Avèk popilarite a ogmante nan aparèy san fil, sèvis done yo te antre nan yon nouvo peryòd de devlopman rapid, konnen tou kòm kwasans eksplozif nan sèvis done. Koulye a, yon gwo kantite aplikasyon yo piti piti imigre soti nan òdinatè nan aparèy san fil tankou telefòn mobil ki fasil pou pote ak opere nan tan reyèl, men sitiyasyon sa a te mennen tou nan yon ogmantasyon rapid nan trafik done ak yon mank de resous Pleasant. . Dapre estatistik, pousantaj done sou mache a ka rive nan Gbps oswa menm Tbps nan 10 a 15 ane kap vini yo. Kounye a, kominikasyon THz te rive nan yon pousantaj done Gbps, pandan y ap pousantaj done Tbps la toujou nan premye etap yo nan devlopman. Yon papye ki gen rapò bay lis dènye pwogrè nan pousantaj done Gbps ki baze sou gwoup THz la epi li predi ke Tbps ka jwenn nan multiplexage polarization. Se poutèt sa, ogmante pousantaj transmisyon done a, yon solisyon posib se devlope yon nouvo gwoup frekans, ki se bann terahertz la, ki se nan "zòn vid" ant mikwo ond ak limyè enfrawouj. Nan ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) nan 2019, yo te itilize ranje frekans 275-450GHz pou sèvis fiks ak tè mobil. Li ka wè ke sistèm kominikasyon san fil terahertz te atire atansyon anpil chèchè.
Onn elektwomayetik Terahertz yo jeneralman defini kòm gwoup frekans 0.1-10THz (1THz = 1012Hz) ak yon longèdonn 0.03-3 mm. Dapre estanda IEEE, vag terahertz yo defini kòm 0.3-10THz. Figi 1 montre ke gwoup frekans terahertz la se ant mikwo ond ak limyè enfrawouj.
Fig. 1 Dyagram chematik bann frekans THz.
Devlopman antèn Terahertz
Malgre ke rechèch terahertz te kòmanse nan 19yèm syèk la, li pa te etidye kòm yon jaden endepandan nan tan sa a. Rechèch sou radyasyon terahertz te konsantre sitou sou bann enfrawouj byen lwen. Li pa t 'jouk mitan-a-fen 20yèm syèk la ke chèchè yo te kòmanse avanse rechèch vag milimèt nan gwoup la terahertz ak fè rechèch espesyalize teknoloji terahertz.
Nan ane 1980 yo, aparisyon sous radyasyon terahertz te fè aplikasyon vag terahertz nan sistèm pratik posib. Depi 21yèm syèk la, teknoloji kominikasyon san fil te devlope rapidman, ak demann moun pou enfòmasyon ak ogmantasyon nan ekipman kominikasyon yo te mete pi devan kondisyon pi sevè sou pousantaj transmisyon done kominikasyon. Se poutèt sa, youn nan defi yo nan teknoloji kominikasyon nan lavni se opere nan yon pousantaj done segondè nan gigabit pou chak segonn nan yon sèl kote. Anba devlopman ekonomik aktyèl la, resous spectre yo te vin de pli zan pli ra. Sepandan, kondisyon imen pou kapasite kominikasyon ak vitès yo kontinuèl. Pou pwoblèm nan konjesyon spectre, anpil konpayi itilize teknoloji miltip antre miltip (MIMO) pou amelyore efikasite spectre ak kapasite sistèm atravè multiplexing espasyal. Avèk avansman rezo 5G, vitès koneksyon done chak itilizatè ap depase Gbps, epi trafik done estasyon baz yo ap ogmante tou anpil. Pou sistèm kominikasyon tradisyonèl milimèt vag, lyen mikwo ond yo p'ap ka okipe gwo kouran done sa yo. Anplis de sa, akòz enfliyans nan liy nan je, distans la transmisyon nan kominikasyon enfrawouj se kout epi kote ekipman kominikasyon li yo fiks. Se poutèt sa, vag THz, ki se ant mikwo ond ak enfrawouj, ka itilize pou konstwi sistèm kominikasyon gwo vitès ak ogmante pousantaj transmisyon done lè l sèvi avèk lyen THz.
