С ростом популярности беспроводных устройств услуги передачи данных вступили в новый период стремительного развития, также известный как взрывной рост услуг передачи данных. В настоящее время большое количество приложений постепенно переходит с компьютеров на беспроводные устройства, такие как мобильные телефоны, которые легко носить с собой и использовать в режиме реального времени, но эта ситуация также привела к быстрому увеличению трафика данных и нехватке полосы пропускания. Согласно статистике, скорость передачи данных на рынке может достичь Гбит/с или даже Тбит/с в ближайшие 10-15 лет. В настоящее время терагерцовая связь достигла скорости передачи данных в Гбит/с, в то время как скорость передачи данных в Тбит/с все еще находится на ранних этапах развития. В соответствующей статье перечислены последние достижения в области скорости передачи данных в Гбит/с на основе терагерцового диапазона и прогнозируется, что Тбит/с может быть достигнуто за счет поляризационного мультиплексирования. Поэтому для увеличения скорости передачи данных целесообразным решением является разработка нового частотного диапазона — терагерцового диапазона, который находится в «пустой зоне» между микроволнами и инфракрасным излучением. На Всемирной конференции по радиосвязи МСЭ (WRC-19) в 2019 году для стационарной и наземной мобильной связи использовался частотный диапазон 275-450 ГГц. Как видно, терагерцовые беспроводные системы связи привлекли внимание многих исследователей.
Терагерцовые электромагнитные волны обычно определяются как частотный диапазон 0,1–10 ТГц (1 ТГц = 10¹² Гц) с длиной волны 0,03–3 мм. Согласно стандарту IEEE, терагерцовые волны определяются как 0,3–10 ТГц. На рисунке 1 показано, что терагерцовый частотный диапазон находится между микроволнами и инфракрасным светом.
Рис. 1. Схематическое изображение диапазона терагерцовых частот.
Разработка терагерцовых антенн
Хотя исследования терагерцового излучения начались в XIX веке, в то время оно не изучалось как самостоятельная область. Исследования терагерцового излучения были в основном сосредоточены на дальнем инфракрасном диапазоне. Лишь в середине-конце XX века исследователи начали продвигать исследования миллиметровых волн в терагерцовый диапазон и проводить специализированные исследования в области терагерцовых технологий.
В 1980-х годах появление источников терагерцового излучения сделало возможным применение терагерцовых волн в практических системах. С начала XXI века беспроводные коммуникационные технологии развиваются стремительно, а растущий спрос на информацию и увеличение количества коммуникационного оборудования предъявляют все более жесткие требования к скорости передачи данных. Поэтому одной из задач будущих коммуникационных технологий является обеспечение высокой скорости передачи данных в гигабиты в секунду в одном месте. В условиях современного экономического развития спектральные ресурсы становятся все более дефицитными. Однако потребности человека в пропускной способности и скорости связи безграничны. Для решения проблемы перегрузки спектра многие компании используют технологию MIMO (многоканальный ввод-вывод) для повышения эффективности использования спектра и пропускной способности системы за счет пространственного мультиплексирования. С развитием сетей 5G скорость передачи данных для каждого пользователя превысит Гбит/с, а объем трафика базовых станций также значительно возрастет. Для традиционных миллиметровых коммуникационных систем микроволновые каналы связи не смогут обрабатывать такие огромные потоки данных. Кроме того, из-за влияния прямой видимости дальность передачи инфракрасной связи невелика, а местоположение коммуникационного оборудования фиксировано. Поэтому терагерцовые волны, находящиеся между микроволнами и инфракрасным излучением, могут быть использованы для создания высокоскоростных систем связи и увеличения скорости передачи данных за счет использования терагерцовых каналов.
Терагерцовые волны обеспечивают более широкую полосу пропускания для связи, а их частотный диапазон примерно в 1000 раз превышает диапазон мобильной связи. Поэтому использование ТГц-излучения для создания сверхскоростных беспроводных систем связи является перспективным решением проблемы высоких скоростей передачи данных, что привлекает внимание многих исследовательских групп и предприятий. В сентябре 2017 года был выпущен первый стандарт беспроводной связи в ТГц-диапазоне IEEE 802.15.3d-2017, определяющий обмен данными между двумя точками в нижнем диапазоне частот ТГц 252-325 ГГц. Альтернативный физический уровень (PHY) канала связи позволяет достигать скорости передачи данных до 100 Гбит/с при различных полосах пропускания.
