Met de toenemende populariteit van draadloze apparaten zijn datadiensten een nieuwe periode van snelle ontwikkeling ingegaan, ook wel bekend als de explosieve groei van datadiensten. Momenteel migreren veel applicaties geleidelijk van computers naar draadloze apparaten zoals mobiele telefoons, die gemakkelijk mee te nemen en in realtime te bedienen zijn. Deze situatie heeft echter ook geleid tot een snelle toename van het dataverkeer en een tekort aan bandbreedte. Volgens statistieken kan de datasnelheid op de markt de komende 10 tot 15 jaar Gbps of zelfs Tbps bereiken. Momenteel heeft THz-communicatie een datasnelheid van Gbps bereikt, terwijl de ontwikkeling van Tbps-datasnelheden zich nog in een vroeg stadium bevindt. Een relevant artikel beschrijft de meest recente vooruitgang in Gbps-datasnelheden op basis van de THz-band en voorspelt dat Tbps kan worden bereikt door middel van polarisatiemultiplexing. Om de datatransmissiesnelheid te verhogen, is de ontwikkeling van een nieuwe frequentieband, de terahertzband, die zich bevindt in het "blinde vlek" tussen microgolven en infrarood licht, een haalbare oplossing. Tijdens de ITU Wereldradiocommunicatieconferentie (WRC-19) in 2019 werd het frequentiebereik van 275-450 GHz gebruikt voor vaste en mobiele communicatie over land. Dit toont aan dat draadloze terahertz-communicatiesystemen de aandacht van veel onderzoekers hebben getrokken.
Terahertz-elektromagnetische golven worden over het algemeen gedefinieerd als de frequentieband van 0,1-10 THz (1 THz = 10¹² Hz) met een golflengte van 0,03-3 mm. Volgens de IEEE-standaard worden terahertzgolven gedefinieerd als 0,3-10 THz. Figuur 1 laat zien dat de terahertz-frequentieband zich tussen microgolven en infrarood licht bevindt.
Figuur 1. Schematisch diagram van de THz-frequentieband.
Ontwikkeling van terahertz-antennes
Hoewel onderzoek naar terahertzstraling al in de 19e eeuw begon, werd het destijds niet als een zelfstandig onderzoeksgebied beschouwd. Het onderzoek richtte zich voornamelijk op de verre-infraroodband. Pas halverwege de 20e eeuw begonnen onderzoekers het onderzoek naar millimetergolven uit te breiden naar de terahertzband en gespecialiseerd onderzoek naar terahertztechnologie te verrichten.
In de jaren tachtig maakte de opkomst van terahertzstralingsbronnen de toepassing van terahertzgolven in praktische systemen mogelijk. Sinds de 21e eeuw heeft draadloze communicatietechnologie zich snel ontwikkeld en de toenemende informatiebehoefte en de groeiende hoeveelheid communicatieapparatuur stellen steeds hogere eisen aan de transmissiesnelheid van communicatiedata. Een van de uitdagingen voor toekomstige communicatietechnologie is dan ook het realiseren van een hoge datasnelheid van gigabits per seconde op één locatie. In de huidige economische situatie zijn spectrumbronnen steeds schaarser geworden. De menselijke behoefte aan communicatiecapaciteit en -snelheid is echter eindeloos. Om het probleem van spectrumcongestie aan te pakken, gebruiken veel bedrijven MIMO-technologie (Multiple Input Multiple Output) om de spectrumefficiëntie en systeemcapaciteit te verbeteren door middel van ruimtelijke multiplexing. Met de ontwikkeling van 5G-netwerken zal de datasnelheid per gebruiker de Gbps overschrijden en zal het dataverkeer van basisstations aanzienlijk toenemen. Traditionele millimetergolfcommunicatiesystemen, zoals microgolfverbindingen, zullen deze enorme datastromen niet aankunnen. Bovendien is de transmissieafstand van infraroodcommunicatie, vanwege de invloed van zichtlijnen, kort en is de locatie van de communicatieapparatuur vast. Daarom kunnen THz-golven, die zich tussen microgolven en infrarood bevinden, worden gebruikt om snelle communicatiesystemen te bouwen en de gegevensoverdrachtssnelheid te verhogen door middel van THz-verbindingen.
