С ростом популярности беспроводных устройств услуги передачи данных вступили в новый период быстрого развития, также известный как взрывной рост услуг передачи данных. В настоящее время большое количество приложений постепенно мигрируют с компьютеров на беспроводные устройства, такие как мобильные телефоны, которые легко носить с собой и работать в режиме реального времени, но эта ситуация также привела к быстрому увеличению трафика данных и нехватке ресурсов полосы пропускания. . По статистике, скорость передачи данных на рынке может достичь Гбит/с или даже Тбит/с в ближайшие 10–15 лет. В настоящее время ТГц связь достигла скорости передачи данных в Гбит/с, тогда как скорость передачи данных в Тбит/с все еще находится на ранних стадиях развития. В соответствующем документе перечислены последние достижения в области скоростей передачи данных в Гбит/с на основе ТГц диапазона и предсказано, что Тбит/с можно получить с помощью поляризационного мультиплексирования. Поэтому для увеличения скорости передачи данных реальным решением является разработка нового диапазона частот — терагерцового диапазона, который находится в «пустой области» между микроволнами и инфракрасным светом. На Всемирной конференции радиосвязи МСЭ (ВКР-19) в 2019 году диапазон частот 275–450 ГГц использовался для фиксированной и наземной подвижной связи. Видно, что системы беспроводной связи терагерцового диапазона привлекли внимание многих исследователей.
Терагерцовые электромагнитные волны обычно определяются как полоса частот 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 диапазон частот находится между микроволнами и инфракрасным светом.
Рис. 1. Принципиальная схема ТГц диапазона частот.
Разработка терагерцовых антенн
Хотя исследования в области терагерцового диапазона начались еще в XIX веке, в то время они не изучались как самостоятельная область. Исследования терагерцового излучения были в основном сосредоточены на дальнем инфракрасном диапазоне. Лишь в середине-конце 20-го века исследователи начали продвигать исследования миллиметровых волн в терагерцовом диапазоне 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 21 века технологии беспроводной связи быстро развивались, а спрос людей на информацию и увеличение количества коммуникационного оборудования выдвинули более строгие требования к скорости передачи данных связи. Поэтому одной из задач будущих коммуникационных технологий является обеспечение высокой скорости передачи данных (гигабит в секунду) в одном месте. В условиях нынешнего экономического развития ресурсы спектра становятся все более скудными. Однако человеческие потребности в пропускной способности и скорости связи безграничны. Для решения проблемы перегрузки спектра многие компании используют технологию «множественный вход и множество выходов» (MIMO) для повышения эффективности использования спектра и пропускной способности системы за счет пространственного мультиплексирования. С развитием сетей 5G скорость передачи данных каждого пользователя превысит Гбит/с, а трафик данных базовых станций также значительно увеличится. В традиционных системах связи миллиметрового диапазона микроволновые каналы не смогут обрабатывать такие огромные потоки данных. Кроме того, из-за влияния прямой видимости расстояние передачи инфракрасной связи короткое, а местоположение оборудования связи фиксировано. Таким образом, ТГц волны, находящиеся между микроволнами и инфракрасными волнами, могут быть использованы для создания высокоскоростных систем связи и увеличения скорости передачи данных за счет использования ТГц каналов.
Терагерцовые волны могут обеспечить более широкую полосу пропускания связи, а их частотный диапазон примерно в 1000 раз превышает диапазон частот мобильной связи. Таким образом, использование ТГц для создания сверхвысокоскоростных систем беспроводной связи является многообещающим решением проблемы высоких скоростей передачи данных, которое привлекло интерес многих исследовательских групп и отраслей. В сентябре 2017 года был выпущен первый стандарт ТГц беспроводной связи IEEE 802.15.3d-2017, определяющий двухточечный обмен данными в нижнем ТГц диапазоне частот 252–325 ГГц. Альтернативный физический уровень (PHY) канала может достигать скорости передачи данных до 100 Гбит/с при различной полосе пропускания.