Первая успешная система терагерцовой связи на частоте 0,12 ТГц была создана в 2004 году, а система терагерцовой связи на частоте 0,3 ТГц была реализована в 2013 году. В таблице 1 представлен прогресс исследований в области терагерцовых систем связи в Японии с 2004 по 2013 год.
Таблица 1. Прогресс исследований в области терагерцовых систем связи в Японии с 2004 по 2013 год.
Структура антенны системы связи, разработанной в 2004 году, была подробно описана компанией Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) в 2005 году. Конфигурация антенны была представлена в двух случаях, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема беспроводной системы связи NTT 120 ГГц в Японии.
Система объединяет фотоэлектрическое преобразование и антенну и использует два режима работы:
1. В условиях ближнего действия внутри помещений планарный антенный передатчик, используемый в помещении, состоит из однолинейного фотодиода (UTC-PD), планарной щелевой антенны и кремниевой линзы, как показано на рисунке 2(а).
2. В условиях дальнего действия на открытом воздухе, для уменьшения влияния больших потерь при передаче и низкой чувствительности детектора, передающая антенна должна обладать высоким коэффициентом усиления. Существующие терагерцовые антенны используют гауссову оптическую линзу с коэффициентом усиления более 50 дБи. Комбинация облучателя и диэлектрической линзы показана на рисунке 2(б).
Помимо разработки системы связи на частоте 0,12 ТГц, компания NTT в 2012 году также разработала систему связи на частоте 0,3 ТГц. Благодаря постоянной оптимизации скорость передачи данных может достигать 100 Гбит/с. Как видно из таблицы 1, это внесло значительный вклад в развитие терагерцовой связи. Однако текущие исследования имеют недостатки, такие как низкая рабочая частота, большие размеры и высокая стоимость.
Большинство используемых в настоящее время терагерцовых антенн являются модификациями миллиметровых антенн, и в области терагерцовых антенн наблюдается мало инноваций. Поэтому для повышения производительности терагерцовых систем связи важной задачей является оптимизация терагерцовых антенн. В таблице 2 представлен прогресс исследований в области терагерцовой связи в Германии. На рисунке 3 (а) показана типичная терагерцовая беспроводная система связи, сочетающая фотонику и электронику. На рисунке 3 (б) показана сцена испытаний в аэродинамической трубе. Судя по текущей ситуации с исследованиями в Германии, исследования и разработки в этой области также имеют недостатки, такие как низкая рабочая частота, высокая стоимость и низкая эффективность.
Таблица 2. Прогресс исследований в области терагерцовой связи в Германии.
Рисунок 3. Сцена испытаний в аэродинамической трубе.
Центр ИКТ CSIRO также начал исследования в области беспроводных систем связи в терагерцовом диапазоне внутри помещений. Центр изучил взаимосвязь между годом и частотой связи, как показано на рисунке 4. Как видно из рисунка 4, к 2020 году исследования в области беспроводной связи сместились в сторону терагерцового диапазона. Максимальная частота связи в радиочастотном спектре увеличивается примерно в десять раз каждые двадцать лет. Центр разработал рекомендации по требованиям к терагерцовым антеннам и предложил традиционные антенны, такие как рупоры и линзы, для систем связи в терагерцовом диапазоне. Как показано на рисунке 5, две рупорные антенны работают на частотах 0,84 ТГц и 1,7 ТГц соответственно, имеют простую структуру и обеспечивают хорошее гауссово распределение излучения.
Рисунок 4. Взаимосвязь между годом и частотой.
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Рисунок 5. Два типа рупорных антенн.
Соединенные Штаты провели обширные исследования в области излучения и обнаружения терагерцовых волн. К числу известных терагерцовых исследовательских лабораторий относятся Лаборатория реактивного движения (JPL), Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC), Национальная лаборатория США (LLNL), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Национальный научный фонд (NSF) и др. Были разработаны новые терагерцовые антенны для терагерцовых применений, такие как антенны типа «бабочка» и антенны с управлением частотным лучом. В соответствии с развитием терагерцовых антенн, в настоящее время можно выделить три основные концепции их конструкции, как показано на рисунке 6.
Рисунок 6. Три основных конструктивных решения для терагерцовых антенн.
