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. 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 in de komende 10 tot 15 jaar Gbps of zelfs Tbps bereiken. Momenteel heeft THz-communicatie een datasnelheid van Gbps bereikt, terwijl de Tbps-datasnelheid zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling bevindt. Een gerelateerd artikel beschrijft de nieuwste ontwikkelingen 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 een haalbare oplossing daarom de ontwikkeling van een nieuwe frequentieband, de terahertzband, die zich in het "lege gebied" tussen microgolven en infrarood licht bevindt. Tijdens de ITU Wereldradiocommunicatieconferentie (WRC-19) in 2019 werd het frequentiebereik van 275-450 GHz gebruikt voor vaste en mobiele diensten. Het is duidelijk 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 terahertzfrequentieband tussen microgolven en infrarood licht ligt.
Figuur 1 Schematisch diagram van de THz-frequentieband.
Ontwikkeling van terahertz-antennes
Hoewel terahertzonderzoek al in de 19e eeuw begon, werd het destijds niet als een zelfstandig vakgebied bestudeerd. Het onderzoek naar terahertzstraling richtte zich voornamelijk op de verre infraroodband. Pas halverwege de 20e eeuw begonnen onderzoekers millimetergolfonderzoek uit te breiden naar de terahertzband en gespecialiseerd onderzoek naar terahertztechnologie te verrichten.
In de jaren 80 maakte de opkomst van terahertzstralingsbronnen de toepassing van terahertzgolven in praktische systemen mogelijk. Sinds de 21e eeuw heeft de draadloze communicatietechnologie zich snel ontwikkeld en de vraag naar informatie en de toename van communicatieapparatuur hebben strengere eisen gesteld aan de transmissiesnelheid van communicatiegegevens. Een van de uitdagingen van toekomstige communicatietechnologie is dan ook om te werken met een hoge datasnelheid van gigabit per seconde op één locatie. Onder de huidige economische ontwikkeling zijn spectrumbronnen steeds schaarser geworden. De menselijke behoeften aan communicatiecapaciteit en -snelheid zijn echter eindeloos. Om spectrumcongestie te voorkomen, gebruiken veel bedrijven MIMO-technologie (Multiple-Input Multiple-Output) om de spectrumefficiëntie en systeemcapaciteit te verbeteren door middel van ruimtelijke multiplexing. Met de opkomst van 5G-netwerken zal de datasnelheid per gebruiker de Gbps overschrijden en zal ook het dataverkeer van basisstations aanzienlijk toenemen. Voor traditionele millimetergolfcommunicatiesystemen zullen microgolfverbindingen deze enorme datastromen niet aankunnen. Bovendien is de transmissieafstand van infraroodcommunicatie, dankzij de invloed van de zichtlijn, kort en ligt de locatie van de communicatieapparatuur vast. THz-golven, die tussen microgolven en infrarood liggen, kunnen daarom worden gebruikt om snelle communicatiesystemen te bouwen en de gegevensoverdrachtssnelheid te verhogen door THz-verbindingen te gebruiken.
Terahertzgolven kunnen een grotere communicatiebandbreedte bieden en het frequentiebereik is ongeveer 1000 keer zo groot als dat van mobiele communicatie. Het gebruik van THz voor de ontwikkeling van ultrasnelle draadloze communicatiesystemen is daarom een veelbelovende oplossing voor de uitdaging van hoge datasnelheden, die de interesse 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 punt-tot-punt-data-uitwisseling in het lagere THz-frequentiebereik van 252-325 GHz definieert. 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 opgezet en het THz-communicatiesysteem van 0,3 THz werd in 2013 gerealiseerd. Tabel 1 geeft een overzicht van de onderzoeksvoortgang van terahertz-communicatiesystemen in Japan van 2004 tot en met 2013.
Tabel 1 Onderzoeksvoortgang van 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 geïntroduceerd, zoals weergegeven in Afbeelding 2.
Figuur 2 Schematisch diagram van het Japanse NTT 120 GHz draadloze communicatiesysteem
Het systeem integreert foto-elektrische conversie en antenne en maakt gebruik van twee werkmodi:
1. In een binnenomgeving met korte afstand bestaat de planaire antennezender die binnenshuis wordt gebruikt uit een UTC-PD-chip (single-line carrier photodiode), een planaire sleufantenne en een siliciumlens, zoals weergegeven in Afbeelding 2(a).
2. In een buitenomgeving met een groot bereik moet de zenderantenne een hoge versterking hebben om de invloed van grote transmissieverliezen 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 de feedhoorn 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 te zien is in tabel 1, heeft het een grote bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van terahertz-communicatie. Het huidige onderzoek heeft echter de nadelen van een lage bedrijfsfrequentie, grote afmetingen en hoge kosten.
