Med den ökande populariteten för trådlösa enheter har datatjänster gått in i en ny period av snabb utveckling, även känd som den explosiva tillväxten av datatjänster. För närvarande migrerar ett stort antal applikationer gradvis från datorer till trådlösa enheter som mobiltelefoner som är lätta att bära och använda i realtid, men denna situation har också lett till en snabb ökning av datatrafiken och en brist på bandbreddsresurser . Enligt statistiken kan datahastigheten på marknaden nå Gbps eller till och med Tbps under de kommande 10 till 15 åren. För närvarande har THz-kommunikation nått en Gbps-datahastighet, medan Tbps-datahastigheten fortfarande är i de tidiga utvecklingsstadierna. En relaterad artikel listar de senaste framstegen i Gbps-datahastigheter baserat på THz-bandet och förutspår att Tbps kan erhållas genom polarisationsmultiplexering. Därför, för att öka dataöverföringshastigheten, är en tänkbar lösning att utveckla ett nytt frekvensband, som är terahertzbandet, som ligger i det "blanka området" mellan mikrovågor och infrarött ljus. Vid ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) 2019 har frekvensområdet 275-450GHz använts för fasta och landmobila tjänster. Det kan ses att terahertz trådlösa kommunikationssystem har uppmärksammats av många forskare.
Terahertz elektromagnetiska vågor definieras generellt som frekvensbandet 0,1-10THz (1THz=1012Hz) med en våglängd på 0,03-3 mm. Enligt IEEE-standarden definieras terahertzvågor som 0,3-10THz. Figur 1 visar att terahertz-frekvensbandet ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus.
Fig. 1 Schematiskt diagram över THz-frekvensbandet.
Utveckling av Terahertz-antenner
Även om terahertz-forskningen började på 1800-talet, studerades den inte som ett självständigt område vid den tiden. Forskningen om terahertzstrålning var främst inriktad på det långt infraröda bandet. Det var inte förrän i mitten till slutet av 1900-talet som forskare började föra fram millimetervågforskningen till terahertzbandet och bedriva specialiserad forskning om terahertzteknologi.
På 1980-talet gjorde uppkomsten av terahertzstrålningskällor tillämpning av terahertzvågor i praktiska system. Sedan 2000-talet har trådlös kommunikationsteknik utvecklats snabbt, och människors efterfrågan på information och ökningen av kommunikationsutrustning har ställt strängare krav på överföringshastigheten för kommunikationsdata. Därför är en av utmaningarna med framtida kommunikationsteknik att arbeta med en hög datahastighet på gigabit per sekund på en plats. Under den nuvarande ekonomiska utvecklingen har spektrumresurserna blivit alltmer knappa. Men mänskliga krav på kommunikationskapacitet och hastighet är oändliga. För problemet med spektrumstockning använder många företag MIMO-teknik (multiple-input multiple-output) för att förbättra spektrumeffektiviteten och systemkapaciteten genom rumslig multiplexering. Med utvecklingen av 5G-nätverk kommer dataanslutningshastigheten för varje användare att överstiga Gbps, och datatrafiken för basstationer kommer också att öka avsevärt. För traditionella millimetervågkommunikationssystem kommer mikrovågslänkar inte att kunna hantera dessa enorma dataströmmar. Dessutom, på grund av påverkan av siktlinjen, är överföringsavståndet för infraröd kommunikation kort och platsen för dess kommunikationsutrustning är fast. Därför kan THz-vågor, som är mellan mikrovågor och infraröd, användas för att bygga höghastighetskommunikationssystem och öka dataöverföringshastigheterna genom att använda THz-länkar.
Terahertz-vågor kan ge en bredare kommunikationsbandbredd och dess frekvensområde är cirka 1000 gånger större än mobilkommunikation. Att använda THz för att bygga trådlösa kommunikationssystem med ultrahöga hastigheter är därför en lovande lösning på utmaningen med höga datahastigheter, vilket har tilldragit sig många forskarlag och industrier. I september 2017 släpptes den första trådlösa THz-kommunikationsstandarden IEEE 802.15.3d-2017, som definierar punkt-till-punkt datautbyte i det lägre THz-frekvensområdet 252-325 GHz. Länkens alternativa fysiska lager (PHY) kan uppnå datahastigheter på upp till 100 Gbps vid olika bandbredder.
