Με την αυξανόμενη δημοτικότητα των ασύρματων συσκευών, οι υπηρεσίες δεδομένων έχουν εισέλθει σε μια νέα περίοδο ραγδαίας ανάπτυξης, γνωστή και ως εκρηκτική ανάπτυξη των υπηρεσιών δεδομένων. Προς το παρόν, ένας μεγάλος αριθμός εφαρμογών μεταναστεύει σταδιακά από τους υπολογιστές σε ασύρματες συσκευές όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι οποίες είναι εύκολες στη μεταφορά και τη λειτουργία σε πραγματικό χρόνο, αλλά αυτή η κατάσταση έχει οδηγήσει επίσης σε ραγδαία αύξηση της κίνησης δεδομένων και σε έλλειψη πόρων εύρους ζώνης. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία, ο ρυθμός δεδομένων στην αγορά μπορεί να φτάσει τα Gbps ή ακόμα και τα Tbps τα επόμενα 10 έως 15 χρόνια. Προς το παρόν, η επικοινωνία THz έχει φτάσει σε ρυθμό δεδομένων Gbps, ενώ ο ρυθμός δεδομένων Tbps βρίσκεται ακόμη στα αρχικά στάδια ανάπτυξης. Μια σχετική δημοσίευση παραθέτει την τελευταία πρόοδο στους ρυθμούς δεδομένων Gbps με βάση τη ζώνη THz και προβλέπει ότι τα Tbps μπορούν να επιτευχθούν μέσω πολυπλεξίας πόλωσης. Επομένως, για την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, μια εφικτή λύση είναι η ανάπτυξη μιας νέας ζώνης συχνοτήτων, η οποία είναι η ζώνη terahertz, η οποία βρίσκεται στην "κενή περιοχή" μεταξύ των μικροκυμάτων και του υπέρυθρου φωτός. Στο Παγκόσμιο Συνέδριο Ραδιοεπικοινωνιών της ITU (WRC-19) το 2019, η περιοχή συχνοτήτων 275-450GHz χρησιμοποιήθηκε για σταθερές και επίγειες κινητές υπηρεσίες. Είναι φανερό ότι τα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας terahertz έχουν προσελκύσει την προσοχή πολλών ερευνητών.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα τεραχέρτζ ορίζονται γενικά ως η ζώνη συχνοτήτων 0,1-10THz (1THz=1012Hz) με μήκος κύματος 0,03-3 mm. Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE, τα κύματα τεραχέρτζ ορίζονται ως 0,3-10THz. Το Σχήμα 1 δείχνει ότι η ζώνη συχνοτήτων τεραχέρτζ βρίσκεται μεταξύ μικροκυμάτων και υπέρυθρου φωτός.
Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα της ζώνης συχνοτήτων THz.
Ανάπτυξη κεραιών Terahertz
Αν και η έρευνα για την ακτινοβολία τεραχέρτζ ξεκίνησε τον 19ο αιώνα, δεν είχε μελετηθεί ως ανεξάρτητος τομέας εκείνη την εποχή. Η έρευνα για την ακτινοβολία τεραχέρτζ επικεντρώθηκε κυρίως στη ζώνη του απώτερου υπέρυθρου. Μόλις στα μέσα έως τα τέλη του 20ού αιώνα οι ερευνητές άρχισαν να προωθούν την έρευνα για τα χιλιοστομετρικά κύματα στη ζώνη των τεραχέρτζ και να διεξάγουν εξειδικευμένη έρευνα για την τεχνολογία των τεραχέρτζ.
