Coa crecente popularidade dos dispositivos sen fíos, os servizos de datos entraron nun novo período de rápido desenvolvemento, tamén coñecido como o crecemento explosivo dos servizos de datos. Na actualidade, un gran número de aplicacións están a migrar gradualmente dos ordenadores a dispositivos sen fíos como os teléfonos móbiles, que son fáciles de transportar e operar en tempo real, pero esta situación tamén provocou un rápido aumento do tráfico de datos e unha escaseza de recursos de ancho de banda. Segundo as estatísticas, a velocidade de datos no mercado pode alcanzar Gbps ou incluso Tbps nos próximos 10 a 15 anos. Na actualidade, a comunicación por THz alcanzou unha velocidade de datos de Gbps, mentres que a velocidade de datos de Tbps aínda está nas primeiras etapas de desenvolvemento. Un artigo relacionado enumera os últimos avances nas velocidades de datos de Gbps baseadas na banda de THz e predí que se poden obter Tbps mediante a multiplexación de polarización. Polo tanto, para aumentar a velocidade de transmisión de datos, unha solución viable é desenvolver unha nova banda de frecuencia, que é a banda de terahercios, que se atopa na "zona en branco" entre as microondas e a luz infravermella. Na Conferencia Mundial de Radiocomunicacións da UIT (CMR-19) de 2019, empregouse o rango de frecuencias de 275-450 GHz para servizos fixos e móbiles terrestres. Pódese observar que os sistemas de comunicación sen fíos de terahercios chamaron a atención de moitos investigadores.
As ondas electromagnéticas de terahercios defínense xeralmente como a banda de frecuencia de 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) cunha lonxitude de onda de 0,03-3 mm. Segundo o estándar IEEE, as ondas de terahercios defínense como 0,3-10 THz. A figura 1 mostra que a banda de frecuencia de terahercios está entre as microondas e a luz infravermella.
Fig. 1 Diagrama esquemático da banda de frecuencia de THz.
Desenvolvemento de antenas de terahercios
Aínda que a investigación dos terahercios comezou no século XIX, non se estudou como un campo independente naquel momento. A investigación sobre a radiación de terahercios centrouse principalmente na banda do infravermello afastado. Non foi ata mediados e finais do século XX que os investigadores comezaron a avanzar na investigación das ondas milimétricas na banda de terahercios e a levar a cabo investigacións especializadas en tecnoloxía de terahercios.
Na década de 1980, a aparición de fontes de radiación de terahercios fixo posible a aplicación de ondas de terahercios en sistemas prácticos. Desde o século XXI, a tecnoloxía de comunicación sen fíos desenvolveuse rapidamente, e a demanda de información da xente e o aumento dos equipos de comunicación impuxeron requisitos máis estritos sobre a velocidade de transmisión de datos de comunicación. Polo tanto, un dos desafíos da futura tecnoloxía de comunicación é operar a unha alta velocidade de datos de gigabits por segundo nun só lugar. Co desenvolvemento económico actual, os recursos do espectro volvéronse cada vez máis escasos. Non obstante, os requisitos humanos para a capacidade e a velocidade de comunicación son infinitos. Debido ao problema da conxestión do espectro, moitas empresas utilizan a tecnoloxía MIMO (multiple-input-multiple-output) para mellorar a eficiencia do espectro e a capacidade do sistema mediante a multiplexación espacial. Co avance das redes 5G, a velocidade de conexión de datos de cada usuario superará os Gbps e o tráfico de datos das estacións base tamén aumentará significativamente. Para os sistemas de comunicación tradicionais de ondas milimétricas, as ligazóns de microondas non poderán manexar estes enormes fluxos de datos. Ademais, debido á influencia da liña de visión, a distancia de transmisión da comunicación por infravermellos é curta e a localización do seu equipo de comunicación é fixa. Polo tanto, as ondas THz, que se atopan entre as microondas e os infravermellos, pódense usar para construír sistemas de comunicación de alta velocidade e aumentar as taxas de transmisión de datos mediante o uso de enlaces THz.