Terahertzgolven bieden een bredere communicatiebandbreedte en hun frequentiebereik is ongeveer 1000 keer groter dan dat van mobiele communicatie. Het gebruik van THz voor de bouw van ultrasnelle draadloze communicatiesystemen is daarom een veelbelovende oplossing voor de uitdaging van hoge datasnelheden en heeft de interesse gewekt van vele onderzoeksteams en bedrijven. In september 2017 werd de eerste THz-draadloze communicatiestandaard, IEEE 802.15.3d-2017, uitgebracht. Deze definieert punt-naar-punt-data-uitwisseling in het lagere THz-frequentiebereik van 252-325 GHz. De alternatieve fysieke laag (PHY) van de verbinding kan datasnelheden tot 100 Gbps bereiken bij verschillende bandbreedtes.
Het eerste succesvolle THz-communicatiesysteem van 0,12 THz werd in 2004 gerealiseerd, en het THz-communicatiesysteem van 0,3 THz volgde in 2013. Tabel 1 geeft een overzicht van de onderzoeksvoortgang op het gebied van terahertz-communicatiesystemen in Japan van 2004 tot 2013.
Tabel 1. Voortgang van het onderzoek naar terahertz-communicatiesystemen in Japan van 2004 tot 2013.
De antennestructuur van een communicatiesysteem dat in 2004 werd ontwikkeld, werd in 2005 gedetailleerd beschreven door Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT). De antenneconfiguratie werd in twee gevallen gepresenteerd, zoals weergegeven in Figuur 2.
Figuur 2 Schematisch diagram van het Japanse NTT 120 GHz draadloze communicatiesysteem.
Het systeem integreert foto-elektrische conversie en antenne en kent twee werkingsmodi:
1. In een binnenomgeving op korte afstand bestaat de vlakke antennezender die binnenshuis wordt gebruikt uit een single-line carrier photodiode (UTC-PD) chip, een vlakke sleufantenne en een siliciumlens, zoals weergegeven in figuur 2(a).
2. In een buitenomgeving met een groot bereik moet de zendantenne een hoge versterking hebben om de invloed van grote transmissieverliezen en de lage gevoeligheid van de detector te verbeteren. De bestaande terahertz-antenne maakt gebruik van een Gaussische optische lens met een versterking van meer dan 50 dBi. De combinatie van de voedingshoorn en de diëlektrische lens is weergegeven in figuur 2(b).
Naast de ontwikkeling van een 0,12 THz-communicatiesysteem ontwikkelde NTT in 2012 ook een 0,3 THz-communicatiesysteem. Door continue optimalisatie kan de transmissiesnelheid oplopen tot 100 Gbps. Zoals blijkt uit Tabel 1, heeft dit een grote bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van terahertzcommunicatie. Het huidige onderzoek kent echter nadelen zoals een lage werkfrequentie, een groot formaat en hoge kosten.
De meeste terahertz-antennes die momenteel in gebruik zijn, zijn gemodificeerde millimetergolfantennes, en er is weinig innovatie op het gebied van terahertz-antennes. Om de prestaties van terahertz-communicatiesystemen te verbeteren, is het optimaliseren van terahertz-antennes daarom een belangrijke taak. Tabel 2 geeft een overzicht van de voortgang van het Duitse THz-communicatieonderzoek. Figuur 3 (a) toont een representatief draadloos THz-communicatiesysteem dat fotonica en elektronica combineert. Figuur 3 (b) toont de testomgeving in de windtunnel. Gezien de huidige onderzoekssituatie in Duitsland kent het onderzoek en de ontwikkeling ervan ook nadelen, zoals een lage werkfrequentie, hoge kosten en een laag rendement.
Tabel 2. Voortgang van het onderzoek naar THz-communicatie in Duitsland.
Afbeelding 3. Testopstelling in de windtunnel.
