С ростом популярности беспроводных устройств услуги передачи данных вступили в новый период бурного развития, также известный как взрывной рост услуг передачи данных. В настоящее время большое количество приложений постепенно переносится с компьютеров на беспроводные устройства, такие как мобильные телефоны, которые легко носить с собой и использовать в режиме реального времени. Однако эта ситуация также привела к быстрому росту трафика данных и дефициту пропускной способности. 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 ранней стадии развития. В соответствующей статье описываются последние достижения в области скоростей передачи данных в Гбит/с в терагерцовом диапазоне и прогнозируется возможность достижения Тбит/с с помощью поляризационного мультиплексирования. Поэтому для увеличения скорости передачи данных возможным решением является разработка нового диапазона частот – терагерцового, который находится в «пустой зоне» между микроволнами и инфракрасным излучением. На Всемирной конференции радиосвязи МСЭ (ВКР-19) в 2019 году диапазон частот 275–450 ГГц был использован для фиксированной и подвижной связи. Можно отметить, что системы беспроводной связи в терагерцовом диапазоне привлекли внимание многих исследователей.
Терагерцовые электромагнитные волны обычно определяются как диапазон частот 0,1–10 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) с длиной волны 0,03–3 мм. Согласно стандарту IEEE, терагерцовые волны определяются как диапазон 0,3–10 ТГц. На рисунке 1 показано, что терагерцовый диапазон частот находится между микроволнами и инфракрасным излучением.
Рис. 1. Принципиальная схема терагерцового диапазона частот.
Разработка терагерцовых антенн
Хотя исследования терагерцового излучения начались ещё в XIX веке, в то время оно не рассматривалось как самостоятельная область. Исследования терагерцового излучения были сосредоточены в основном 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 21-го века технологии беспроводной связи стремительно развиваются, а потребность людей в информации и рост коммуникационного оборудования предъявляют более строгие требования к скорости передачи данных. Поэтому одной из задач будущих коммуникационных технологий является работа с высокой скоростью передачи данных в гигабитах в секунду в одном месте. В условиях нынешнего 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 использования спектра и емкости системы за счет пространственного мультиплексирования. С развитием сетей 5G скорость соединения 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 справиться с такими огромными потоками данных. Кроме того, благодаря влиянию прямой видимости дальность передачи инфракрасной связи невелика, а местоположение коммуникационного оборудования фиксировано. Поэтому терагерцовые волны, находящиеся между микроволнами и инфракрасным диапазоном, могут быть использованы для создания высокоскоростных систем связи и повышения скорости передачи данных за счёт использования терагерцовых каналов.
Терагерцовые волны могут обеспечить более широкую полосу пропускания связи, а их частотный диапазон примерно в 1000 раз превышает диапазон мобильной связи. Таким образом, использование терагерцового диапазона для создания сверхскоростных беспроводных систем связи является перспективным решением проблемы высоких скоростей передачи данных, что привлекло внимание многих исследовательских групп и отраслей. В сентябре 2017 года был выпущен первый стандарт беспроводной связи в терагерцовом диапазоне IEEE 802.15.3d-2017, определяющий обмен данными «точка-точка» в нижнем терагерцовом диапазоне частот 252–325 ГГц. Альтернативный физический уровень (PHY) канала связи может достигать скорости передачи данных до 100 Гбит/с при различных значениях полосы пропускания.
Первая успешная система связи терагерцового диапазона 0,12 ТГц была создана в 2004 году, а система связи терагерцового диапазона 0,3 ТГц была реализована в 2013 году. В таблице 1 перечислен прогресс исследований в области систем связи терагерцового диапазона в Японии с 2004 по 2013 год.
Таблица 1. Развитие исследований в области терагерцовых систем связи в Японии с 2004 по 2013 год
Структура антенны системы связи, разработанной в 2004 году, была подробно описана корпорацией 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 планарной антенны, используемый внутри помещения, состоит из чипа однолинейного несущего фотодиода (UTC-PD), планарной щелевой антенны и кремниевой линзы, как показано на рисунке 2(а).
2. В условиях дальнего действия вне помещения, чтобы компенсировать влияние больших потерь при передаче и низкой чувствительности детектора, передающая антенна 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).
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: низкую рабочую частоту, большие габариты и высокую стоимость.
Большинство используемых в настоящее время терагерцовых антенн представляют собой модификации антенн миллиметрового диапазона, и в этой области практически нет инноваций. Поэтому для повышения производительности систем терагерцовой связи важной задачей является оптимизация терагерцовых антенн. В таблице 2 представлен прогресс исследований в области терагерцовой связи в Германии. На рисунке 3 (a) показана типичная терагерцовая беспроводная система связи, сочетающая фотонику и электронику. На рисунке 3 (b) показана сцена испытаний в аэродинамической трубе. Судя по текущей ситуации с исследованиями в Германии, исследования и разработки в этой области 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 информационно-коммуникационных технологий CSIRO также инициировал исследования систем беспроводной 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 будут направлены в терагерцовый диапазон. Максимальная частота связи с использованием радиочастотного спектра увеличивается примерно в десять раз каждые двадцать лет. Центр разработал рекомендации по требованиям к терагерцовым антеннам и предложил традиционные антенны, такие как рупорные и линзовые, 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, имея простую конструкцию и хорошие характеристики гауссова луча.
