Με την αυξανόμενη δημοτικότητα των ασύρματων συσκευών, οι υπηρεσίες δεδομένων έχουν εισέλθει σε μια νέα περίοδο ταχείας ανάπτυξης, γνωστή και ως εκρηκτική ανάπτυξη των υπηρεσιών δεδομένων. Επί του παρόντος, ένας μεγάλος αριθμός εφαρμογών μεταναστεύει σταδιακά από υπολογιστές σε ασύρματες συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα που είναι εύκολο να μεταφερθούν και να λειτουργήσουν σε πραγματικό χρόνο, αλλά αυτή η κατάσταση έχει επίσης οδηγήσει σε ταχεία αύξηση της κίνησης δεδομένων και 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 με 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. Ένα σχετικό έγγραφο παραθέτει την τελευταία πρόοδο στους ρυθμούς δεδομένων Gbps με βάση τη ζώνη THz και προβλέπει ότι τα Tbps μπορούν να ληφθούν μέσω πολυπλεξίας πόλωσης. Επομένως, για να αυξηθεί ο ρυθμός 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 Ραδιοεπικοινωνίας της ITU (WRC-19) το 2019, το εύρος συχνοτήτων των 275-450 GHz έχει χρησιμοποιηθεί για σταθερές και επίγειες κινητές υπηρεσίες. Μπορεί να φανεί ότι τα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας terahertz έχουν προσελκύσει την προσοχή πολλών ερευνητών.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα Terahertz 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 terahertz ορίζονται ως 0,3-10THz. Το Σχήμα 1 δείχνει ότι η ζώνη συχνοτήτων terahertz βρίσκεται μεταξύ μικροκυμάτων και υπέρυθρου φωτός.
Εικ. 1 Σχηματικό διάγραμμα ζώνης συχνοτήτων THz.
Ανάπτυξη κεραιών Terahertz
Αν και η έρευνα στο terahertz ξεκίνησε τον 19ο αιώνα, δεν μελετήθηκε ως ανεξάρτητο πεδίο εκείνη την εποχή. Η έρευνα για την ακτινοβολία terahertz επικεντρώθηκε κυρίως στη ζώνη υπερύθρων. Μόνο από τα μέσα έως τα τέλη του 20ου αιώνα οι ερευνητές άρχισαν να προωθούν την έρευνα κυμάτων χιλιοστών στη ζώνη των terahertz και να διεξάγουν εξειδικευμένη έρευνα τεχνολογίας terahertz.
Στη δεκαετία του 1980, η εμφάνιση πηγών ακτινοβολίας terahertz κατέστησε δυνατή την εφαρμογή των κυμάτων terahertz σε πρακτικά συστήματα. Από τον 21ο αιώνα, η τεχνολογία ασύρματων επικοινωνιών αναπτύχθηκε γρήγορα και η ζήτηση των ανθρώπων για πληροφορίες και η αύξηση του εξοπλισμού επικοινωνίας έχουν θέσει πιο αυστηρές απαιτήσεις για το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων επικοινωνίας. Επομένως, μία από τις προκλήσεις της μελλοντικής τεχνολογίας επικοινωνίας είναι να λειτουργεί με υψηλό ρυθμό δεδομένων gigabit ανά δευτερόλεπτο σε μία τοποθεσία. Υπό την τρέχουσα οικονομική ανάπτυξη, οι πόροι του φάσματος έχουν γίνει ολοένα και πιο σπάνιοι. Ωστόσο, οι ανθρώπινες απαιτήσεις για ικανότητα και ταχύτητα επικοινωνίας είναι ατελείωτες. Για το πρόβλημα της συμφόρησης φάσματος, πολλές εταιρείες χρησιμοποιούν τεχνολογία πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (MIMO) για να βελτιώσουν την απόδοση του φάσματος και τη χωρητικότητα του συστήματος μέσω της χωρικής πολυπλεξίας. Με την πρόοδο των δικτύων 5G, η ταχύτητα σύνδεσης δεδομένων κάθε χρήστη θα ξεπερνά τα Gbps και η κίνηση δεδομένων των σταθμών βάσης θα αυξηθεί επίσης σημαντικά. Για τα παραδοσιακά συστήματα επικοινωνίας κυμάτων χιλιοστών, οι ζεύξεις μικροκυμάτων δεν θα μπορούν 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 μικροκυμάτων και 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 είναι 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 στο χαμηλότερο εύρος συχνοτήτων THz 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 ιδρύθηκε το 2004 και το σύστημα επικοινωνίας THz των 0,3 THz υλοποιήθηκε το 2013. Ο Πίνακας 1 παραθέτει την ερευνητική πρόοδο των συστημάτων επικοινωνίας terahertz στην Ιαπωνία από το 2004 έως το 2013.
