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 datatrafik och brist på bandbreddsresurser. Enligt statistik 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 datahastighet på Gbps, medan datahastigheten på Tbps fortfarande är i ett tidigt utvecklingsstadium. En relaterad artikel listar de senaste framstegen inom Gbps-datahastigheter baserat på THz-bandet och förutspår att Tbps kan erhållas genom polarisationsmultiplexering. För att öka dataöverföringshastigheten är därför en genomförbar lösning att utveckla ett nytt frekvensband, terahertzbandet, som ligger i det "tomma området" mellan mikrovågor och infrarött ljus. Vid ITU:s världsradiokonferens (WRC-19) år 2019 användes frekvensområdet 275–450 GHz för fasta och landmobila tjänster. Det kan ses att trådlösa kommunikationssystem i terahertz har uppmärksammats av många forskare.
Terahertz-elektromagnetiska vågor definieras generellt som frekvensbandet 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) med en våglängd på 0,03–3 mm. Enligt IEEE-standarden definieras terahertzvågor som 0,3–10 THz. Figur 1 visar att terahertz-frekvensbandet ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus.
Fig. 1 Schematiskt diagram över THz-frekvensbandet.
Utveckling av terahertzantenner
Även om terahertzforskningen började på 1800-talet studerades den inte som ett självständigt område vid den tiden. Forskningen om terahertzstrålning var huvudsakligen inriktad på det fjärrinfraröda bandet. Det var inte förrän i mitten till slutet av 1900-talet som forskare började utveckla millimetervågsforskningen till terahertzbandet och bedriva specialiserad terahertzteknologiforskning.
På 1980-talet möjliggjorde framväxten av terahertzstrålningskällor tillämpningen 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 för 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 att lösa problemet med spektrumöverbelastning använder många företag MIMO-teknik (multiple-input multiple-output) för att förbättra spektrumeffektiviteten och systemkapaciteten genom spatial multiplexing. Med utvecklingen av 5G-nätverk kommer dataanslutningshastigheten för varje användare att överstiga Gbps, och datatrafiken från basstationer kommer också att öka avsevärt. För traditionella millimetervågskommunikationssystem kommer mikrovågslänkar inte att kunna hantera dessa enorma dataströmmar. Dessutom, på grund av siktlinjens inverkan, är överföringsavståndet för infraröd kommunikation kort och placeringen av dess kommunikationsutrustning är fast. Därför kan THz-vågor, som ligger mellan mikrovågor och infrarött, användas för att bygga höghastighetskommunikationssystem och öka dataöverföringshastigheterna genom att använda THz-länkar.
Terahertzvågor kan ge en bredare kommunikationsbandbredd, och dess frekvensområde är ungefär 1000 gånger högre än för mobil kommunikation. Att använda THz för att bygga ultrasnabba trådlösa kommunikationssystem är därför en lovande lösning på utmaningen med höga datahastigheter, vilket har väckt intresse hos många forskargrupper och industrier. I september 2017 släpptes den första THz-standarden för trådlös kommunikation, IEEE 802.15.3d-2017, som definierar punkt-till-punkt-datautbyte i det lägre THz-frekvensområdet 252-325 GHz. Det alternativa fysiska lagret (PHY) i länken 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 listar 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, såsom visas i figur 2.
Figur 2 Schematiskt diagram över Japans trådlösa kommunikationssystem NTT 120 GHz
Systemet integrerar fotoelektrisk omvandling och antenn och använder två arbetslägen:
1. I en inomhusmiljö med kort räckvidd består den plana antennsändare som används inomhus av ett UTC-PD-chip (single-line carrier photodiod), en plan spaltantenn och en kisellins, såsom visas i figur 2(a).
2. I en utomhusmiljö med lång räckvidd måste sändarantennen ha hög förstärkning för att minska påverkan av stora överföringsförluster och låg känslighet hos detektorn. Den befintliga terahertz-antennen använder en gaussisk optisk lins med en förstärkning på mer än 50 dBi. Kombinationen av matningshorn och dielektrisk lins visas i figur 2(b).