Рисунок 4. Соотношение между годом и частотой
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Рисунок 5. Два типа рупорных антенн
В США проводятся обширные исследования излучения и обнаружения терагерцовых волн. К числу известных исследовательских лабораторий, занимающихся терагерцовым диапазоном, 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. Разработаны новые терагерцовые антенны для терагерцовых приложений, такие как антенны-бабочки и антенны с частотным управлением лучом. Согласно развитию терагерцовых антенн, в настоящее время существуют три основных концепции их конструкции, как показано на рисунке 6.
Рисунок 6. Три основные идеи конструкции терагерцовых антенн
Приведённый выше анализ показывает, что, хотя многие страны уделяют большое внимание терагерцовым антеннам, они всё ещё находятся на начальной стадии исследований и разработок. Из-за высоких потерь при распространении и молекулярного поглощения терагерцовые антенны, как правило, ограничены дальностью передачи и зоной покрытия. Некоторые исследования сосредоточены на более низких рабочих частотах в терагерцовом диапазоне. Существующие исследования терагерцовых антенн в основном сосредоточены на улучшении коэффициента усиления за счёт использования диэлектрических линзовых антенн и т.д., а также на повышении эффективности связи за счёт применения соответствующих алгоритмов. Кроме того, весьма актуальным является вопрос повышения эффективности компоновки терагерцовых антенн.
Общие терагерцовые антенны
Существует множество типов терагерцовых антенн: дипольные антенны с коническими полостями, уголковые отражатели, диполи типа «бабочка», диэлектрические линзовые планарные антенны, фотопроводящие антенны для генерации терагерцового излучения, рупорные антенны, терагерцовые антенны на основе графеновых материалов и т. д. В зависимости от материалов, используемых для изготовления терагерцовых антенн, их можно условно разделить на металлические антенны (в основном рупорные), диэлектрические антенны (линзовые антенны) и антенны из новых материалов. В этом разделе сначала дан 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. Антенна классического приёмника миллиметровых волн представляет собой конический рупор. Гофрированные и двухмодовые антенны обладают множеством преимуществ, включая вращательно-симметричную диаграмму направленности, высокий коэффициент усиления (20–30 дБи), низкий уровень кросс-поляризации (-30 дБ) и эффективность связи (97–98%). 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 значительно затрудняет обработку рупора, особенно при проектировании антенных решёток, а сложность технологии обработки приводит к чрезмерной стоимости и ограниченному производству. В связи со сложностью изготовления нижней части рупора сложной конструкции, обычно используется простая рупорная антенна в форме конуса или конического рупора, что позволяет снизить стоимость и сложность процесса, а также сохранить хорошие характеристики излучения антенны.
Другая металлическая антенна – пирамидальная антенна бегущей волны, состоящая из антенны бегущей волны, интегрированной на диэлектрической пленке толщиной 1,2 мкм и подвешенной в продольной полости, вытравленной на кремниевой пластине, как показано на рисунке 7. Эта антенна имеет открытую структуру, совместимую с диодами Шоттки. Благодаря относительно простой конструкции и низким производственным требованиям она, как правило, может использоваться 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 быть согласована по импедансу с детектором, что обеспечивает простоту процесса, лёгкость интеграции и низкую стоимость. В последние годы исследователи разработали несколько узкополосных и широкополосных антенн бокового излучения, которые могут согласовываться с низкоимпедансными детекторами 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 антенны более сложной геометрии.
Рисунок 8. Четыре типа планарных антенн
Однако, поскольку диэлектрическая антенна совмещена с диэлектрической подложкой, при приближении частоты к терагерцовому диапазону возникнет эффект поверхностной волны. Этот фатальный недостаток приведёт к значительным потерям энергии антенной во время работы и значительному снижению эффективности её излучения. Как показано на рисунке 9, когда угол излучения антенны больше угла отсечки, её энергия будет сосредоточена в диэлектрической подложке и связана с модой подложки.
Рисунок 9. Эффект поверхностной волны антенны
С увеличением толщины подложки увеличивается число мод высокого порядка, а также усиливается связь антенны с подложкой, что приводит к потерям энергии. Для ослабления влияния поверхностных волн 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 (ЭЗЗ). Пространственные фильтрующие свойства ЭЗЗ позволяют подавлять моды высокого порядка.
3. Антенны из нового материала
Помимо двух вышеупомянутых антенн, 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 излучения. На рисунке 10 (б) показана зависимость 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 (нижние терагерцовые частоты), но полностью 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, состоящую из пучка углеродных нанотрубок, обернутых в два диэлектрических слоя. Внутренний диэлектрический слой представляет собой слой диэлектрической пены, а внешний – слой метаматериала. Конкретная структура показана на рисунке 11. В ходе испытаний удалось улучшить характеристики излучения антенны по сравнению с однослойными углеродными нанотрубками.
