Kanthi popularitas piranti nirkabel sing saya tambah, layanan data wis mlebu ing jaman anyar kanthi cepet, uga dikenal minangka pertumbuhan layanan data sing eksplosif. Saiki, akeh aplikasi sing alon-alon pindhah saka komputer menyang piranti nirkabel kayata ponsel sing gampang digawa lan dioperasikake ing wektu nyata, nanging kahanan iki uga nyebabake peningkatan lalu lintas data kanthi cepet lan kekurangan sumber daya bandwidth. . Miturut statistik, tingkat data ing pasar bisa tekan Gbps utawa malah Tbps ing 10 nganti 15 taun sabanjure. Saiki, komunikasi THz wis tekan tingkat data Gbps, dene tingkat data Tbps isih ana ing tahap awal pembangunan. Makalah sing gegandhengan nampilake kemajuan paling anyar ing tingkat data Gbps adhedhasar pita THz lan prédhiksi manawa Tbps bisa dipikolehi liwat multiplexing polarisasi. Mulane, kanggo nambah tingkat transmisi data, solusi sing bisa ditindakake yaiku ngembangake pita frekuensi anyar, yaiku pita terahertz, sing ana ing "wilayah kosong" antarane gelombang mikro lan cahya inframerah. Ing ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) ing 2019, rentang frekuensi 275-450GHz wis digunakake kanggo layanan seluler tetep lan darat. Bisa dideleng manawa sistem komunikasi nirkabel terahertz wis narik kawigaten para peneliti.
Gelombang elektromagnetik terahertz umume ditetepake minangka pita frekuensi 0.1-10THz (1THz=1012Hz) kanthi dawa gelombang 0.03-3 mm. Miturut standar IEEE, gelombang terahertz ditetepake minangka 0.3-10THz. Gambar 1 nuduhake yen pita frekuensi terahertz ana ing antarane gelombang mikro lan cahya infra merah.
Fig. 1 Diagram skematis pita frekuensi THz.
Pangembangan Antena Terahertz
Senadyan riset terahertz diwiwiti ing abad kaping 19, riset kasebut ora ditliti minangka bidang independen nalika iku. Riset babagan radiasi terahertz utamane fokus ing pita inframerah adoh. Ora nganti pertengahan nganti pungkasan abad kaping 20, peneliti wiwit maju riset gelombang milimeter menyang pita terahertz lan nindakake riset teknologi terahertz khusus.
Ing taun 1980-an, munculé sumber radiasi terahertz ndadekake aplikasi gelombang terahertz ing sistem praktis bisa. Wiwit abad kaping 21, teknologi komunikasi nirkabel berkembang kanthi cepet, lan panjaluk informasi lan paningkatan peralatan komunikasi wis ngetrapake syarat sing luwih ketat babagan tingkat transmisi data komunikasi. Mula, salah sawijining tantangan teknologi komunikasi ing mangsa ngarep yaiku operasi kanthi kecepatan data gigabit per detik ing sawijining lokasi. Ing perkembangan ekonomi saiki, sumber daya spektrum saya tambah langka. Nanging, syarat manungsa kanggo kapasitas komunikasi lan kacepetan ora ana telas. Kanggo masalah kemacetan spektrum, akeh perusahaan nggunakake teknologi multi-input multiple-output (MIMO) kanggo ningkatake efisiensi spektrum lan kapasitas sistem liwat multiplexing spasial. Kanthi kemajuan jaringan 5G, kacepetan sambungan data saben pangguna bakal ngluwihi Gbps, lan lalu lintas data stasiun pangkalan uga bakal saya tambah akeh. Kanggo sistem komunikasi gelombang milimeter tradisional, pranala gelombang mikro ora bakal bisa nangani aliran data sing ageng iki. Kajaba iku, amarga pengaruh garis pandang, jarak transmisi komunikasi inframerah cendhak lan lokasi peralatan komunikasi kasebut tetep. Mula, gelombang THz, sing ana ing antarane gelombang mikro lan inframerah, bisa digunakake kanggo mbangun sistem komunikasi kanthi kacepetan dhuwur lan nambah tingkat transmisi data kanthi nggunakake tautan THz.
