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 migrando paulatinamente dos ordenadores a dispositivos sen fíos como teléfonos móbiles que son fáciles de transportar e de 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 taxa de datos no mercado pode alcanzar Gbps ou mesmo Tbps nos próximos 10 a 15 anos. Na actualidade, a comunicación THz alcanzou unha taxa de datos Gbps, mentres que a taxa de datos Tbps aínda está nas primeiras fases de desenvolvemento. Un documento relacionado enumera os últimos avances nas taxas de datos de Gbps baseados na banda THz e prevé 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 está na "zona en branco" entre as microondas e a luz infravermella. Na Conferencia Mundial de Radiocomunicacións da ITU (CMR-19) de 2019, utilizouse o rango de frecuencias de 275-450 GHz para servizos fixos e móbiles terrestres. Pódese ver 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 0,1-10THz (1THz=1012Hz) 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 frecuencias THz.
Desenvolvemento de Antenas Terahercios
Aínda que a investigación dos terahercios comezou no século XIX, nese momento non se estudaba como un campo independente. A investigación sobre a radiación de terahercios centrouse principalmente na banda do infravermello afastado. Non foi ata mediados e finais do século XX cando os investigadores comezaron a avanzar na investigación de ondas milimétricas ata a banda de terahercios e realizar 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 da xente de información e o aumento dos equipos de comunicación presentaron requisitos máis estritos sobre a velocidade de transmisión de datos de comunicación. Polo tanto, un dos retos da futura tecnoloxía de comunicación é operar a unha alta taxa de datos de gigabits por segundo nun só lugar. Baixo o desenvolvemento económico actual, os recursos do espectro foron cada vez máis escasos. Non obstante, os requisitos humanos de capacidade e velocidade de comunicación son infinitos. Para o problema da conxestión do espectro, moitas empresas usan a tecnoloxía de múltiples entradas e saídas múltiples (MIMO) 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 de ondas milimétricas tradicionais, as ligazóns de microondas non poderán xestionar 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 están 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 un ancho de banda de comunicación máis amplo, e o seu rango de frecuencia é unhas 1000 veces o das comunicacións móbiles. Polo tanto, usar THz para construír sistemas de comunicación sen fíos de ultra-alta velocidade é unha solución prometedora ao desafío das altas taxas de datos, que atraeu o interese de moitos equipos de investigación e industrias. En setembro de 2017, lanzouse o primeiro estándar de comunicación sen fíos THz IEEE 802.15.3d-2017, que define o intercambio de datos punto a punto no intervalo de frecuencia THz inferior de 252-325 GHz. A capa física alternativa (PHY) da ligazón pode acadar velocidades de datos de ata 100 Gbps en diferentes anchos de banda.
O primeiro sistema de comunicación THz exitoso de 0,12 THz estableceuse en 2004, e o sistema de comunicación THz de 0,3 THz realizouse en 2013. A táboa 1 enumera o progreso da investigación dos sistemas de comunicación de terahercios en Xapón entre 2004 e 2013.
Táboa 1 Progreso da investigación dos sistemas de comunicación de terahercios en Xapón de 2004 a 2013
A estrutura da antena dun sistema de comunicación desenvolvido en 2004 foi descrita en detalle pola 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 120 GHz de Xapón
O sistema integra conversión fotoeléctrica e antena e adopta dous modos de traballo:
1. Nun ambiente interior de alcance próximo, o transmisor de antena plana que se usa no interior consiste nun chip de fotodiodo portador de liña única (UTC-PD), unha antena de ranura plana 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 do transmisor debe ter unha alta ganancia. A antena de terahercios existente utiliza unha lente óptica gaussiana cunha ganancia de máis de 50 dBi. A combinación de bocina 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. A través da optimización continua, a taxa de transmisión pode chegar a 100 Gbps. Como se pode ver na Táboa 1, fixo unha gran contribución ao desenvolvemento da comunicación en terahercios. Non obstante, o traballo de investigación actual presenta as desvantaxes da baixa frecuencia de funcionamento, o gran tamaño e o alto custo.