Förutom att utveckla ett 0,12 THz-kommunikationssystem utvecklade NTT även ett 0,3 THz-kommunikationssystem år 2012. Genom kontinuerlig optimering kan överföringshastigheten vara så hög som 100 Gbps. Som framgår av tabell 1 har det bidragit starkt till utvecklingen av terahertz-kommunikation. Emellertid har det nuvarande forskningsarbetet nackdelarna med låg driftsfrekvens, stor storlek och hög kostnad.
De flesta terahertzantenner som används för närvarande är modifierade från millimetervågsantenner, och det finns lite innovation inom terahertzantenner. För att förbättra prestandan hos terahertz-kommunikationssystem är det därför en viktig uppgift att optimera terahertzantenner. Tabell 2 listar forskningsframstegen inom tysk THz-kommunikation. Figur 3 (a) visar ett representativt trådlöst THz-kommunikationssystem som kombinerar fotonik och elektronik. Figur 3 (b) visar testmiljön i vindtunneln. Utifrån den nuvarande forskningssituationen i Tyskland har dess forskning och utveckling också nackdelar, såsom låg driftsfrekvens, hög kostnad och låg effektivitet.
Tabell 2 Forskningsframsteg inom THz-kommunikation i Tyskland
Figur 3 Testscen i vindtunnel
CSIRO ICT Center har också initierat forskning om THz-inomhus trådlösa kommunikationssystem. Centret studerade sambandet mellan år och kommunikationsfrekvens, vilket visas i figur 4. Som framgår av figur 4 tenderar forskningen om trådlös kommunikation år 2020 att inriktas mot THz-bandet. Den maximala kommunikationsfrekvensen med hjälp av radiospektrumet ökar ungefär 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 med 0,84 THz respektive 1,7 THz, med en enkel struktur och god Gaussisk strålprestanda.
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 utsändning och detektering av terahertzvågor. Kända terahertzforskningslaboratorier 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 terahertzantenner för terahertz-tillämpningar har utformats, såsom bowtie-antenner och frekvensstrålestyrningsantenner. Beroende på utvecklingen av terahertzantenner kan vi få tre grundläggande designidéer för terahertzantenner för närvarande, som visas i figur 6.
Figur 6 Tre grundläggande designidéer för terahertzantenner
Ovanstående analys visar att även om många länder har ägnat stor uppmärksamhet åt terahertzantenner, är det fortfarande i ett inledande utforsknings- och utvecklingsstadium. 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 forskning om terahertzantenner fokuserar huvudsakligen på att förbättra förstärkningen genom att använda dielektriska linsantenner etc., och förbättra kommunikationseffektiviteten genom att använda lämpliga algoritmer. Dessutom är hur man kan förbättra effektiviteten hos terahertz-antennkapsling också en mycket angelägen fråga.
Allmänna THz-antenner
Det finns många typer av THz-antenner tillgängliga: dipolantenner med koniska hålrum, hörnreflektormatriser, bowtie-dipoler, dielektriska linsplanarantenner, fotokonduktiva antenner för att generera THz-strålningskällor, hornantenner, THz-antenner baserade på grafenmaterial, etc. Beroende på de material som används för att tillverka THz-antenner kan de grovt delas in i metallantenner (främst hornantenner), dielektriska antenner (linsantenner) och antenner av nya material. 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 utformad för att fungera i THz-bandet. Antennen på en klassisk millimetervågsmottagare är en konisk hornantenn. 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 terahertzvågornas frekvens är mycket hög är hornantennens storlek mycket liten, vilket gör bearbetningen av hornet mycket svår, särskilt vid design av antennmatriser, och komplexiteten i bearbetningstekniken leder till överdrivna 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 vandringsvågspyramidantenn, som består av en vandringsvågsantenn integrerad på en 1,2 mikron dielektrisk film och upphängd i en längsgående kavitet etsad på en kiselskiva, såsom visas i figur 7. Denna antenn har en öppen struktur som är kompatibel med Schottky-dioder. På grund av sin relativt enkla struktur och låga tillverkningskrav kan den generellt användas i frekvensband över 0,6 THz. Antennens sidolobnivå och korspolarisationsnivå är dock höga, troligen på grund av dess öppna struktur. Därför är dess kopplingseffektivitet relativt låg (cirka 50 %).
