Avèk popilarite aparèy san fil k ap ogmante a, sèvis done yo antre nan yon nouvo peryòd devlopman rapid, ke yo rele tou kwasans eksplozif sèvis done yo. Kounye a, yon gwo kantite aplikasyon ap piti piti imigre soti nan òdinatè pou ale nan aparèy san fil tankou telefòn mobil ki fasil pou pote ak opere an tan reyèl, men sitiyasyon sa a lakòz tou yon ogmantasyon rapid nan trafik done ak yon mank resous Pleasant. Selon estatistik yo, vitès done sou mache a ka rive nan Gbps oswa menm Tbps nan 10 a 15 ane kap vini yo. Kounye a, kominikasyon THz rive nan yon vitès done Gbps, alòske vitès done Tbps la toujou nan premye etap devlopman yo. Yon dokiman ki gen rapò ak sa a bay lis dènye pwogrè nan vitès done Gbps ki baze sou band THz la epi li predi ke Tbps ka jwenn atravè miltiplexaj polarizasyon. Se poutèt sa, pou ogmante vitès transmisyon done a, yon solisyon posib se devlope yon nouvo band frekans, ki se band terahertz la, ki nan "zòn vid" ant mikwo ond ak limyè enfrawouj. Nan Konferans Mondyal Radyokominikasyon ITU a (WRC-19) an 2019, yo te itilize seri frekans 275-450GHz la pou sèvis fiks ak mobil terès. Nou ka wè ke sistèm kominikasyon san fil terahertz yo te atire atansyon anpil chèchè.
Jeneralman, yo defini ond elektwomayetik terahertz kòm yon bann frekans 0.1-10THz (1THz=1012Hz) ak yon longèdonn 0.03-3 mm. Selon estanda IEEE a, yo defini ond terahertz kòm 0.3-10THz. Figi 1 montre ke bann frekans terahertz la se ant mikwo ond yo ak limyè enfrawouj.
Fig. 1 Dyagram eskematik bann frekans THz la.
Devlopman Antèn Terahertz
Malgre rechèch sou terahertz te kòmanse nan 19yèm syèk la, yo pa t etidye l kòm yon domèn endepandan nan epòk sa a. Rechèch sou radyasyon terahertz la te sitou konsantre sou bann enfrawouj byen lwen an. Se pa t jiskas mitan rive nan fen 20yèm syèk la ke chèchè yo te kòmanse avanse rechèch sou ond milimèt nan bann terahertz la epi fè rechèch espesyalize sou teknoloji terahertz.
Nan ane 1980 yo, aparisyon sous radyasyon terahertz yo te fè aplikasyon ond terahertz yo posib nan sistèm pratik. Depi 21yèm syèk la, teknoloji kominikasyon san fil la devlope rapidman, epi demann moun yo pou enfòmasyon ak ogmantasyon ekipman kominikasyon yo mete pi gwo egzijans sou vitès transmisyon done kominikasyon yo. Se poutèt sa, youn nan defi teknoloji kominikasyon nan lavni an se pou opere nan yon vitès done ki wo, jigabit pa segonn, nan yon sèl kote. Anba devlopman ekonomik aktyèl la, resous spectre yo vin pi ra. Sepandan, bezwen imen an pou kapasite ak vitès kominikasyon yo pa gen limit. Pou pwoblèm konjesyon spectre a, anpil konpayi itilize teknoloji MIMO (Multiple-Output Multiple-Output) pou amelyore efikasite spectre a ak kapasite sistèm nan atravè miltiplexaj espasyal. Avèk avansman rezo 5G yo, vitès koneksyon done chak itilizatè a pral depase Gbps, epi trafik done estasyon baz yo pral ogmante anpil tou. Pou sistèm kominikasyon ond milimèt tradisyonèl yo, lyen mikwo ond yo p ap kapab jere gwo kouran done sa yo. Anplis de sa, akòz enfliyans liy vizyon an, distans transmisyon kominikasyon enfrawouj la kout epi kote ekipman kominikasyon li yo fiks. Se poutèt sa, ond THz yo, ki ant mikwo ond ak enfrawouj, ka itilize pou konstwi sistèm kominikasyon gwo vitès epi ogmante vitès transmisyon done lè l sèvi avèk lyen THz.