A maioría das antenas de terahercios que se usan actualmente están modificadas a partir de antenas de ondas milimétricas, 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 do túnel de vento. A xulgar pola situación actual de investigación en Alemaña, a súa investigación e desenvolvemento tamén ten desvantaxes como a baixa frecuencia de operación, o alto custo e a baixa eficiencia.
Táboa 2 Progreso da investigación da comunicación THz en Alemaña
Figura 3 Escena da proba do túnel de vento
O Centro TIC CSIRO tamén iniciou unha investigación sobre sistemas de comunicación sen fíos para interiores 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 2020, a investigación sobre comunicacións sen fíos tende á banda THz. A frecuencia máxima de comunicación usando o espectro radioeléctrico aumenta unhas dez veces cada vinte anos. O centro fixo recomendacións sobre os requisitos para as antenas THz e propuxo antenas tradicionais como bocinas e lentes para sistemas de comunicación THz. Como se mostra na Figura 5, dúas antenas de bucina funcionan a 0,84 THz e 1,7 THz respectivamente, cunha estrutura sinxela e un bo rendemento do feixe gaussiano.
Figura 4 Relación entre ano e frecuencia
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Dous tipos de antenas de bucina
Os Estados Unidos realizaron unha ampla investigación sobre a emisión e detección de ondas de terahercios. Os famosos laboratorios de investigación de terahercios inclúen o Jet Propulsion Laboratory (JPL), o Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), o US National Laboratory (LLNL), a National Aeronautics and Space Administration (NASA), a National Science Foundation (NSF), etc. Deseñaron novas antenas de terahercios para aplicacións de terahercios, como antenas de lazo e 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 gran atención ás antenas de terahercios, aínda está na fase inicial de exploración e desenvolvemento. Debido á alta perda de propagación e á absorción molecular, as antenas THz adoitan estar limitadas pola distancia de transmisión e a cobertura. Algúns estudos céntranse en frecuencias operativas máis baixas na banda THz. A investigación existente sobre antenas de terahercios céntrase principalmente na mellora da ganancia mediante o uso de antenas de lentes dieléctricas, etc., e na mellora da eficiencia da comunicación mediante o uso de algoritmos axeitados. Ademais, como mellorar a eficiencia da embalaxe da antena de terahercios tamén é un problema moi urxente.
Antenas xerais THz
Existen moitos tipos de antenas THz dispoñibles: antenas dipolo con cavidades cónicas, matrices de reflectores de esquina, dipolos de pajarita, antenas planas de lentes dieléctricas, antenas fotocondutivas para xerar fontes de radiación THz, antenas de trompa, antenas THz baseadas en materiais de grafeno, etc. os materiais utilizados para fabricar antenas THz, pódense dividir grosso modo en antenas metálicas (principalmente antenas de trompa), antenas dieléctricas (antenas de lente) e antenas de novo material. Esta sección dá primeiro unha análise preliminar destas antenas e, a continuación, na seguinte sección, introdúcense en detalle cinco antenas típicas de THz e analízanse en profundidade.
1. Antenas metálicas
A antena de bucina é unha antena metálica típica que está deseñada para funcionar na banda THz. A antena dun receptor de ondas milimétricas clásica é unha bocina cónica. As antenas onduladas e de modo dual teñen moitas vantaxes, incluíndo patróns de radiación simétricos de rotación, alta ganancia de 20 a 30 dBi e baixo nivel de polarización cruzada de -30 dB e eficiencia de acoplamento do 97% ao 98%. Os anchos de banda dispoñibles das dúas antenas de bucina son do 30%-40% e do 6%-8%, respectivamente.
Dado que a frecuencia das ondas de terahercios é moi alta, o tamaño da antena da trompeta é moi pequeno, o que dificulta moito o procesamento da trompeta, especialmente no deseño de matrices de antenas, e a complexidade da tecnoloxía de procesamento leva a un custo excesivo e produción limitada. Debido á dificultade para fabricar a parte inferior do complexo deseño do corno, adoita utilizarse unha antena simple en forma de corno cónico ou cónico, o que pode reducir o custo e a complexidade do proceso, e pódese manter o rendemento da radiación da antena. ben.