As ondas de terahercios poden proporcionar unha banda de comunicación máis ampla, e o seu rango de frecuencia é aproximadamente 1000 veces maior que o das comunicacións móbiles. Polo tanto, o uso de THz para construír sistemas de comunicación sen fíos de velocidade ultrarrápida é unha solución prometedora para o desafío das altas taxas de datos, o que espertou o interese de moitos equipos de investigación e industrias. En setembro de 2017, publicouse o primeiro estándar de comunicación sen fíos de THz IEEE 802.15.3d-2017, que define o intercambio de datos punto a punto no rango de frecuencias de THz inferior de 252-325 GHz. A capa física alternativa (PHY) da ligazón pode alcanzar velocidades de datos de ata 100 Gbps en diferentes bandas de ancho.
O primeiro sistema de comunicación de terahercios de 0,12 THz estableceuse con éxito en 2004 e o sistema de comunicación de 0,3 THz fíxose realidade en 2013. A táboa 1 enumera o progreso da investigación dos sistemas de comunicación de terahercios no Xapón desde 2004 ata 2013.
Táboa 1 Progreso da investigación dos sistemas de comunicación de terahercios no Xapón de 2004 a 2013
A estrutura da antena dun sistema de comunicación desenvolvido en 2004 foi descrita en detalle por Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) en 2005. A configuración da antena introduciuse en dous casos, como se mostra na Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático do sistema de comunicación sen fíos NTT de 120 GHz do Xapón
O sistema integra conversión fotoeléctrica e antena e adopta dous modos de funcionamento:
1. Nun ambiente interior de curta distancia, o transmisor de antena planar empregado en interiores consta dun chip de fotodiodo portador dunha soa liña (UTC-PD), unha antena de ranura planar e unha lente de silicio, como se mostra na Figura 2(a).
2. Nun ambiente exterior de longo alcance, para mellorar a influencia da gran perda de transmisión e a baixa sensibilidade do detector, a antena transmisora debe ter unha ganancia elevada. A antena de terahercios existente usa unha lente óptica gaussiana cunha ganancia de máis de 50 dBi. A combinación de bucina de alimentación e lente dieléctrica móstrase na Figura 2(b).
Ademais de desenvolver un sistema de comunicación de 0,12 THz, NTT tamén desenvolveu un sistema de comunicación de 0,3 THz en 2012. Mediante a optimización continua, a velocidade de transmisión pode chegar aos 100 Gbps. Como se pode ver na Táboa 1, fixo unha gran contribución ao desenvolvemento da comunicación por terahercios. Non obstante, o traballo de investigación actual ten as desvantaxes da baixa frecuencia de funcionamento, o gran tamaño e o alto custo.
A maioría das antenas de terahercios que se empregan na actualidade son antenas de ondas milimétricas modificadas e hai pouca innovación nas antenas de terahercios. Polo tanto, para mellorar o rendemento dos sistemas de comunicación de terahercios, unha tarefa importante é optimizar as antenas de terahercios. A táboa 2 enumera o progreso da investigación da comunicación THz alemá. A figura 3 (a) mostra un sistema de comunicación sen fíos THz representativo que combina fotónica e electrónica. A figura 3 (b) mostra a escena da proba no túnel de vento. A xulgar pola situación actual da investigación en Alemaña, a súa investigación e desenvolvemento tamén teñen desvantaxes, como a baixa frecuencia de funcionamento, o alto custo e a baixa eficiencia.