Τη δεκαετία του 1980, η εμφάνιση πηγών ακτινοβολίας terahertz κατέστησε δυνατή την εφαρμογή κυμάτων terahertz σε πρακτικά συστήματα. Από τον 21ο αιώνα, η τεχνολογία ασύρματων επικοινωνιών έχει αναπτυχθεί ραγδαία και η ζήτηση των ανθρώπων για πληροφορίες και η αύξηση του εξοπλισμού επικοινωνίας έχουν θέσει αυστηρότερες απαιτήσεις για τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων επικοινωνίας. Επομένως, μία από τις προκλήσεις της μελλοντικής τεχνολογίας επικοινωνιών είναι η λειτουργία με υψηλό ρυθμό δεδομένων gigabit ανά δευτερόλεπτο σε μία τοποθεσία. Υπό την τρέχουσα οικονομική ανάπτυξη, οι πόροι φάσματος έχουν γίνει ολοένα και πιο σπάνιοι. Ωστόσο, οι ανθρώπινες απαιτήσεις για χωρητικότητα και ταχύτητα επικοινωνίας είναι ατελείωτες. Για το πρόβλημα της συμφόρησης του φάσματος, πολλές εταιρείες χρησιμοποιούν τεχνολογία πολλαπλών εισόδων και πολλαπλών εξόδων (MIMO) για να βελτιώσουν την αποδοτικότητα του φάσματος και τη χωρητικότητα του συστήματος μέσω χωρικής πολυπλεξίας. Με την πρόοδο των δικτύων 5G, η ταχύτητα σύνδεσης δεδομένων κάθε χρήστη θα υπερβεί τα Gbps και η κίνηση δεδομένων των σταθμών βάσης θα αυξηθεί επίσης σημαντικά. Για τα παραδοσιακά συστήματα επικοινωνίας χιλιοστομετρικών κυμάτων, οι μικροκυματικές συνδέσεις δεν θα είναι σε θέση να χειριστούν αυτές τις τεράστιες ροές δεδομένων. Επιπλέον, λόγω της επίδρασης της οπτικής επαφής, η απόσταση μετάδοσης της υπέρυθρης επικοινωνίας είναι μικρή και η θέση του εξοπλισμού επικοινωνίας της είναι σταθερή. Επομένως, τα κύματα THz, τα οποία βρίσκονται μεταξύ των μικροκυμάτων και των υπέρυθρων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συστημάτων επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας και την αύξηση των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων χρησιμοποιώντας ζεύξεις THz.
Τα κύματα Terahertz μπορούν να παρέχουν ευρύτερο εύρος ζώνης επικοινωνίας και το εύρος συχνοτήτων τους είναι περίπου 1000 φορές μεγαλύτερο από αυτό των κινητών επικοινωνιών. Επομένως, η χρήση THz για την κατασκευή συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη λύση στην πρόκληση των υψηλών ρυθμών δεδομένων, η οποία έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων και βιομηχανιών. Τον Σεπτέμβριο του 2017, κυκλοφόρησε το πρώτο πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας THz, IEEE 802.15.3d-2017, το οποίο ορίζει την ανταλλαγή δεδομένων από σημείο σε σημείο στην κατώτερη περιοχή συχνοτήτων THz των 252-325 GHz. Το εναλλακτικό φυσικό επίπεδο (PHY) της σύνδεσης μπορεί να επιτύχει ρυθμούς δεδομένων έως και 100 Gbps σε διαφορετικά εύρη ζώνης.
Το πρώτο επιτυχημένο σύστημα επικοινωνίας THz των 0,12 THz δημιουργήθηκε το 2004 και το σύστημα επικοινωνίας THz των 0,3 THz ολοκληρώθηκε το 2013. Ο Πίνακας 1 παραθέτει την πρόοδο της έρευνας για τα συστήματα επικοινωνίας terahertz στην Ιαπωνία από το 2004 έως το 2013.
Πίνακας 1 Πρόοδος της έρευνας για τα συστήματα επικοινωνίας terahertz στην Ιαπωνία από το 2004 έως το 2013
Η δομή της κεραίας ενός συστήματος επικοινωνίας που αναπτύχθηκε το 2004 περιγράφηκε λεπτομερώς από την Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) το 2005. Η διαμόρφωση της κεραίας εισήχθη σε δύο περιπτώσεις, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
Σχήμα 2 Σχηματικό διάγραμμα του ασύρματου συστήματος επικοινωνίας NTT 120 GHz της Ιαπωνίας
Το σύστημα ενσωματώνει φωτοηλεκτρική μετατροπή και κεραία και υιοθετεί δύο λειτουργίες:
1. Σε ένα εσωτερικό περιβάλλον κοντινής εμβέλειας, ο επίπεδος πομπός κεραίας που χρησιμοποιείται σε εσωτερικούς χώρους αποτελείται από ένα τσιπ φωτοδιόδου φορέα μίας γραμμής (UTC-PD), μια επίπεδη κεραία με υποδοχή και έναν φακό πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(α).