Приведенный выше анализ показывает, что, хотя многие страны уделяют большое внимание терагерцовым антеннам, эта область все еще находится на начальной стадии исследования и разработки. Из-за высоких потерь при распространении и молекулярного поглощения терагерцовые антенны обычно ограничены дальностью и зоной покрытия передачи. Некоторые исследования сосредоточены на более низких рабочих частотах в терагерцовом диапазоне. Существующие исследования терагерцовых антенн в основном направлены на повышение коэффициента усиления за счет использования диэлектрических линзовых антенн и т. д., а также на повышение эффективности связи с помощью соответствующих алгоритмов. Кроме того, очень актуальной проблемой является вопрос повышения эффективности упаковки терагерцовых антенн.
Антенны общего назначения для терагерцового диапазона
Существует множество типов терагерцовых антенн: дипольные антенны с коническими полостями, антенные решетки с угловыми отражателями, диполи в форме бабочки, планарные антенны с диэлектрическими линзами, фотопроводящие антенны для генерации терагерцового излучения, рупорные антенны, терагерцовые антенны на основе графеновых материалов и т. д. В зависимости от используемых материалов терагерцовые антенны можно условно разделить на металлические антенны (в основном рупорные), диэлектрические антенны (линзовые антенны) и антенны из новых материалов. В этом разделе сначала дается предварительный анализ этих антенн, а затем в следующем разделе подробно рассматриваются и анализируются пять типичных терагерцовых антенн.
1. Металлические антенны
Рупорная антенна — это типичная металлическая антенна, предназначенная для работы в терагерцовом диапазоне. Антенной классического миллиметрового приемника является конический рупор. Гофрированные и двухрежимные антенны обладают множеством преимуществ, включая симметричные относительно оси вращения диаграммы направленности, высокое усиление от 20 до 30 дБи и низкий уровень кросс-поляризации -30 дБ, а также эффективность связи от 97% до 98%. Доступная полоса пропускания двух типов рупорных антенн составляет 30–40% и 6–8% соответственно.
Поскольку частота терагерцовых волн очень высока, размеры рупорной антенны очень малы, что значительно затрудняет её изготовление, особенно при проектировании антенных решеток. Сложность технологии обработки приводит к чрезмерным затратам и ограничению производства. Из-за сложности изготовления основания сложной конструкции рупора обычно используется простая рупорная антенна в виде конического или конусообразного рупора, что позволяет снизить стоимость и сложность процесса, а также сохранить хорошие характеристики излучения антенны.
Еще одна металлическая антенна — это пирамидальная антенна бегущей волны, которая состоит из антенны бегущей волны, интегрированной на диэлектрической пленке толщиной 1,2 микрона и подвешенной в продольной полости, вытравленной на кремниевой подложке, как показано на рисунке 7. Эта антенна имеет открытую структуру и совместима с диодами Шоттки. Благодаря относительно простой конструкции и низким требованиям к изготовлению, она, как правило, может использоваться в частотных диапазонах выше 0,6 ТГц. Однако уровень боковых лепестков и уровень кросс-поляризации антенны высоки, вероятно, из-за ее открытой структуры. Поэтому ее эффективность связи относительно низка (около 50%).
Рисунок 7. Пирамидальная антенна с бегущей волной
2. Диэлектрическая антенна
Диэлектрическая антенна представляет собой комбинацию диэлектрической подложки и антенного излучателя. При правильном проектировании диэлектрическая антенна может обеспечить согласование импеданса с детектором и обладает преимуществами простоты процесса, лёгкой интеграции и низкой стоимости. В последние годы исследователи разработали несколько узкополосных и широкополосных антенн с боковым излучением, которые могут согласовываться с низкоимпедансными детекторами терагерцовых диэлектрических антенн: антенна типа «бабочка», антенна в форме двойной U-образной формы, логопериодическая антенна и логопериодическая синусоидальная антенна, как показано на рисунке 8. Кроме того, с помощью генетических алгоритмов можно проектировать более сложные геометрические формы антенн.
Рисунок 8. Четыре типа плоских антенн.
Однако, поскольку диэлектрическая антенна соединена с диэлектрической подложкой, при приближении частоты к ТГц-диапазону возникает эффект поверхностных волн. Этот существенный недостаток приводит к значительным потерям энергии антенной во время работы и существенному снижению эффективности излучения. Как показано на рисунке 9, когда угол излучения антенны превышает угол отсечки, её энергия локализуется в диэлектрической подложке и связывается с модой подложки.
Рисунок 9. Эффект поверхностных волн антенны.