Det första framgångsrika THz-kommunikationssystemet på 0,12 THz etablerades 2004, och THz-kommunikationssystemet på 0,3 THz realiserades 2013. Tabell 1 visar forskningsframstegen för terahertz-kommunikationssystem i Japan från 2004 till 2013.
Tabell 1 Forskningsframsteg för terahertz-kommunikationssystem i Japan från 2004 till 2013
Antennstrukturen för ett kommunikationssystem som utvecklades 2004 beskrevs i detalj av Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) 2005. Antennkonfigurationen introducerades i två fall, som visas i figur 2.
Figur 2 Schematiskt diagram över Japans NTT 120 GHz trådlösa kommunikationssystem
Systemet integrerar fotoelektrisk omvandling och antenn och antar två arbetslägen:
1. I en inomhusmiljö på nära håll består den plana antennsändaren som används inomhus av ett single-line carrier photodiode (UTC-PD) chip, en planar slot antenn och en silikonlins, som visas i figur 2(a).
2. I en utomhusmiljö med lång räckvidd, för att förbättra påverkan av stora överföringsförluster och låg känslighet hos detektorn, måste sändarantennen ha hög förstärkning. Den befintliga terahertz-antennen använder en Gaussisk optisk lins med en förstärkning på mer än 50 dBi. Kombinationen av matarhorn och dielektrisk lins visas i figur 2(b).
Förutom att utveckla ett 0,12 THz kommunikationssystem utvecklade NTT även ett 0,3 THz kommunikationssystem 2012. Genom kontinuerlig optimering kan överföringshastigheten bli så hög som 100 Gbps. Som framgår av tabell 1 har den i hög grad bidragit till utvecklingen av terahertz-kommunikation. Det nuvarande forskningsarbetet har dock nackdelarna med låg driftfrekvens, stor storlek och höga kostnader.
De flesta av de terahertz-antenner som för närvarande används är modifierade från millimetervågsantenner, och det finns lite innovation i terahertz-antenner. Därför, för att förbättra prestandan hos terahertz-kommunikationssystem, är en viktig uppgift att optimera terahertz-antenner. Tabell 2 listar forskningsframstegen för tysk THz-kommunikation. Figur 3 (a) visar ett representativt THz trådlöst kommunikationssystem som kombinerar fotonik och elektronik. Figur 3 (b) visar vindtunneltestscenen. Att döma av den nuvarande forskningssituationen i Tyskland har dess forskning och utveckling också nackdelar som låg driftsfrekvens, hög kostnad och låg effektivitet.
Tabell 2 Forskningsframsteg för THz-kommunikation i Tyskland
Figur 3 Testscen för vindtunnel
CSIRO ICT Center har också initierat forskning om THz trådlösa kommunikationssystem inomhus. Centret studerade sambandet mellan år och kommunikationsfrekvens, som visas i figur 4. Som framgår av figur 4, 2020, tenderar forskning om trådlös kommunikation till THz-bandet. Den maximala kommunikationsfrekvensen som använder radiospektrum ökar cirka tio gånger vart tjugonde år. Centret har lämnat rekommendationer om kraven för THz-antenner och föreslagit traditionella antenner som horn och linser för THz-kommunikationssystem. Som visas i figur 5 arbetar två hornantenner vid 0,84THz respektive 1,7THz, med en enkel struktur och bra prestanda för gaussisk strålstråle.
Figur 4 Samband mellan år och frekvens
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figur 5 Två typer av hornantenner
USA har bedrivit omfattande forskning om emission och detektering av terahertzvågor. Kända terahertz forskningslaboratorier inkluderar Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), etc. Nya terahertz-antenner för terahertz-applikationer har designats, såsom bowtie-antenner och frekvensstrålestyrningsantenner. Enligt utvecklingen av terahertz-antenner kan vi få tre grundläggande designidéer för terahertz-antenner för närvarande, som visas i figur 6.