Onn Terahertz ka bay yon laj kominikasyon pi laj, ak ranje frekans li yo apeprè 1000 fwa sa yo ki nan kominikasyon mobil. Se poutèt sa, lè l sèvi avèk THz yo bati ultra-wo vitès sistèm kominikasyon san fil se yon solisyon pwomèt pou defi a nan pousantaj done segondè, ki te atire enterè nan anpil ekip rechèch ak endistri. Nan mwa septanm 2017, yo te pibliye premye estanda kominikasyon san fil THz IEEE 802.15.3d-2017, ki defini echanj done pwen-a-pwen nan ranje frekans THz ki pi ba nan 252-325 GHz. Kouch fizik altènatif (PHY) nan lyen an ka reyalize pousantaj done ki rive jiska 100 Gbps nan diferan bandwidth.
Premye sistèm kominikasyon THz siksè nan 0.12 THz te etabli an 2004, ak sistèm kominikasyon THz nan 0.3 THz te reyalize nan 2013. Tablo 1 lis pwogrè nan rechèch nan sistèm kominikasyon terahertz nan Japon soti nan 2004 a 2013.
Tablo 1 Pwogrè rechèch nan sistèm kominikasyon terahertz nan Japon soti nan 2004 a 2013
Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) te dekri an detay estrikti antèn yon sistèm kominikasyon ki te devlope an 2005 an 2005. Konfigirasyon antèn la te prezante nan de ka, jan yo montre nan Figi 2.
Figi 2 Dyagram chematik sistèm kominikasyon san fil NTT 120 GHz Japon an
Sistèm nan entegre konvèsyon foto-elektrik ak antèn epi li adopte de mòd travay:
1. Nan yon anviwonman ki fèmen andedan kay la, transmetè antèn planar ki itilize andedan kay la konsiste de yon fotodyode yon sèl liy konpayi asirans (UTC-PD) chip, yon antèn plas planar ak yon lantiy Silisyòm, jan yo montre nan Figi 2 (a).
2. Nan yon anviwònman deyò alontèm, yo nan lòd yo amelyore enfliyans nan pèt transmisyon gwo ak sansiblite ki ba nan detektè a, antèn transmetè a dwe gen gwo benefis. Antèn terahertz ki deja egziste a sèvi ak yon lantiy optik Gaussian ak yon benefis ki gen plis pase 50 dBi. Kòn manje a ak konbinezon lantiy dyelèktrik yo montre nan Figi 2 (b).
Anplis de sa nan devlope yon sistèm kominikasyon 0.12 THz, NTT tou devlope yon sistèm kominikasyon 0.3THz nan 2012. Atravè optimize kontinyèl, pousantaj transmisyon an ka osi wo ke 100Gbps. Kòm yo ka wè nan tablo 1, li te fè yon gwo kontribisyon nan devlopman nan kominikasyon terahertz. Sepandan, travay rechèch aktyèl la gen dezavantaj yo nan frekans opere ki ba, gwo gwosè ak gwo pri.
Pifò nan antèn terahertz yo itilize kounye a yo modifye soti nan antèn vag milimèt, e gen ti inovasyon nan antèn terahertz. Se poutèt sa, yo nan lòd yo amelyore pèfòmans nan sistèm kominikasyon terahertz, yon travay enpòtan se optimize antèn terahertz. Tablo 2 bay lis pwogrè rechèch kominikasyon THz Alman an. Figi 3 (a) montre yon sistèm kominikasyon san fil THz reprezantan ki konbine fotonik ak elektwonik. Figi 3 (b) montre sèn tès tinèl van an. Jije nan sitiyasyon rechèch aktyèl la nan Almay, rechèch li yo ak devlopman tou gen dezavantaj tankou frekans opere ki ba, gwo pri ak efikasite ki ba.