Πίνακας 1 Πρόοδος έρευνας των συστημάτων 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.
Εικόνα 2 Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος ασύρματης επικοινωνίας NTT 120 GHz της Ιαπωνίας
Το σύστημα ενσωματώνει φωτοηλεκτρική μετατροπή και κεραία και υιοθετεί δύο τρόπους λειτουργίας:
1. Σε εσωτερικό περιβάλλον κοντινής εμβέλειας, ο πομπός επίπεδης κεραίας που χρησιμοποιείται σε εσωτερικούς χώρους αποτελείται από ένα τσιπ φέρουσας φωτοδιόδου μονής γραμμής (UTC-PD), μια επίπεδη κεραία υποδοχής και έναν φακό πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(α).
2. Σε ένα εξωτερικό περιβάλλον μεγάλης εμβέλειας, για να βελτιωθεί η επίδραση της μεγάλης απώλειας μετάδοσης και της χαμηλής ευαισθησίας του ανιχνευτή, η κεραία πομπού πρέπει να έχει υψηλό κέρδος. Η υπάρχουσα κεραία terahertz χρησιμοποιεί έναν οπτικό φακό Gaussian με κέρδος άνω των 50 dBi. Ο συνδυασμός κόρνας τροφοδοσίας και 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 της συνεχούς βελτιστοποίησης, ο ρυθμός μετάδοσης μπορεί να φτάσει τα 100 Gbps. Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 1, έχει συμβάλει πολύ 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 επί του παρόντος είναι τροποποιημένες από κεραίες κυμάτων χιλιοστών και υπάρχει μικρή καινοτομία στις κεραίες terahertz. Επομένως, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση των συστημάτων επικοινωνίας terahertz, ένα σημαντικό καθήκον είναι η βελτιστοποίηση των κεραιών terahertz. Ο Πίνακας 2 παραθέτει την ερευνητική πρόοδο της γερμανικής επικοινωνίας THz. Το σχήμα 3 (α) δείχνει ένα αντιπροσωπευτικό σύστημα ασύρματης επικοινωνίας THz που συνδυάζει φωτονική και ηλεκτρονική. Το σχήμα 3 (β) δείχνει τη σκηνή δοκιμής αεροδυναμικής σήραγγας. Κρίνοντας από την τρέχουσα κατάσταση της έρευνας στη Γερμανία, η έρευνα και η ανάπτυξή της έχει επίσης μειονεκτήματα όπως η χαμηλή συχνότητα λειτουργίας, το υψηλό κόστος και η χαμηλή απόδοση.