Táboa 2 Progreso da investigación sobre a comunicación THz en Alemaña
Figura 3 Escena de proba no túnel de vento
O Centro TIC do CSIRO tamén iniciou investigacións sobre sistemas de comunicación sen fíos en interiores de THz. O centro estudou a relación entre o ano e a frecuencia de comunicación, como se mostra na Figura 4. Como se pode ver na Figura 4, para o ano 2020, a investigación sobre comunicacións sen fíos tende á banda de THz. A frecuencia máxima de comunicación que utiliza o espectro radioeléctrico aumenta unhas dez veces cada vinte anos. O centro formulou recomendacións sobre os requisitos para as antenas de THz e propuxo antenas tradicionais como cornetas e lentes para sistemas de comunicación de THz. Como se mostra na Figura 5, dúas antenas de corneta funcionan a 0,84 THz e 1,7 THz respectivamente, cunha estrutura simple e un bo rendemento do feixe gaussiano.
Figura 4 Relación entre o ano e a frecuencia
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Dous tipos de antenas de corno
Os Estados Unidos levaron a cabo unha extensa investigación sobre a emisión e detección de ondas de terahercios. Entre os laboratorios de investigación de terahercios máis coñecidos inclúense o Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), o Centro de Aceleración Lineal de Stanford (SLAC), o Laboratorio Nacional dos Estados Unidos (LLNL), a Administración Nacional de Aeronáutica e do Espazo (NASA) e a Fundación Nacional para a Ciencia (NSF), etc. Deseñáronse novas antenas de terahercios para aplicacións de terahercios, como as antenas de pajarita e as antenas de dirección de feixe de frecuencia. Segundo o desenvolvemento das antenas de terahercios, podemos obter tres ideas básicas de deseño para as antenas de terahercios na actualidade, como se mostra na Figura 6.
Figura 6 Tres ideas básicas de deseño para antenas de terahercios
A análise anterior mostra que, aínda que moitos países prestaron moita atención ás antenas de terahercios, estas aínda se atopan na fase inicial de exploración e desenvolvemento. Debido á alta perda de propagación e á absorción molecular, as antenas de THz adoitan estar limitadas pola distancia de transmisión e a cobertura. Algúns estudos céntranse en frecuencias de funcionamento máis baixas na banda de THz. A investigación existente sobre antenas de terahercios céntrase principalmente en mellorar a ganancia mediante o uso de antenas de lente dieléctrica, etc., e en mellorar a eficiencia da comunicación mediante o uso de algoritmos axeitados. Ademais, como mellorar a eficiencia do empaquetado de antenas de terahercios tamén é unha cuestión moi urxente.
Antenas xerais de THz
Hai moitos tipos de antenas THz dispoñibles: antenas dipolo con cavidades cónicas, matrices de reflectores de esquina, dipolos de pajarita, antenas planares de lente dieléctrica, antenas fotocondutoras para xerar fontes de radiación de THz, antenas de corno, antenas THz baseadas en materiais de grafeno, etc. Segundo os materiais utilizados para fabricar as antenas THz, pódense dividir aproximadamente en antenas metálicas (principalmente antenas de corno), antenas dieléctricas (antenas de lente) e antenas de materiais novos. Esta sección primeiro ofrece unha análise preliminar destas antenas e, a continuación, na seguinte sección, preséntanse en detalle e analízanse en profundidade cinco antenas THz típicas.
1. Antenas metálicas
A antena de corno é unha antena metálica típica deseñada para funcionar na banda de THz. A antena dun receptor de ondas milimétricas clásico é unha corna cónica. As antenas corrugadas e de modo dual teñen moitas vantaxes, incluíndo patróns de radiación rotacionalmente simétricos, alta ganancia de 20 a 30 dBi e baixo nivel de polarización cruzada de -30 dB, e eficiencia de acoplamento do 97% ao 98%. As larguras de banda dispoñibles das dúas antenas de corno son do 30% ao 40% e do 6% ao 8%, respectivamente.