Tablo 2 Pwogrè rechèch nan kominikasyon THz nan Almay
Figi 3 Sèn tès van tinèl
Sant CSIRO ICT te kòmanse rechèch tou sou sistèm kominikasyon san fil andedan kay la THz. Sant lan te etidye relasyon ki genyen ant ane a ak frekans kominikasyon an, jan yo montre nan Figi 4. Kòm yo ka wè nan Figi 4, pa 2020, rechèch sou kominikasyon san fil yo gen tandans nan bann THz la. Frekans kominikasyon maksimòm lè l sèvi avèk spectre radyo a ogmante apeprè dis fwa chak ven ane. Sant lan te fè rekòmandasyon sou kondisyon pou antèn THz ak pwopoze antèn tradisyonèl tankou kòn ak lantiy pou sistèm kominikasyon THz. Jan yo montre nan Figi 5, de antèn kòn travay nan 0.84THz ak 1.7THz respektivman, ak yon estrikti senp ak bon pèfòmans Gaussian gwo bout bwa.
Figi 4 Relasyon ant ane ak frekans
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figi 5 De kalite antèn kòn
Etazini te fè rechèch vaste sou emisyon ak deteksyon vag terahertz. Laboratwa rechèch terahertz pi popilè yo enkli Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), elatriye. Nouvo antèn terahertz pou aplikasyon terahertz yo te fèt, tankou antèn bowtie ak antèn volan frekans gwo bout bwa. Dapre devlopman antèn terahertz, nou ka jwenn twa ide konsepsyon debaz pou antèn terahertz kounye a, jan yo montre nan Figi 6.
Figi 6 Twa lide konsepsyon debaz pou antèn terahertz
Analiz ki pi wo a montre ke byenke anpil peyi te peye anpil atansyon sou antèn terahertz, li toujou nan etap inisyal eksplorasyon ak devlopman. Akòz gwo pèt pwopagasyon ak absòpsyon molekilè, antèn THz yo anjeneral limite pa distans transmisyon ak pwoteksyon. Gen kèk etid konsantre sou pi ba frekans opere nan gwoup THz la. Rechèch antèn terahertz ki deja egziste sitou konsantre sou amelyore benefis lè l sèvi avèk antèn lantiy dielectric, elatriye, ak amelyore efikasite kominikasyon lè l sèvi avèk algoritm apwopriye. Anplis de sa, ki jan yo amelyore efikasite nan anbalaj antèn terahertz se tou yon pwoblèm trè ijan.
Jeneral THz antèn
Gen anpil kalite antèn THz ki disponib: antèn dipol ak kavite konik, etalaj reflektè kwen, dipol bowtie, antèn planar lantiy dielectric, antèn fotoconducteurs pou génération sous radyasyon sous THz, antèn kòn, antèn THz ki baze sou materyèl grafèn, elatriye. materyèl yo itilize pou fè antèn THz, yo ka apeprè divize an antèn metal (sitou antèn kòn), antèn dielectric (antèn lantiy), ak nouvo antèn materyèl. Seksyon sa a premye bay yon analiz preliminè nan antèn sa yo, ak Lè sa a, nan pwochen seksyon an, senk antèn THz tipik yo prezante an detay epi analize an pwofondè.
1. Antèn metal
Antèn kòn lan se yon antèn metal tipik ki fèt pou travay nan gwoup THz la. Antèn yon reseptè vag milimèt klasik se yon kòn konik. Antèn corrugated ak doub-mòd gen anpil avantaj, ki gen ladan modèl radyasyon wotasyon simetrik, gwo benefis nan 20 a 30 dBi ak nivo ki ba kwa-polarizasyon nan -30 dB, ak efikasite kouple nan 97% a 98%. Pleasant ki disponib nan de antèn kòn yo se 30% -40% ak 6% -8%, respektivman.
Depi frekans lan nan vag terahertz trè wo, gwosè a nan antèn la kòn se piti anpil, sa ki fè pwosesis la nan kòn lan trè difisil, espesyalman nan konsepsyon an nan etalaj antèn, ak konpleksite nan teknoloji a pwosesis mennen nan pri twòp ak pwodiksyon limite. Akòz difikilte nan fabrikasyon anba a nan konsepsyon kòn konplèks la, anjeneral yo itilize yon antèn kòn senp nan fòm yon kòn konik oswa konik, sa ki ka diminye pri a ak konpleksite pwosesis, ak pèfòmans radyasyon antèn la ka konsève. byen.