Πίνακας 2 Πρόοδος έρευνας της επικοινωνίας THz στη Γερμανία
Εικόνα 3 Σκηνή δοκιμής αεροσήραγγας
Το CSIRO ICT Center 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 με χρήση του ραδιοφάσματος αυξάνεται περίπου δέκα φορές κάθε είκοσι χρόνια. Το κέντρο έχει κάνει συστάσεις σχετικά με τις απαιτήσεις για 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
Εικόνα 5 Δύο τύποι κεραιών κόρνας
Οι Ηνωμένες Πολιτείες διεξήγαγαν εκτεταμένη έρευνα σχετικά με την εκπομπή και την ανίχνευση κυμάτων terahertz. Διάσημα ερευνητικά εργαστήρια terahertz περιλαμβάνουν το Jet Propulsion Laboratory (JPL), το Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), το Εθνικό Εργαστήριο των ΗΠΑ (LLNL), την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA), το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) κ.λπ. Έχουν σχεδιαστεί νέες κεραίες terahertz για εφαρμογές terahertz, όπως κεραίες παπιγιόν και σύστημα διεύθυνσης δέσμης συχνοτήτων κεραίες. Σύμφωνα με την ανάπτυξη των κεραιών terahertz, μπορούμε να πάρουμε τρεις βασικές ιδέες σχεδίασης για κεραίες terahertz επί του παρόντος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.
Εικόνα 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 μεγάλης 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 κεραιών terahertz επικεντρώνεται κυρίως στη βελτίωση του κέρδους με τη χρήση κεραιών διηλεκτρικών φακών, κ.λπ., και στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της επικοινωνίας με τη χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. Επιπλέον, ο τρόπος βελτίωσης της απόδοσης της συσκευασίας κεραίας terahertz είναι επίσης ένα πολύ επείγον ζήτημα.
Γενικές κεραίες THz
Υπάρχουν πολλοί τύποι κεραιών THz διαθέσιμες: διπολικές κεραίες με κωνικές κοιλότητες, συστοιχίες γωνιακών ανακλαστήρων, δίπολα παπιγιόν, επίπεδες κεραίες διηλεκτρικού φακού, φωτοαγώγιμες κεραίες για τη δημιουργία πηγών ακτινοβολίας THz, κεραίες κόρνας, κεραίες THz βασισμένες σε υλικά γραφενίου κ.λπ. τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή κεραιών THz, μπορούν να χωριστούν κατά προσέγγιση σε μεταλλικές κεραίες (κυρίως κεραίες κόρνας), διηλεκτρικές κεραίες (αντένες φακών) και κεραίες νέου υλικού. Αυτή η ενότητα αρχικά δίνει μια προκαταρκτική ανάλυση αυτών των κεραιών και στη συνέχεια στην επόμενη ενότητα, πέντε τυπικές κεραίες THz εισάγονται λεπτομερώς και αναλύονται σε βάθος.
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 κυμάτων χιλιοστών είναι ένα κωνικό κέρας. Οι κυματοειδείς κεραίες και οι κεραίες διπλής λειτουργίας 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 της κόρνας είναι πολύ μικρό, γεγονός που καθιστά την επεξεργασία της κόρνας πολύ δύσκολη, ειδικά στο σχεδιασμό των συστοιχιών κεραιών, και η πολυπλοκότητα της τεχνολογίας επεξεργασίας οδηγεί σε υπερβολικό κόστος και περιορισμένη παραγωγή. Λόγω της δυσκολίας κατασκευής του κάτω μέρους του σχεδιασμού σύνθετης κόρνας, χρησιμοποιείται συνήθως μια απλή κεραία κόρνας με τη μορφή κωνικού ή κωνικού κέρατος, η οποία μπορεί να μειώσει το κόστος και την πολυπλοκότητα της διαδικασίας και μπορεί να διατηρηθεί η απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας Λοιπόν.
Μια άλλη μεταλλική κεραία είναι μια κεραία πυραμίδας κινούμενου κύματος, η οποία αποτελείται από μια κεραία κινούμενου κύματος ενσωματωμένη σε διηλεκτρική μεμβράνη 1,2 micron και αιωρούμενη σε μια διαμήκη κοιλότητα χαραγμένη σε ένα πλακίδιο πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Αυτή η κεραία είναι μια ανοιχτή δομή που είναι συμβατό με διόδους Schottky. Λόγω της σχετικά απλής δομής του και των χαμηλών απαιτήσεων κατασκευής του, μπορεί γενικά να χρησιμοποιηθεί σε ζώνες συχνοτήτων άνω των 0,6 THz. Ωστόσο, το επίπεδο πλευρικού λοβού και το επίπεδο διασταυρούμενης πόλωσης της κεραίας είναι υψηλά, πιθανώς λόγω της ανοιχτής δομής της. Επομένως, η απόδοση σύζευξης του είναι σχετικά χαμηλή (περίπου 50%).