2. Σε ένα εξωτερικό περιβάλλον μεγάλης εμβέλειας, προκειμένου να βελτιωθεί η επίδραση των μεγάλων απωλειών μετάδοσης και της χαμηλής ευαισθησίας του ανιχνευτή, η κεραία πομπού πρέπει να έχει υψηλό κέρδος. Η υπάρχουσα κεραία terahertz χρησιμοποιεί έναν οπτικό φακό Gauss με κέρδος μεγαλύτερο από 50 dBi. Ο συνδυασμός της κόρνας τροφοδοσίας και του διηλεκτρικού φακού φαίνεται στο Σχήμα 2(β).
Εκτός από την ανάπτυξη ενός συστήματος επικοινωνίας 0,12 THz, η NTT ανέπτυξε επίσης ένα σύστημα επικοινωνίας 0,3 THz το 2012. Μέσω συνεχούς βελτιστοποίησης, ο ρυθμός μετάδοσης μπορεί να φτάσει τα 100 Gbps. Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 1, έχει συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη της επικοινωνίας terahertz. Ωστόσο, η τρέχουσα ερευνητική εργασία έχει τα μειονεκτήματα της χαμηλής συχνότητας λειτουργίας, του μεγάλου μεγέθους και του υψηλού κόστους.
Οι περισσότερες από τις κεραίες terahertz που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι τροποποιημένες από κεραίες χιλιοστομετρικών κυμάτων και υπάρχει μικρή καινοτομία στις κεραίες terahertz. Επομένως, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση των συστημάτων επικοινωνίας terahertz, ένα σημαντικό έργο είναι η βελτιστοποίηση των κεραιών terahertz. Ο Πίνακας 2 παραθέτει την πρόοδο της έρευνας για την επικοινωνία THz στη Γερμανία. Το Σχήμα 3 (α) δείχνει ένα αντιπροσωπευτικό ασύρματο σύστημα επικοινωνίας THz που συνδυάζει φωτονική και ηλεκτρονική. Το Σχήμα 3 (β) δείχνει το πεδίο δοκιμών σε αεροσήραγγα. Κρίνοντας από την τρέχουσα ερευνητική κατάσταση στη Γερμανία, η έρευνα και η ανάπτυξή της έχουν επίσης μειονεκτήματα όπως χαμηλή συχνότητα λειτουργίας, υψηλό κόστος και χαμηλή απόδοση.
Πίνακας 2 Πρόοδος της έρευνας για την επικοινωνία THz στη Γερμανία
Σχήμα 3 Σκηνή δοκιμής σε αεροσήραγγα
Το Κέντρο Πληροφορικής και Επικοινωνιών CSIRO έχει επίσης ξεκινήσει έρευνα για συστήματα ασύρματης επικοινωνίας εσωτερικού χώρου THz. Το κέντρο μελέτησε τη σχέση μεταξύ του έτους και της συχνότητας επικοινωνίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 4, έως το 2020, η έρευνα για τις ασύρματες επικοινωνίες τείνει στη ζώνη THz. Η μέγιστη συχνότητα επικοινωνίας χρησιμοποιώντας το ραδιοφάσμα αυξάνεται περίπου δέκα φορές κάθε είκοσι χρόνια. Το κέντρο έχει κάνει συστάσεις σχετικά με τις απαιτήσεις για τις κεραίες THz και έχει προτείνει παραδοσιακές κεραίες όπως κόρνες και φακούς για συστήματα επικοινωνίας THz. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, δύο κεραίες κόρνας λειτουργούν στα 0,84THz και 1,7THz αντίστοιχα, με απλή δομή και καλή απόδοση δέσμης Gauss.
Σχήμα 4 Σχέση μεταξύ έτους και συχνότητας
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Σχήμα 5 Δύο τύποι κεραιών κόρνας
Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν διεξάγει εκτεταμένη έρευνα σχετικά με την εκπομπή και την ανίχνευση κυμάτων terahertz. Διάσημα ερευνητικά εργαστήρια terahertz περιλαμβάνουν το Εργαστήριο Jet Propulsion (JPL), το Κέντρο Γραμμικού Επιταχυντή Stanford (SLAC), το Εθνικό Εργαστήριο των ΗΠΑ (LLNL), την Εθνική Διοίκηση Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA), το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) κ.λπ. Έχουν σχεδιαστεί νέες κεραίες terahertz για εφαρμογές terahertz, όπως κεραίες παπιγιόν και κεραίες διεύθυνσης δέσμης συχνότητας. Σύμφωνα με την ανάπτυξη κεραιών terahertz, μπορούμε να λάβουμε τρεις βασικές ιδέες σχεδιασμού για κεραίες terahertz προς το παρόν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.
