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 migreert een groot aantal toepassingen geleidelijk van computers naar draadloze apparaten zoals mobiele telefoons die gemakkelijk mee te nemen en in realtime te bedienen zijn, maar deze situatie heeft ook geleid tot een snelle toename van het dataverkeer en een tekort aan bandbreedtebronnen. . Volgens de statistieken kan de datasnelheid op de markt de komende tien tot vijftien jaar Gbps of zelfs Tbps bereiken. Momenteel heeft THz-communicatie een Gbps-datasnelheid bereikt, terwijl de Tbps-datasnelheid zich nog in de beginfase van ontwikkeling bevindt. Een gerelateerd artikel geeft een overzicht van de laatste vooruitgang op het gebied van Gbps-datasnelheden op basis van de THz-band en voorspelt dat Tbps kan worden verkregen via polarisatiemultiplexing. Om de datatransmissiesnelheid te verhogen is het daarom een haalbare oplossing om een nieuwe frequentieband te ontwikkelen, namelijk de terahertz-band, die zich in het "lege gebied" tussen microgolven en infrarood licht bevindt. Op de ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) in 2019 is het frequentiebereik van 275-450GHz gebruikt voor vaste en landmobiele diensten. Het is duidelijk dat terahertz draadloze communicatiesystemen de aandacht van veel onderzoekers hebben getrokken.
Terahertz elektromagnetische golven worden over het algemeen gedefinieerd als de frequentieband van 0,1-10THz (1THz=1012Hz) met een golflengte van 0,03-3 mm. Volgens de IEEE-standaard worden terahertz-golven gedefinieerd als 0,3-10THz. Figuur 1 laat zien dat de terahertz-frequentieband zich tussen microgolven en infrarood licht bevindt.
Fig. 1 Schematisch diagram van de THz-frequentieband.
Ontwikkeling van Terahertz-antennes
Hoewel het terahertz-onderzoek in de 19e eeuw begon, werd het destijds niet als een onafhankelijk vakgebied bestudeerd. Het onderzoek naar terahertzstraling richtte zich vooral op de ver-infraroodband. Pas halverwege de 20e eeuw begonnen onderzoekers millimetergolfonderzoek naar de terahertz-band te brengen en gespecialiseerd terahertz-technologieonderzoek uit te voeren.
In de jaren tachtig maakte de opkomst van terahertz-stralingsbronnen de toepassing van terahertz-golven in praktische systemen mogelijk. Sinds de 21e eeuw heeft de draadloze communicatietechnologie zich snel ontwikkeld, en de vraag van mensen naar informatie en de toename van communicatieapparatuur hebben strengere eisen gesteld aan de transmissiesnelheid van communicatiegegevens. Daarom is een van de uitdagingen van de toekomstige communicatietechnologie het werken met een hoge datasnelheid van gigabits per seconde op één locatie. Onder de huidige economische ontwikkeling zijn spectrumbronnen steeds schaarser geworden. De menselijke eisen aan communicatiecapaciteit en snelheid zijn echter eindeloos. Voor het probleem van spectrumcongestie maken veel bedrijven gebruik van MIMO-technologie (Multiple-Input Multiple-Output) om de spectrumefficiëntie en systeemcapaciteit te verbeteren door middel van ruimtelijke multiplexing. Met de vooruitgang van 5G-netwerken zal de dataverbindingssnelheid van elke gebruiker hoger zijn dan Gbps, en zal ook het dataverkeer van basisstations aanzienlijk toenemen. Voor traditionele millimetergolfcommunicatiesystemen zullen microgolfverbindingen niet in staat zijn deze enorme datastromen te verwerken. Bovendien is, vanwege de invloed van de zichtlijn, de transmissieafstand van infraroodcommunicatie kort en is de locatie van de communicatieapparatuur vast. Daarom kunnen THz-golven, die zich tussen microgolven en infrarood bevinden, worden gebruikt om hogesnelheidscommunicatiesystemen te bouwen en de datatransmissiesnelheden te verhogen door gebruik te maken van THz-verbindingen.