Ond Terahertz yo ka bay yon pi gwo lajè bandwidth kominikasyon, epi ranje frekans li se anviwon 1000 fwa pi gwo pase kominikasyon mobil yo. Se poutèt sa, itilizasyon THz pou konstwi sistèm kominikasyon san fil ultra-wo vitès se yon solisyon pwomèt pou defi gwo vitès done yo, ki te atire enterè anpil ekip rechèch ak endistri yo. Nan mwa septanm 2017, premye estanda kominikasyon san fil THz IEEE 802.15.3d-2017 la te pibliye, ki defini echanj done pwen-a-pwen nan ranje frekans THz ki pi ba a 252-325 GHz. Kouch fizik altènatif (PHY) lyen an ka reyalize vitès done jiska 100 Gbps nan diferan lajè bandwidth.
Premye sistèm kominikasyon THz 0.12 THz ki te reyisi a te etabli an 2004, epi sistèm kominikasyon THz 0.3 THz la te reyalize an 2013. Tablo 1 bay lis pwogrè rechèch sou sistèm kominikasyon terahertz nan Japon soti 2004 rive 2013.
Tablo 1 Pwogrè rechèch sou sistèm kominikasyon terahertz nan Japon soti 2004 rive 2013
Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) te dekri an detay estrikti antèn yon sistèm kominikasyon ki te devlope an 2004 an 2005. Yo te prezante konfigirasyon antèn nan de ka, jan yo montre nan Figi 2.
Figi 2 Dyagram eskematik sistèm kominikasyon san fil NTT 120 GHz Japon an
Sistèm nan entegre konvèsyon fotoelektrik ak antèn epi li adopte de mòd travay:
1. Nan yon anviwònman andedan kay la ki pre, transmetè antèn planè ki itilize andedan kay la gen ladan l yon chip fotodyòd transpòtè yon sèl liy (UTC-PD), yon antèn fant planè ak yon lantiy silikon, jan yo montre nan Figi 2(a).
2. Nan yon anviwònman deyò ki gen yon distans ki long, pou amelyore enfliyans gwo pèt transmisyon ak sansiblite detektè a ki ba, antèn transmetè a dwe gen yon gwo genyen. Antèn terahertz ki egziste deja a itilize yon lantiy optik Gaussian ak yon genyen plis pase 50 dBi. Konbinezon kòn alimantasyon an ak lantiy dyelèktrik la montre nan Figi 2(b).
Anplis devlopman yon sistèm kominikasyon 0.12 THz, NTT te devlope tou yon sistèm kominikasyon 0.3THz an 2012. Gras a optimize kontinyèlman, vitès transmisyon an ka rive jiska 100 Gbps. Jan yo ka wè nan Tablo 1, li te fè yon gwo kontribisyon nan devlopman kominikasyon terahertz. Sepandan, travay rechèch aktyèl la gen dezavantaj tankou frekans fonksyònman ki ba, gwo gwosè ak pri ki wo.
Pifò antèn terahertz yo itilize kounye a yo modifye soti nan antèn ond milimèt, epi gen ti kras inovasyon nan antèn terahertz yo. Se poutèt sa, pou amelyore pèfòmans sistèm kominikasyon terahertz yo, yon travay enpòtan se optimize antèn terahertz yo. Tablo 2 bay lis pwogrè rechèch sou kominikasyon THz Alman an. Figi 3 (a) montre yon sistèm kominikasyon san fil THz reprezantatif ki konbine fotonik ak elektwonik. Figi 3 (b) montre sèn tès tinèl van an. Jije dapre sitiyasyon rechèch aktyèl la nan Almay, rechèch ak devlopman li yo gen dezavantaj tou tankou frekans fonksyònman ki ba, pri ki wo ak efikasite ki ba.