Σχήμα 6 Τρεις βασικές ιδέες σχεδίασης για κεραίες terahertz
Η παραπάνω ανάλυση δείχνει ότι, παρόλο που πολλές χώρες έχουν δώσει μεγάλη προσοχή στις κεραίες terahertz, αυτές βρίσκονται ακόμη στο αρχικό στάδιο εξερεύνησης και ανάπτυξης. Λόγω της υψηλής απώλειας διάδοσης και της μοριακής απορρόφησης, οι κεραίες THz συνήθως περιορίζονται από την απόσταση μετάδοσης και την κάλυψη. Ορισμένες μελέτες επικεντρώνονται σε χαμηλότερες συχνότητες λειτουργίας στη ζώνη THz. Η υπάρχουσα έρευνα για τις κεραίες terahertz επικεντρώνεται κυρίως στη βελτίωση του κέρδους χρησιμοποιώντας κεραίες διηλεκτρικών φακών κ.λπ., και στη βελτίωση της αποδοτικότητας της επικοινωνίας χρησιμοποιώντας κατάλληλους αλγόριθμους. Επιπλέον, ο τρόπος βελτίωσης της αποδοτικότητας της συσκευασίας κεραιών terahertz είναι επίσης ένα πολύ επείγον ζήτημα.
Γενικές κεραίες THz
Υπάρχουν πολλοί τύποι κεραιών THz διαθέσιμοι: διπολικές κεραίες με κωνικές κοιλότητες, γωνιακές ανακλαστικές διατάξεις, δίπολα παπιγιόν, επίπεδες κεραίες διηλεκτρικών φακών, φωτοαγώγιμες κεραίες για την παραγωγή πηγών ακτινοβολίας THz, κεραίες κέρατος, κεραίες THz με βάση υλικά γραφενίου, κ.λπ. Ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των κεραιών THz, μπορούν να χωριστούν σε μεταλλικές κεραίες (κυρίως κεραίες κέρατος), διηλεκτρικές κεραίες (κεραίες φακού) και κεραίες νέου υλικού. Αυτή η ενότητα παρέχει πρώτα μια προκαταρκτική ανάλυση αυτών των κεραιών και, στη συνέχεια, στην επόμενη ενότητα, παρουσιάζονται λεπτομερώς και αναλύονται σε βάθος πέντε τυπικές κεραίες THz.
1. Μεταλλικές κεραίες
Η κεραία κόρνας είναι μια τυπική μεταλλική κεραία που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί στη ζώνη THz. Η κεραία ενός κλασικού δέκτη χιλιοστομετρικών κυμάτων είναι μια κωνική κεραία. Οι κυματοειδής και οι διπλής λειτουργίας κεραίες έχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως περιστροφικά συμμετρικά μοτίβα ακτινοβολίας, υψηλό κέρδος 20 έως 30 dBi και χαμηλό επίπεδο διασταυρούμενης πόλωσης -30 dB, και απόδοση σύζευξης 97% έως 98%. Τα διαθέσιμα εύρη ζώνης των δύο κεραιών κόρνας είναι 30%-40% και 6%-8%, αντίστοιχα.
Δεδομένου ότι η συχνότητα των κυμάτων terahertz είναι πολύ υψηλή, το μέγεθος της κεραίας-κόρνας είναι πολύ μικρό, γεγονός που καθιστά την επεξεργασία της κόρνας πολύ δύσκολη, ειδικά στο σχεδιασμό συστοιχιών κεραιών, και η πολυπλοκότητα της τεχνολογίας επεξεργασίας οδηγεί σε υπερβολικό κόστος και περιορισμένη παραγωγή. Λόγω της δυσκολίας στην κατασκευή του πυθμένα του σύνθετου σχεδιασμού κόρνας, συνήθως χρησιμοποιείται μια απλή κεραία-κόρνα με τη μορφή κωνικού ή κωνικού κόρνου, η οποία μπορεί να μειώσει το κόστος και την πολυπλοκότητα της διαδικασίας και η απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας μπορεί να διατηρηθεί καλά.