Figur 7 Pyramidformad vandringsvågsantenn
2. Dielektrisk antenn
Den dielektriska antennen är en kombination av ett dielektriskt substrat och en antennradiator. Genom korrekt design kan den dielektriska antennen uppnå impedansmatchning med detektorn och har fördelarna med enkel process, enkel integration och låg kostnad. Under senare år har forskare konstruerat flera smalbandiga och bredbandiga sidoantenner som kan matcha lågimpedansdetektorerna hos terahertzdielektriska antenner: fjärilsantenn, dubbel U-formad antenn, logaritmisk periodisk antenn och logaritmisk sinusformad antenn, som visas i figur 8. Dessutom kan mer komplexa antenngeometrier utformas genom genetiska algoritmer.
Figur 8 Fyra typer av plana antenner
Eftersom den dielektriska antennen kombineras med ett dielektriskt substrat uppstår emellertid en ytvågseffekt när frekvensen tenderar mot THz-bandet. Denna fatala nackdel gör att antennen förlorar mycket energi under drift och leder till en betydande minskning av antennens strålningseffektivitet. Som visas i figur 9, när antennens strålningsvinkel är större än avstängningsvinkeln, begränsas dess energi i det dielektriska substratet och kopplas till substratmoden.
Figur 9 Antennens ytvågseffekt
Allt eftersom substratets tjocklek ökar, ökar antalet högordningens lägen, och kopplingen mellan antennen och substratet ökar, vilket resulterar i energiförlust. För att försvaga ytvågseffekten finns det tre optimeringsscheman:
1) Placera en lins på antennen för att öka förstärkningen genom att använda strålformningsegenskaperna hos elektromagnetiska vågor.
2) Minska substratets tjocklek för att undertrycka genereringen av elektromagnetiska vågor av högre ordning.
3) Ersätt det dielektriska substratmaterialet med ett elektromagnetiskt bandgap (EBG). EBG:s rumsliga filtreringsegenskaper kan undertrycka högordningens moder.
3. Antenner av nytt material
Utöver de två ovanstående antennerna finns det även en terahertzantenn tillverkad av nya material. Till exempel föreslog Jin Hao et al. år 2006 en dipolantenn av kolnanorör. Som visas i figur 10 (a) är dipolen tillverkad av kolnanorör istället för metallmaterial. Han studerade noggrant de infraröda och optiska egenskaperna hos dipolantennen av kolnanorör och diskuterade de allmänna egenskaperna hos dipolantennen av kolnanorör med ändlig längd, såsom ingångsimpedans, strömfördelning, förstärkning, effektivitet och strålningsmönster. Figur 10 (b) visar förhållandet mellan ingångsimpedansen och frekvensen hos dipolantennen av kolnanorör. Som framgår av 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. Kolnanorörsantennen uppvisar uppenbarligen resonans inom ett visst frekvensområde (lägre THz-frekvenser), men är helt oförmögen att resonera utanför detta område.
Figur 10 (a) Dipolantenn av kolnanorör. (b) Ingångsimpedans-frekvenskurva
År 2012 föreslog Samir F. Mahmoud och Ayed R. AlAjmi en ny terahertz-antennstruktur baserad på kolnanorör, som består av ett knippe kolnanorör insvepta i två dielektriska lager. Det inre dielektriska lagret är ett dielektriskt skumlager och det yttre dielektriska lagret är ett metamateriallager. Den specifika strukturen visas i figur 11. Genom tester har antennens strålningsprestanda förbättrats jämfört med enkelväggiga kolnanorör.