Outra antena metálica é unha antena de pirámide de ondas viaxeiras, que consiste nunha antena de ondas viaxeiras 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 é unha estrutura aberta que é compatible con diodos Schottky. Debido á súa estrutura relativamente sinxela e aos seus baixos requisitos de fabricación, pódese empregar xeralmente en bandas de frecuencia superiores a 0,6 THz. Non obstante, o nivel de lóbulo lateral e o nivel de polarización cruzada da antena son elevados, probablemente debido á súa estrutura aberta. Polo tanto, a súa eficiencia de acoplamento é relativamente baixa (un 50%).
Figura 7 Antena piramidal de ondas viaxeiras
2. Antena dieléctrica
A antena dieléctrica é unha combinación dun substrato dieléctrico e un radiador de antena. A través dun deseño axeitado, a antena dieléctrica pode acadar a impedancia coincidente co detector e ten as vantaxes dun proceso sinxelo, unha fácil integración e un baixo custo. Nos últimos anos, os investigadores deseñaron varias antenas de lume lateral de banda estreita e de banda ancha que poden coincidir cos detectores de baixa impedancia das antenas dieléctricas de terahercios: antena bolboreta, antena dobre en forma de U, antena log-periódica e antena sinusoidal log-periódica, como que se mostra na Figura 8. Ademais, pódense deseñar xeometrías de antenas máis complexas mediante algoritmos xenéticos.
Figura 8 Catro tipos de antenas planas
Non obstante, dado que a antena dieléctrica se combina cun substrato dieléctrico, producirase un efecto de onda superficial cando a frecuencia tende á banda THz. Esta desvantaxe fatal fará que a antena perda moita enerxía durante o funcionamento e levará a unha redución significativa da eficiencia da 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 de 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 aumenta o acoplamento entre a antena e o substrato, o que provoca unha perda de enerxía. Para debilitar o efecto das ondas de superficie, existen tres esquemas de optimización:
1) Cargue unha lente na antena para aumentar a ganancia utilizando 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) Substitúe o material dieléctrico do substrato por unha banda electromagnética (EBG). As características de filtrado espacial do EBG poden suprimir os modos de orde superior.
3. Novos materiais antenas
Ademais das dúas antenas anteriores, tamén hai unha antena de terahercios feita con novos materiais. Por exemplo, en 2006, Jin Hao et al. propuxo 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 infravermellos e ópticas da antena dipolo de nanotubos de carbono e discutiu as características xerais da antena dipolo de nanotubos de carbono de lonxitude finita, como a impedancia de entrada, distribución de corrente, ganancia, eficiencia e 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 conseguir múltiples resonancias a diferentes frecuencias. Obviamente, a antena de nanotubos de carbono presenta resonancia dentro dun determinado rango de frecuencias (frecuencias THz máis baixas), pero é completamente incapaz de resoar fóra deste rango.
Figura 10 (a) Antena dipolo de nanotubos de carbono. (b) Curva 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 interna é unha capa de escuma dieléctrica e a capa dieléctrica externa é unha capa de metamaterial. A estrutura específica móstrase na Figura 11. A través das probas, mellorouse o rendemento da radiación da antena en comparación cos nanotubos de carbono dunha soa parede.
Figura 11 Nova antena de terahercios baseada en nanotubos de carbono
As antenas de novo material de terahercios propostas anteriormente son principalmente tridimensionais. Para mellorar o ancho de banda da antena e facer antenas conformes, as antenas planas de grafeno recibiron moita atención. O grafeno ten excelentes características de control dinámico continuo e pode xerar plasma superficial axustando a tensión de polarización. O plasma superficial existe 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 denominan plasmas. Debido ao campo potencial inherente ao 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 de superficie metálica polo modelo Drude, os metais non poden acoplarse naturalmente con ondas electromagnéticas no espazo libre e converter enerxía. É necesario utilizar outros materiais para excitar ondas de plasma superficiais. As ondas de plasma superficiais decaen rapidamente na dirección paralela da interface metal-substrato. Cando o condutor metálico conduce na dirección perpendicular á superficie, prodúcese un efecto pel. Obviamente, debido ao pequeno tamaño da antena, hai un efecto de pel na banda de alta frecuencia, o que fai que o rendemento da antena caia bruscamente e non pode cumprir os requisitos das antenas de terahercios. O plasmón superficial do grafeno non só ten maior forza de unión e 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 de ondas lentas está relacionada co modo de plasma en frecuencias de terahercios. Estas características demostran plenamente a viabilidade do grafeno para substituír materiais metálicos na banda de terahercios.