Μια άλλη μεταλλική κεραία είναι μια κεραία πυραμίδας οδεύοντος κύματος, η οποία αποτελείται από μια κεραία οδεύοντος κύματος ενσωματωμένη σε μια διηλεκτρική μεμβράνη 1,2 μικρών και αναρτημένη σε μια διαμήκη κοιλότητα χαραγμένη σε μια πλακέτα πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Αυτή η κεραία έχει ανοιχτή δομή που είναι συμβατή με διόδους Schottky. Λόγω της σχετικά απλής δομής της και των χαμηλών απαιτήσεων κατασκευής, μπορεί γενικά να χρησιμοποιηθεί σε ζώνες συχνοτήτων άνω των 0,6 THz. Ωστόσο, το επίπεδο των πλευρικών λοβών και το επίπεδο διασταυρούμενης πόλωσης της κεραίας είναι υψηλά, πιθανώς λόγω της ανοιχτής δομής της. Επομένως, η απόδοση σύζευξής της είναι σχετικά χαμηλή (περίπου 50%).
Σχήμα 7 Πυραμιδική κεραία με κινούμενο κύμα
2. Διηλεκτρική κεραία
Η διηλεκτρική κεραία είναι ένας συνδυασμός ενός διηλεκτρικού υποστρώματος και ενός ακτινοβολητή κεραίας. Μέσω του σωστού σχεδιασμού, η διηλεκτρική κεραία μπορεί να επιτύχει αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης με τον ανιχνευτή και έχει τα πλεονεκτήματα της απλής διαδικασίας, της εύκολης ενσωμάτωσης και του χαμηλού κόστους. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν σχεδιάσει αρκετές στενοζωνικές και ευρυζωνικές κεραίες πλευρικής πυροδότησης που μπορούν να ταιριάξουν με τους ανιχνευτές χαμηλής σύνθετης αντίστασης των διηλεκτρικών κεραιών terahertz: κεραία πεταλούδας, διπλή κεραία σχήματος U, λογαριθμικά περιοδική κεραία και λογαριθμικά περιοδική ημιτονοειδής κεραία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8. Επιπλέον, πιο σύνθετες γεωμετρίες κεραιών μπορούν να σχεδιαστούν μέσω γενετικών αλγορίθμων.
Σχήμα 8 Τέσσερις τύποι επίπεδων κεραιών
Ωστόσο, επειδή η διηλεκτρική κεραία συνδυάζεται με ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα, θα εμφανιστεί ένα φαινόμενο επιφανειακού κύματος όταν η συχνότητα τείνει προς τη ζώνη των THz. Αυτό το μοιραίο μειονέκτημα θα προκαλέσει την απώλεια μεγάλης ενέργειας από την κεραία κατά τη λειτουργία και θα οδηγήσει σε σημαντική μείωση της απόδοσης ακτινοβολίας της κεραίας. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9, όταν η γωνία ακτινοβολίας της κεραίας είναι μεγαλύτερη από τη γωνία αποκοπής, η ενέργειά της περιορίζεται στο διηλεκτρικό υπόστρωμα και συνδέεται με τη λειτουργία του υποστρώματος.
Σχήμα 9 Εφέ επιφανειακού κύματος κεραίας
Καθώς αυξάνεται το πάχος του υποστρώματος, αυξάνεται ο αριθμός των τρόπων υψηλής τάξης και η σύζευξη μεταξύ της κεραίας και του υποστρώματος αυξάνεται, με αποτέλεσμα την απώλεια ενέργειας. Προκειμένου να αποδυναμωθεί το φαινόμενο του επιφανειακού κύματος, υπάρχουν τρία σχήματα βελτιστοποίησης:
1) Τοποθετήστε έναν φακό στην κεραία για να αυξήσετε το κέρδος χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά σχηματισμού δέσμης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
2) Μειώστε το πάχος του υποστρώματος για να καταστείλετε την παραγωγή τρόπων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής τάξης.
3) Αντικαταστήστε το διηλεκτρικό υλικό υποστρώματος με ένα ηλεκτρομαγνητικό ενεργειακό χάσμα (EBG). Τα χαρακτηριστικά χωρικού φιλτραρίσματος του EBG μπορούν να καταστείλουν τις λειτουργίες υψηλής τάξης.