Tablo 2 Pwogrè rechèch sou kominikasyon THz nan Almay
Figi 3 Sèn tès tinèl van an
Sant ICT CSIRO a te kòmanse tou rechèch sou sistèm kominikasyon san fil andedan kay la ki gen THz. Sant lan te etidye relasyon ki genyen ant ane a ak frekans kominikasyon an, jan yo montre nan Figi 4. Jan yo ka wè nan Figi 4 la, rive nan lane 2020, rechèch sou kominikasyon san fil yo gen tandans pou yo ale nan band THz la. Frekans maksimòm kominikasyon ki itilize spectre radyo a ogmante anviwon dis fwa chak ventan. Sant lan te fè rekòmandasyon sou egzijans pou antèn THz yo epi li te pwopoze antèn tradisyonèl tankou kòn ak lantiy pou sistèm kominikasyon THz yo. Jan yo montre nan Figi 5, de antèn kòn yo fonksyone nan 0.84THz ak 1.7THz respektivman, avèk yon estrikti senp ak yon bon pèfòmans gwo bout bwa Gaussyen.
Figi 4 Relasyon ant ane ak frekans
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figi 5 De kalite antèn kòn
Etazini te fè anpil rechèch sou emisyon ak deteksyon ond terahertz yo. Laboratwa rechèch terahertz ki pi popilè yo enkli Laboratwa Propulsion Jet (JPL), Sant Akseleratè Lineyè Stanford (SLAC), Laboratwa Nasyonal Etazini (LLNL), Administrasyon Nasyonal Aeronautik ak Espas (NASA), Fondasyon Nasyonal Syans (NSF), elatriye. Yo te desine nouvo antèn terahertz pou aplikasyon terahertz, tankou antèn bowtie ak antèn oryantasyon gwo bout bwa frekans. Selon devlopman antèn terahertz yo, nou ka jwenn twa lide konsepsyon debaz pou antèn terahertz kounye a, jan yo montre nan Figi 6.
Figi 6 Twa lide konsepsyon debaz pou antèn terahertz
Analiz ki anwo a montre ke byenke anpil peyi te peye anpil atansyon sou antèn terahertz yo, yo toujou nan premye etap eksplorasyon ak devlopman. Akòz gwo pèt pwopagasyon ak absòpsyon molekilè, antèn THz yo anjeneral limite pa distans transmisyon ak pwoteksyon. Gen kèk etid ki konsantre sou frekans fonksyònman ki pi ba nan band THz la. Rechèch antèn terahertz ki deja egziste a sitou konsantre sou amelyore genyen lè l sèvi avèk antèn lantiy dyelèktrik, elatriye, ak amelyore efikasite kominikasyon lè l sèvi avèk algoritm ki apwopriye yo. Anplis de sa, kijan pou amelyore efikasite anbalaj antèn terahertz la se yon pwoblèm ki ijan anpil tou.
Antèn THz jeneral
Gen anpil kalite antèn THz ki disponib: antèn dipol ak kavite konik, etalaj reflektè kwen, dipol bowtie, antèn planar lantiy dyelektrik, antèn fotokondiktif pou jenere sous radyasyon sous THz, antèn kòn, antèn THz ki baze sou materyèl grafèn, elatriye. Selon materyèl yo itilize pou fè antèn THz yo, yo ka divize an gwo pati an antèn metal (sitou antèn kòn), antèn dyelektrik (antèn lantiy), ak antèn nouvo materyèl. Seksyon sa a bay yon analiz preliminè sou antèn sa yo an premye, epi nan pwochen seksyon an, senk antèn THz tipik yo prezante an detay epi analize an pwofondè.
1. Antèn metalik
Antèn kòn lan se yon antèn metal tipik ki fèt pou travay nan band THz la. Antèn yon reseptè ond milimèt klasik se yon kòn konik. Antèn corrugated ak doub-mòd yo gen anpil avantaj, tankou modèl radyasyon simetrik wotasyonèl, gwo genyen 20 a 30 dBi ak nivo polarizasyon kwaze ki ba -30 dB, ak efikasite kouplaj 97% a 98%. Pleasant ki disponib pou de antèn kòn yo se 30%-40% ak 6%-8%, respektivman.
Piske frekans ond terahertz yo trè wo, gwosè antèn kòn lan piti anpil, sa ki fè pwosesis kòn lan trè difisil, sitou nan konsepsyon antèn yo, epi konpleksite teknoloji pwosesis la mennen nan pri twòp ak pwodiksyon limite. Akòz difikilte pou fabrike pati anba konsepsyon kòn konplèks la, yo anjeneral itilize yon antèn kòn senp nan fòm yon kòn konik oswa konik, sa ki ka diminye pri a ak konpleksite pwosesis la, epi pèfòmans radyasyon antèn lan ka byen konsève.