Het CSIRO ICT Center is ook onderzoek gestart naar draadloze THz-communicatiesystemen voor binnenshuis. Het centrum onderzocht de relatie tussen het jaar en de communicatiefrequentie, zoals weergegeven in Figuur 4. Zoals te zien is in Figuur 4, neigt het onderzoek naar draadloze communicatie in 2020 naar de THz-band. De maximale communicatiefrequentie die gebruikmaakt van het radiospectrum neemt ongeveer tienvoudig toe elke twintig jaar. Het centrum heeft aanbevelingen gedaan met betrekking tot de vereisten voor THz-antennes en traditionele antennes zoals hoornantennes en lensantennes voorgesteld voor THz-communicatiesystemen. Zoals weergegeven in Figuur 5, werken twee hoornantennes op respectievelijk 0,84 THz en 1,7 THz, met een eenvoudige structuur en goede Gaussische bundelprestaties.
Figuur 4. Verband tussen jaar en frequentie.
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figuur 5 Twee soorten hoornantennes
De Verenigde Staten hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar de emissie en detectie van terahertzgolven. Bekende terahertzonderzoekslaboratoria zijn onder andere het Jet Propulsion Laboratory (JPL), het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), het US National Laboratory of Natural Science (LLNL), de National Aeronautics and Space Administration (NASA) en de National Science Foundation (NSF). Er zijn nieuwe terahertzantennes ontworpen voor terahertztoepassingen, zoals bowtie-antennes en frequentiegestuurde antennes. Op basis van de ontwikkeling van terahertzantennes kunnen we momenteel drie basisontwerpen voor terahertzantennes onderscheiden, zoals weergegeven in Figuur 6.
Figuur 6 Drie basisontwerpideeën voor terahertz-antennes
Uit bovenstaande analyse blijkt dat, hoewel veel landen grote aandacht besteden aan terahertz-antennes, deze zich nog in de beginfase van onderzoek en ontwikkeling bevinden. Door het hoge propagatieverlies en de moleculaire absorptie worden THz-antennes doorgaans beperkt door hun transmissieafstand en bereik. Sommige studies richten zich op lagere werkfrequenties in de THz-band. Bestaand onderzoek naar terahertz-antennes richt zich voornamelijk op het verbeteren van de versterking door het gebruik van diëlektrische lensantennes, enzovoort, en het verbeteren van de communicatie-efficiëntie door het toepassen van geschikte algoritmen. Daarnaast is het verbeteren van de efficiëntie van de behuizing van terahertz-antennes een zeer urgente kwestie.
Algemene THz-antennes
Er zijn veel soorten THz-antennes beschikbaar: dipoolantennes met conische holtes, hoekreflectorarrays, vlinderdasdipolen, planaire antennes met diëlektrische lenzen, fotogeleidende antennes voor het genereren van THz-straling, hoornantennes, THz-antennes op basis van grafeenmaterialen, enzovoort. Afhankelijk van de gebruikte materialen kunnen THz-antennes grofweg worden onderverdeeld in metalen antennes (voornamelijk hoornantennes), diëlektrische antennes (lensantennes) en antennes van nieuwe materialen. In dit gedeelte wordt eerst een voorlopige analyse van deze antennes gegeven, waarna in het volgende gedeelte vijf typische THz-antennes gedetailleerd worden beschreven en diepgaand geanalyseerd.
1. Metalen antennes
De hoornantenne is een typische metalen antenne die is ontworpen voor gebruik in de THz-band. De antenne van een klassieke millimetergolfontvanger is een conische hoorn. Gegolfde en dual-mode antennes hebben veel voordelen, waaronder rotatiesymmetrische stralingspatronen, een hoge versterking van 20 tot 30 dBi en een laag kruispolarisatieniveau van -30 dB, en een koppelingsrendement van 97% tot 98%. De beschikbare bandbreedtes van de twee hoornantennes zijn respectievelijk 30%-40% en 6%-8%.
Omdat de frequentie van terahertzgolven erg hoog is, is de afmeting van de hoornantenne erg klein. Dit maakt de verwerking van de hoorn erg moeilijk, vooral bij het ontwerpen van antenne-arrays. De complexiteit van de verwerkingstechnologie leidt tot hoge kosten en beperkte productie. Vanwege de moeilijkheid om de basis van een complex hoornontwerp te produceren, wordt meestal een eenvoudige hoornantenne in de vorm van een kegel of conische hoorn gebruikt. Dit reduceert de kosten en de complexiteit van het productieproces, terwijl de stralingsprestaties van de antenne goed blijven.