Terahertz-golven kunnen een grotere communicatiebandbreedte bieden, en het frequentiebereik is ongeveer 1000 maal dat van mobiele communicatie. Daarom is het gebruik van THz om ultrasnelle draadloze communicatiesystemen te bouwen een veelbelovende oplossing voor de uitdaging van hoge datasnelheden, die de belangstelling heeft gewekt van veel onderzoeksteams en industrieën. In september 2017 werd de eerste THz-standaard voor draadloze communicatie IEEE 802.15.3d-2017 uitgebracht, die point-to-point gegevensuitwisseling in het lagere THz-frequentiebereik van 252-325 GHz definieert. De alternatieve fysieke laag (PHY) van de link kan datasnelheden tot 100 Gbps bereiken bij verschillende bandbreedtes.
Het eerste succesvolle THz-communicatiesysteem van 0,12 THz werd in 2004 opgericht en het THz-communicatiesysteem van 0,3 THz werd in 2013 gerealiseerd. Tabel 1 geeft de onderzoeksvoortgang weer van terahertz-communicatiesystemen in Japan van 2004 tot 2013.
Tabel 1 Onderzoeksvoortgang van terahertz-communicatiesystemen in Japan van 2004 tot 2013
De antennestructuur van een in 2004 ontwikkeld communicatiesysteem werd in 2005 gedetailleerd beschreven door Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT). De antenneconfiguratie werd in twee gevallen geïntroduceerd, 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 gebruikt twee werkmodi:
1. In een binnenomgeving op korte afstand bestaat de planaire antennezender die binnenshuis wordt gebruikt uit een single-line carrier photodiode (UTC-PD) chip, een planaire gleufantenne en een siliciumlens, zoals weergegeven in figuur 2 (a).
2. In een buitenomgeving met groot bereik moet de zenderantenne een hoge versterking hebben om de invloed van groot transmissieverlies en een 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 voedingshoorn en diëlektrische lens wordt getoond in figuur 2 (b).
Naast de ontwikkeling van een 0,12 THz communicatiesysteem heeft NTT in 2012 ook een 0,3 THz communicatiesysteem ontwikkeld. Door continue optimalisatie kan de transmissiesnelheid oplopen tot 100 Gbps. Zoals uit Tabel 1 blijkt, heeft het een grote bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van terahertz-communicatie. Het huidige onderzoekswerk heeft echter de nadelen van een lage bedrijfsfrequentie, grote omvang en hoge kosten.
De meeste terahertz-antennes die momenteel worden gebruikt, zijn gemodificeerd ten opzichte van millimetergolfantennes, en er is weinig innovatie in terahertz-antennes. Om de prestaties van terahertz-communicatiesystemen te verbeteren, is het daarom een belangrijke taak om terahertz-antennes te optimaliseren. Tabel 2 geeft een overzicht van de onderzoeksvoortgang van de Duitse THz-communicatie. Figuur 3 (a) toont een representatief THz draadloos communicatiesysteem dat fotonica en elektronica combineert. Figuur 3 (b) toont de windtunneltestscène. Afgaande op de huidige onderzoekssituatie in Duitsland heeft het onderzoek en de ontwikkeling ervan ook nadelen, zoals een lage bedrijfsfrequentie, hoge kosten en lage efficiëntie.
Tabel 2 Onderzoeksvoortgang van THz-communicatie in Duitsland
Figuur 3 Windtunneltestscène
Het CSIRO ICT Center heeft ook onderzoek gedaan naar draadloze THz-communicatiesystemen voor binnenshuis. Het centrum bestudeerde de relatie tussen het jaartal en de communicatiefrequentie, zoals weergegeven in Figuur 4. Zoals uit Figuur 4 blijkt, neigt het onderzoek naar draadloze communicatie in 2020 naar de THz-band. De maximale communicatiefrequentie die gebruik maakt van het radiospectrum neemt elke twintig jaar ongeveer tien keer toe. Het centrum heeft aanbevelingen gedaan over de vereisten voor THz-antennes en heeft traditionele antennes zoals hoorns en lenzen voor THz-communicatiesystemen voorgesteld. Zoals weergegeven in figuur 5 werken twee hoornantennes respectievelijk op 0,84 THz en 1,7 THz, met een eenvoudige structuur en goede Gaussische straalprestaties.