Εικόνα 7 Πυραμιδική κεραία κινούμενου κύματος
2. Διηλεκτρική κεραία
Η διηλεκτρική κεραία είναι ένας συνδυασμός διηλεκτρικού υποστρώματος και καλοριφέρ κεραίας. Μέσω του κατάλληλου 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 κεραίες πλευρικής πυρκαγιάς στενής ζώνης και ευρείας ζώνης που μπορούν να ταιριάζουν με τους ανιχνευτές χαμηλής σύνθετης αντίστασης των διηλεκτρικών κεραιών terahertz: κεραία πεταλούδας, διπλή κεραία σχήματος U, log-περιοδική κεραία και log-periodic ημιτονοειδής κεραία, όπως φαίνεται στο σχήμα 8. Επιπλέον, μπορούν να σχεδιαστούν πιο σύνθετες γεωμετρίες κεραίας μέσω γενετικών αλγορίθμων.
Εικόνα 8 Τέσσερις τύποι επίπεδων κεραιών
Ωστόσο, δεδομένου ότι η διηλεκτρική κεραία συνδυάζεται με ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα, θα προκύψει ένα φαινόμενο επιφανειακών κυμάτων όταν η συχνότητα τείνει στη ζώνη THz. Αυτό το μοιραίο μειονέκτημα θα προκαλέσει την απώλεια πολλής ενέργειας της κεραίας 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 υποστρώματος.
Σχήμα 9 Εφέ κύματος επιφάνειας κεραίας
Καθώς το πάχος του υποστρώματος αυξάνεται, ο αριθμός των λειτουργιών υψηλής τάξης αυξάνεται 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) Φορτώστε έναν φακό στην κεραία για να αυξήσετε το κέρδος χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά διαμόρφωσης δέσμης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
2) Μειώστε το πάχος του υποστρώματος για να καταστείλετε τη δημιουργία τρόπων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής τάξης.
3) Αντικαταστήστε το διηλεκτρικό υλικό του υποστρώματος με ένα ηλεκτρομαγνητικό διάκενο ζώνης (EBG). Τα χαρακτηριστικά χωρικού φιλτραρίσματος του EBG μπορούν να καταστείλουν λειτουργίες υψηλής τάξης.
3. Κεραίες νέου υλικού
Εκτός από τις δύο παραπάνω κεραίες, υπάρχει και μια κεραία terahertz από νέα υλικά. Για παράδειγμα, το 2006, οι Jin Hao et al. πρότεινε μια διπολική κεραία νανοσωλήνων άνθρακα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10 (α), το δίπολο αποτελείται από νανοσωλήνες άνθρακα αντί για μεταλλικά υλικά. Μελέτησε προσεκτικά τις υπέρυθρες και οπτικές ιδιότητες της διπολικής κεραίας νανοσωλήνων άνθρακα και συζήτησε τα γενικά χαρακτηριστικά της διπολικής κεραίας πεπερασμένου μήκους νανοσωλήνων άνθρακα, όπως η σύνθετη αντίσταση εισόδου, η κατανομή ρεύματος, το κέρδος, η απόδοση και το σχέδιο ακτινοβολίας. Το σχήμα 10 (β) δείχνει τη σχέση μεταξύ της σύνθετης αντίστασης εισόδου και της συχνότητας της διπολικής κεραίας νανοσωλήνων άνθρακα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10(β), το φανταστικό τμήμα 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 νανοσωλήνων άνθρακα εμφανίζει συντονισμό μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων (χαμηλότερες συχνότητες THz), αλλά είναι εντελώς ανίκανο να συντονιστεί εκτός αυτού του εύρους.