De meeste terahertz-antennes die momenteel worden gebruikt, zijn gebaseerd op millimetergolfantennes en er is weinig innovatie op het gebied van terahertz-antennes. Om de prestaties van terahertz-communicatiesystemen te verbeteren, is het daarom belangrijk om terahertz-antennes te optimaliseren. Tabel 2 geeft de onderzoeksvoortgang van de Duitse THz-communicatie weer. Figuur 3 (a) toont een representatief draadloos THz-communicatiesysteem dat fotonica en elektronica combineert. Figuur 3 (b) toont de windtunneltest. Gezien de huidige onderzoekssituatie in Duitsland, heeft onderzoek en ontwikkeling ook nadelen, zoals een lage bedrijfsfrequentie, hoge kosten en een lage efficiëntie.
Tabel 2 Onderzoeksvoortgang van THz-communicatie in Duitsland
Figuur 3 Windtunneltestscène
Het CSIRO ICT Center is ook gestart met onderzoek naar draadloze THz-communicatiesystemen voor binnen. Het centrum bestudeerde de relatie tussen het jaar en de communicatiefrequentie, zoals weergegeven in figuur 4. Zoals te zien is in figuur 4, richt het onderzoek naar draadloze communicatie zich in 2020 vooral op de THz-band. De maximale communicatiefrequentie die gebruikmaakt van het radiospectrum neemt ongeveer tien keer per twintig jaar toe. Het centrum heeft aanbevelingen gedaan voor de vereisten voor THz-antennes en traditionele antennes, zoals hoorns en lenzen, 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 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 terahertzgolven. Bekende terahertz-onderzoekslaboratoria zijn onder andere 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 voor terahertztoepassingen ontworpen, zoals bowtie-antennes en frequency beam steering-antennes. Afhankelijk van de ontwikkeling van terahertz-antennes kunnen we momenteel drie basisontwerpen voor terahertz-antennes bedenken, zoals weergegeven in figuur 6.
Figuur 6 Drie basisontwerpideeën voor terahertz-antennes
Uit bovenstaande analyse blijkt dat terahertz-antennes, hoewel veel landen er veel aandacht aan besteden, zich nog in de beginfase van verkenning en ontwikkeling bevinden. Vanwege het hoge propagatieverlies en de hoge moleculaire absorptie worden THz-antennes doorgaans beperkt door de transmissieafstand en dekking. Sommige studies richten zich op lagere bedrijfsfrequenties in de THz-band. Bestaand onderzoek naar terahertz-antennes richt zich voornamelijk op het verbeteren van de versterking door middel van antennes met diëlektrische lenzen, en het verbeteren van de communicatie-efficiëntie door middel van geschikte algoritmen. Daarnaast is de vraag hoe de efficiëntie van de behuizing van terahertz-antennes kan worden verbeterd, ook een zeer urgente kwestie.
Algemene THz-antennes
Er zijn vele soorten THz-antennes beschikbaar: dipoolantennes met conische holtes, hoekreflector-arrays, vlinderdipolen, diëlektrische lens-planaire antennes, fotogeleidende antennes voor het genereren van THz-bronstraling, hoornantennes, THz-antennes op basis van grafeenmaterialen, enz. Afhankelijk van de materialen die gebruikt worden om THz-antennes te maken, kunnen ze grofweg worden onderverdeeld in metalen antennes (voornamelijk hoornantennes), diëlektrische antennes (lensantennes) en antennes van nieuwe materialen. In dit hoofdstuk wordt eerst een voorlopige analyse van deze antennes gegeven, waarna in het volgende hoofdstuk vijf typische THz-antennes in detail worden geïntroduceerd en diepgaand worden geanalyseerd.
1. Metalen antennes
De hoornantenne is een typische metalen antenne die ontworpen is voor gebruik in de THz-band. De antenne van een klassieke millimetergolfontvanger is een conische hoornantenne. Gegolfde en dual-mode antennes hebben vele voordelen, waaronder rotatiesymmetrische stralingspatronen, een hoge versterking van 20 tot 30 dBi, 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 zeer hoog is, is de hoornantenne zeer klein. Dit maakt de verwerking van de hoornantenne zeer moeilijk, vooral bij het ontwerpen van antenne-arrays. De complexiteit van de verwerkingstechnologie leidt bovendien tot buitensporige kosten en een beperkte productie. Vanwege de moeilijkheid om de onderkant van het complexe hoornontwerp te produceren, wordt meestal een eenvoudige hoornantenne in de vorm van een conische hoorn gebruikt. Dit kan de kosten en de procescomplexiteit verlagen en de stralingsprestaties van de antenne goed behouden.