Figuur 4 Relatie 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 terahertz-golven. Beroemde terahertz-onderzoekslaboratoria zijn onder meer het Jet Propulsion Laboratory (JPL), het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), het US National Laboratory (LLNL), de National Aeronautics and Space Administration (NASA), de National Science Foundation (NSF), enz. Er zijn nieuwe terahertz-antennes ontworpen voor terahertz-toepassingen, zoals vlinderdasantennes en frequentiebundelstuurantennes. Volgens de ontwikkeling van terahertz-antennes kunnen we momenteel drie basisontwerpideeën voor terahertz-antennes krijgen, zoals weergegeven in figuur 6.
Figuur 6 Drie basisontwerpideeën voor terahertz-antennes
Uit bovenstaande analyse blijkt dat, hoewel veel landen veel aandacht hebben besteed aan terahertz-antennes, deze zich nog in de eerste onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevindt. Vanwege het hoge voortplantingsverlies en de moleculaire absorptie zijn THz-antennes meestal beperkt door de transmissieafstand en dekking. Sommige onderzoeken richten zich op lagere werkfrequenties in de THz-band. Het bestaande onderzoek naar terahertz-antennes richt zich voornamelijk op het verbeteren van de versterking door het gebruik van diëlektrische lensantennes, enz., en het verbeteren van de communicatie-efficiëntie door het gebruik van geschikte algoritmen. Bovendien is het ook een zeer urgente kwestie hoe de efficiëntie van terahertz-antenneverpakkingen kan worden verbeterd.
Algemene THz-antennes
Er zijn veel soorten THz-antennes beschikbaar: dipoolantennes met conische holtes, hoekreflectorarrays, vlinderdasdipolen, vlakke antennes met diëlektrische lens, fotogeleidende antennes voor het genereren van THz-stralingsbronnen, hoornantennes, THz-antennes op basis van grafeenmaterialen, enz. Volgens De materialen die worden gebruikt om THz-antennes te maken, kunnen grofweg worden onderverdeeld in metalen antennes (voornamelijk hoornantennes), diëlektrische antennes (lensantennes) en antennes van nieuw materiaal. In dit deel wordt eerst een voorlopige analyse van deze antennes gegeven, waarna in het volgende deel vijf typische THz-antennes in detail worden geïntroduceerd en diepgaand worden geanalyseerd.
1. Metalen antennes
De hoornantenne is een typische metalen antenne die is ontworpen om in de THz-band te werken. 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 koppelingsefficiëntie van 97% tot 98%. De beschikbare bandbreedtes van de twee hoornantennes bedragen respectievelijk 30%-40% en 6%-8%.
Omdat de frequentie van terahertz-golven erg hoog is, is de afmeting van de hoornantenne erg klein, wat de verwerking van de hoorn erg moeilijk maakt, vooral bij het ontwerp van antenne-arrays, en de complexiteit van de verwerkingstechnologie leidt tot buitensporige kosten en beperkte productie. Vanwege de moeilijkheid bij het vervaardigen van de onderkant van het complexe hoornontwerp, wordt meestal een eenvoudige hoornantenne in de vorm van een conische of conische hoorn gebruikt, wat de kosten en procescomplexiteit kan verminderen en de stralingsprestaties van de antenne kunnen worden gehandhaafd. Goed.