Een andere metalen antenne is een lopende golfpiramide-antenne. Deze bestaat uit een lopende golfantenne geïntegreerd op een 1,2 micrometer dikke diëlektrische film, opgehangen in een langwerpige holte die in een silicium wafer is geëtst, zoals weergegeven in figuur 7. Deze antenne heeft een open structuur en is compatibel met Schottky-diodes. Dankzij de relatief eenvoudige structuur en de lage productie-eisen kan deze antenne over het algemeen worden gebruikt in frequentiebanden boven 0,6 THz. Het niveau van de zijlobben en de kruispolarisatie van de antenne zijn echter hoog, waarschijnlijk vanwege de open structuur. Daardoor is de koppelingsefficiëntie relatief laag (ongeveer 50%).
Figuur 7. Piramidale antenne met lopende golf.
2. Diëlektrische antenne
De diëlektrische antenne is een combinatie van een diëlektrisch substraat en een antennestraler. Door een geschikt ontwerp kan de diëlektrische antenne een impedantieaanpassing met de detector bereiken en heeft als voordelen een eenvoudig proces, gemakkelijke integratie en lage kosten. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende smalbandige en breedbandige zijwaarts gerichte antennes ontworpen die geschikt zijn voor de laagimpedantiedetectoren van terahertz-diëlektrische antennes: de vlinderantenne, de dubbele U-vormige antenne, de log-periodieke antenne en de log-periodieke sinusantenne, zoals weergegeven in Figuur 8. Daarnaast kunnen complexere antennegeometrieën worden ontworpen met behulp van genetische algoritmen.
Figuur 8 Vier typen vlakke antennes
Omdat de diëlektrische antenne echter gecombineerd is met een diëlektrisch substraat, treedt er een oppervlaktegolfeffect op wanneer de frequentie de THz-band nadert. Dit fatale nadeel zorgt ervoor dat de antenne tijdens gebruik veel energie verliest en leidt tot een aanzienlijke vermindering van de stralingsefficiëntie. Zoals weergegeven in figuur 9, wordt de energie van de antenne, wanneer de stralingshoek groter is dan de afsnijhoek, in het diëlektrische substraat opgesloten en gekoppeld aan de substraatmodus.
Figuur 9 Antenne-oppervlaktegolfeffect
Naarmate de dikte van het substraat toeneemt, neemt het aantal hogere-orde modi toe, en daarmee ook de koppeling tussen de antenne en het substraat, wat resulteert in energieverlies. Om het oppervlaktegolfeffect te verzwakken, zijn er drie optimalisatieschema's:
1) Plaats een lens op de antenne om de versterking te vergroten door gebruik te maken van de bundelvormende eigenschappen van elektromagnetische golven.
2) Verminder de dikte van het substraat om de generatie van hogere-orde modi van elektromagnetische golven te onderdrukken.
3) Vervang het diëlektrische substraatmateriaal door een elektromagnetische bandgap (EBG). De ruimtelijke filtereigenschappen van EBG kunnen hogere-orde modi onderdrukken.
3. Nieuwe materiaalantennes
Naast de twee hierboven genoemde antennes bestaat er ook een terahertz-antenne gemaakt van nieuwe materialen. Zo stelden Jin Hao et al. in 2006 een dipoolantenne van koolstofnanobuisjes voor. Zoals weergegeven in figuur 10 (a), is de dipool gemaakt van koolstofnanobuisjes in plaats van metaal. Hij bestudeerde zorgvuldig de infrarood- en optische eigenschappen van de dipoolantenne van koolstofnanobuisjes en besprak de algemene kenmerken van de dipoolantenne met eindige lengte, zoals ingangsimpedantie, stroomverdeling, versterking, rendement en stralingspatroon. Figuur 10 (b) toont het verband tussen de ingangsimpedantie en de frequentie van de dipoolantenne van koolstofnanobuisjes. Zoals te zien is in figuur 10 (b), heeft het imaginaire deel van de ingangsimpedantie meerdere nullen bij hogere frequenties. Dit geeft aan dat de antenne meerdere resonanties kan bereiken bij verschillende frequenties. De antenne van koolstofnanobuisjes vertoont duidelijk resonantie binnen een bepaald frequentiebereik (lagere THz-frequenties), maar is volledig niet in staat tot resonantie buiten dit bereik.