Первая успешная система связи 0,12 ТГц была создана в 2004 году, а система связи 0,3 ТГц была реализована в 2013 году. В таблице 1 представлен прогресс исследований систем терагерцовой связи в Японии с 2004 по 2013 год.
Таблица 1 Ход исследований систем терагерцовой связи в Японии с 2004 по 2013 гг.
Структура антенны системы связи, разработанной в 2004 году, была подробно описана Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) в 2005 году. Конфигурация антенны была представлена в двух случаях, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Принципиальная схема японской системы беспроводной связи NTT 120 ГГц.
Система объединяет фотоэлектрическое преобразование и антенну и имеет два режима работы:
1. В помещении ближнего действия передатчик с плоской антенной, используемый внутри помещения, состоит из однолинейного несущего фотодиода (UTC-PD), планарной щелевой антенны и кремниевой линзы, как показано на рисунке 2 (a).
2. В условиях открытого пространства на большом расстоянии, чтобы уменьшить влияние больших потерь при передаче и низкой чувствительности детектора, антенна передатчика должна иметь высокий коэффициент усиления. В существующей терагерцовой антенне используется гауссова оптическая линза с коэффициентом усиления более 50 дБи. Комбинация рупора и диэлектрической линзы показана на рисунке 2(b).
Помимо разработки системы связи 0,12 ТГц, в 2012 году NTT также разработала систему связи 0,3 ТГц. Благодаря постоянной оптимизации скорость передачи данных может достигать 100 Гбит/с. Как видно из таблицы 1, он внес большой вклад в развитие терагерцовой связи. Однако текущая исследовательская работа имеет недостатки: низкая рабочая частота, большие размеры и высокая стоимость.
Большинство используемых в настоящее время терагерцовых антенн являются модификацией антенн миллиметрового диапазона, а в терагерцовых антеннах мало инноваций. Поэтому для повышения производительности систем терагерцовой связи важной задачей является оптимизация терагерцовых антенн. В Таблице 2 представлен прогресс исследований немецкой ТГц связи. На рисунке 3 (а) показана репрезентативная система беспроводной связи ТГц, сочетающая в себе фотонику и электронику. На рис. 3 (б) показана сцена испытаний в аэродинамической трубе. Судя по текущей исследовательской ситуации в Германии, ее исследования и разработки также имеют такие недостатки, как низкая рабочая частота, высокая стоимость и низкая эффективность.
Таблица 2. Ход исследований ТГц связи в Германии
Рис. 3. Сцена испытаний в аэродинамической трубе.
Центр ИКТ CSIRO также инициировал исследование внутренних систем беспроводной связи ТГц. В центре изучали взаимосвязь года и частоты связи, как показано на рисунке 4. Как видно из рисунка 4, к 2020 году исследования в области беспроводной связи тяготеют к ТГц диапазону. Максимальная частота связи с использованием радиоспектра увеличивается примерно в десять раз каждые двадцать лет. Центр дал рекомендации относительно требований к ТГц антеннам и предложил традиционные антенны, такие как рупоры и линзы, для систем ТГц связи. Как показано на рисунке 5, две рупорные антенны работают на частотах 0,84 ТГц и 1,7 ТГц соответственно, имеют простую конструкцию и хорошие характеристики гауссова луча.
Рисунок 4. Зависимость между годом и частотой
РМ-BDHA818-20А
RM-DCPHA105145-20
Рисунок 5. Два типа рупорных антенн.
В США проведены обширные исследования по излучению и обнаружению терагерцовых волн. К известным терагерцовым исследовательским лабораториям относятся Лаборатория реактивного движения (JPL), Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC), Национальная лаборатория США (LLNL), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Национальный научный фонд (NSF) и др. Были разработаны новые терагерцовые антенны для терагерцовых приложений, такие как антенны с галстуком-бабочкой и антенны с управлением частотным лучом. В соответствии с развитием терагерцовых антенн в настоящее время мы можем получить три основные идеи конструкции терагерцовых антенн, как показано на рисунке 6.
Рисунок 6. Три основные идеи конструкции терагерцовых антенн.
