С ростом популярности беспроводных устройств службы передачи данных вступили в новый период быстрого развития, также известный как взрывной рост служб 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 использовать в режиме реального времени, но эта ситуация также привела к быстрому росту трафика данных и нехватке ресурсов полосы пропускания. Согласно статистике, скорость передачи данных на рынке может достичь Гбит/с или даже Тбит/с в течение следующих 10-15 лет. В настоящее время терагерцовая связь достигла скорости передачи данных Гбит/с, в то время как скорость передачи данных Тбит/с все еще находится на ранних стадиях развития. В соответствующей статье перечислены последние достижения в скорости передачи данных Гбит/с на основе терагерцового диапазона и прогнозируется, что Тбит/с может быть получен с помощью поляризационного мультиплексирования. Поэтому для увеличения скорости передачи данных возможным решением является разработка нового диапазона частот, который является терагерцовым диапазоном, 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 фиксированных и наземных мобильных служб. Видно, что терагерцовые беспроводные системы связи 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 частотный диапазон находится между микроволнами и инфракрасным светом.
Рис. 1. Принципиальная схема ТГц диапазона частот.
Разработка терагерцовых антенн
Хотя исследования терагерцового диапазона начались в 19 веке, в то время они не изучались как независимая область. Исследования терагерцового излучения были в основном сосредоточены на дальнем инфракрасном диапазоне. Только в середине-конце 20 века исследователи начали продвигать исследования миллиметровых волн в терагерцовый диапазон и проводить специализированные исследования терагерцовой технологии.
В 1980-х годах появление источников терагерцового излучения сделало возможным применение терагерцовых волн в практических системах. С 21-го века технология беспроводной связи быстро развивалась, и потребность людей в информации и рост коммуникационного оборудования выдвигали более строгие требования к скорости передачи данных связи. Поэтому одной из задач будущих технологий связи является работа с высокой скоростью передачи данных в гигабитах в секунду в одном месте. В условиях текущего экономического развития ресурсы спектра становятся все более дефицитными. Однако человеческие потребности в емкости и скорости связи безграничны. Для решения проблемы перегрузки спектра многие компании используют технологию MIMO (multiple-input multiple-output) для повышения эффективности 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 возрастет. Для традиционных систем связи миллиметрового диапазона микроволновые линии связи не смогут обрабатывать эти огромные потоки данных. Кроме того, из-за влияния прямой видимости дальность передачи инфракрасной связи невелика, а местоположение ее коммуникационного оборудования фиксировано. Поэтому терагерцовые волны, которые находятся между микроволнами и инфракрасным излучением, могут использоваться для построения высокоскоростных систем связи и увеличения скорости передачи данных с помощью терагерцовых каналов.
Терагерцовые волны могут обеспечить более широкую полосу пропускания связи, а их частотный диапазон примерно в 1000 раз больше, чем у мобильной связи. Поэтому использование ТГц для создания сверхскоростных беспроводных систем связи является многообещающим решением проблемы высоких скоростей передачи данных, что привлекло интерес многих исследовательских групп и отраслей. В сентябре 2017 года был выпущен первый стандарт беспроводной связи ТГц IEEE 802.15.3d-2017, который определяет обмен данными точка-точка в нижнем диапазоне частот ТГц 252-325 ГГц. Альтернативный физический уровень (PHY) канала может достигать скорости передачи данных до 100 Гбит/с при различных полосах пропускания.
Первая успешная система связи в диапазоне терагерц 0,12 ТГц была создана в 2004 году, а система связи в диапазоне терагерц 0,3 ТГц была реализована в 2013 году. В таблице 1 перечислены результаты исследований систем связи в диапазоне терагерц в Японии с 2004 по 2013 год.
Таблица 1. Прогресс исследований терагерцовых систем 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 помещениях с близким радиусом действия передатчик с плоской антенной, используемый внутри помещения, состоит из чипа однолинейного несущего фотодиода (UTC-PD), плоской щелевой антенны и кремниевой линзы, как показано на рисунке 2(а).