Gelombang Terahertz bisa nyedhiyakake bandwidth komunikasi sing luwih akeh, lan rentang frekuensi kira-kira 1000 kaping luwih saka komunikasi seluler. Mula, nggunakake THz kanggo mbangun sistem komunikasi nirkabel kanthi kacepetan ultra dhuwur minangka solusi sing njanjeni kanggo tantangan tarif data sing dhuwur, sing narik minat akeh tim riset lan industri. Ing September 2017, standar komunikasi nirkabel THz pisanan IEEE 802.15.3d-2017 dirilis, sing nemtokake ijol-ijolan data point-to-point ing sawetara frekuensi THz ngisor 252-325 GHz. Lapisan fisik alternatif (PHY) saka tautan bisa entuk tingkat data nganti 100 Gbps ing bandwidth sing beda.
Sistem komunikasi THz pisanan sing sukses yaiku 0,12 THz diadegake ing taun 2004, lan sistem komunikasi THz 0,3 THz diwujudake ing taun 2013. Tabel 1 nampilake kemajuan riset sistem komunikasi terahertz ing Jepang wiwit taun 2004 nganti 2013.
Tabel 1 Kemajuan riset sistem komunikasi terahertz ing Jepang wiwit taun 2004 nganti 2013
Struktur antena saka sistem komunikasi sing dikembangake ing taun 2004 diterangake kanthi rinci dening Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ing taun 2005. Konfigurasi antena kasebut dikenalake ing rong kasus, kaya sing ditampilake ing Gambar 2.
Gambar 2 Diagram skematis sistem komunikasi nirkabel NTT 120 GHz Jepang
Sistem kasebut nggabungake konversi fotoelektrik lan antena lan nggunakake rong mode kerja:
1. Ing lingkungan njero ruangan cedhak, pemancar antena planar digunakake ing jero ruangan kasusun saka siji-line operator photodiode (UTC-PD) chip, antena slot planar lan lensa silikon, minangka ditampilake ing Figure 2 (a).
2. Ing lingkungan ruangan jarak jauh, supaya bisa nambah pengaruh mundhut transmisi gedhe lan sensitivitas detektor sing kurang, antena pemancar kudu duwe gain dhuwur. Antena terahertz sing ana nggunakake lensa optik Gaussian kanthi gain luwih saka 50 dBi. Kombinasi sungu feed lan lensa dielektrik ditampilake ing Gambar 2(b).
Saliyane ngembangake sistem komunikasi 0,12 THz, NTT uga ngembangake sistem komunikasi 0,3THz ing taun 2012. Liwat optimalisasi terus-terusan, tingkat transmisi bisa nganti 100Gbps. Minangka bisa dideleng saka Tabel 1, wis menehi kontribusi gedhe kanggo pangembangan komunikasi terahertz. Nanging, karya riset saiki duwe cacat frekuensi operasi kurang, ukuran gedhe lan biaya dhuwur.
Umume antena terahertz sing saiki digunakake diowahi saka antena gelombang milimeter, lan ana sawetara inovasi ing antena terahertz. Mulane, kanggo nambah kinerja sistem komunikasi terahertz, tugas penting yaiku ngoptimalake antena terahertz. Tabel 2 nampilake kemajuan riset komunikasi THz Jerman. Gambar 3 (a) nuduhake sistem komunikasi nirkabel THz sing nggabungake fotonik lan elektronik. Gambar 3 (b) nuduhake adegan uji trowongan angin. Yen dideleng saka kahanan riset saiki ing Jerman, riset lan pangembangane uga duwe kekurangan kayata frekuensi operasi sing sithik, biaya sing dhuwur lan efisiensi sing sithik.
Tabel 2 Kemajuan riset komunikasi THz ing Jerman
Gambar 3. Adegan uji terowongan angin
Pusat ICT CSIRO uga wis miwiti riset babagan sistem komunikasi nirkabel njero ruangan THz. Pusat kasebut nyinaoni hubungan antarane taun lan frekuensi komunikasi, kaya sing ditampilake ing Gambar 4. Kaya sing bisa dideleng saka Gambar 4, ing taun 2020, riset babagan komunikasi nirkabel cenderung menyang pita THz. Frekuensi komunikasi maksimal nggunakake spektrum radio mundhak sepuluh kaping saben rong puluh taun. Pusat kasebut menehi rekomendasi babagan syarat antena THz lan ngusulake antena tradisional kayata sungu lan lensa kanggo sistem komunikasi THz. Minangka ditampilake ing Figure 5, loro antena sungu dianggo mungguh 0,84THz lan 1,7THz, karo struktur prasaja lan kinerja Beam Gaussian apik.