3. Κεραίες από νέο υλικό
Εκτός από τις δύο παραπάνω κεραίες, υπάρχει επίσης μια κεραία terahertz κατασκευασμένη από νέα υλικά. Για παράδειγμα, το 2006, ο Jin Hao et al. πρότεινε μια διπολική κεραία από νανοσωλήνες άνθρακα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10 (α), το δίπολο είναι κατασκευασμένο από νανοσωλήνες άνθρακα αντί για μεταλλικά υλικά. Μελέτησε προσεκτικά τις υπέρυθρες και οπτικές ιδιότητες της διπολικής κεραίας από νανοσωλήνες άνθρακα και συζήτησε τα γενικά χαρακτηριστικά της διπολικής κεραίας από νανοσωλήνες άνθρακα πεπερασμένου μήκους, όπως η σύνθετη αντίσταση εισόδου, η κατανομή ρεύματος, το κέρδος, η απόδοση και το διάγραμμα ακτινοβολίας. Το Σχήμα 10 (β) δείχνει τη σχέση μεταξύ της σύνθετης αντίστασης εισόδου και της συχνότητας της διπολικής κεραίας από νανοσωλήνες άνθρακα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10 (β), το φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης εισόδου έχει πολλαπλά μηδενικά σε υψηλότερες συχνότητες. Αυτό δείχνει ότι η κεραία μπορεί να επιτύχει πολλαπλούς συντονισμούς σε διαφορετικές συχνότητες. Προφανώς, η κεραία από νανοσωλήνες άνθρακα παρουσιάζει συντονισμό εντός ενός συγκεκριμένου εύρους συχνοτήτων (χαμηλότερες συχνότητες THz), αλλά είναι εντελώς ανίκανη να συντονιστεί εκτός αυτού του εύρους.
Σχήμα 10 (α) Διπολική κεραία από νανοσωλήνες άνθρακα. (β) Καμπύλη σύνθετης αντίστασης εισόδου-συχνότητας
Το 2012, οι Samir F. Mahmoud και Ayed R. AlAjmi πρότειναν μια νέα δομή κεραίας terahertz βασισμένη σε νανοσωλήνες άνθρακα, η οποία αποτελείται από μια δέσμη νανοσωλήνων άνθρακα τυλιγμένων σε δύο διηλεκτρικά στρώματα. Το εσωτερικό διηλεκτρικό στρώμα είναι ένα στρώμα διηλεκτρικού αφρού και το εξωτερικό διηλεκτρικό στρώμα είναι ένα στρώμα μεταϋλικού. Η συγκεκριμένη δομή φαίνεται στο Σχήμα 11. Μέσω δοκιμών, η απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας έχει βελτιωθεί σε σύγκριση με τους νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος.
Σχήμα 11 Νέα κεραία terahertz βασισμένη σε νανοσωλήνες άνθρακα
Οι νέες κεραίες terahertz από υλικό που προτείνονται παραπάνω είναι κυρίως τρισδιάστατες. Προκειμένου να βελτιωθεί το εύρος ζώνης της κεραίας και να κατασκευαστούν σύμμορφες κεραίες, οι επίπεδες κεραίες γραφενίου έχουν λάβει ευρεία προσοχή. Το γραφένιο έχει εξαιρετικά χαρακτηριστικά δυναμικού συνεχούς ελέγχου και μπορεί να παράγει επιφανειακό πλάσμα ρυθμίζοντας την τάση πόλωσης. Το επιφανειακό πλάσμα υπάρχει στη διεπαφή μεταξύ υποστρωμάτων θετικής διηλεκτρικής σταθεράς (όπως Si, SiO2, κ.λπ.) και υποστρωμάτων αρνητικής διηλεκτρικής σταθεράς (όπως πολύτιμα μέταλλα, γραφένιο, κ.λπ.). Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός "ελεύθερων ηλεκτρονίων" σε αγωγούς όπως τα πολύτιμα μέταλλα και το γραφένιο. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται επίσης πλάσματα. Λόγω του εγγενούς δυναμικού πεδίου στον αγωγό, αυτά τα πλάσματα βρίσκονται σε σταθερή κατάσταση και δεν διαταράσσονται από τον εξωτερικό κόσμο. Όταν η προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ενέργεια κύματος συζεύγνυται με αυτά τα πλάσματα, τα πλάσματα θα αποκλίνουν από τη σταθερή κατάσταση και θα δονούνται. Μετά τη μετατροπή, η ηλεκτρομαγνητική λειτουργία σχηματίζει ένα εγκάρσιο μαγνητικό κύμα στη διεπαφή. Σύμφωνα με την περιγραφή της σχέσης διασποράς του πλάσματος επιφάνειας μετάλλου από το μοντέλο Drude, τα μέταλλα δεν μπορούν να συζευχθούν φυσικά με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον ελεύθερο χώρο και να μετατρέψουν ενέργεια. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν άλλα υλικά για την διέγερση των επιφανειακών κυμάτων πλάσματος. Τα επιφανειακά κύματα πλάσματος αποσυντίθενται γρήγορα στην παράλληλη κατεύθυνση της διεπαφής μετάλλου-υποστρώματος. Όταν ο μεταλλικός αγωγός άγει στην κατεύθυνση κάθετη προς την επιφάνεια, εμφανίζεται ένα φαινόμενο δέρματος. Προφανώς, λόγω του μικρού μεγέθους της κεραίας, υπάρχει ένα φαινόμενο δέρματος στη ζώνη υψηλών συχνοτήτων, το οποίο προκαλεί απότομη πτώση της απόδοσης της κεραίας και δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των κεραιών terahertz. Το επιφανειακό πλασμόνιο του γραφενίου όχι μόνο έχει υψηλότερη δύναμη σύνδεσης και χαμηλότερη απώλεια, αλλά υποστηρίζει επίσης συνεχή ηλεκτρικό συντονισμό. Επιπλέον, το γραφένιο έχει σύνθετη αγωγιμότητα στη ζώνη terahertz. Επομένως, η αργή διάδοση κυμάτων σχετίζεται με τη λειτουργία πλάσματος σε συχνότητες terahertz. Αυτά τα χαρακτηριστικά καταδεικνύουν πλήρως τη δυνατότητα του γραφενίου να αντικαταστήσει τα μεταλλικά υλικά στη ζώνη terahertz.
Με βάση τη συμπεριφορά πόλωσης των επιφανειακών πλασμονίων γραφενίου, το Σχήμα 12 δείχνει έναν νέο τύπο λωρίδας κεραίας και προτείνει το σχήμα ζώνης των χαρακτηριστικών διάδοσης των κυμάτων πλάσματος στο γραφένιο. Ο σχεδιασμός ρυθμιζόμενης ζώνης κεραίας παρέχει έναν νέο τρόπο μελέτης των χαρακτηριστικών διάδοσης νέων κεραιών terahertz από υλικό.
Σχήμα 12 Νέα κεραία ταινίας
Εκτός από την εξερεύνηση στοιχείων κεραίας terahertz από νέο υλικό, οι κεραίες terahertz με νανοεπιθέματα γραφενίου μπορούν επίσης να σχεδιαστούν ως συστοιχίες για την κατασκευή συστημάτων επικοινωνίας κεραίας terahertz πολλαπλών εισόδων και πολλαπλών εξόδων. Η δομή της κεραίας φαίνεται στο Σχήμα 13. Με βάση τις μοναδικές ιδιότητες των κεραιών νανοεπιθέματος γραφενίου, τα στοιχεία κεραίας έχουν διαστάσεις σε κλίμακα μικρών. Η χημική εναπόθεση ατμών συνθέτει απευθείας διαφορετικές εικόνες γραφενίου σε ένα λεπτό στρώμα νικελίου και τις μεταφέρει σε οποιοδήποτε υπόστρωμα. Επιλέγοντας έναν κατάλληλο αριθμό εξαρτημάτων και αλλάζοντας την τάση ηλεκτροστατικής πόλωσης, η κατεύθυνση της ακτινοβολίας μπορεί να αλλάξει αποτελεσματικά, καθιστώντας το σύστημα αναδιαμορφώσιμο.
Σχήμα 13 Συστοιχία κεραιών terahertz νανοεπιθέματος γραφενίου
Η έρευνα νέων υλικών είναι μια σχετικά νέα κατεύθυνση. Η καινοτομία των υλικών αναμένεται να ξεπεράσει τους περιορισμούς των παραδοσιακών κεραιών και να αναπτύξει μια ποικιλία νέων κεραιών, όπως αναδιαμορφώσιμα μεταϋλικά, δισδιάστατα (2D) υλικά, κ.λπ. Ωστόσο, αυτός ο τύπος κεραίας εξαρτάται κυρίως από την καινοτομία των νέων υλικών και την πρόοδο της τεχνολογίας διεργασιών. Σε κάθε περίπτωση, η ανάπτυξη κεραιών terahertz απαιτεί καινοτόμα υλικά, ακριβή τεχνολογία επεξεργασίας και νέες δομές σχεδιασμού για να καλυφθούν οι απαιτήσεις υψηλού κέρδους, χαμηλού κόστους και ευρέος εύρους ζώνης των κεραιών terahertz.