Приведенный выше анализ показывает, что, хотя многие страны уделяют большое внимание терагерцовым антеннам, они все еще находятся на начальной стадии исследования и разработки. Из-за высоких потерь при распространении и молекулярного поглощения терагерцевые антенны обычно ограничены расстоянием передачи и зоной покрытия. Некоторые исследования сосредоточены на более низких рабочих частотах в ТГц диапазоне. Существующие исследования терагерцовых антенн в основном направлены на улучшение усиления за счет использования диэлектрических линзовых антенн и т. д., а также повышение эффективности связи за счет использования соответствующих алгоритмов. Кроме того, очень актуальным является вопрос о том, как повысить эффективность упаковки терагерцовых антенн.
Общие ТГц антенны
Существует множество типов ТГц антенн: дипольные антенны с коническими полостями, угловые рефлекторные решетки, диполи-бабочки, планарные антенны с диэлектрическими линзами, фотопроводящие антенны для генерации источников ТГц исходного излучения, рупорные антенны, ТГц антенны на основе графеновых материалов и т.д. По материалам, используемым для изготовления ТГц антенн, их можно условно разделить на металлические антенны (в основном рупорные антенны), диэлектрические антенны (линзовые антенны) и антенны из новых материалов. В этом разделе сначала дается предварительный анализ этих антенн, а затем в следующем разделе подробно представлены и подробно проанализированы пять типичных ТГц антенн.
1. Металлические антенны
Рупорная антенна представляет собой типичную металлическую антенну, предназначенную для работы в ТГц диапазоне. Антенна классического приемника миллиметрового диапазона представляет собой рупор конической формы. Гофрированные и двухмодовые антенны имеют множество преимуществ, включая вращательно-симметричные диаграммы направленности, высокий коэффициент усиления от 20 до 30 дБи и низкий уровень кросс-поляризации -30 дБ, а также эффективность связи от 97% до 98%. Доступная полоса пропускания двух рупорных антенн составляет 30–40% и 6–8% соответственно.
Поскольку частота терагерцовых волн очень высока, размеры рупорной антенны очень малы, что существенно затрудняет обработку рупора, особенно при проектировании антенных решеток, а сложность технологии обработки приводит к завышенной стоимости и ограниченное производство. Из-за сложности изготовления нижней части сложной рупорной конструкции обычно используется простая рупорная антенна в форме конического или конического рупора, что позволяет снизить стоимость и сложность процесса, а также сохранить характеристики излучения антенны. хорошо.
Другая металлическая антенна представляет собой пирамидальную антенну бегущей волны, которая состоит из антенны бегущей волны, интегрированной в диэлектрическую пленку толщиной 1,2 микрона и подвешенной в продольной полости, вытравленной на кремниевой пластине, как показано на рисунке 7. Эта антенна представляет собой открытую структуру, Совместим с диодами Шоттки. Благодаря относительно простой конструкции и низким требованиям к производству его обычно можно использовать в диапазонах частот выше 0,6 ТГц. Однако уровень боковых лепестков и уровень кросс-поляризации антенны высоки, вероятно, из-за ее открытой конструкции. Поэтому эффективность его связи относительно невелика (около 50%).
Рисунок 7. Пирамидальная антенна бегущей волны.
2. Диэлектрическая антенна
Диэлектрическая антенна представляет собой комбинацию диэлектрической подложки и излучателя антенны. Благодаря правильной конструкции диэлектрическая антенна может обеспечить согласование импеданса с детектором и имеет такие преимущества, как простота процесса, легкая интеграция и низкая стоимость. В последние годы исследователи разработали несколько узкополосных и широкополосных антенн бокового огня, которые могут соответствовать низкоомным детекторам терагерцовых диэлектрических антенн: антенна-бабочка, двойная U-образная антенна, логопериодическая антенна и логопериодическая синусоидальная антенна. показано на рисунке 8. Кроме того, с помощью генетических алгоритмов можно проектировать антенны более сложной геометрии.
Рисунок 8. Четыре типа планарных антенн.