2. В условиях дальнего действия вне помещения, чтобы улучшить влияние больших потерь передачи и низкой чувствительности детектора, антенна передатчика должна иметь высокий коэффициент усиления. Существующая терагерцовая антенна использует гауссову оптическую линзу с коэффициентом усиления более 50 дБи. Комбинация рупорного облучателя и диэлектрической линзы показана на рисунке 2(b).
В дополнение к разработке системы связи 0,12 ТГц, NTT также разработала систему связи 0,3 ТГц в 2012 году. Благодаря непрерывной оптимизации скорость передачи данных может достигать 100 Гбит/с. Как видно из Таблицы 1, она внесла большой вклад в развитие терагерцовой связи. Однако текущая исследовательская работа имеет недостатки: низкая рабочая частота, большой размер и высокая стоимость.
Большинство используемых в настоящее время терагерцовых антенн являются модификациями антенн миллиметрового диапазона, и в терагерцовых антеннах мало инноваций. Поэтому для улучшения производительности систем терагерцовой связи важной задачей является оптимизация терагерцовых антенн. В таблице 2 перечислен прогресс исследований немецкой терагерцовой связи. На рисунке 3 (а) показана репрезентативная система беспроводной связи терагерцового диапазона, объединяющая фотонику и электронику. На рисунке 3 (б) показана сцена испытаний в аэродинамической трубе. Судя по текущей ситуации с исследованиями в Германии, ее исследования и разработки также имеют такие недостатки, как низкая рабочая частота, высокая стоимость и низкая эффективность.
Таблица 2. Прогресс исследований в области терагерцовой связи в Германии
Рисунок 3. Сцена испытания в аэродинамической трубе.
Центр CSIRO ICT также инициировал исследования систем беспроводной связи в диапазоне ТГц внутри помещений. Центр изучал взаимосвязь между годом и частотой связи, как показано на рисунке 4. Как видно из рисунка 4, к 2020 году исследования в области беспроводной связи стремятся к диапазону ТГц. Максимальная частота связи с использованием радиоспектра увеличивается примерно в десять раз каждые двадцать лет. Центр дал рекомендации по требованиям к антеннам в диапазоне ТГц и предложил традиционные антенны, такие как рупоры и линзы для систем связи в диапазоне ТГц. Как показано на рисунке 5, две рупорные антенны работают на частотах 0,84 ТГц и 1,7 ТГц соответственно, с простой структурой и хорошими характеристиками гауссового луча.
Рисунок 4. Связь между годом и частотой
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Рисунок 5. Два типа рупорных антенн
Соединенные Штаты провели обширные исследования по излучению и обнаружению терагерцовых волн. Известные терагерцовые исследовательские лаборатории включают Лабораторию реактивного движения (JPL), Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC), Национальную лабораторию США (LLNL), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Национальный научный фонд (NSF) и т. д. Были разработаны новые терагерцовые антенны для терагерцовых приложений, такие как антенны-бабочки и антенны с частотным управлением лучом. Согласно разработке терагерцовых антенн, в настоящее время мы можем получить три основные идеи дизайна 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 терагерцовые антенны обычно ограничены дальностью передачи и покрытием. Некоторые исследования сосредоточены на более низких рабочих частотах в терагерцовом диапазоне. Существующие исследования терагерцовых антенн в основном сосредоточены на улучшении усиления за счет использования диэлектрических линзовых антенн и т. д., а также на повышении эффективности связи за счет использования соответствующих алгоритмов. Кроме того, очень актуальным вопросом является также то, как повысить эффективность упаковки терагерцовых антенн.
Общие ТГц антенны
Существует множество типов ТГц-антенн: дипольные антенны с коническими полостями, решетки уголковых отражателей, диполи типа «бабочка», диэлектрические линзовые планарные антенны, фотопроводящие антенны для генерации источников излучения ТГц, рупорные антенны, ТГц-антенны на основе графеновых материалов и т. д. В зависимости от материалов, используемых 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 рассматриваются и анализируются пять типичных ТГц-антенн.
1. Металлические антенны
Рупорная антенна — это типичная металлическая антенна, которая предназначена для работы в терагерцовом диапазоне. Антенна классического приемника миллиметровых волн — это конический рупор. Гофрированные и двухрежимные антенны имеют много 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%. Доступные полосы пропускания двух рупорных антенн составляют 30%-40% и 6%-8% соответственно.