Yon lòt antèn metal se yon antèn piramid vag vwayaje, ki gen ladann yon antèn vag vwayaje entegre sou yon fim dyelèktrik 1.2 mikron ak sispann nan yon kavite longitudinal grave sou yon wafer Silisyòm, jan yo montre nan Figi 7. Antèn sa a se yon estrikti louvri ki se konpatib ak dyod Schottky. Akòz estrikti relativman senp li yo ak kondisyon fabrikasyon ki ba, li ka jeneralman itilize nan gwoup frekans pi wo a 0.6 THz. Sepandan, nivo sidelobe ak nivo kwa-polarizasyon antèn la wo, pwobableman akòz estrikti louvri li yo. Se poutèt sa, efikasite kouple li yo relativman ba (apeprè 50%).
Figi 7 antèn piramid vag vwayaje
2. Dielectric antèn
Antèn dyelèktrik la se yon konbinezon de yon substra dyelèktrik ak yon radyatè antèn. Atravè konsepsyon apwopriye, antèn dielectric ka reyalize enpedans matche ak detektè a, e li gen avantaj ki genyen nan pwosesis senp, entegrasyon fasil, ak pri ki ba. Nan dènye ane yo, chèchè yo te fèt plizyè antèn narrowband ak bande laj ki ka matche ak detektè ki ba-enpedans nan antèn dielectric terahertz: antèn papiyon, antèn doub U-ki gen fòm, antèn log-peryodik, ak antèn log-periodik sinusoidal, kòm yo montre nan Figi 8. Anplis de sa, jeyometri antèn ki pi konplèks yo ka fèt atravè algoritm jenetik.
Figi 8 Kat kalite antèn plan
Sepandan, depi antèn dyelèktrik la konbine avèk yon substra dyelèktrik, yon efè vag sifas ap fèt lè frekans lan gen tandans nan bann THz la. Dezavantaj fatal sa a pral lakòz antèn la pèdi anpil enèji pandan operasyon an epi mennen nan yon rediksyon enpòtan nan efikasite radyasyon antèn la. Jan yo montre nan Figi 9, lè ang radyasyon antèn la pi gran pase ang koupe a, enèji li yo fèmen nan substra dyelèktrik la ak makonnen ak mòd substra a.
Figi 9 Efè vag sifas antèn
Kòm epesè nan substra a ogmante, kantite mòd segondè-lòd ogmante, ak kouple ki genyen ant antèn la ak substra a ogmante, sa ki lakòz pèt enèji. Yo nan lòd yo febli efè a vag sifas, gen twa rapid optimize:
1) Chaje yon lantiy sou antèn la pou ogmante benefis la lè w itilize karakteristik beamforming onn elektwomayetik yo.
2) Diminye epesè substra a pou siprime jenerasyon mòd wo-lòd onn elektwomayetik.
3) Ranplase materyèl dyelèktrik substra a ak yon espas elektwomayetik (EBG). Karakteristik filtraj espasyal nan EBG ka siprime mòd segondè-lòd.
3. Nouvo materyèl antèn
Anplis de antèn ki anwo yo, gen tou yon antèn terahertz ki fèt ak nouvo materyèl. Pou egzanp, nan 2006, Jin Hao et al. pwopoze yon antèn dipol nanotub kabòn. Jan yo montre nan Figi 10 (a), dipol la fèt ak nanotub kabòn olye pou yo materyèl metal. Li ak anpil atansyon etidye pwopriyete yo enfrawouj ak optik nan antèn nan dipol nanotub kabòn epi diskite sou karakteristik jeneral yo nan antèn nan dipol nanotub kabòn fini-longè, tankou enpedans opinyon, distribisyon aktyèl, genyen, efikasite ak modèl radyasyon. Figi 10 (b) montre relasyon ki genyen ant enpedans opinyon ak frekans nan antèn dipol nanotib kabòn. Kòm ka wè nan Figi 10 (b), pati nan imajinè nan enpedans nan opinyon gen zewo miltip nan pi wo frekans. Sa a endike ke antèn la ka reyalize plizyè rezonans nan frekans diferan. Li evidan, antèn nanotub kabòn montre sonorite nan yon seri frekans sèten (pi ba frekans THz), men li konplètman kapab rezonans deyò ranje sa a.