Figur 6 Tre grundläggande designidéer för terahertz-antenner
Ovanstående analys visar att även om många länder har ägnat stor uppmärksamhet åt terahertz-antenner, är de fortfarande i det inledande utforsknings- och utvecklingsstadiet. På grund av hög utbredningsförlust och molekylär absorption är THz-antenner vanligtvis begränsade av överföringsavstånd och täckning. Vissa studier fokuserar på lägre driftsfrekvenser i THz-bandet. Befintlig terahertz-antennforskning fokuserar huvudsakligen på att förbättra förstärkningen genom att använda dielektriska linsantenner, etc., och att förbättra kommunikationseffektiviteten genom att använda lämpliga algoritmer. Dessutom är hur man kan förbättra effektiviteten hos terahertz-antennförpackningar också en mycket brådskande fråga.
Allmänna THz-antenner
Det finns många typer av THz-antenner tillgängliga: dipolantenner med koniska kaviteter, hörnreflektormatriser, bowtie-dipoler, dielektriska lins-planarantenner, fotokonduktiva antenner för att generera THz-källstrålningskällor, hornantenner, THz-antenner baserade på grafenmaterial, etc. de material som används för att göra THz-antenner, kan de vara grovt indelade i metallantenner (främst hornantenner), dielektriska antenner (linsantenner) och nya materialantenner. Detta avsnitt ger först en preliminär analys av dessa antenner, och sedan i nästa avsnitt introduceras fem typiska THz-antenner i detalj och analyseras på djupet.
1. Metallantenner
Hornantennen är en typisk metallantenn som är designad för att fungera i THz-bandet. Antennen på en klassisk millimetervågsmottagare är ett koniskt horn. Korrugerade och dual-mode antenner har många fördelar, inklusive rotationssymmetriska strålningsmönster, hög förstärkning på 20 till 30 dBi och låg korspolarisationsnivå på -30 dB och kopplingseffektivitet på 97 % till 98 %. De tillgängliga bandbredderna för de två hornantennerna är 30%-40% respektive 6%-8%.
Eftersom frekvensen av terahertzvågor är mycket hög, är storleken på hornantennen mycket liten, vilket gör bearbetningen av hornet mycket svårt, särskilt vid utformningen av antennuppsättningar, och komplexiteten i bearbetningstekniken leder till alltför höga kostnader och begränsad produktion. På grund av svårigheten att tillverka botten av den komplexa horndesignen, används vanligtvis en enkel hornantenn i form av ett koniskt eller koniskt horn, vilket kan minska kostnaden och processkomplexiteten, och antennens strålningsprestanda kan bibehållas väl.
En annan metallantenn är en pyramidantenn för resande vågor, som består av en antenn för resande vågor integrerad på en 1,2 mikron dielektrisk film och upphängd i en längsgående hålighet etsad på en kiselskiva, som visas i figur 7. Denna antenn är en öppen struktur som är kompatibel med Schottky-dioder. På grund av sin relativt enkla struktur och låga tillverkningskrav kan den i allmänhet användas i frekvensband över 0,6 THz. Emellertid är sidolobsnivån och korspolarisationsnivån för antennen höga, förmodligen på grund av dess öppna struktur. Därför är dess kopplingseffektivitet relativt låg (ca 50%).
Figur 7 Resande våg pyramidal antenn
2. Dielektrisk antenn
Den dielektriska antennen är en kombination av ett dielektriskt substrat och en antennstrålare. Genom korrekt design kan den dielektriska antennen uppnå impedansmatchning med detektorn och har fördelarna med enkel process, enkel integration och låg kostnad. Under de senaste åren har forskare designat flera smalbands- och bredbandsantenner för sidobrand som kan matcha lågimpedansdetektorerna hos terahertz dielektriska antenner: fjärilsantenn, dubbel U-formad antenn, log-periodisk antenn och log-periodisk sinusantenn, som visas i figur 8. Dessutom kan mer komplexa antenngeometrier utformas genom genetiska algoritmer.
Figur 8 Fyra typer av plana antenner
Men eftersom den dielektriska antennen är kombinerad med ett dielektriskt substrat kommer en ytvågseffekt att uppstå när frekvensen tenderar mot THz-bandet. Denna ödesdigra nackdel kommer att göra att antennen förlorar mycket energi under drift och leder till en betydande minskning av antennens strålningseffektivitet. Såsom visas i figur 9, när antennstrålningsvinkeln är större än cutoff-vinkeln, är dess energi begränsad i det dielektriska substratet och kopplat till substratmoden.