Een andere metalen antenne is een lopende-golf-piramide-antenne, die bestaat uit een lopende-golfantenne geïntegreerd op een diëlektrische film van 1,2 micron en opgehangen in een longitudinale holte geëtst op een siliciumwafel, zoals weergegeven in figuur 7. Deze antenne is een open structuur die is compatibel met Schottky-diodes. Vanwege de relatief eenvoudige structuur en lage productievereisten kan het over het algemeen worden gebruikt in frequentiebanden boven 0,6 THz. Het zijlobniveau en het kruispolarisatieniveau van de antenne zijn echter hoog, waarschijnlijk vanwege de open structuur. Daarom 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 antenneradiator. Door een goed ontwerp kan de diëlektrische antenne impedantie-matching met de detector bereiken, en heeft de voordelen van een eenvoudig proces, gemakkelijke integratie en lage kosten. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende smalband- en breedbandzijwaarts gerichte antennes ontworpen die kunnen overeenkomen met de laagohmige detectoren van terahertz diëlektrische antennes: vlinderantenne, dubbele U-vormige antenne, log-periodieke antenne en log-periodieke sinusoïdale antenne. getoond in Figuur 8. Bovendien kunnen complexere antennegeometrieën worden ontworpen door middel van genetische algoritmen.
Figuur 8 Vier typen planaire antennes
Omdat de diëlektrische antenne echter wordt gecombineerd met een diëlektrisch substraat, zal er een oppervlaktegolfeffect optreden wanneer de frequentie naar de THz-band neigt. Dit fatale nadeel zorgt ervoor dat de antenne tijdens bedrijf veel energie verliest en leidt tot een aanzienlijke vermindering van de antennestralingsefficiëntie. Zoals getoond in Figuur 9, wanneer de stralingshoek van de antenne groter is dan de afsnijhoek, wordt de energie ervan opgesloten in het diëlektrische substraat en gekoppeld aan de substraatmodus.
Figuur 9 Antenne-oppervlaktegolfeffect
Naarmate de dikte van het substraat toeneemt, neemt het aantal hogere orde modi toe en neemt de koppeling tussen de antenne en het substraat toe, 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 het genereren van elektromagnetische golven van hoge orde te onderdrukken.
3) Vervang het diëlektrische substraatmateriaal door een elektromagnetische bandafstand (EBG). De ruimtelijke filterkarakteristieken van EBG kunnen modi van hoge orde onderdrukken.
3. Nieuwe materiaalantennes
Naast de bovengenoemde twee antennes is er ook een terahertz-antenne gemaakt van nieuwe materialen. In 2006 hebben Jin Hao et al. stelde een dipoolantenne van koolstofnanobuisjes voor. Zoals weergegeven in figuur 10 (a), is de dipool gemaakt van koolstofnanobuisjes in plaats van metalen materialen. Hij bestudeerde zorgvuldig de infrarood- en optische eigenschappen van de dipoolantenne van koolstofnanobuisjes en besprak de algemene kenmerken van de dipoolantenne van koolstofnanobuisjes met eindige lengte, zoals ingangsimpedantie, stroomverdeling, versterking, efficiëntie en stralingspatroon. Figuur 10 (b) toont de relatie tussen de ingangsimpedantie en de frequentie van de dipoolantenne van koolstofnanobuisjes. Zoals te zien is in figuur 10(b), heeft het denkbeeldige deel van de ingangsimpedantie meerdere nullen bij hogere frequenties. Dit geeft aan dat de antenne meerdere resonanties op verschillende frequenties kan bereiken. Uiteraard vertoont de koolstofnanobuisantenne resonantie binnen een bepaald frequentiebereik (lagere THz-frequenties), maar is volledig niet in staat buiten dit bereik te resoneren.