Figi 10 (a) Kabòn nanotub dipol antèn. (b) Antre koub enpedans-frekans
An 2012, Samir F. Mahmoud ak Ayed R. AlAjmi te pwopoze yon nouvo estrikti antèn terahertz ki baze sou nanotub kabòn, ki gen ladann yon pake nanotub kabòn ki vlope nan de kouch dielectric. Kouch dyelèktrik enteryè a se yon kouch kim dyelèktrik, ak kouch dyelèktrik deyò a se yon kouch metamateryèl. Estrikti espesifik yo montre nan Figi 11. Atravè tès yo, pèfòmans radyasyon antèn la amelyore konpare ak nanotub kabòn ki gen yon sèl miray.
Figi 11 Nouvo antèn terahertz ki baze sou nanotub kabòn
Nouvo materyèl terahertz antèn yo pwopoze pi wo a se sitou ki genyen twa dimansyon. Yo nan lòd yo amelyore Pleasant la nan antèn la epi fè antèn konfòm, antèn grafèn planar yo te resevwa atansyon toupatou. Grafèn gen ekselan karakteristik kontwòl dinamik kontinyèl epi li ka jenere plasma sifas pa ajiste vòltaj la patipri. Plasma andigman egziste sou koòdone ant substrats konstan dyelèktrik pozitif (tankou Si, SiO2, elatriye) ak substrats konstan dyelèktrik negatif (tankou metal presye, grafèn, elatriye). Gen yon gwo kantite "elektron gratis" nan kondiktè tankou metal presye ak grafèn. Elektwon gratis sa yo rele tou plasma. Akòz jaden potansyèl nannan nan kondiktè a, plasma sa yo nan yon eta ki estab epi yo pa detounen pa mond lan deyò. Lè enèji vag elektwomayetik ensidan an makonnen ak plasma sa yo, plasma yo pral devye nan eta a fiks epi vibre. Apre konvèsyon an, mòd elektwomayetik fòme yon vag mayetik transverse nan koòdone a. Dapre deskripsyon relasyon an dispèsyon nan plasma sifas metal pa modèl Drude, metal yo pa ka natirèlman kouple ak vag elektwomayetik nan espas lib ak konvèti enèji. Li nesesè pou itilize lòt materyèl pou eksite vag plasma sifas yo. Onn plasma sifas yo dekonpoze rapidman nan direksyon paralèl koòdone metal-substra a. Lè kondiktè metal la kondwi nan direksyon pèpandikilè a sifas la, yon efè po rive. Li evidan, akòz gwosè a ti nan antèn la, gen yon efè po nan gwoup la frekans segondè, ki lakòz pèfòmans nan antèn tonbe sevè epi yo pa ka satisfè kondisyon ki nan antèn terahertz. Plasmon sifas grafèn pa sèlman gen pi wo fòs obligatwa ak pi ba pèt, men tou, sipòte akor elektrik kontinyèl. Anplis de sa, grafèn gen konduktiviti konplèks nan bann terahertz la. Se poutèt sa, pwopagasyon vag dousman ki gen rapò ak mòd nan plasma nan frekans terahertz. Karakteristik sa yo konplètman demontre posibilite nan grafèn ranplase materyèl metal nan gwoup la terahertz.
Ki baze sou konpòtman an polarizasyon nan plasmon sifas grafèn, Figi 12 montre yon nouvo kalite antèn teren, ak pwopoze fòm nan bann nan karakteristik sa yo pwopagasyon nan vag plasma nan grafèn. Konsepsyon bann antèn réglage bay yon nouvo fason pou etidye karakteristik pwopagasyon nouvo materyèl terahertz antèn.