Een andere metalen antenne is een piramideantenne voor lopende golven. Deze antenne bestaat uit een lopende-golfantenne geïntegreerd op een diëlektrische film van 1,2 micron en opgehangen in een longitudinale holte die geëtst is op een siliciumwafer, zoals weergegeven in figuur 7. Deze antenne heeft een open structuur en is compatibel met Schottky-diodes. Dankzij de relatief eenvoudige structuur en lage productievereisten kan hij 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 antennestraler. Door een goed ontwerp kan de diëlektrische antenne impedantie-aanpassing met de detector bereiken, en biedt de voordelen van een eenvoudig proces, eenvoudige integratie en lage kosten. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende smalbandige en breedbandige side-fire antennes ontworpen die de laagimpedantiedetectoren van terahertz-diëlektrische antennes kunnen evenaren: vlinderantennes, dubbele U-vormige antennes, logperiodieke antennes en logperiodieke sinusvormige antennes, zoals weergegeven in figuur 8. Daarnaast kunnen complexere antennegeometrieën worden ontworpen met behulp van genetische algoritmen.
Figuur 8 Vier soorten planaire antennes
Omdat de diëlektrische antenne echter gecombineerd is met een diëlektrisch substraat, treedt er een oppervlaktegolfeffect op wanneer de frequentie naar de THz-band neigt. Dit fatale nadeel zorgt ervoor dat de antenne tijdens gebruik veel energie verliest, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van de stralingsefficiëntie van de antenne. Zoals weergegeven in figuur 9, wordt de energie van de antenne, wanneer de stralingshoek groter is dan de afsnijhoek, opgesloten in het diëlektrische substraat en gekoppeld aan de substraatmodus.
Figuur 9 Effect van antenne-oppervlaktegolf
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 beamforming-karakteristieken van elektromagnetische golven.
2) Verklein de dikte van het substraat om de generatie van hogere-orde modi van elektromagnetische golven te onderdrukken.
3) Vervang het diëlektrische materiaal van het substraat door een elektromagnetische bandgap (EBG). De ruimtelijke filtereigenschappen van EBG kunnen hogere-orde modi onderdrukken.
3. Nieuwe materiaalantennes
Naast de bovengenoemde twee antennes bestaat er ook een terahertzantenne gemaakt van nieuwe materialen. Zo stelden Jin Hao et al. in 2006 een dipoolantenne met koolstofnanobuizen voor. Zoals weergegeven in figuur 10 (a), is de dipool gemaakt van koolstofnanobuizen in plaats van metalen materialen. Hij bestudeerde zorgvuldig de infrarood- en optische eigenschappen van de dipoolantenne met koolstofnanobuizen en besprak de algemene kenmerken van de dipoolantenne met eindige lengte van koolstofnanobuizen, zoals ingangsimpedantie, stroomverdeling, versterking, efficiëntie en stralingspatroon. Figuur 10 (b) toont de relatie tussen de ingangsimpedantie en de frequentie van de dipoolantenne met koolstofnanobuizen. 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. Uiteraard vertoont de antenne met koolstofnanobuizen resonantie binnen een bepaald frequentiebereik (lagere THz-frequenties), maar is hij absoluut niet in staat om buiten dit bereik te resoneren.
Figuur 10 (a) Koolstofnanobuisdipoolantenne. (b) Ingangsimpedantie-frequentiecurve
In 2012 stelden Samir F. Mahmoud en Ayed R. AlAjmi een nieuwe terahertz-antennestructuur voor op basis van koolstofnanobuizen. Deze bestaat uit een bundel koolstofnanobuizen, gewikkeld in twee diëlektrische lagen. De binnenste diëlektrische laag is een diëlektrisch schuimlaag en de buitenste diëlektrische laag is een metamateriaallaag. De specifieke structuur is weergegeven in figuur 11. Door middel van testen zijn de stralingsprestaties van de antenne verbeterd ten opzichte van enkelwandige koolstofnanobuizen.
Figuur 11 Nieuwe terahertz-antenne op basis van koolstofnanotubes
De hierboven voorgestelde nieuwe terahertz-antennes zijn voornamelijk driedimensionaal. Om de bandbreedte van de antenne te verbeteren en conforme antennes te maken, hebben vlakke grafeenantennes veel aandacht gekregen. Grafeen heeft uitstekende dynamische, continue regeleigenschappen en kan oppervlakteplasma genereren door de biasspanning aan te passen. Oppervlakteplasma bevindt zich 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 verstoord door de buitenwereld. Wanneer de invallende elektromagnetische golfenergie aan deze plasma's wordt gekoppeld, zullen de plasma's afwijken van de stationaire toestand en trillen. Na de omzetting vormt de elektromagnetische modus een transversale magnetische golf aan het grensvlak. Volgens de beschrijving van de dispersierelatie van metaaloppervlakplasma door het Drude-model kunnen metalen 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-substraat-grensvlak. Wanneer de metalen geleider geleidt in de richting loodrecht op het oppervlak, treedt een skin-effect op. Uiteraard is er, vanwege de kleine afmetingen van de antenne, een skin-effect in de hoge frequentieband, waardoor de antenneprestaties sterk afnemen en niet kunnen voldoen aan de eisen van terahertz-antennes. Het oppervlakteplasmon van grafeen heeft niet alleen een hogere bindingskracht en een lager verlies, maar ondersteunt ook continue elektrische afstemming. Bovendien heeft grafeen een complexe geleidbaarheid in de terahertzband. Daarom is de langzame golfvoortplanting gerelateerd aan de plasmamodus bij terahertzfrequenties. Deze eigenschappen tonen volledig aan dat grafeen metalen materialen in de terahertzband kan 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 terahertz-antennes van nieuw materiaal te bestuderen.