Gambar 4 Hubungan antarane taun lan frekuensi
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Gambar 5 Rong jinis antena sungu
Amerika Serikat wis nindakake riset ekstensif babagan emisi lan deteksi gelombang terahertz. Laboratorium riset terahertz sing misuwur kalebu Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), lsp. Antena terahertz anyar kanggo aplikasi terahertz wis dirancang, kayata antena bowtie lan antena setir balok frekuensi. Miturut pangembangan antena terahertz, kita bisa entuk telung ide desain dhasar kanggo antena terahertz saiki, kaya sing ditampilake ing Gambar 6.
Gambar 6 Telung gagasan desain dhasar kanggo antena terahertz
Analisis ing ndhuwur nuduhake manawa akeh negara wis menehi perhatian gedhe marang antena terahertz, nanging isih ana ing tahap eksplorasi lan pangembangan awal. Amarga mundhut panyebaran lan panyerepan molekul sing dhuwur, antena THz biasane diwatesi kanthi jarak transmisi lan jangkoan. Sawetara studi fokus ing frekuensi operasi sing luwih murah ing pita THz. Riset antena terahertz sing ana utamane fokus kanggo ningkatake gain kanthi nggunakake antena lensa dielektrik, lsp, lan ningkatake efisiensi komunikasi kanthi nggunakake algoritma sing cocog. Kajaba iku, carane nambah efisiensi kemasan antena terahertz uga dadi masalah sing penting banget.
Antena THz umum
Ana macem-macem jinis antena THz kasedhiya: antena dipole karo rongga conical, susunan reflektor sudhut, bowtie dipol, antena planar lensa dielektrik, antena photoconductive kanggo ngasilake sumber radiasi sumber THz, antena sungu, antena THz adhedhasar bahan graphene, etc. bahan sing digunakake kanggo nggawe antena THz, bisa dipérang dadi antena logam (utamané antena sungu), antena dielektrik (antena lensa), lan antena materi anyar. Bagean iki pisanan menehi analisis awal antena kasebut, banjur ing bagean sabanjure, limang antena THz khas dikenalake kanthi rinci lan dianalisis kanthi jero.
1. Antena logam
Antena sungu minangka antena logam khas sing dirancang kanggo bisa digunakake ing pita THz. Antena panrima gelombang milimeter klasik yaiku sungu conical. Antena corrugated lan dual-mode duwe akeh kaluwihan, kalebu pola radiation simetris rotationally, gain dhuwur saka 20 kanggo 30 dBi lan tingkat polarisasi salib kurang saka -30 dB, lan efficiency kopling saka 97% kanggo 98%. Bandwidth sing kasedhiya saka rong antena sungu yaiku 30% -40% lan 6% -8%.
Amarga frekuensi gelombang terahertz dhuwur banget, ukuran antena sungu cilik banget, sing ndadekake proses sungu angel banget, utamane ing desain susunan antena, lan kerumitan teknologi pangolahan nyebabake biaya sing gedhe banget lan produksi winates. Amarga kangelan ing manufaktur ngisor desain sungu Komplek, antena sungu prasaja ing wangun sungu conical utawa conical biasane digunakake, kang bisa ngurangi biaya lan proses kerumitan, lan kinerja radiation saka antena bisa maintained. uga.
Antena logam liyane yaiku antena piramida gelombang lelungan, sing kasusun saka antena gelombang lelungan sing terintegrasi ing film dielektrik 1,2 mikron lan dilereni soko tugas ing rongga longitudinal sing diukir ing wafer silikon, kaya sing ditampilake ing Gambar 7. Antena iki minangka struktur sing mbukak. kompatibel karo dioda Schottky. Amarga struktur sing relatif prasaja lan syarat manufaktur sing kurang, umume bisa digunakake ing pita frekuensi ing ndhuwur 0,6 THz. Nanging, tingkat sidelobe lan tingkat polarisasi silang antena dhuwur, mbokmenawa amarga struktur mbukak. Mulane, efisiensi kopling relatif kurang (udakara 50%).