Figi 12 Nouvo antèn teren
Anplis de sa nan eksplore inite nouvo materyèl terahertz eleman antèn, grafèn nanopatch terahertz antèn kapab tou fèt kòm etalaj yo bati terahertz milti-antre milti-pwodiksyon antèn kominikasyon sistèm. Estrikti antèn yo montre nan Figi 13. Ki baze sou pwopriyete inik nan antèn nanopatch grafèn, eleman antèn yo gen dimansyon mikron-echèl. Depozisyon chimik vapè dirèkteman sentèz imaj grafèn diferan sou yon kouch nikèl mens epi transfere yo nan nenpòt substra. Lè w chwazi yon kantite konpozan ki apwopriye epi chanje vòltaj patipri elektwostatik la, direksyon radyasyon an ka efektivman chanje, fè sistèm nan reconfigurable.
Figi 13 Graphene nanopatch etalaj antèn terahertz
Rechèch nouvo materyèl se yon direksyon relativman nouvo. Inovasyon nan materyèl espere kraze nan limit yo nan antèn tradisyonèl yo epi devlope yon varyete de nouvo antèn, tankou metamateryèl reconfigurable, materyèl ki genyen de dimansyon (2D), elatriye Sepandan, sa a ki kalite antèn sitou depann sou inovasyon nan nouvo. materyèl ak avansman nan teknoloji pwosesis. Nan nenpòt ka, devlopman nan antèn terahertz mande pou materyèl inovatè, teknoloji pwosesis egzak ak estrikti konsepsyon roman pou satisfè gwo benefis, pri ki ba ak kondisyon lajè Pleasant nan antèn terahertz.
Sa ki anba la a prezante prensip debaz yo nan twa kalite antèn terahertz: antèn metal, antèn dyelèktrik ak nouvo antèn materyèl, epi analize diferans yo ak avantaj ak dezavantaj.
1. Antèn metal: Jeyometri a se senp, fasil pou trete, pri relativman ba, ak kondisyon ki ba pou materyèl substra. Sepandan, antèn metal yo itilize yon metòd mekanik pou ajiste pozisyon antèn la, ki gen tandans fè erè. Si ajisteman an pa kòrèk, pèfòmans antèn la ap redwi anpil. Malgre ke antèn metal la piti nan gwosè, li difisil pou rasanble ak yon kous plan.
2. Antèn Dielectric: Antèn Dielectric a gen yon enpedans opinyon ki ba, se fasil matche ak yon detektè enpedans ki ba, epi li se relativman senp konekte ak yon kous plan. Fòm jeyometrik antèn dielectric gen ladan fòm papiyon, fòm doub U, fòm logaritmik konvansyonèl ak fòm sinis peryodik logaritmik. Sepandan, antèn dielectric tou gen yon defo fatal, sètadi efè a vag sifas ki te koze pa substra a epè. Solisyon an se chaje yon lantiy epi ranplase substra dyelèktrik la ak yon estrikti EBG. Tou de solisyon yo mande pou inovasyon ak amelyorasyon kontinyèl nan teknoloji pwosesis ak materyèl, men pèfòmans ekselan yo (tankou omnidirectionality ak sifas vag suppression) ka bay nouvo lide pou rechèch la nan antèn terahertz.
3. Nouvo materyèl antèn: Kounye a, nouvo antèn dipol ki fèt ak nanotub kabòn ak nouvo estrikti antèn ki fèt ak metamateryèl yo te parèt. Nouvo materyèl ka pote nouvo dekouvèt pèfòmans, men site la se inovasyon nan syans materyèl. Koulye a, rechèch la sou antèn materyèl nouvo se toujou nan etap nan eksplorasyon, ak anpil teknoloji kle yo pa ase matirite.
An rezime, yo ka chwazi diferan kalite antèn terahertz selon kondisyon konsepsyon:
1) Si yo mande konsepsyon senp ak pri pwodiksyon ki ba, yo ka chwazi antèn metal.
2) Si yo mande gwo entegrasyon ak enpedans opinyon ki ba, yo ka chwazi antèn dielectric.
3) Si yo mande yon zouti nan pèfòmans, yo ka chwazi nouvo antèn materyèl.
Desen ki anwo yo kapab tou ajiste selon kondisyon espesifik. Pou egzanp, de kalite antèn ka konbine pou jwenn plis avantaj, men metòd asanble a ak teknoloji konsepsyon dwe satisfè kondisyon ki pi sevè.
Pou aprann plis sou antèn, tanpri vizite:
Lè poste: 02-aout 2024