Figuur 10 (a) Dipoolantenne van koolstofnanobuisjes. (b) Ingangsimpedantie-frequentiecurve
In 2012 stelden Samir F. Mahmoud en Ayed R. AlAjmi een nieuwe terahertz-antennestructuur voor op basis van koolstofnanobuisjes, die bestaat uit een bundel koolstofnanobuisjes gewikkeld in twee diëlektrische lagen. De binnenste diëlektrische laag is een diëlektrische schuimlaag en de buitenste diëlektrische laag is een metamateriaallaag. De specifieke structuur wordt getoond in Figuur 11. Door testen zijn de stralingsprestaties van de antenne verbeterd vergeleken met enkelwandige koolstofnanobuisjes.
Figuur 11 Nieuwe terahertz-antenne op basis van koolstofnanobuisjes
De hierboven voorgestelde nieuwe materiaal-terahertz-antennes zijn voornamelijk driedimensionaal. Om de bandbreedte van de antenne te verbeteren en conforme antennes te maken, hebben vlakke grafeenantennes brede aandacht gekregen. Grafeen heeft uitstekende dynamische, continue regeleigenschappen en kan oppervlakteplasma genereren door de voorspanning aan te passen. Oppervlakteplasma bestaat op het grensvlak tussen substraten met positieve diëlektrische constante (zoals Si, SiO2, enz.) en substraten met negatieve diëlektrische constante (zoals edele metalen, grafeen, enz.). Er zitten een groot aantal ‘vrije elektronen’ in geleiders zoals edelmetalen en grafeen. 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 verstoord door de buitenwereld. Wanneer de invallende elektromagnetische golfenergie aan deze plasma's wordt gekoppeld, zullen de plasma's afwijken van de stabiele toestand en gaan trillen. Na de conversie vormt de elektromagnetische modus een transversale magnetische golf op het grensvlak. Volgens de beschrijving van de dispersierelatie van metaaloppervlakplasma door het Drude-model kunnen metalen zich niet op natuurlijke wijze koppelen met elektromagnetische golven in de vrije ruimte en energie omzetten. Het is noodzakelijk om andere materialen te gebruiken om oppervlakteplasmagolven te exciteren. Oppervlakteplasmagolven vervallen snel in de parallelle richting van het metaal-substraatgrensvlak. Wanneer de metalen geleider in de richting loodrecht op het oppervlak geleidt, treedt er een skin-effect op. Uiteraard is er vanwege het kleine formaat van de antenne sprake van een skin-effect in de hoge frequentieband, waardoor de prestaties van de antenne sterk afnemen en niet kunnen voldoen aan de eisen van terahertz-antennes. Het oppervlakteplasmon van grafeen heeft niet alleen een hogere bindingskracht en minder verlies, maar ondersteunt ook continue elektrische afstemming. Bovendien heeft grafeen een complexe geleidbaarheid in de terahertz-band. Daarom is de langzame golfvoortplanting gerelateerd aan de plasmamodus bij terahertz-frequenties. Deze kenmerken demonstreren volledig de haalbaarheid van grafeen om metalen materialen in de terahertz-band te vervangen.
Gebaseerd op het polarisatiegedrag van grafeen-oppervlakteplasmonen, toont Figuur 12 een nieuw type stripantenne, en stelt de bandvorm voor van de voortplantingskarakteristieken van plasmagolven in grafeen. Het ontwerp van een afstembare antenneband biedt een nieuwe manier om de voortplantingskarakteristieken van nieuwe materiële terahertz-antennes te bestuderen.
Figuur 12 Nieuwe stripantenne
Naast het verkennen van nieuwe materiaal terahertz antenne-elementen, kunnen grafeen nanopatch terahertz antennes ook worden ontworpen als arrays om terahertz multi-input multi-output antennecommunicatiesystemen te bouwen. De antennestructuur wordt getoond in Figuur 13. Gebaseerd op de unieke eigenschappen van grafeen nanopatch-antennes, hebben de antenne-elementen afmetingen op micronschaal. Chemische dampafzetting synthetiseert direct verschillende grafeenbeelden op een dunne nikkellaag en brengt deze over op elk substraat. Door een geschikt aantal componenten te selecteren en de elektrostatische voorspanning te veranderen, kan de stralingsrichting effectief worden veranderd, waardoor het systeem herconfigureerbaar wordt.