Поскольку частота терагерцовых волн очень высока, размер рупорной антенны очень мал, что делает обработку рупора очень сложной, особенно при проектировании антенных решеток, а сложность технологии обработки приводит к чрезмерной стоимости и ограниченному производству. Из-за сложности изготовления нижней части сложной конструкции рупора обычно используется простая рупорная антенна в виде конического или конического рупора, что позволяет снизить стоимость и сложность процесса, а также сохранить хорошие характеристики излучения антенны.
Другая 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 пластине, как показано на рисунке 7. Эта антенна представляет собой открытую структуру, совместимую с диодами Шоттки. Благодаря своей относительно простой структуре и низким производственным требованиям ее 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 структуры. Поэтому ее эффективность связи относительно низкая (около 50%).
Рисунок 7 Пирамидальная антенна бегущей волны
2. Диэлектрическая антенна
Диэлектрическая антенна представляет собой комбинацию диэлектрической подложки и антенного излучателя. Благодаря правильной конструкции диэлектрическая антенна может достичь согласования импеданса с детектором и имеет преимущества простого процесса, легкой интеграции и низкой стоимости. В последние годы исследователи разработали несколько узкополосных и широкополосных антенн бокового излучения, которые могут соответствовать детекторам с низким импедансом терагерцовых диэлектрических антенн: антенна-бабочка, двойная U-образная антенна, логопериодическая антенна и логопериодическая синусоидальная антенна, как показано на рисунке 8. Кроме того, с помощью генетических алгоритмов можно проектировать более сложные геометрии антенн.
Рисунок 8. Четыре типа планарных антенн
Однако, поскольку диэлектрическая антенна объединена с диэлектрической подложкой, то при приближении частоты к диапазону ТГц возникнет эффект поверхностной волны. Этот фатальный недостаток приведет к тому, что антенна будет терять 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 ограничивается диэлектрической подложкой и связана с модой подложки.
Рисунок 9. Эффект поверхностной волны антенны
С увеличением толщины подложки увеличивается число мод высокого порядка, а также увеличивается связь между антенной и подложкой, что приводит к потере энергии. Для ослабления эффекта поверхностной волны существуют 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 высших мод электромагнитных волн.
3) Заменить диэлектрический материал подложки на электромагнитную запрещенную зону (EBG). Пространственные фильтрующие характеристики EBG могут подавлять моды высокого порядка.
3. Антенны из нового материала
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, усиление, эффективность и диаграмма направленности излучения. Рисунок 10 (б) показывает связь между входным сопротивлением и частотой дипольной антенны из углеродных нанотрубок. Как видно на рисунке 10 (б), мнимая часть входного сопротивления 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 (более низкие частоты ТГц), но совершенно неспособна резонировать за пределами этого диапазона.
Рисунок 10 (а) Дипольная антенна из углеродной нанотрубки. (б) 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 в два диэлектрических слоя. Внутренний диэлектрический слой представляет собой слой диэлектрической пены, а внешний диэлектрический слой — слой метаматериала. Конкретная структура показана на рисунке 11. В ходе испытаний характеристики излучения антенны были улучшены по сравнению с однослойными углеродными нанотрубками.
Рисунок 11 Новая терагерцовая антенна на основе углеродных нанотрубок
Новые материальные терагерцовые антенны, предложенные выше, в основном трехмерные. Для улучшения полосы пропускания антенны и создания конформных антенн широкое внимание привлекли планарные графеновые антенны. Графен обладает превосходными динамическими непрерывными характеристиками управления и может генерировать поверхностную плазму путем регулировки напряжения смещения. Поверхностная плазма существует на границе раздела 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 проводниках, таких как драгоценные металлы и графен, имеется большое количество «свободных электронов». Эти свободные электроны также называются плазмами. Из-за присущего проводнику потенциального поля эти плазмы находятся в стабильном состоянии и не нарушаются внешним миром. Когда энергия падающей электромагнитной волны соединяется с этими плазмами, плазма будет отклоняться от устойчивого состояния и вибрировать. После преобразования электромагнитная мода образует поперечную магнитную волну на границе раздела. Согласно описанию дисперсионного соотношения поверхностной плазмы металла моделью Друде, металлы не могут естественным образом связываться 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 интерфейса металл-подложка. Когда металлический проводник проводит в направлении, перпендикулярном поверхности, возникает скин-эффект. Очевидно, что из-за малого размера антенны в высокочастотном диапазоне возникает скин-эффект, что приводит к резкому падению производительности антенны и не может соответствовать требованиям терагерцовых антенн. Поверхностный плазмон графена не только имеет более высокую силу связи и меньшие потери, но и поддерживает непрерывную электрическую настройку. Кроме того, графен имеет сложную проводимость в терагерцовом диапазоне. Поэтому медленное распространение волн связано с плазменной модой на терагерцовых частотах. Эти характеристики полностью демонстрируют возможность графена заменить металлические материалы в терагерцовом диапазоне.