Однако, поскольку диэлектрическая антенна совмещена с диэлектрической подложкой, при стремлении частоты к ТГц диапазону будет возникать эффект поверхностных волн. Этот фатальный недостаток приведет к тому, что антенна потеряет много энергии во время работы и приведет к значительному снижению эффективности излучения антенны. Как показано на рисунке 9, когда угол излучения антенны больше угла отсечки, ее энергия удерживается в диэлектрической подложке и связана с модой подложки.
Рис. 9. Эффект поверхностной волны антенны
По мере увеличения толщины подложки число мод высокого порядка увеличивается, а связь между антенной и подложкой увеличивается, что приводит к потерям энергии. Чтобы ослабить эффект поверхностных волн, существуют три схемы оптимизации:
1) Установите линзу на антенну, чтобы увеличить усиление за счет использования характеристик формирования диаграммы направленности электромагнитных волн.
2) Уменьшить толщину подложки для подавления генерации мод электромагнитных волн высокого порядка.
3) Замените диэлектрический материал подложки на материал с электромагнитной запрещенной зоной (EBG). Характеристики пространственной фильтрации EBG могут подавлять моды высокого порядка.
3. Антенны из нового материала.
Помимо двух вышеупомянутых антенн имеется еще терагерцовая антенна, изготовленная из новых материалов. Например, в 2006 году Цзинь Хао и др. предложил дипольную антенну из углеродных нанотрубок. Как показано на рисунке 10 (а), диполь изготовлен из углеродных нанотрубок, а не из металлических материалов. Он тщательно изучил инфракрасные и оптические свойства дипольной антенны из углеродных нанотрубок и обсудил общие характеристики дипольной антенны конечной длины из углеродных нанотрубок, такие как входное сопротивление, распределение тока, усиление, эффективность и диаграмма направленности. На рисунке 10 (б) показана зависимость между входным сопротивлением и частотой дипольной антенны из углеродных нанотрубок. Как видно на рисунке 10(b), мнимая часть входного импеданса имеет несколько нулей на более высоких частотах. Это указывает на то, что антенна может достигать нескольких резонансов на разных частотах. Очевидно, что антенна из углеродных нанотрубок демонстрирует резонанс в определенном диапазоне частот (нижние ТГц частоты), но совершенно не способна резонировать вне этого диапазона.
Рисунок 10 (а) Дипольная антенна из углеродных нанотрубок. (b) Кривая входного импеданса-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 представляет собой слой метаматериала. Конкретная структура показана на рисунке 11. В результате испытаний характеристики излучения антенны были улучшены по сравнению с одностенными углеродными нанотрубками.
Рисунок 11 Новая терагерцовая антенна на основе углеродных нанотрубок
Предложенные выше терагерцовые антенны из нового материала в основном трехмерны. Чтобы улучшить полосу пропускания антенны и создать конформные антенны, широкое внимание получили планарные графеновые антенны. Графен обладает превосходными динамическими характеристиками непрерывного управления и может генерировать поверхностную плазму, регулируя напряжение смещения. Поверхностная плазма существует на границе между подложками с положительной диэлектрической проницаемостью (такими как Si, SiO2 и т. д.) и подложками с отрицательной диэлектрической проницаемостью (такими как драгоценные металлы, графен и т. д.). В таких проводниках, как драгоценные металлы и графен, имеется 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 внешнего мира. Когда энергия падающей электромагнитной волны связывается с этой плазмой, плазма будет отклоняться от устойчивого состояния и вибрировать. После преобразования электромагнитная мода формирует на границе раздела поперечную магнитную волну. Согласно описанию закона дисперсии поверхностной плазмы 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 параллельном направлении границе раздела металл-подложка. Когда металлический проводник проводит ток в направлении, перпендикулярном поверхности, возникает скин-эффект. Очевидно, что из-за малых размеров антенны возникает скин-эффект в диапазоне высоких частот, из-за которого характеристики антенны резко падают и не могут соответствовать требованиям, предъявляемым к терагерцовым антеннам. Поверхностный плазмон графена не только имеет более высокую силу связи и меньшие потери, но также поддерживает непрерывную электрическую настройку. Кроме того, графен обладает сложной проводимостью в терагерцовом диапазоне. Следовательно, распространение медленных волн связано с плазменной модой на терагерцовых частотах. Эти характеристики полностью демонстрируют возможность графена заменить металлические материалы в терагерцовом диапазоне.