Dado que a frecuencia das ondas de terahercios é moi alta, o tamaño da antena de corno é moi pequeno, o que dificulta moito o procesamento da corno, especialmente no deseño de conxuntos de antenas, e a complexidade da tecnoloxía de procesamento leva a un custo excesivo e a unha produción limitada. Debido á dificultade de fabricar a parte inferior do deseño complexo da corno, adoita empregarse unha antena de corno simple en forma de corno cónico ou cónico, o que pode reducir o custo e a complexidade do proceso, e pódese manter ben o rendemento de radiación da antena.
Outra antena metálica é unha antena piramidal de onda viaxante, que consiste nunha antena de onda viaxante integrada nunha película dieléctrica de 1,2 micras e suspendida nunha cavidade lonxitudinal gravada nunha oblea de silicio, como se mostra na Figura 7. Esta antena ten unha estrutura aberta compatible cos díodos Schottky. Debido á súa estrutura relativamente simple e aos seus baixos requisitos de fabricación, xeralmente pódese usar en bandas de frecuencia superiores a 0,6 THz. Non obstante, o nivel de lóbulos laterais e o nivel de polarización cruzada da antena son altos, probablemente debido á súa estrutura aberta. Polo tanto, a súa eficiencia de acoplamento é relativamente baixa (arredor do 50 %).
Figura 7 Antena piramidal de onda viaxeira
2. Antena dieléctrica
A antena dieléctrica é unha combinación dun substrato dieléctrico e un radiador de antena. Mediante un deseño axeitado, a antena dieléctrica pode lograr a adaptación de impedancia co detector e ten as vantaxes dun proceso sinxelo, unha integración sinxela e un baixo custo. Nos últimos anos, os investigadores deseñaron varias antenas de lume lateral de banda estreita e banda ancha que poden coincidir cos detectores de baixa impedancia das antenas dieléctricas de terahercios: antena bolboreta, antena dobre en forma de U, antena logperiódica e antena sinusoidal logperiódica, como se mostra na Figura 8. Ademais, pódense deseñar xeometrías de antena máis complexas mediante algoritmos xenéticos.
Figura 8 Catro tipos de antenas planares
Non obstante, dado que a antena dieléctrica está combinada cun substrato dieléctrico, producirase un efecto de onda superficial cando a frecuencia tenda á banda de THz. Esta desvantaxe fatal fará que a antena perda moita enerxía durante o funcionamento e levará a unha redución significativa na eficiencia de radiación da antena. Como se mostra na Figura 9, cando o ángulo de radiación da antena é maior que o ángulo de corte, a súa enerxía está confinada no substrato dieléctrico e acoplada co modo do substrato.
Figura 9 Efecto da onda superficial da antena
A medida que aumenta o grosor do substrato, aumenta o número de modos de orde superior e o acoplamento entre a antena e o substrato, o que resulta nunha perda de enerxía. Para debilitar o efecto da onda superficial, existen tres esquemas de optimización:
1) Cargar unha lente na antena para aumentar a ganancia empregando as características de formación de feixe das ondas electromagnéticas.
2) Reducir o grosor do substrato para suprimir a xeración de modos de alta orde de ondas electromagnéticas.
3) Substitúese o material dieléctrico do substrato por unha banda prohibida electromagnética (EBG). As características de filtrado espacial da EBG poden suprimir os modos de orde superior.
3. Antenas de novo material
Ademais das dúas antenas mencionadas, tamén existe unha antena de terahercios feita con novos materiais. Por exemplo, en 2006, Jin Hao et al. propuxeron unha antena dipolo de nanotubos de carbono. Como se mostra na Figura 10 (a), o dipolo está feito de nanotubos de carbono en lugar de materiais metálicos. Estudou coidadosamente as propiedades infravermellas e ópticas da antena dipolo de nanotubos de carbono e analizou as características xerais da antena dipolo de nanotubos de carbono de lonxitude finita, como a impedancia de entrada, a distribución de corrente, a ganancia, a eficiencia e o patrón de radiación. A Figura 10 (b) mostra a relación entre a impedancia de entrada e a frecuencia da antena dipolo de nanotubos de carbono. Como se pode ver na Figura 10 (b), a parte imaxinaria da impedancia de entrada ten varios ceros a frecuencias máis altas. Isto indica que a antena pode alcanzar varias resonancias a diferentes frecuencias. Obviamente, a antena de nanotubos de carbono presenta resonancia dentro dun determinado rango de frecuencias (frecuencias de THz máis baixas), pero é completamente incapaz de resonar fóra deste rango.