Figuur 12 Nieuwe stripantenne
Naast het verkennen van terahertz-antenne-elementen met een nieuw materiaal, kunnen grafeen nanopatch-terahertz-antennes ook worden ontworpen als arrays om terahertz-antennecommunicatiesystemen met meerdere ingangen en uitgangen te bouwen. De antennestructuur is weergegeven in Figuur 13. Gebaseerd op de unieke eigenschappen van grafeen nanopatch-antennes, hebben de antenne-elementen afmetingen op micrometerschaal. Chemische dampdepositie (CVD) synthetiseert direct verschillende grafeenbeelden op een dunne nikkellaag en brengt deze over op elk substraat. Door het juiste aantal componenten te selecteren en de elektrostatische biasspanning te wijzigen, kan de stralingsrichting effectief worden gewijzigd, waardoor het systeem herconfigureerbaar is.
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 type antenne is echter voornamelijk afhankelijk van de innovatie van nieuwe materialen en de vooruitgang van procestechnologie. De ontwikkeling van terahertz-antennes vereist in ieder geval innovatieve materialen, nauwkeurige verwerkingstechnologie en nieuwe ontwerpstructuren om te voldoen aan de hoge versterking, lage kosten en brede bandbreedtevereisten van terahertz-antennes.
Hieronder worden de basisprincipes van drie typen terahertz-antennes geïntroduceerd: metalen antennes, diëlektrische antennes en antennes van nieuwe materialen. Daarnaast worden hun verschillen en voor- en nadelen geanalyseerd.
1. Metalen antenne: De geometrie is eenvoudig, gemakkelijk te verwerken, relatief goedkoop en stelt lage eisen aan de substraatmaterialen. Metalen antennes gebruiken echter een mechanische methode om de positie van de antenne aan te passen, wat foutgevoelig is. Als de afstelling niet correct is, zullen de prestaties van de antenne aanzienlijk afnemen. Hoewel de metalen antenne klein is, is hij moeilijk te monteren met een planair circuit.
2. Diëlektrische antenne: De diëlektrische antenne heeft een lage ingangsimpedantie, is gemakkelijk te koppelen aan een detector met lage impedantie en relatief eenvoudig aan te sluiten op een planair circuit. De geometrische vormen van diëlektrische antennes omvatten de vlindervorm, de dubbele U-vorm, de conventionele logaritmische vorm en de logaritmische periodieke sinusvorm. Diëlektrische antennes hebben echter ook een fatale tekortkoming, 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 continue verbetering van procestechnologie en materialen, maar hun uitstekende prestaties (zoals omnidirectionele oriëntatie en onderdrukking van oppervlaktegolven) kunnen nieuwe ideeën opleveren voor het onderzoek naar terahertz-antennes.
3. Antennes met nieuwe materialen: Momenteel zijn er nieuwe dipoolantennes van koolstofnanobuizen en nieuwe antennestructuren van metamaterialen verschenen. Nieuwe materialen kunnen leiden tot nieuwe doorbraken in prestaties, maar de basis is innovatie in de materiaalkunde. Momenteel bevindt het onderzoek naar antennes met nieuwe materialen zich nog in de verkennende fase en zijn veel belangrijke technologieën nog niet ver genoeg gevorderd.
Samenvattend kunnen verschillende typen terahertz-antennes worden geselecteerd op basis van de ontwerpvereisten:
1) Indien een eenvoudig ontwerp en lage productiekosten vereist zijn, kunnen metalen antennes gekozen worden.
2) Indien een hoge integratie en een lage ingangsimpedantie vereist zijn, kunnen diëlektrische antennes gekozen worden.
3) Indien een prestatie-doorbraak vereist is, kunnen er nieuwe antennematerialen gekozen worden.
Bovenstaande ontwerpen kunnen ook worden aangepast aan specifieke eisen. Zo kunnen twee typen antennes worden gecombineerd om meer voordelen te behalen, maar de montagemethode en ontwerptechnologie moeten dan wel aan strengere eisen voldoen.
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Plaatsingstijd: 02-08-2024