Gambar 7 Antena piramida gelombang traveling
2. Antena dielektrik
Antena dielektrik minangka kombinasi saka substrat dielektrik lan radiator antena. Liwat desain sing tepat, antena dielektrik bisa nggayuh impedansi sing cocog karo detektor, lan nduweni kaluwihan proses sing gampang, integrasi sing gampang, lan biaya sing murah. Ing taun-taun pungkasan, peneliti wis ngrancang sawetara narrowband lan broadband side-fire antena sing bisa cocog detektor low-impedansi saka antena dielektrik terahertz: antena kupu-kupu, pindho U-shaped antena, log-periodik antena, lan log-periodik antena sinusoidal, minangka. ditampilake ing Figure 8. Kajaba iku, geometri antena liyane Komplek bisa dirancang liwat algoritma genetik.
Gambar 8 Sekawan jinis antena planar
Nanging, amarga antena dielektrik digabungake karo substrat dielektrik, efek gelombang permukaan bakal kedadeyan nalika frekuensi cenderung menyang pita THz. Kerugian fatal iki bakal nyebabake antena ilang akeh energi sajrone operasi lan nyebabake nyuda efisiensi radiasi antena. Minangka ditampilake ing Figure 9, nalika amba radiation antena luwih saka amba cutoff, energi sawijining Dibuwang ing landasan dielektrik lan gegandhengan karo mode landasan.
Figure 9 Antena efek gelombang lumahing
Nalika kekandelan saka substrat mundhak, jumlah mode dhuwur-urutan mundhak, lan kopling antarane antena lan landasan mundhak, asil ing mundhut energi. Kanggo ngurangi efek gelombang permukaan, ana telung skema optimasi:
1) Muat lensa ing antena kanggo nambah gain kanthi nggunakake karakteristik beamforming gelombang elektromagnetik.
2) Ngurangi kekandelan substrat kanggo nyuda generasi mode gelombang elektromagnetik dhuwur.
3) Ganti bahan dielektrik substrat kanthi celah pita elektromagnetik (EBG). Karakteristik panyaring spasial EBG bisa nyuda mode urutan dhuwur.
3. Antena materi anyar
Saliyane rong antena ing ndhuwur, ana uga antena terahertz sing digawe saka bahan anyar. Contone, ing 2006, Jin Hao et al. ngajokaken antena karbon nanotube dipole. Kaya sing dituduhake ing Gambar 10 (a), dipole digawe saka nanotube karbon tinimbang bahan logam. Panjenenganipun kasebut kanthi teliti, sinau infrared lan optik saka karbon nanotube dipole antena lan rembugan karakteristik umum saka finite-dawa karbon nanotube dipole antena, kayata impedansi input, distribusi saiki, gain, efficiency lan pola radiation. Figure 10 (b) nuduhake hubungan antarane impedansi input lan frekuensi saka karbon nanotube antena dipole. Minangka bisa katon ing Figure 10 (b), bagean maye saka impedansi input wis sawetara nul ing frekuensi luwih. Iki nuduhake yen antena bisa entuk macem-macem resonansi ing frekuensi sing beda. Temenan, antena karbon nanotube nuduhake resonansi ing sawetara frekuensi tartamtu (frekuensi THz ngisor), nanging ora bisa resonate ing njaba kisaran iki.
Gambar 10 (a) Karbon nanotube dipole antena. (b) kurva impedansi-frekuensi input
Ing 2012, Samir F. Mahmoud lan Ayed R. AlAjmi ngusulake struktur antena terahertz anyar adhedhasar nanotube karbon, sing kasusun saka bundel nanotube karbon sing dibungkus rong lapisan dielektrik. Lapisan dielektrik njero minangka lapisan busa dielektrik, lan lapisan dielektrik njaba minangka lapisan metamaterial. Struktur tartamtu ditampilake ing Figure 11. Liwat testing, kinerja radiation saka antena wis apik dibandhingake karo nanotube karbon siji-walled.