Yon lòt antèn metal se yon antèn piramid vag k ap vwayaje, ki konsiste de yon antèn vag k ap vwayaje entegre sou yon fim dyelèktrik 1.2 mikron epi ki sispann nan yon kavite longitudinal grave sou yon waf silikon, jan yo montre nan Figi 7. Antèn sa a se yon estrikti ouvè ki konpatib ak dyòd Schottky. Akòz estrikti relativman senp li yo ak kondisyon fabrikasyon ki ba, li ka jeneralman itilize nan bann frekans ki pi wo pase 0.6 THz. Sepandan, nivo lòb lateral ak nivo polarizasyon kwa antèn lan wo, pwobableman akòz estrikti ouvè li yo. Se poutèt sa, efikasite kouplaj li relativman ba (anviwon 50%).
Figi 7 Antèn piramid vag vwayaj
2. Antèn dyelèktrik
Antèn dyelèktrik la se yon konbinezon yon substrat dyelèktrik ak yon radyatè antèn. Atravè yon konsepsyon apwopriye, antèn dyelèktrik la ka reyalize matche enpedans ak detektè a, epi li gen avantaj pwosesis senp, entegrasyon fasil, ak pri ki ba. Nan dènye ane yo, chèchè yo te desine plizyè antèn side-fire etwat ak bande laj ki ka matche ak detektè ba enpedans antèn dyelèktrik terahertz yo: antèn papiyon, antèn doub an U, antèn log-periodik, ak antèn sinisoyidal log-periodik, jan yo montre nan Figi 8. Anplis de sa, jeyometri antèn ki pi konplèks yo ka fèt atravè algoritm jenetik.
Figi 8 Kat kalite antèn planè
Sepandan, piske antèn dyelèktrik la konbine avèk yon substrat dyelèktrik, yon efè vag sifas ap rive lè frekans lan gen tandans nan direksyon band THz la. Dezavantaj fatal sa a ap lakòz antèn lan pèdi anpil enèji pandan operasyon an epi mennen nan yon rediksyon enpòtan nan efikasite radyasyon antèn lan. Jan yo montre nan Figi 9, lè ang radyasyon antèn lan pi gran pase ang koupe a, enèji li limite nan substrat dyelèktrik la epi li makonnen ak mòd substrat la.
Figi 9 Efè vag sifas antèn
Ogmantasyon epesè substrati a ap ogmante, kantite mòd ki gen plis lòd (high-order modes) ap ogmante, epi kouplaj ant antèn nan ak substrati a ap ogmante, sa ki lakòz pèt enèji. Pou febli efè vag sifas la, gen twa plan optimize:
1) Mete yon lantiy sou antèn lan pou ogmante gen an lè w sèvi ak karakteristik fòmasyon gwo bout bwa ond elektwomayetik yo.
2) Redui epesè substrat la pou siprime jenerasyon mòd ond elektwomayetik ki gen gwo lòd.
3) Ranplase materyèl dyelèktrik substrat la ak yon espas bann elektwomayetik (EBG). Karakteristik filtraj espasyal EBG a ka siprime mòd lòd siperyè yo.
3. Nouvo antèn materyèl
Anplis de antèn ki anwo yo, genyen tou yon antèn terahertz ki fèt ak nouvo materyèl. Pa egzanp, an 2006, Jin Hao et al. te pwopoze yon antèn dipòl nanotub kabòn. Jan yo montre nan Figi 10 (a), dipòl la fèt ak nanotub kabòn olye de materyèl metalik. Li te etidye ak anpil atansyon pwopriyete enfrawouj ak optik antèn dipòl nanotub kabòn lan epi li te diskite sou karakteristik jeneral antèn dipòl nanotub kabòn longè fini an, tankou enpedans antre, distribisyon kouran, gen, efikasite ak modèl radyasyon. Figi 10 (b) montre relasyon ki genyen ant enpedans antre ak frekans antèn dipòl nanotub kabòn lan. Jan yo ka wè nan Figi 10 (b), pati imajinè enpedans antre a gen plizyè zewo nan frekans ki pi wo yo. Sa endike ke antèn lan ka reyalize plizyè rezonans nan diferan frekans. Li evidan, antèn nanotub kabòn lan montre rezonans nan yon sèten seri frekans (frekans THz ki pi ba), men li pa kapab rezone deyò seri sa a ditou.