Baseándose no comportamento de polarización dos plasmóns de superficie do grafeno, a Figura 12 mostra un novo tipo de antena de banda e propón a forma de 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 novas antenas de terahercios.
Figura 12 Nova antena de tira
Ademais de explorar elementos de antena de terahercios novos materiais da unidade, as antenas de terahercios de nanoparche de grafeno tamén se poden deseñar como matrices para construír sistemas de comunicación de antenas de múltiples entradas e saídas de terahercios. A estrutura da antena móstrase na Figura 13. Baseándose nas propiedades únicas das antenas de nanoparche de grafeno, os elementos da antena teñen dimensións a escala de micras. A deposición química de vapor sintetiza directamente diferentes imaxes de grafeno nunha fina capa de níquel e transfire a calquera substrato. Ao seleccionar un número adecuado de compoñentes e cambiar a tensión de polarización electrostática, a dirección da radiación pódese cambiar de forma efectiva, 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 supere as limitacións das antenas tradicionais e desenvolva unha variedade de novas antenas, como metamateriais reconfigurables, materiais bidimensionais (2D), etc. Non obstante, este tipo de antenas depende principalmente da innovación de novos materiais. materiais e o 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 novidosas para satisfacer os requisitos de alta ganancia, baixo custo e ancho de banda amplo das antenas de terahercios.
A continuación preséntanse os principios básicos de tres tipos de antenas de terahercios: antenas metálicas, antenas dieléctricas e antenas de novo material, e analízanse as súas diferenzas e vantaxes e inconvenientes.
1. Antena metálica: a xeometría é sinxela, fácil de procesar, un custo relativamente baixo e baixos requisitos para os materiais de substrato. Non obstante, as antenas metálicas usan un método mecánico para axustar a posición da antena, que é propensa a erros. Se o axuste non é correcto, o rendemento da antena reducirase moito. Aínda que a antena metálica é de pequeno tamaño, é difícil de montar cun circuíto plano.
2. Antena dieléctrica: a antena dieléctrica ten unha baixa impedancia de entrada, é fácil de combinar cun detector de baixa impedancia e é relativamente sinxelo de conectar cun circuíto plano. As formas xeométricas das antenas dieléctricas inclúen forma de bolboreta, forma de dobre U, forma logarítmica convencional e forma seno periódica logarítmica. Non obstante, as antenas dieléctricas tamén teñen un fallo fatal, é dicir, o efecto de onda superficial causado polo groso substrato. A solución é cargar unha lente e substituír o substrato dieléctrico cunha estrutura EBG. Ambas as dúas solucións requiren innovación e mellora continua da tecnoloxía de procesos e dos materiais, pero o seu excelente rendemento (como a omnidireccionalidade e a supresión de ondas superficiais) poden proporcionar novas ideas para a investigación de antenas de terahercios.
3. Novas antenas de materiais: na actualidade aparecen novas antenas dipolo feitas con nanotubos de carbono e novas estruturas de antenas feitas con 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 novas antenas de 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 baixo custo de produción, pódense seleccionar antenas metálicas.
2) Se se require alta integración e baixa impedancia de entrada, pódense seleccionar antenas dieléctricas.
3) Se se precisa un avance no rendemento, pódense seleccionar novas antenas de materiais.
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 requisitos máis estritos.
Para obter máis información sobre as antenas, visite:
Hora de publicación: 02-ago-2024