Figur 9 Antennens ytvågseffekt
När substratets tjocklek ökar, ökar antalet högordningslägen, och kopplingen mellan antennen och substratet ökar, vilket resulterar i energiförlust. För att försvaga ytvågseffekten finns det tre optimeringsscheman:
1) Ladda en lins på antennen för att öka förstärkningen genom att använda strålformningsegenskaperna hos elektromagnetiska vågor.
2) Minska tjockleken på substratet för att undertrycka genereringen av högordningsmoder av elektromagnetiska vågor.
3) Byt ut det dielektriska substratet mot ett elektromagnetiskt bandgap (EBG). De rumsliga filtreringsegenskaperna hos EBG kan undertrycka högordningslägen.
3. Nya materialantenner
Utöver ovanstående två antenner finns det även en terahertz-antenn av nya material. Till exempel, 2006, Jin Hao et al. föreslagit en kolnanorörsdipolantenn. Som visas i figur 10 (a) är dipolen gjord av kolnanorör istället för metallmaterial. Han studerade noggrant de infraröda och optiska egenskaperna hos kolnanorörsdipolantennen och diskuterade de allmänna egenskaperna hos kolnanorörsdipolantennen med ändlig längd, såsom ingångsimpedans, strömfördelning, förstärkning, effektivitet och strålningsmönster. Figur 10 (b) visar förhållandet mellan ingångsimpedansen och frekvensen för kolnanorörsdipolantennen. Som kan ses i figur 10(b) har den imaginära delen av ingångsimpedansen flera nollor vid högre frekvenser. Detta indikerar att antennen kan uppnå flera resonanser vid olika frekvenser. Uppenbarligen uppvisar kolnanorörsantennen resonans inom ett visst frekvensområde (lägre THz-frekvenser), men är helt oförmögen att resonera utanför detta område.
Figur 10 (a) Kolnanorörsdipolantenn. (b) Ingångsimpedans-frekvenskurva
2012 föreslog Samir F. Mahmoud och Ayed R. AlAjmi en ny terahertz-antennstruktur baserad på kolnanorör, som består av ett knippe kolnanorör insvept i två dielektriska lager. Det inre dielektriska skiktet är ett dielektriskt skumskikt, och det yttre dielektriska skiktet är ett metamaterialskikt. Den specifika strukturen visas i figur 11. Genom testning har antennens strålningsprestanda förbättrats jämfört med enkelväggiga kolnanorör.
Figur 11 Ny terahertz-antenn baserad på kolnanorör
De nya materialet terahertz-antennerna som föreslagits ovan är huvudsakligen tredimensionella. För att förbättra antennens bandbredd och göra konforma antenner har plana grafenantenner fått stor uppmärksamhet. Grafen har utmärkta dynamiska kontinuerliga kontrollegenskaper och kan generera ytplasma genom att justera förspänningen. Ytplasma existerar på gränsytan mellan positiva dielektriska konstantsubstrat (såsom Si, SiO2, etc.) och negativa dielektriska konstantsubstrat (såsom ädelmetaller, grafen, etc.). Det finns ett stort antal "fria elektroner" i ledare som ädelmetaller och grafen. Dessa fria elektroner kallas även plasma. På grund av det inneboende potentialfältet i ledaren är dessa plasma i ett stabilt tillstånd och störs inte av omvärlden. När den infallande elektromagnetiska vågenergin kopplas till dessa plasma kommer plasman att avvika från det stationära tillståndet och vibrera. Efter omvandlingen bildar det elektromagnetiska läget en tvärgående magnetisk våg vid gränssnittet. Enligt Drude-modellens beskrivning av spridningsförhållandet för metallytplasma, kan metaller inte naturligt kopplas till elektromagnetiska vågor i fritt utrymme och omvandla energi. Det är nödvändigt att använda andra material för att excitera ytplasmavågor. Ytplasmavågor avtar snabbt i parallell riktning av metall-substratgränsytan. När metallledaren leder i riktningen vinkelrätt mot ytan uppstår en hudeffekt. Uppenbarligen, på grund av den lilla storleken på antennen, finns det en hudeffekt i högfrekvensbandet, vilket gör att antennprestanda sjunker kraftigt och inte kan uppfylla kraven för terahertz-antenner. Ytplasmonen av grafen har inte bara högre bindningskraft och lägre förlust, utan stöder också kontinuerlig elektrisk inställning. Dessutom har grafen komplex ledningsförmåga i terahertzbandet. Därför är långsam vågutbredning relaterad till plasmaläget vid terahertz-frekvenser. Dessa egenskaper visar till fullo möjligheten av grafen för att ersätta metallmaterial i terahertzbandet.