Εικόνα 10 (α) Διπολική κεραία νανοσωλήνων άνθρακα. (β) Καμπύλη σύνθετης αντίστασης εισόδου-συχνότητας
Το 2012, ο Samir F. Mahmoud και ο Ayed R. AlAjmi πρότειναν μια νέα δομή κεραίας terahertz βασισμένη σε νανοσωλήνες άνθρακα, η οποία αποτελείται από μια δέσμη νανοσωλήνων άνθρακα τυλιγμένα 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.
Εικόνα 11 Νέα κεραία terahertz βασισμένη σε νανοσωλήνες άνθρακα
Οι νέες κεραίες terahertz υλικού 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 δημιουργήσει επιφανειακό πλάσμα ρυθμίζοντας την τάση πόλωσης. Το επιφανειακό πλάσμα υπάρχει στη διεπιφάνεια μεταξύ υποστρωμάτων θετικής διηλεκτρικής σταθεράς (όπως Si, SiO2, κ.λπ.) και αρνητικών υποστρωμάτων διηλεκτρικής σταθεράς (όπως πολύτιμα μέταλλα, γραφένιο κ.λπ.). Υπάρχει μεγάλος αριθμός «ελεύθερων ηλεκτρονίων» σε αγωγούς όπως τα πολύτιμα μέταλλα και το γραφένιο. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται επίσης πλάσμα. Λόγω του εγγενούς δυναμικού πεδίου στον αγωγό, αυτά τα πλάσματα βρίσκονται σε σταθερή κατάσταση και δεν διαταράσσονται από τον έξω κόσμο. Όταν η προσπίπτουσα ενέργεια ηλεκτρομαγνητικού κύματος συζευχθεί με αυτά τα πλάσματα, τα πλάσματα θα αποκλίνουν από τη σταθερή κατάσταση και θα δονηθούν. Μετά τη μετατροπή, ο ηλεκτρομαγνητικός τρόπος σχηματίζει ένα εγκάρσιο μαγνητικό κύμα στη διεπαφή. Σύμφωνα με την περιγραφή της σχέσης διασποράς του πλάσματος της μεταλλικής επιφάνειας από το μοντέλο Drude, τα μέταλλα δεν μπορούν φυσικά να συζευχθούν με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον ελεύθερο χώρο και να μετατρέψουν την ενέργεια. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν άλλα υλικά για τη διέγερση των επιφανειακών κυμάτων πλάσματος. Τα επιφανειακά κύματα πλάσματος αποσυντίθενται γρήγορα στην παράλληλη κατεύθυνση της διεπαφής μετάλλου-υποστρώματος. Όταν ο μεταλλικός αγωγός άγει προς την κατεύθυνση κάθετη προς την επιφάνεια, εμφανίζεται ένα φαινόμενο δέρματος. Προφανώς, λόγω του μικρού μεγέθους της κεραίας, υπάρχει ένα εφέ δέρματος στη ζώνη υψηλής συχνότητας, το οποίο προκαλεί απότομη πτώση της απόδοσης της κεραίας και δεν μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις των κεραιών terahertz. Το επιφανειακό πλασμόνιο του γραφενίου όχι μόνο έχει μεγαλύτερη δύναμη δέσμευσης και μικρότερη απώλεια, αλλά υποστηρίζει επίσης συνεχή ηλεκτρικό συντονισμό. Επιπλέον, το γραφένιο έχει πολύπλοκη αγωγιμότητα στη ζώνη terahertz. Επομένως, η διάδοση αργών 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 των 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 της συντονίσιμης ζώνης κεραίας παρέχει έναν νέο τρόπο μελέτης των χαρακτηριστικών διάδοσης κεραιών terahertz νέου υλικού.