Figur 11 Ny terahertzantenn baserad på kolnanorör
De nya terahertzantennerna av material som föreslagits ovan är huvudsakligen tredimensionella. För att förbättra antennens bandbredd och skapa konforma antenner har plana grafenantenner fått stor uppmärksamhet. Grafen har utmärkta dynamiska kontinuerliga styregenskaper och kan generera ytplasma genom att justera förspänningen. Ytplasma finns på gränssnittet mellan substrat med positiv dielektricitetskonstant (såsom Si, SiO2, etc.) och substrat med negativ dielektricitetskonstant (såsom ädelmetaller, grafen, etc.). Det finns ett stort antal "fria elektroner" i ledare som ädelmetaller och grafen. Dessa fria elektroner kallas också plasmor. På grund av det inneboende potentialfältet i ledaren är dessa plasmor i ett stabilt tillstånd och störs inte av omvärlden. När den inkommande elektromagnetiska vågenergin kopplas till dessa plasmor kommer plasmorna att avvika från det stationära tillståndet och vibrera. Efter omvandlingen bildar det elektromagnetiska läget en transversell magnetisk våg vid gränssnittet. Enligt beskrivningen av dispersionsförhållandet för metallytplasma av Drude-modellen 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 avklingar snabbt i den parallella riktningen för metall-substrat-gränssnittet. När metallledaren leder i riktning vinkelrät mot ytan uppstår en skinneffekt. På grund av antennens lilla storlek uppstår det uppenbarligen en skinneffekt i högfrekvensbandet, vilket gör att antennens prestanda minskar kraftigt och inte kan uppfylla kraven för terahertz-antenner. Grafens ytplasmon har inte bara högre bindningskraft och lägre förlust, utan stöder också kontinuerlig elektrisk avstämning. Dessutom har grafen komplex konduktivitet i terahertzbandet. Därför är långsam vågutbredning relaterad till plasmaläget vid terahertzfrekvenser. Dessa egenskaper visar fullt ut att grafen är möjlig att ersätta metallmaterial i terahertzbandet.
Baserat på polarisationsbeteendet hos grafenytplasmoner visar figur 12 en ny typ av bandantenn och föreslår bandformen för utbredningsegenskaperna hos plasmavågor i grafen. Utformningen av det avstämbara antennbandet ger ett nytt sätt att studera utbredningsegenskaperna hos terahertzantenner av nya material.
Figur 12 Ny stripantenn
Förutom att utforska nya material för terahertz-antennelement, kan grafen-nanopatch-terahertz-antenner också utformas som matriser för att bygga terahertz-kommunikationssystem med flera ingångar och flera utgångar. Antennstrukturen visas i figur 13. Baserat på de unika egenskaperna hos grafen-nanopatch-antenner har antennelementen dimensioner i mikronskala. Kemisk ångdeponering syntetiserar direkt olika grafenbilder på ett tunt nickellager 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 Grafen-nanopatch-terahertz-antennuppsättning
Forskning kring nya material är en relativt ny inriktning. Materialinnovation förväntas bryta igenom begränsningarna hos traditionella antenner och utveckla en mängd nya antenner, såsom omkonfigurerbara metamaterial, tvådimensionella (2D) material, etc. Denna typ av antenn är dock huvudsakligen beroende av innovation av nya material och utveckling av processteknik. I vilket fall som helst kräver utvecklingen av terahertzantenner innovativa material, exakt processteknik och nya designstrukturer för att möta kraven på hög förstärkning, låg kostnad och bred bandbredd för terahertzantenner.
Följande introducerar de grundläggande principerna för tre typer av terahertzantenner: metallantenner, dielektriska antenner och antenner av nya material, och analyserar deras skillnader samt fördelar och nackdelar.
1. Metallantenn: Geometrin är enkel, lätt att bearbeta, relativt låg kostnad och kraven på substratmaterial är låga. Metallantenner använder dock en mekanisk metod för att justera antennens position, vilket är benäget för fel. Om justeringen inte är korrekt kommer antennens prestanda att minska kraftigt. Även om metallantennen är liten i storlek är den svår att montera med en plan krets.
2. Dielektrisk antenn: Den dielektriska antennen har 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 en allvarlig nackdel, 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 processteknik och material, men deras utmärkta prestanda (såsom rundstrålning och ytvågsundertryckning) kan ge nya idéer för forskningen om terahertzantenner.
3. Nya materialantenner: För närvarande har nya dipolantenner tillverkade av kolnanorör och nya antennstrukturer tillverkade av metamaterial dykt upp. Nya material kan ge nya prestandagenombrott, men förutsättningen är innovation inom materialvetenskap. För närvarande är forskningen om nya materialantenner fortfarande i ett förberedande skede, och många viktiga tekniker är inte tillräckligt mogna.
Sammanfattningsvis kan olika typer av terahertzantenner 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 antenner av nya material väljas.
Ovanstående konstruktioner kan också justeras efter specifika krav. Till exempel kan två typer av antenner kombineras för att få fler fördelar, men monteringsmetoden och konstruktionstekniken måste uppfylla strängare krav.
För att lära dig mer om antenner, besök:
Publiceringstid: 2 augusti 2024