Figuur 10 (a) Koolstofnanobuis-dipoolantenne. (b) Ingangsimpedantie-frequentiecurve
In 2012 stelden Samir F. Mahmoud en Ayed R. AlAjmi een nieuwe terahertz-antennestructuur voor op basis van koolstofnanobuisjes. Deze bestaat uit een bundel koolstofnanobuisjes omwikkeld met twee diëlektrische lagen. De binnenste diëlektrische laag is een diëlektrische schuimlaag en de buitenste diëlektrische laag is een metamateriaallaag. De specifieke structuur is weergegeven in Figuur 11. Uit tests is gebleken dat de stralingsprestaties van de antenne verbeterd zijn ten opzichte van enkelwandige koolstofnanobuisjes.
Figuur 11 Nieuwe terahertz-antenne gebaseerd op koolstofnanobuisjes
De hierboven voorgestelde nieuwe terahertz-antennes zijn voornamelijk driedimensionaal. Om de bandbreedte van de antenne te verbeteren en conforme antennes te creëren, hebben planaire grafeenantennes veel aandacht gekregen. Grafeen heeft uitstekende dynamische, continue regeleigenschappen en kan oppervlakteplasma genereren door de bias-spanning aan te passen. Oppervlakteplasma bestaat op het grensvlak tussen substraten met een positieve diëlektrische constante (zoals Si, SiO2, enz.) en substraten met een negatieve diëlektrische constante (zoals edelmetalen, grafeen, enz.). Geleiders zoals edelmetalen en grafeen bevatten een groot aantal "vrije elektronen". Deze vrije elektronen worden ook wel plasma's genoemd. Door het inherente potentiaalveld in de geleider bevinden deze plasma's zich in een stabiele toestand en worden ze niet beïnvloed door de buitenwereld. Wanneer de energie van de invallende elektromagnetische golf aan deze plasma's wordt gekoppeld, zullen de plasma's afwijken van de stabiele toestand en gaan vibreren. Na de omzetting vormt de elektromagnetische modus een transversale magnetische golf op het grensvlak. Volgens de beschrijving van de dispersierelatie van metaaloppervlakteplasma door het Drude-model kunnen metalen niet van nature koppelen met elektromagnetische golven in de vrije ruimte en energie omzetten. Het is noodzakelijk om andere materialen te gebruiken om oppervlakteplasmagolven op te wekken. Oppervlakteplasmagolven doven snel uit in de richting parallel aan het metaal-substraatgrensvlak. Wanneer de metalen geleider geleidt in de richting loodrecht op het oppervlak, treedt een skineffect op. Vanwege de kleine afmetingen van de antenne is er in de hoge frequentieband een skineffect, waardoor de antenneprestaties sterk afnemen en niet aan de eisen van terahertzantennes voldoen. De oppervlakteplasmonen van grafeen hebben niet alleen een hogere bindingskracht en een lager verlies, maar ondersteunen ook continue elektrische afstemming. Bovendien heeft grafeen een complexe geleidbaarheid in de terahertzband. Daarom is langzame golfvoortplanting gerelateerd aan de plasmamodus bij terahertzfrequenties. Deze eigenschappen tonen duidelijk aan dat grafeen geschikt is als vervanging voor metalen materialen in de terahertzband.
Op basis van het polarisatiegedrag van grafeen-oppervlakteplasmonen toont figuur 12 een nieuw type stripantenne en beschrijft de bandvorm van de voortplantingskarakteristieken van plasmagolven in grafeen. Het ontwerp van een afstembaar antenneband biedt een nieuwe manier om de voortplantingskarakteristieken van nieuwe terahertz-antennes te bestuderen.
Afbeelding 12 Nieuwe stripantenne
Naast het onderzoeken van nieuwe materialen voor terahertz-antenne-elementen, kunnen grafeen-nanopatch-terahertz-antennes ook als arrays worden ontworpen om terahertz-multi-input-multi-output-antennecommunicatiesystemen te bouwen. De antennestructuur is weergegeven in figuur 13. Dankzij de unieke eigenschappen van grafeen-nanopatch-antennes hebben de antenne-elementen afmetingen op micronniveau. Door middel van chemische dampafzetting worden verschillende grafeenstructuren rechtstreeks op een dunne nikkellaag gesynthetiseerd en overgebracht naar elk gewenst substraat. Door een geschikt aantal componenten te selecteren en de elektrostatische bias-spanning te wijzigen, kan de stralingsrichting effectief worden aangepast, waardoor het systeem herconfigureerbaar wordt.