С увеличением толщины подложки возрастает количество мод высокого порядка, усиливается связь между антенной и подложкой, что приводит к потерям энергии. Для ослабления эффекта поверхностных волн предлагаются три схемы оптимизации:
1) Установите линзу на антенну, чтобы увеличить коэффициент усиления, используя характеристики формирования луча электромагнитных волн.
2) Уменьшить толщину подложки для подавления генерации высокопорядковых мод электромагнитных волн.
3) Замените диэлектрический материал подложки на материал с электромагнитной запрещенной зоной (ЭЗЗ). Пространственная фильтрация, обеспечиваемая ЭЗЗ, позволяет подавлять моды высокого порядка.
3. Антенны из новых материалов
В дополнение к двум вышеупомянутым антеннам, существует также терагерцовая антенна, изготовленная из новых материалов. Например, в 2006 году Цзинь Хао и др. предложили дипольную антенну из углеродных нанотрубок. Как показано на рисунке 10 (а), диполь изготовлен из углеродных нанотрубок вместо металлических материалов. Он тщательно изучил инфракрасные и оптические свойства дипольной антенны из углеродных нанотрубок и обсудил общие характеристики дипольной антенны из углеродных нанотрубок конечной длины, такие как входное сопротивление, распределение тока, коэффициент усиления, эффективность и диаграмма направленности. На рисунке 10 (б) показана зависимость входного сопротивления от частоты дипольной антенны из углеродных нанотрубок. Как видно на рисунке 10 (б), мнимая часть входного сопротивления имеет несколько нулей на высоких частотах. Это указывает на то, что антенна может достигать множественных резонансов на разных частотах. Очевидно, что антенна из углеродных нанотрубок демонстрирует резонанс в определенном диапазоне частот (нижние терагерцовые частоты), но совершенно не способна резонировать за пределами этого диапазона.
Рисунок 10 (а) Дипольная антенна из углеродных нанотрубок. (б) Кривая зависимости входного импеданса от частоты.
В 2012 году Самир Ф. Махмуд и Айед Р. Аль-Аджми предложили новую структуру терагерцовой антенны на основе углеродных нанотрубок, которая состоит из пучка углеродных нанотрубок, обернутых двумя диэлектрическими слоями. Внутренний диэлектрический слой представляет собой слой диэлектрической пены, а внешний диэлектрический слой — слой метаматериала. Конкретная структура показана на рисунке 11. В ходе испытаний было установлено, что характеристики излучения антенны улучшены по сравнению с одностенными углеродными нанотрубками.
Рисунок 11. Новая терагерцовая антенна на основе углеродных нанотрубок.
Предложенные выше новые терагерцовые антенны на основе материалов в основном являются трехмерными. Для улучшения полосы пропускания антенны и создания конформных антенн широкое внимание привлекают планарные графеновые антенны. Графен обладает превосходными динамическими характеристиками непрерывного управления и может генерировать поверхностную плазму путем регулирования напряжения смещения. Поверхностная плазма существует на границе раздела между подложками с положительной диэлектрической постоянной (такими как Si, SiO2 и т. д.) и подложками с отрицательной диэлектрической постоянной (такими как драгоценные металлы, графен и т. д.). В проводниках, таких как драгоценные металлы и графен, содержится большое количество «свободных электронов». Эти свободные электроны также называются плазмой. Благодаря присущему проводнику потенциальному полю, эта плазма находится в стабильном состоянии и не подвергается воздействию внешней среды. Когда энергия падающей электромагнитной волны передается на эту плазму, плазма отклоняется от стационарного состояния и начинает вибрировать. После преобразования электромагнитная мода образует поперечную магнитную волну на границе раздела. Согласно описанию дисперсионного соотношения плазмы на поверхности металла с помощью модели Друде, металлы не могут естественным образом взаимодействовать с электромагнитными волнами в свободном пространстве и преобразовывать энергию. Для возбуждения поверхностных плазменных волн необходимо использовать другие материалы. Поверхностные плазменные волны быстро затухают в направлении, параллельном границе раздела металл-подложка. Когда металлический проводник проводит ток в направлении, перпендикулярном поверхности, возникает скин-эффект. Очевидно, что из-за малых размеров антенны в высокочастотном диапазоне возникает скин-эффект, что приводит к резкому снижению характеристик антенны и не позволяет ей соответствовать требованиям терагерцовых антенн. Поверхностный плазмон графена не только обладает большей силой связи и меньшими потерями, но и поддерживает непрерывную электрическую настройку. Кроме того, графен обладает сложной проводимостью в терагерцовом диапазоне. Следовательно, медленное распространение волн связано с плазменной модой на терагерцовых частотах. Эти характеристики полностью демонстрируют возможность замены металлических материалов графеном в терагерцовом диапазоне.