Figura 10 (a) Antena dipolo de nanotubos de carbono. (b) Curva de impedancia-frecuencia de entrada
En 2012, Samir F. Mahmoud e Ayed R. AlAjmi propuxeron unha nova estrutura de antena de terahercios baseada en nanotubos de carbono, que consiste nun feixe de nanotubos de carbono envoltos en dúas capas dieléctricas. A capa dieléctrica interior é unha capa de escuma dieléctrica e a capa dieléctrica exterior é unha capa de metamaterial. A estrutura específica móstrase na Figura 11. Mediante probas, o rendemento de radiación da antena mellorou en comparación cos nanotubos de carbono de parede simple.
Figura 11 Nova antena de terahercios baseada en nanotubos de carbono
As novas antenas de terahercios de material propostas anteriormente son principalmente tridimensionais. Co fin de mellorar o ancho de banda da antena e fabricar antenas conformes, as antenas planas de grafeno recibiron unha atención xeneralizada. O grafeno ten excelentes características de control dinámico continuo e pode xerar plasma superficial axustando a tensión de polarización. Existe plasma superficial na interface entre substratos de constante dieléctrica positiva (como Si, SiO2, etc.) e substratos de constante dieléctrica negativa (como metais preciosos, grafeno, etc.). Hai un gran número de "electróns libres" en condutores como metais preciosos e grafeno. Estes electróns libres tamén se chaman plasmas. Debido ao campo potencial inherente no condutor, estes plasmas están nun estado estable e non son perturbados polo mundo exterior. Cando a enerxía da onda electromagnética incidente se acopla a estes plasmas, os plasmas desviaranse do estado estacionario e vibrarán. Despois da conversión, o modo electromagnético forma unha onda magnética transversal na interface. Segundo a descrición da relación de dispersión do plasma superficial do metal polo modelo Drude, os metais non poden acoplarse naturalmente coas ondas electromagnéticas no espazo libre e converter a enerxía. É necesario empregar outros materiais para excitar as ondas de plasma superficiais. As ondas de plasma superficiais decaen rapidamente na dirección paralela á interface metal-substrato. Cando o condutor metálico conduce na dirección perpendicular á superficie, prodúcese un efecto pelicular. Obviamente, debido ao pequeno tamaño da antena, hai un efecto pelicular na banda de alta frecuencia, o que fai que o rendemento da antena diminúa bruscamente e non poida cumprir os requisitos das antenas de terahercios. O plasmón superficial do grafeno non só ten unha maior forza de unión e unha menor perda, senón que tamén admite a sintonización eléctrica continua. Ademais, o grafeno ten unha condutividade complexa na banda de terahercios. Polo tanto, a propagación lenta das ondas está relacionada co modo de plasma a frecuencias de terahercios. Estas características demostran plenamente a viabilidade do grafeno para substituír os materiais metálicos na banda de terahercios.
Baseándose no comportamento de polarización dos plasmóns superficiais de grafeno, a Figura 12 mostra un novo tipo de antena de tira e propón a forma da banda das características de propagación das ondas de plasma no grafeno. O deseño da banda de antena sintonizable proporciona unha nova forma de estudar as características de propagación de antenas de terahercios de novo material.