Figuur 13 Grafeen nanopatch terahertz antenne-array
Het onderzoek naar nieuwe materialen is een relatief nieuwe richting. De innovatie van materialen zal naar verwachting de beperkingen van traditionele antennes doorbreken en een verscheidenheid aan nieuwe antennes ontwikkelen, zoals herconfigureerbare metamaterialen, tweedimensionale (2D) materialen, enzovoort. Dit type antenne is echter voornamelijk afhankelijk van de innovatie van nieuwe materialen en de vooruitgang in procestechnologie. In elk geval vereist de ontwikkeling van terahertz-antennes innovatieve materialen, precieze procestechnologie en nieuwe ontwerpstructuren om te voldoen aan de eisen van hoge versterking, lage kosten en brede bandbreedte.
Hieronder worden de basisprincipes van drie typen terahertz-antennes geïntroduceerd: metalen antennes, diëlektrische antennes en antennes van nieuwe materialen. Ook worden de verschillen, voor- en nadelen ervan geanalyseerd.
1. Metalen antenne: De geometrie is eenvoudig, de verwerking is gemakkelijk, de kosten zijn relatief laag en er worden lage eisen gesteld aan het substraatmateriaal. Metalen antennes maken echter gebruik van een mechanische methode om de positie van de antenne aan te passen, wat foutgevoelig is. Als de afstelling niet correct is, zal de prestatie van de antenne aanzienlijk afnemen. Hoewel de metalen antenne klein van formaat is, is het lastig om deze te integreren met een vlakke printplaat.
2. Diëlektrische antenne: De diëlektrische antenne heeft een lage ingangsimpedantie, is gemakkelijk aan te passen aan een detector met lage impedantie en is relatief eenvoudig aan te sluiten op een planaire schakeling. De geometrische vormen van diëlektrische antennes omvatten de vlindervorm, de dubbele U-vorm, de conventionele logaritmische vorm en de logaritmisch periodieke sinusvorm. Diëlektrische antennes hebben echter ook een fataal nadeel, namelijk het oppervlaktegolfeffect veroorzaakt door het dikke substraat. De oplossing is het aanbrengen van een lens en het vervangen van het diëlektrische substraat door een EBG-structuur. Beide oplossingen vereisen innovatie en continue verbetering van procestechnologie en materialen, maar hun uitstekende prestaties (zoals omnidirectionele eigenschappen en onderdrukking van oppervlaktegolven) kunnen nieuwe ideeën opleveren voor onderzoek naar terahertz-antennes.
3. Antennes van nieuwe materialen: Momenteel zijn er nieuwe dipoolantennes van koolstofnanobuisjes en nieuwe antennestructuren van metamaterialen verschenen. Nieuwe materialen kunnen leiden tot baanbrekende prestaties, maar de voorwaarde hiervoor is innovatie in de materiaalkunde. Het onderzoek naar antennes van nieuwe materialen bevindt zich momenteel nog in de verkennende fase en veel sleuteltechnologieën zijn nog niet voldoende ontwikkeld.
Samenvattend kunnen verschillende typen terahertz-antennes worden gekozen op basis van de ontwerpvereisten:
1) Als een eenvoudig ontwerp en lage productiekosten vereist zijn, kunnen metalen antennes worden gekozen.
2) Indien een hoge integratie en een lage ingangsimpedantie vereist zijn, kunnen diëlektrische antennes worden gekozen.
3) Indien een doorbraak in prestaties vereist is, kunnen antennes van nieuwe materialen worden geselecteerd.
De bovenstaande ontwerpen kunnen ook worden aangepast aan specifieke eisen. Zo kunnen bijvoorbeeld twee soorten antennes worden gecombineerd om meer voordelen te behalen, maar de montagemethode en ontwerptechnologie moeten dan wel aan strengere eisen voldoen.
Ga voor meer informatie over antennes naar:
Geplaatst op: 2 augustus 2024