Baserat på polarisationsbeteendet hos grafenytplasmoner visar figur 12 en ny typ av bandantenn och föreslår bandformen för utbredningsegenskaperna för plasmavågor i grafen. Utformningen av avstämbart antennband ger ett nytt sätt att studera utbredningsegenskaperna hos nya material terahertz-antenner.
Figur 12 Ny bandantenn
Förutom att utforska enhetens nya material terahertz antennelement, kan grafen nanopatch terahertz antenner också utformas som arrayer för att bygga terahertz multi-input multi-output antennkommunikationssystem. Antennstrukturen visas i figur 13. Baserat på de unika egenskaperna hos grafennanopatch-antenner har antennelementen dimensioner i mikronskala. Kemisk ångavsättning syntetiserar olika grafenbilder direkt på ett tunt nickelskikt och överför dem till vilket substrat som helst. Genom att välja ett lämpligt antal komponenter och ändra den elektrostatiska förspänningen kan strålningsriktningen effektivt ändras, vilket gör systemet omkonfigurerbart.
Figur 13 Graphene nanopatch terahertz antennuppsättning
Forskningen av nya material är en relativt ny riktning. Innovationen av material förväntas bryta igenom begränsningarna hos traditionella antenner och utveckla en mängd nya antenner, såsom omkonfigurerbara metamaterial, tvådimensionella (2D) material, etc. Denna typ av antenn beror dock huvudsakligen på innovationen av nya material och framsteg inom processteknik. Hur som helst kräver utvecklingen av terahertz-antenner innovativa material, exakt bearbetningsteknik och nya designstrukturer för att möta kraven på hög förstärkning, låg kostnad och bred bandbredd för terahertz-antenner.
Följande introducerar de grundläggande principerna för tre typer av terahertz-antenner: metallantenner, dielektriska antenner och nya materialantenner, och analyserar deras skillnader och fördelar och nackdelar.
1. Metallantenn: Geometrin är enkel, lätt att bearbeta, relativt låg kostnad och låga krav på substratmaterial. Men metallantenner använder en mekanisk metod för att justera antennens position, vilket är benäget att göra fel. Om justeringen inte är korrekt kommer antennens prestanda att försämras kraftigt. Även om metallantennen är liten till storleken är den svår att montera med en plan krets.
2. Dielektrisk antenn: Den dielektriska antennen har en låg ingångsimpedans, är lätt att matcha med en lågimpedansdetektor och är relativt enkel att ansluta till en plan krets. De geometriska formerna hos dielektriska antenner inkluderar fjärilsform, dubbel U-form, konventionell logaritmisk form och logaritmisk periodisk sinusform. Dielektriska antenner har dock också ett fatalt fel, nämligen ytvågseffekten som orsakas av det tjocka substratet. Lösningen är att ladda en lins och ersätta det dielektriska substratet med en EBG-struktur. Båda lösningarna kräver innovation och kontinuerlig förbättring av processteknologi och material, men deras utmärkta prestanda (som rundstrålande och ytvågsdämpning) kan ge nya idéer för forskningen kring terahertz-antenner.
3. Nya materialantenner: För närvarande har nya dipolantenner gjorda av kolnanorör och nya antennstrukturer gjorda av metamaterial dykt upp. Nya material kan ge nya prestandagenombrott, men premissen är materialvetenskapens innovation. För närvarande är forskningen om nya materialantenner fortfarande i ett utforskande skede, och många nyckelteknologier är inte tillräckligt mogna.
Sammanfattningsvis kan olika typer av terahertz-antenner väljas enligt designkrav:
1) Om enkel design och låg produktionskostnad krävs kan metallantenner väljas.
2) Om hög integration och låg ingångsimpedans krävs kan dielektriska antenner väljas.
3) Om ett genombrott i prestanda krävs kan nya materialantenner väljas.
Ovanstående design kan också anpassas efter specifika krav. Till exempel kan två typer av antenner kombineras för att få fler fördelar, men monteringsmetoden och designtekniken måste uppfylla strängare krav.
För att lära dig mer om antenner, besök:
Posttid: Aug-02-2024