На рисунке 12, основанном на поляризационном поведении поверхностных плазмонов графена, показан новый тип полосковой антенны и предложена форма полосы характеристик распространения плазменных волн в графене. Конструкция перестраиваемого диапазона антенны открывает новый способ изучения характеристик распространения терагерцовых антенн из новых материалов.
Рис. 12 Новая полосковая антенна
В дополнение к исследованию элементов терагерцовой антенны из нового материала, терагерцовые антенны с графеновыми нанопатчами также могут быть спроектированы в виде решеток для создания антенных систем связи терагерцового диапазона с несколькими входами и множеством выходов. Структура антенны показана на рисунке 13. Благодаря уникальным свойствам антенн из графеновых нанопатчей антенные элементы имеют размеры микронного масштаба. Химическое осаждение из паровой фазы напрямую синтезирует различные изображения графена на тонком слое никеля и переносит их на любую подложку. Выбрав подходящее количество компонентов и изменив напряжение электростатического смещения, можно эффективно изменить направление излучения, что делает систему реконфигурируемой.
Рис. 13. Терагерцовая антенная решетка из графеновых наночастиц.
Исследование новых материалов – относительно новое направление. Ожидается, что инновации в материалах преодолеют ограничения традиционных антенн и разработают множество новых антенн, таких как реконфигурируемые метаматериалы, двумерные (2D) материалы и т. д. Однако этот тип антенн в основном зависит от инноваций новых материалов и развитие технологических процессов. В любом случае для разработки терагерцовых антенн требуются инновационные материалы, точная технология обработки и новые конструкции, отвечающие требованиям к высокому коэффициенту усиления, низкой стоимости и широкой полосе пропускания, предъявляемым к терагерцовым антеннам.
Ниже представлены основные принципы трех типов терагерцовых антенн: металлические антенны, диэлектрические антенны и антенны из новых материалов, а также анализируются их различия, преимущества и недостатки.
1. Металлическая антенна: геометрия проста, легка в обработке, относительно низкая стоимость и низкие требования к материалам подложки. Однако в металлических антеннах используется механический метод регулировки положения антенны, который подвержен ошибкам. Если регулировка неправильная, производительность антенны будет значительно снижена. Хотя металлическая антенна имеет небольшие размеры, ее сложно собрать по планарной схеме.
2. Диэлектрическая антенна. Диэлектрическая антенна имеет низкий входной импеданс, ее легко согласовать с детектором с низким импедансом и относительно просто подключить к планарной схеме. Геометрические формы диэлектрических антенн включают форму бабочки, форму двойной буквы U, традиционную логарифмическую форму и логарифмическую периодическую синусоидальную форму. Однако у диэлектрических антенн есть и фатальный недостаток, а именно эффект поверхностных волн, вызванный толстой подложкой. Решение состоит в том, чтобы загрузить линзу и заменить диэлектрическую подложку структурой 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 исследования терагерцовых антенн.
3. Антенны из новых материалов. В настоящее время появились новые дипольные антенны из углеродных нанотрубок и новые антенные конструкции из метаматериалов. Новые материалы могут привести к новым прорывам в производительности, но предпосылкой являются инновации в материаловедении. В настоящее время исследования новых материалов антенн все еще находятся на исследовательской стадии, и многие ключевые технологии еще недостаточно зрелы.
Таким образом, в соответствии с требованиями конструкции можно выбрать различные типы терагерцовых антенн:
1) Если требуется простая конструкция и низкая стоимость 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 нового материала.
Вышеуказанные конструкции также могут быть скорректированы в соответствии с конкретными требованиями. Например, для получения большего количества преимуществ можно объединить два типа антенн, но метод сборки и технология проектирования должны отвечать более строгим требованиям.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Время публикации: 02 августа 2024 г.