Figura 12 Nova antena de tira
Ademais de explorar novos materiais unitarios como elementos de antena de terahercios, as antenas de terahercios de nanoparche de grafeno tamén se poden deseñar como matrices para construír sistemas de comunicación de antenas de terahercios de entrada múltiple e saída múltiple. A estrutura da antena móstrase na Figura 13. En función das propiedades únicas das antenas de nanoparche de grafeno, os elementos da antena teñen dimensións a escala micrométrica. A deposición química de vapor sintetiza directamente diferentes imaxes de grafeno nunha fina capa de níquel e transfíreas a calquera substrato. Ao seleccionar un número axeitado de compoñentes e cambiar a tensión de polarización electrostática, a dirección da radiación pódese cambiar de forma eficaz, facendo que o sistema sexa reconfigurable.
Figura 13 Matriz de antenas de terahercios de nanoparche de grafeno
A investigación de novos materiais é unha dirección relativamente nova. Espérase que a innovación de materiais rompa as limitacións das antenas tradicionais e desenvolva unha variedade de novas antenas, como metamateriais reconfigurables, materiais bidimensionais (2D), etc. Non obstante, este tipo de antena depende principalmente da innovación de novos materiais e do avance da tecnoloxía de procesos. En calquera caso, o desenvolvemento de antenas de terahercios require materiais innovadores, tecnoloxía de procesamento precisa e estruturas de deseño novedosas para cumprir cos requisitos de alta ganancia, baixo custo e ampla largura de banda das antenas de terahercios.
A continuación preséntanse os principios básicos de tres tipos de antenas de terahercios: antenas metálicas, antenas dieléctricas e antenas de materiais novos, e analízanse as súas diferenzas, vantaxes e desvantaxes.
1. Antena metálica: A xeometría é simple, fácil de procesar, relativamente baixa e require poucos materiais de substrato. Non obstante, as antenas metálicas usan un método mecánico para axustar a posición da antena, o que é propenso a erros. Se o axuste non é correcto, o rendemento da antena reducirase considerablemente. Aínda que a antena metálica é de tamaño pequeno, é difícil de montar cun circuíto planar.
2. Antena dieléctrica: A antena dieléctrica ten unha baixa impedancia de entrada, é doada de combinar cun detector de baixa impedancia e é relativamente sinxela de conectar cun circuíto planar. As formas xeométricas das antenas dieléctricas inclúen a forma de bolboreta, a forma de dobre U, a forma logarítmica convencional e a forma sinusoidal periódica logarítmica. Non obstante, as antenas dieléctricas tamén teñen un defecto fatal, concretamente o efecto de onda superficial causado polo substrato groso. A solución é cargar unha lente e substituír o substrato dieléctrico por unha estrutura EBG. Ambas as solucións requiren innovación e mellora continua da tecnoloxía de procesos e materiais, pero o seu excelente rendemento (como a omnidireccionalidade e a supresión da onda superficial) pode proporcionar novas ideas para a investigación de antenas de terahercios.
3. Antenas de novos materiais: Na actualidade, apareceron novas antenas dipolares feitas de nanotubos de carbono e novas estruturas de antenas feitas de metamateriais. Os novos materiais poden traer novos avances no rendemento, pero a premisa é a innovación da ciencia dos materiais. Na actualidade, a investigación sobre antenas de novos materiais aínda está en fase exploratoria e moitas tecnoloxías clave non están o suficientemente maduras.
En resumo, pódense seleccionar diferentes tipos de antenas de terahercios segundo os requisitos de deseño:
1) Se se require un deseño sinxelo e un baixo custo de produción, pódense escoller antenas metálicas.
2) Se se require unha alta integración e unha baixa impedancia de entrada, pódense seleccionar antenas dieléctricas.
3) Se se require un avance no rendemento, pódense seleccionar antenas de novo material.
Os deseños anteriores tamén se poden axustar segundo requisitos específicos. Por exemplo, pódense combinar dous tipos de antenas para obter máis vantaxes, pero o método de montaxe e a tecnoloxía de deseño deben cumprir uns requisitos máis estritos.
Para saber máis sobre antenas, visita:
Data de publicación: 02-08-2024