Figuur 13 Grafeen nanopatch terahertz antenne-array
Het onderzoek naar nieuwe materialen is een relatief nieuwe richting. Verwacht wordt dat de innovatie van materialen de beperkingen van traditionele antennes zal doorbreken en een verscheidenheid aan nieuwe antennes zal ontwikkelen, zoals herconfigureerbare metamaterialen, tweedimensionale (2D) materialen, enz. Dit soort antennes hangt echter vooral af van de innovatie van nieuwe materialen en de vooruitgang van de procestechnologie. Hoe dan ook vereist de ontwikkeling van terahertz-antennes innovatieve materialen, nauwkeurige verwerkingstechnologie en nieuwe ontwerpstructuren om te voldoen aan de vereisten van hoge versterking, lage kosten en brede bandbreedte van terahertz-antennes.
Het volgende introduceert de basisprincipes van drie soorten terahertz-antennes: metalen antennes, diëlektrische antennes en antennes van nieuw materiaal, en analyseert hun verschillen en voor- en nadelen.
1. Metalen antenne: de geometrie is eenvoudig, gemakkelijk te verwerken, relatief lage kosten en lage eisen aan substraatmaterialen. Metalen antennes gebruiken echter een mechanische methode om de positie van de antenne aan te passen, wat gevoelig is voor fouten. Als de afstelling niet correct is, zullen de prestaties van de antenne sterk afnemen. Hoewel de metalen antenne klein van formaat is, is deze moeilijk te monteren met een planair circuit.
2. Diëlektrische antenne: De diëlektrische antenne heeft een lage ingangsimpedantie, is gemakkelijk te combineren met een detector met lage impedantie en is relatief eenvoudig aan te sluiten op een vlak circuit. De geometrische vormen van diëlektrische antennes omvatten vlindervorm, dubbele U-vorm, conventionele logaritmische vorm en logaritmische periodieke sinusvorm. Diëlektrische antennes hebben echter ook een fatale fout, namelijk het oppervlaktegolfeffect dat wordt veroorzaakt door het dikke substraat. De oplossing is om een lens te laden en het diëlektrische substraat te vervangen door een EBG-structuur. Beide oplossingen vereisen innovatie en voortdurende verbetering van procestechnologie en materialen, maar hun uitstekende prestaties (zoals omnidirectionaliteit en onderdrukking van oppervlaktegolven) kunnen nieuwe ideeën opleveren voor het onderzoek naar terahertz-antennes.
3. Nieuwe materiële antennes: Momenteel zijn er nieuwe dipoolantennes gemaakt van koolstofnanobuisjes en nieuwe antennestructuren gemaakt van metamaterialen verschenen. Nieuwe materialen kunnen voor nieuwe prestatiedoorbraken zorgen, maar het uitgangspunt is de innovatie van de materiaalwetenschap. Momenteel bevindt het onderzoek naar nieuwe materiaalantennes zich nog in de verkennende fase en veel sleuteltechnologieën zijn nog niet volwassen genoeg.
Samenvattend kunnen verschillende soorten terahertz-antennes worden geselecteerd op basis van ontwerpvereisten:
1) Als een eenvoudig ontwerp en lage productiekosten vereist zijn, kunnen metalen antennes worden geselecteerd.
2) Als een hoge integratie en een lage ingangsimpedantie vereist zijn, kunnen diëlektrische antennes worden geselecteerd.
3) Als er een doorbraak in prestaties nodig is, kunnen antennes van nieuw materiaal worden geselecteerd.
Bovenstaande uitvoeringen kunnen tevens aangepast worden naar specifieke wensen. Zo kunnen twee typen antennes worden gecombineerd om meer voordelen te behalen, maar moeten de montagemethode en ontwerptechnologie aan strengere eisen voldoen.
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Posttijd: 02 augustus 2024