Παρακάτω παρουσιάζονται οι βασικές αρχές τριών τύπων κεραιών terahertz: μεταλλικές κεραίες, διηλεκτρικές κεραίες και κεραίες νέου υλικού, και αναλύονται οι διαφορές, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.
1. Μεταλλική κεραία: Η γεωμετρία είναι απλή, εύκολη στην επεξεργασία, σχετικά χαμηλού κόστους και με χαμηλές απαιτήσεις για υλικά υποστρώματος. Ωστόσο, οι μεταλλικές κεραίες χρησιμοποιούν μια μηχανική μέθοδο για τη ρύθμιση της θέσης της κεραίας, η οποία είναι επιρρεπής σε σφάλματα. Εάν η ρύθμιση δεν είναι σωστή, η απόδοση της κεραίας θα μειωθεί σημαντικά. Αν και η μεταλλική κεραία είναι μικρή σε μέγεθος, είναι δύσκολο να συναρμολογηθεί με ένα επίπεδο κύκλωμα.
2. Διηλεκτρική κεραία: Η διηλεκτρική κεραία έχει χαμηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, είναι εύκολο να συνδυαστεί με έναν ανιχνευτή χαμηλής σύνθετης αντίστασης και είναι σχετικά απλή στη σύνδεση με ένα επίπεδο κύκλωμα. Τα γεωμετρικά σχήματα των διηλεκτρικών κεραιών περιλαμβάνουν σχήμα πεταλούδας, σχήμα διπλού U, συμβατικό λογαριθμικό σχήμα και σχήμα λογαριθμικού περιοδικού ημιτόνου. Ωστόσο, οι διηλεκτρικές κεραίες έχουν επίσης ένα μοιραίο ελάττωμα, δηλαδή το φαινόμενο επιφανειακού κύματος που προκαλείται από το παχύ υπόστρωμα. Η λύση είναι η φόρτωση ενός φακού και η αντικατάσταση του διηλεκτρικού υποστρώματος με μια δομή EBG. Και οι δύο λύσεις απαιτούν καινοτομία και συνεχή βελτίωση της τεχνολογίας διεργασιών και των υλικών, αλλά η εξαιρετική τους απόδοση (όπως η πανκατευθυντικότητα και η καταστολή επιφανειακού κύματος) μπορεί να προσφέρει νέες ιδέες για την έρευνα των κεραιών terahertz.
3. Κεραίες από νέα υλικά: Προς το παρόν, έχουν εμφανιστεί νέες διπολικές κεραίες από νανοσωλήνες άνθρακα και νέες δομές κεραιών από μεταϋλικά. Τα νέα υλικά μπορούν να φέρουν νέες καινοτομίες στην απόδοση, αλλά η βασική αρχή είναι η καινοτομία της επιστήμης των υλικών. Προς το παρόν, η έρευνα για τις κεραίες από νέα υλικά βρίσκεται ακόμη σε διερευνητικό στάδιο και πολλές βασικές τεχνολογίες δεν είναι αρκετά ώριμες.
Συνοπτικά, μπορούν να επιλεγούν διαφορετικοί τύποι κεραιών terahertz ανάλογα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού:
1) Εάν απαιτείται απλός σχεδιασμός και χαμηλό κόστος παραγωγής, μπορούν να επιλεγούν μεταλλικές κεραίες.
2) Εάν απαιτείται υψηλή ολοκλήρωση και χαμηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, μπορούν να επιλεγούν διηλεκτρικές κεραίες.
3) Εάν απαιτείται σημαντική βελτίωση στην απόδοση, μπορούν να επιλεγούν κεραίες από νέο υλικό.
Τα παραπάνω σχέδια μπορούν επίσης να προσαρμοστούν σύμφωνα με συγκεκριμένες απαιτήσεις. Για παράδειγμα, δύο τύποι κεραιών μπορούν να συνδυαστούν για να αποκτήσουν περισσότερα πλεονεκτήματα, αλλά η μέθοδος συναρμολόγησης και η τεχνολογία σχεδιασμού πρέπει να πληρούν πιο αυστηρές απαιτήσεις.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση:
Ώρα δημοσίευσης: 02 Αυγούστου 2024