Εικόνα 12 Νέα λωρίδα κεραίας
Εκτός από την εξερεύνηση στοιχείων κεραίας terahertz με νέο υλικό της μονάδας, οι κεραίες terahertz με νανομπαλώματα γραφενίου μπορούν επίσης να σχεδιαστούν ως συστοιχίες για τη δημιουργία συστημάτων επικοινωνίας κεραιών πολλαπλών εισόδων terahertz. Η δομή της κεραίας φαίνεται στο Σχήμα 13. Με βάση τις μοναδικές ιδιότητες των κεραιών νανομπαλώματος γραφενίου, τα στοιχεία της κεραίας έχουν διαστάσεις κλίμακας micron. Η εναπόθεση χημικών 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 επαναδιαμορφώσιμο.
Σχήμα 13 Συστοιχία κεραιών terahertz nanopatch 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 επαναδιαμορφώσιμα μεταϋλικά, δισδιάστατα (2D) υλικά κ.λπ. Ωστόσο, αυτός ο τύπος κεραίας εξαρτάται κυρίως από την καινοτομία νέων υλικά 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 ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις υψηλού κέρδους, χαμηλού κόστους και ευρέος εύρους ζώνης των κεραιών terahertz.
Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές αρχές τριών τύπων κεραιών terahertz: μεταλλικές κεραίες, διηλεκτρικές κεραίες και κεραίες νέου υλικού και αναλύονται οι διαφορές και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.
1. Μεταλλική κεραία: Η γεωμετρία είναι απλή, εύκολη στην επεξεργασία, σχετικά χαμηλό κόστος και χαμηλές απαιτήσεις για υλικά υποστρώματος. Ωστόσο, οι μεταλλικές κεραίες χρησιμοποιούν μια μηχανική μέθοδο για να προσαρμόσουν τη θέση 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, ταιριάζει εύκολα με ανιχνευτή χαμηλής σύνθετης αντίστασης και είναι σχετικά απλή στη σύνδεση με επίπεδο κύκλωμα. Τα γεωμετρικά σχήματα των διηλεκτρικών κεραιών περιλαμβάνουν σχήμα πεταλούδας, διπλό σχήμα U, συμβατικό λογαριθμικό σχήμα και λογαριθμικό περιοδικό σχήμα ημιτόνου. Ωστόσο, οι διηλεκτρικές κεραίες έχουν επίσης ένα μοιραίο ελάττωμα, δηλαδή το φαινόμενο του επιφανειακού κύματος που προκαλείται από το παχύ υπόστρωμα. Η λύση είναι να τοποθετήσετε έναν φακό και να αντικαταστήσετε το διηλεκτρικό υπόστρωμα με μια δομή EBG. Και οι δύο λύσεις απαιτούν καινοτομία και συνεχή βελτίωση της τεχνολογίας και των υλικών διεργασιών, αλλά η εξαιρετική απόδοσή τους (όπως η πανκατευθυντικότητα και η καταστολή κυμάτων επιφάνειας) μπορούν να προσφέρουν νέες ιδέες για την έρευνα κεραιών terahertz.
3. Κεραίες νέου υλικού: Προς το παρόν, έχουν εμφανιστεί νέες διπολικές κεραίες από νανοσωλήνες άνθρακα και νέες δομές κεραιών από μεταϋλικά. Τα νέα υλικά μπορούν να φέρουν νέες ανακαλύψεις στην απόδοση, αλλά η προϋπόθεση είναι η καινοτομία της επιστήμης των υλικών. Προς το παρόν, η έρευνα για κεραίες νέων υλικών βρίσκεται ακόμη σε διερευνητικό στάδιο και πολλές βασικές τεχνολογίες δεν είναι αρκετά ώριμες.
Συνοπτικά, διαφορετικοί τύποι κεραιών terahertz μπορούν να επιλεγούν σύμφωνα 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 πρόοδος στην απόδοση, μπορούν να επιλεγούν νέες κεραίες υλικού.
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:
Ώρα δημοσίευσης: Αυγ-02-2024
