometrier designes gennem genetiske algoritmer.
Figur 8 Fire typer plane antenner
Da den dielektriske antenne imidlertid er kombineret med et dielektrisk substrat, vil der opstå en overfladebølgeeffekt, når frekvensen tenderer mod THz-båndet. Denne fatale ulempe vil få antennen til at miste en masse energi under drift og føre til en betydelig reduktion i antennens strålingseffektivitet. Som vist i figur 9, når antennens strålingsvinkel er større end afskæringsvinklen, er dens energi begrænset i det dielektriske substrat og koblet til substrattilstanden.
Figur 9 Antenneoverfladebølgeeffekt
Efterhånden som substratets tykkelse øges, øges antallet af højere ordens tilstande, og koblingen mellem antennen og substratet øges, hvilket resulterer i energitab. For at svække overfladebølgeeffekten er der tre optimeringsordninger:
1) Sæt en linse på antennen for at øge forstærkningen ved at bruge de elektromagnetiske bølgers stråleformningsegenskaber.
2) Reducer substratets tykkelse for at undertrykke genereringen af elektromagnetiske bølger af højere orden.
3) Udskift det dielektriske substratmateriale med et elektromagnetisk båndgab (EBG). EBG's rumlige filtreringsegenskaber kan undertrykke højereordens tilstande.
3. Nye materialeantenner
Ud over de to ovennævnte antenner findes der også en terahertz-antenne lavet af nye materialer. For eksempel foreslog Jin Hao et al. i 2006 en dipolantenne af kulstof-nanorør. Som vist i figur 10 (a) er dipolen lavet af kulstof-nanorør i stedet for metalmaterialer. Han studerede omhyggeligt de infrarøde og optiske egenskaber ved dipolantennen af kulstof-nanorør og diskuterede de generelle karakteristika for dipolantennen af kulstof-nanorør med endelig længde, såsom indgangsimpedans, strømfordeling, forstærkning, effektivitet og strålingsmønster. Figur 10 (b) viser forholdet mellem indgangsimpedansen og frekvensen af dipolantennen af kulstof-nanorør. 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. Kulstof-nanorørantennen udviser naturligvis 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) Dipolantenne af kulstofnanorør. (b) Indgangsimpedans-frekvenskurve
I 2012 foreslog Samir F. Mahmoud og Ayed R. AlAjmi en ny terahertz-antennestruktur baseret på kulstof-nanorør, som består af et bundt af kulstof-nanorør 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 testning er antennens strålingsevne blevet forbedret sammenlignet med enkeltvæggede kulstof-nanorør.
Figur 11 Ny terahertz-antenne baseret på kulstofnanorør
De nye terahertz-antenner af materiale, der er foreslået ovenfor, er primært tredimensionelle. For at forbedre antennens båndbredde og fremstille konforme antenner har plane grafenantenner fået udbredt opmærksomhed. Grafen har fremragende dynamiske kontinuerlige kontrolegenskaber og kan generere overfladeplasma ved at justere biasspændingen. Overfladeplasma findes på grænsefladen mellem substrater med positiv dielektricitetskonstant (såsom Si, SiO2 osv.) og substrater med negativ dielektricitetskonstant (såsom ædelmetaller, grafen osv.). Der er et stort antal "frie elektroner" i ledere såsom ædelmetaller og grafen. Disse frie elektroner kaldes også plasmaer. På grund af det iboende potentialfelt 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 dispersionsforholdet for metaloverfladeplasma af Drude-modellen kan metaller ikke naturligt koble sig til elektromagnetiske bølger i frit rum og omdanne energi. Det er nødvendigt at bruge andre materialer til at excitere overfladeplasmabølger. Overfladeplasmabølger henfalder hurtigt i parallel 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 hudeffekt i højfrekvensbåndet, hvilket får antennens ydeevne til at falde kraftigt og ikke kan opfylde kravene til terahertz-antenner. Grafens overfladeplasmon 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 grafens mulighed for at erstatte metalmaterialer i terahertz-båndet.
Baseret på polarisationsadfærden af grafenoverfladeplasmoner viser figur 12 en ny type strimmelantenne og foreslår båndformen for udbredelseskarakteristikaene for plasmabølger i grafen. Designet af det justerbare antennebånd giver en ny måde at studere udbredelseskarakteristikaene for terahertz-antenner af nye materialer.
Figur 12 Ny strimmelantenne
Ud over at udforske nye materialer til terahertz-antenneelementer, kan grafen-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 grafen-nanopatch-antenner har antenneelementerne dimensioner på mikronskala. 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 biasspænding kan strålingsretningen effektivt ændres, hvilket gør systemet omkonfigurerbart.
Figur 13 Grafen nanopatch terahertz antennesystem
Forskning i nye materialer er en relativt ny retning. Innovation af materialer forventes at bryde med begrænsningerne ved traditionelle antenner og udvikle en række nye antenner, såsom rekonfigurerbare metamaterialer, todimensionelle (2D) materialer osv. Denne type antenne afhænger dog primært af innovation af nye materialer og fremskridt inden for procesteknologi. Under alle omstændigheder kræver udviklingen af terahertz-antenner innovative materialer, præcis procesteknologi og nye designstrukturer for at opfylde terahertz-antennernes krav til høj forstærkning, lave omkostninger og bred båndbredde.
Det følgende introducerer de grundlæggende principper for tre typer terahertz-antenner: metalantenner, dielektriske antenner og antenner af nye materialer, og analyserer deres forskelle samt fordele og ulemper.
1. Metalantenne: Geometrien er enkel, nem at bearbejde, relativt billig og kræver lave substratmaterialer. Metalantenner bruger dog en mekanisk metode til at justere antennens position, hvilket er tilbøjeligt til fejl. Hvis justeringen ikke er korrekt, vil antennens ydeevne blive betydeligt 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 nem at matche med en lavimpedansdetektor og relativt enkel at forbinde med et plankredsløb. 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 mangel, nemlig overfladebølgeeffekten forårsaget af det tykke substrat. Løsningen er at indsætte en linse og erstatte det dielektriske substrat med en EBG-struktur. Begge løsninger kræver innovation og løbende forbedring af procesteknologi og materialer, men deres fremragende ydeevne (såsom omnidirektionalitet og overfladebølgeundertrykkelse) kan give nye ideer til forskning i terahertz-antenner.
3. Nye materialeantenner: I øjeblikket er der dukket nye dipolantenner lavet af kulstofnanorør og nye antennestrukturer lavet af metamaterialer op. Nye materialer kan bringe nye gennembrud inden for ydeevne, men præmissen er innovation inden for materialevidenskab. I øjeblikket er forskningen i nye materialeantenner stadig i den udforskende fase, og mange nøgleteknologier er ikke modne nok.
Kort sagt kan forskellige typer terahertz-antenner vælges i henhold til designkrav:
1) Hvis der kræves et simpelt design og lave produktionsomkostninger, kan metalantenner vælges.
2) Hvis der kræves høj integration og lav indgangsimpedans, kan dielektriske antenner vælges.
3) Hvis der kræves et gennembrud i ydeevne, kan der vælges nye materialeantenner.
Ovenstående design 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:
Opslagstidspunkt: 2. august 2024