На основе поляризационного поведения поверхностных плазмонов графена на рисунке 12 показан новый тип полосковой антенны и предложена форма полосы частот, определяющая характеристики распространения плазменных волн в графене. Разработка перестраиваемой полосы частот антенны открывает новые возможности для изучения характеристик распространения терагерцовых антенн из новых материалов.
Рисунок 12. Новая полосковая антенна.
Помимо исследования новых типов терагерцовых антенных элементов из новых материалов, терагерцовые антенны на основе наночастиц графена также могут быть спроектированы в виде массивов для создания терагерцовых многовходовых многовыходовых антенных систем связи. Структура антенны показана на рисунке 13. Благодаря уникальным свойствам наночастиц графена, антенные элементы имеют микронные размеры. Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет напрямую синтезировать различные изображения графена на тонком слое никеля и переносить их на любую подложку. Путем выбора соответствующего количества компонентов и изменения напряжения электростатического смещения можно эффективно изменять направление излучения, что делает систему реконфигурируемой.
Рисунок 13. Массив терагерцовых антенн на основе наночастиц из графена.
Исследование новых материалов — относительно новое направление. Ожидается, что инновации в материалах позволят преодолеть ограничения традиционных антенн и разработать множество новых типов антенн, таких как реконфигурируемые метаматериалы, двумерные (2D) материалы и т. д. Однако разработка таких антенн в основном зависит от инноваций в материалах и совершенствования технологических процессов. В любом случае, разработка терагерцовых антенн требует инновационных материалов, точных технологий обработки и новых конструктивных решений для удовлетворения требований к высокому коэффициенту усиления, низкой стоимости и широкой полосе пропускания терагерцовых антенн.
В следующем разделе представлены основные принципы работы трех типов терагерцовых антенн: металлических антенн, диэлектрических антенн и антенн из новых материалов, а также проанализированы их различия, преимущества и недостатки.
1. Металлическая антенна: Простая геометрия, легкость обработки, относительно низкая стоимость и низкие требования к материалам подложки. Однако в металлических антеннах используется механический метод регулировки положения антенны, что подвержено ошибкам. Неправильная регулировка значительно снижает характеристики антенны. Несмотря на небольшие размеры, металлическую антенну сложно собрать с планарной схемой.
2. Диэлектрическая антенна: Диэлектрическая антенна обладает низким входным импедансом, легко согласуется с низкоимпедансным детектором и относительно проста в подключении к планарной схеме. Геометрические формы диэлектрических антенн включают форму бабочки, двойную U-образную форму, обычную логарифмическую форму и логарифмическую периодическую синусоидальную форму. Однако у диэлектрических антенн есть и существенный недостаток, а именно эффект поверхностных волн, вызванный толстой подложкой. Решение заключается в использовании линзы и замене диэлектрической подложки на структуру EBG. Оба решения требуют инноваций и постоянного совершенствования технологических процессов и материалов, но их превосходные характеристики (такие как всенаправленность и подавление поверхностных волн) могут дать новые идеи для исследований терагерцовых антенн.
3. Антенны из новых материалов: В настоящее время появились новые дипольные антенны из углеродных нанотрубок и новые антенные структуры из метаматериалов. Новые материалы могут обеспечить прорыв в производительности, но для этого необходимы инновации в материаловении. В настоящее время исследования в области антенн из новых материалов все еще находятся на стадии поиска, и многие ключевые технологии еще недостаточно зрелы.
Таким образом, в зависимости от проектных требований можно выбирать различные типы терагерцовых антенн:
1) Если требуется простая конструкция и низкая себестоимость производства, можно выбрать металлические антенны.
2) Если требуется высокая степень интеграции и низкое входное сопротивление, можно выбрать диэлектрические антенны.
3) Если требуется прорыв в производительности, можно выбрать антенны из новых материалов.
Представленные выше конструкции также могут быть скорректированы в соответствии с конкретными требованиями. Например, для получения дополнительных преимуществ можно комбинировать два типа антенн, но при этом метод сборки и технология проектирования должны соответствовать более строгим требованиям.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Дата публикации: 02.08.2024