Figi 10 (a) Antèn dipòl nanotub kabòn. (b) Koub enpedans-frekans antre
An 2012, Samir F. Mahmoud ak Ayed R. AlAjmi te pwopoze yon nouvo estrikti antèn terahertz ki baze sou nanotub kabòn, ki konsiste de yon pake nanotub kabòn vlope nan de kouch dyelèktrik. Kouch dyelèktrik enteryè a se yon kouch kim dyelèktrik, epi kouch dyelèktrik ekstèn lan se yon kouch metamateryèl. Estrikti espesifik la montre nan Figi 11. Atravè tès yo, pèfòmans radyasyon antèn lan te amelyore konpare ak nanotub kabòn yon sèl miray.
Figi 11 Nouvo antèn terahertz ki baze sou nanotub kabòn
Nouvo antèn materyèl terahertz yo pwopoze pi wo a se sitou twa dimansyon. Pou amelyore Pleasant antèn lan epi fè antèn konfòm, antèn grafèn planè yo te resevwa anpil atansyon. Grafèn gen ekselan karakteristik kontwòl dinamik kontinyèl epi li ka jenere plasma sifas lè li ajiste vòltaj polarizasyon an. Plasma sifas 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 "elektwon lib" nan kondiktè tankou metal presye ak grafèn. Elektwon lib sa yo rele tou plasma. Akòz chan potansyèl natirèl ki nan kondiktè a, plasma sa yo nan yon eta ki estab epi yo pa deranje pa mond deyò a. Lè enèji vag elektwomayetik ensidan an makonnen ak plasma sa yo, plasma yo pral devye de eta fiks la epi vibre. Apre konvèsyon an, mòd elektwomayetik la fòme yon vag mayetik transvèsal nan koòdone a. Dapre deskripsyon relasyon dispèsyon plasma sifas metal la pa modèl Drude a, metal yo pa ka natirèlman makonnen ak vag elektwomayetik nan espas lib epi konvèti enèji. Li nesesè pou itilize lòt materyèl pou eksite vag plasma sifas yo. Vag plasma sifas yo dekonpoze rapidman nan direksyon paralèl ak koòdone metal-substrat la. Lè kondiktè metal la kondui nan direksyon pèpandikilè ak sifas la, yon efè po rive. Li evidan, akòz ti gwosè antèn nan, gen yon efè po nan bann frekans segondè a, sa ki lakòz pèfòmans antèn nan bese rapidman epi li pa ka satisfè egzijans antèn terahertz yo. Plazmon sifas grafèn nan pa sèlman gen yon fòs lyezon ki pi wo ak yon pèt ki pi ba, men tou li sipòte yon akor elektrik kontinyèl. Anplis de sa, grafèn gen yon konduktivite konplèks nan bann terahertz la. Se poutèt sa, pwopagasyon vag dousman gen rapò ak mòd plasma a nan frekans terahertz yo. Karakteristik sa yo demontre nèt posibilite grafèn pou ranplase materyèl metal nan bann terahertz la.
Baze sou konpòtman polarizasyon plasmon sifas grafèn yo, Figi 12 montre yon nouvo kalite antèn bann, epi li pwopoze fòm bann karakteristik pwopagasyon ond plasma nan grafèn. Konsepsyon bann antèn reglabl la bay yon nouvo fason pou etidye karakteristik pwopagasyon nouvo materyèl antèn terahertz yo.
Figi 12 Nouvo antèn bann
Anplis eksplorasyon nouvo materyèl inite eleman antèn terahertz, antèn terahertz nanopatch grafèn yo kapab tou fèt kòm etalaj pou konstwi sistèm kominikasyon antèn terahertz milti-antre milti-soti. Estrikti antèn lan montre nan Figi 13. Baze sou pwopriyete inik antèn nanopatch grafèn yo, eleman antèn yo gen dimansyon echèl mikwon. Depozisyon vapè chimik sentetize dirèkteman diferan imaj grafèn sou yon kouch nikèl mens epi transfere yo nan nenpòt substrat. Lè w chwazi yon kantite konpozan ki apwopriye epi chanje vòltaj polarizasyon elektwostatik la, direksyon radyasyon an ka chanje efektivman, sa ki fè sistèm nan rekonfigurab.