На основе поляризационного поведения поверхностных плазмонов графена на рисунке 12 показан новый тип полосковой антенны и предложена форма полосы характеристик распространения плазменных волн в графене. Конструкция перестраиваемой полосы антенны обеспечивает новый способ изучения характеристик распространения новых материальных терагерцовых антенн.
Рисунок 12. Новая полосковая антенна
В дополнение к исследованию единичных новых материальных терагерцовых антенных элементов, графеновые нанопатч-терагерцовые антенны также могут быть спроектированы как массивы для создания терагерцовых многовходовых многовыходных антенных систем связи. Структура антенны показана на рисунке 13. Основываясь на уникальных свойствах графеновых нанопатч-антенн, антенные элементы имеют микронные размеры. Химическое осаждение из паровой фазы напрямую синтезирует различные графеновые изображения на тонком слое никеля и переносит их на любую подложку. Выбирая соответствующее количество компонентов и изменяя электростатическое напряжение смещения, можно эффективно изменять направление излучения, что делает систему реконфигурируемой.
Рисунок 13. Графеновая нанопластина терагерцовой антенной решетки
Исследование новых материалов является относительно новым направлением. Ожидается, что инновации в материалах прорвутся через 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 в новых материалах и развития технологий обработки. В любом случае, разработка терагерцовых антенн требует инновационных материалов, точной технологии обработки и новых структур дизайна для удовлетворения требований высокого усиления, низкой стоимости и широкой полосы пропускания терагерцовых антенн.
Ниже представлены основные принципы трех типов терагерцовых антенн: металлические антенны, диэлектрические антенны и антенны из новых материалов, а также проанализированы их различия, преимущества и недостатки.
1. Металлическая антенна: геометрия проста, легка в обработке, относительно дешева и имеет низкие требования к материалам подложки. Однако металлические антенны используют механический метод регулировки положения антенны, который подвержен ошибкам. Если регулировка неверна, производительность антенны будет значительно снижена. Хотя металлическая антенна имеет небольшой размер, ее трудно собрать с помощью планарной схемы.
2. Диэлектрическая антенна: Диэлектрическая антенна имеет низкий входной импеданс, легко согласуется с детектором с низким импедансом и относительно просто подключается к плоской схеме. Геометрические формы диэлектрических антенн включают форму бабочки, форму двойной U, обычную логарифмическую форму и логарифмическую периодическую синусоидальную форму. Однако диэлектрические антенны также имеют фатальный недостаток, а именно эффект поверхностной волны, вызванный толстой подложкой. Решение состоит в том, чтобы загрузить линзу и заменить диэлектрическую подложку структурой EBG. Оба решения требуют инноваций и постоянного совершенствования технологии процесса и материалов, но их превосходные характеристики (такие как всенаправленность и подавление поверхностной волны) могут предоставить новые идеи для исследования 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 принести новые прорывы в производительности, но предпосылка — инновации в материаловедении. В настоящее время исследования антенн из новых материалов все еще находятся на стадии разведки, и многие ключевые технологии недостаточно зрелы.
Подводя итог, можно сказать, что в зависимости от требований к конструкции можно выбирать 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 новых материалов.
Вышеуказанные конструкции также могут быть скорректированы в соответствии с конкретными требованиями. Например, два типа антенн могут быть объединены для получения большего преимущества, но метод сборки и технология проектирования должны соответствовать более строгим требованиям.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите сайт:
Время публикации: 02-08-2024