Рисунок 11 Новая терагерцовая антенна на основе углеродных нанотрубок
Предложенные выше новые терагерцовые антенны из материалов в основном трёхмерны. Для улучшения полосы пропускания антенны и создания конформных антенн широкое внимание привлекли планарные графеновые антенны. Графен обладает превосходными динамическими характеристиками непрерывного управления и может генерировать поверхностную плазму, регулируя напряжение 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, присутствует большое количество «свободных электронов». Эти свободные электроны также называются плазмой. Благодаря собственному потенциальному полю в проводнике эта плазма находится в стабильном состоянии и не подвержена влиянию внешнего мира. При взаимодействии энергии падающей электромагнитной волны с этой плазмой плазма отклоняется от стационарного состояния и начинает вибрировать. После преобразования электромагнитная мода образует на границе раздела поперечную магнитную волну. Согласно описанию дисперсионного соотношения поверхностной плазмы металла моделью 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 границы раздела металл-подложка. Когда металлический проводник проводит в направлении, перпендикулярном поверхности, возникает скин-эффект. Очевидно, что из-за малых размеров антенны возникает скин-эффект в высокочастотном диапазоне, что приводит к резкому снижению характеристик антенны и не может удовлетворить требованиям терагерцовых антенн. Поверхностный плазмон графена не только обладает более высокой силой связи и меньшими потерями, но и обеспечивает непрерывную электрическую настройку. Кроме того, графен обладает комплексной проводимостью в терагерцовом диапазоне. Следовательно, медленное распространение волн связано с плазменной модой на терагерцовых частотах. Эти характеристики в полной мере 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 распространения плазменных волн в графене. Конструкция перестраиваемой полосы антенны открывает новый способ изучения характеристик распространения терагерцовых антенн из новых материалов.
Рисунок 12. Новая полосковая антенна
Помимо исследования единичных новых материалов для изготовления терагерцовых антенных элементов, терагерцовые антенны на основе графеновых нанопатчей могут быть спроектированы в виде массивов для создания терагерцовых многовходовых и многовыходовых антенных систем связи. Структура антенны показана на рисунке 13. Благодаря уникальным свойствам графеновых нанопатчей, антенные элементы имеют микронные размеры. Метод химического осаждения из паровой фазы позволяет напрямую синтезировать различные графеновые изображения на тонком слое никеля и переносить их на любую подложку. Выбирая подходящее количество компонентов и изменяя электростатическое напряжение смещения, можно эффективно изменять направление излучения, что делает систему реконфигурируемой.
Рисунок 13. Терагерцовая антенная решетка на основе графеновых наночастиц
Исследование новых материалов – относительно новое направление. Ожидается, что инновации в области материалов позволят преодолеть ограничения традиционных антенн и разработать целый ряд новых антенн, таких как реконфигурируемые метаматериалы, двумерные (2D) материалы и т. д. Однако этот тип антенн в значительной степени зависит от инноваций в области новых материалов и развития технологий производства. В любом случае, разработка терагерцовых антенн требует инновационных материалов, точных технологий обработки и новых конструктивных структур для удовлетворения требований к высокому коэффициенту усиления, низкой стоимости и широкой полосе пропускания, предъявляемых к терагерцовым антеннам.
Ниже описываются основные принципы работы трех типов терагерцовых антенн: металлических антенн, диэлектрических антенн и антенн из новых материалов, а также анализируются их различия, преимущества и недостатки.
1. Металлическая антенна: простая геометрия, лёгкая в обработке, относительно низкая стоимость и низкие требования к материалам подложки. Однако металлические антенны используют механический метод регулировки положения антенны, что подвержено ошибкам. Неправильная регулировка значительно снижает эффективность антенны. Несмотря на небольшие размеры металлической антенны, её сложно собрать с помощью планарной схемы.
2. Диэлектрическая антенна: Диэлектрическая антенна имеет низкий входной импеданс, легко согласуется с низкоимпедансным детектором и относительно просто подключается к планарной схеме. Геометрические формы диэлектрических антенн включают в себя форму бабочки, форму двойной U, обычную логарифмическую форму и форму логарифмически периодической синусоиды. Однако диэлектрические антенны также имеют существенный недостаток, а именно эффект поверхностной волны, вызванный толстой подложкой. Решение заключается в загрузке линзы и замене диэлектрической подложки структурой EBG. Оба решения требуют инноваций и постоянного совершенствования технологий и материалов, но их превосходные характеристики (такие как всенаправленность и подавление поверхностных волн) могут дать новые идеи для исследований в области 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 их основой являются инновации в материаловедении. В настоящее время исследования антенн из новых материалов всё ещё находятся на стадии исследований, и многие ключевые технологии ещё недостаточно развиты.
Подводя итог, можно сказать, что различные типы терагерцовых антенн могут быть выбраны в соответствии с требованиями проекта:
1) Если требуется простая конструкция и низкая стоимость производства, можно выбрать металлические антенны.
2) Если требуются 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 адаптированы к конкретным требованиям. Например, два типа антенн можно объединить для получения дополнительных преимуществ, но при этом метод сборки и технология проектирования должны соответствовать более строгим требованиям.
Более подробную информацию об антеннах можно найти на сайте:
Время публикации: 02.08.2024