Figi 13 Antèn terahertz nanopatch grafèn
Rechèch sou nouvo materyèl se yon direksyon relativman nouvo. Inovasyon materyèl yo espere kraze limit antèn tradisyonèl yo epi devlope yon varyete nouvo antèn, tankou metamateryèl rekonfigurab, materyèl bidimensyonèl (2D), elatriye. Sepandan, kalite antèn sa a depann sitou de inovasyon nouvo materyèl yo ak avansman teknoloji pwosesis la. Nan nenpòt ka, devlopman antèn terahertz yo mande materyèl inovatè, teknoloji pwosesis presi ak estrikti konsepsyon nouvo pou satisfè egzijans gwo genyen, pri ki ba ak lajè Pleasant antèn terahertz yo.
Sa ki anba la a prezante prensip debaz twa kalite antèn terahertz: antèn metalik, antèn dyelèktrik ak antèn nouvo materyèl, epi analize diferans yo, avantaj ak dezavantaj yo.
1. Antèn metalik: Jewometri a senp, fasil pou trete, pri a relativman ba, epi li pa mande anpil materyèl substrati. Sepandan, antèn metalik yo itilize yon metòd mekanik pou ajiste pozisyon antèn lan, sa ki fasil pou fè erè. Si ajisteman an pa kòrèk, pèfòmans antèn lan ap diminye anpil. Malgre ke antèn metalik la piti an gwosè, li difisil pou rasanble ak yon sikwi planè.
2. Antèn dyelèktrik: Antèn dyelèktrik la gen yon enpedans antre ki ba, li fasil pou matche ak yon detektè enpedans ki ba, epi li relativman senp pou konekte ak yon sikwi planè. Fòm jewometrik antèn dyelèktrik yo enkli fòm papiyon, fòm doub U, fòm logaritmik konvansyonèl ak fòm sinis peryodik logaritmik. Sepandan, antèn dyelèktrik yo genyen tou yon defo fatal, sètadi efè vag sifas ki koze pa substrat epè a. Solisyon an se chaje yon lantiy epi ranplase substrat dyelèktrik la ak yon estrikti EBG. Tou de solisyon yo mande inovasyon ak amelyorasyon kontinyèl nan teknoloji pwosesis ak materyèl yo, men pèfòmans ekselan yo (tankou omnidireksyonèl ak sipresyon vag sifas) ka bay nouvo lide pou rechèch antèn terahertz yo.
3. Nouvo antèn materyèl: Kounye a, nouvo antèn dipol ki fèt ak nanotub kabòn ak nouvo estrikti antèn ki fèt ak metamateryèl parèt. Nouvo materyèl yo ka pote nouvo avansman nan pèfòmans, men baz la se inovasyon syans materyèl yo. Kounye a, rechèch sou nouvo antèn materyèl yo toujou nan etap eksplorasyon an, epi anpil teknoloji kle yo poko ase matirite.
An rezime, diferan kalite antèn terahertz yo ka chwazi selon egzijans konsepsyon yo:
1) Si yo bezwen yon konsepsyon senp epi yon pri pwodiksyon ki ba, yo ka chwazi antèn metal.
2) Si yo bezwen yon gwo entegrasyon ak yon enpedans antre ki ba, yo ka chwazi antèn dyelèktrik.
3) Si yo bezwen yon amelyorasyon nan pèfòmans, yo ka chwazi nouvo materyèl antèn.
Desen ki anwo yo kapab ajiste tou selon egzijans espesifik. Pa egzanp, de kalite antèn ka konbine pou jwenn plis avantaj, men metòd asanblaj la ak teknoloji konsepsyon an dwe satisfè egzijans ki pi strik.
Pou aprann plis bagay sou antèn yo, tanpri vizite:
Dat piblikasyon: 2 Out 2024