Figure 11 Antena terahertz anyar adhedhasar nanotube karbon
Antena terahertz materi anyar sing diusulake ing ndhuwur utamane telung dimensi. Kanggo nambah bandwidth antena lan nggawe antena konformal, antena graphene planar entuk perhatian sing akeh. Graphene nduweni karakteristik kontrol terus-terusan dinamis lan bisa ngasilake plasma permukaan kanthi nyetel voltase bias. Plasma lumahing ana ing antarmuka antarane substrat konstanta dielektrik positif (kayata Si, SiO2, lan sapiturute) lan substrat konstanta dielektrik negatif (kayata logam mulia, graphene, lsp.). Ana akeh "elektron bebas" ing konduktor kayata logam mulia lan graphene. Elektron bebas iki uga disebut plasma. Amarga lapangan potensial sing ana ing konduktor, plasma kasebut ana ing kahanan sing stabil lan ora diganggu dening jagad njaba. Nalika kedadeyan energi gelombang elektromagnetik digandhengake karo plasma kasebut, plasma bakal nyimpang saka kahanan ajeg lan kedher. Sawise konversi, mode elektromagnetik mbentuk gelombang magnetik transversal ing antarmuka. Miturut katrangan babagan hubungan dispersi plasma permukaan logam dening model Drude, logam ora bisa kanthi alamiah karo gelombang elektromagnetik ing ruang bebas lan ngowahi energi. Sampeyan perlu kanggo nggunakake bahan liyane kanggo excite ombak plasma lumahing. Gelombang plasma lumahing bosok kanthi cepet ing arah podo karo antarmuka logam-substrat. Nalika konduktor logam tumindak ing arah jejeg lumahing, ana efek kulit. Temenan, amarga ukuran antena sing cilik, ana efek kulit ing pita frekuensi dhuwur, sing nyebabake kinerja antena mudhun banget lan ora bisa nyukupi syarat antena terahertz. Plasmon permukaan graphene ora mung nduweni daya ikatan sing luwih dhuwur lan mundhut sing luwih murah, nanging uga ndhukung tuning listrik sing terus-terusan. Kajaba iku, graphene nduweni konduktivitas kompleks ing pita terahertz. Mulane, panyebaran gelombang alon ana hubungane karo mode plasma ing frekuensi terahertz. Karakteristik kasebut kanthi lengkap nuduhake kemungkinan graphene kanggo ngganti bahan logam ing pita terahertz.
Adhedhasar prilaku polarisasi saka plasmon lumahing graphene, Figure 12 nuduhake jinis anyar saka antena Strip, lan ngusulake wangun band karakteristik panyebaran saka gelombang plasma ing graphene. Desain pita antena tunable nyedhiyakake cara anyar kanggo nyinaoni karakteristik panyebaran antena terahertz materi anyar.
Gambar 12 Antena strip anyar
Saliyane njelajah unit unsur antena terahertz materi anyar, graphene nanopatch terahertz antena uga bisa dirancang minangka susunan kanggo mbangun terahertz multi-input multi-output sistem komunikasi antena. Struktur antena ditampilake ing Figure 13. Adhedhasar sifat unik saka graphene nanopatch antena, unsur antena duwe ukuran micron-ukuran. Deposisi uap kimia langsung nyintesis gambar graphene sing beda ing lapisan nikel tipis lan ditransfer menyang substrat apa wae. Kanthi milih jumlah komponen sing cocog lan ngganti voltase bias elektrostatik, arah radiasi bisa diowahi kanthi efektif, nggawe sistem bisa dikonfigurasi maneh.
Gambar 13 Graphene nanopatch terahertz array antena
Riset materi anyar minangka arah sing relatif anyar. Inovasi bahan samesthine bakal ngliwati watesan antena tradisional lan ngembangake macem-macem antena anyar, kayata metamaterial sing bisa dikonfigurasi maneh, bahan rong dimensi (2D), lan liya-liyane. Nanging, antena jinis iki utamane gumantung marang inovasi anyar. materi lan kemajuan teknologi proses. Ing kasus apa wae, pangembangan antena terahertz mbutuhake bahan inovatif, teknologi pangolahan sing tepat lan struktur desain novel kanggo nyukupi kabutuhan antena terahertz sing dhuwur, biaya murah lan bandwidth lebar.
Ing ngisor iki ngenalake prinsip dhasar telung jinis antena terahertz: antena logam, antena dielektrik lan antena materi anyar, lan nganalisa bedane lan kaluwihan lan kekurangane.
1. Antena logam: Geometri prasaja, gampang diproses, biaya sing relatif murah, lan syarat sing kurang kanggo bahan substrat. Nanging, antena logam nggunakake cara mekanik kanggo nyetel posisi antena, sing rawan kesalahan. Yen pangaturan ora bener, kinerja antena bakal suda banget. Senajan antena logam ukuran cilik, iku angel kanggo ngumpul karo sirkuit planar.
2. Antena dielektrik: Antena dielektrik nduweni impedansi input sing kurang, gampang dicocogake karo detektor impedansi sing kurang, lan relatif gampang disambungake karo sirkuit planar. Wangun geometris antena dielektrik kalebu wangun kupu, wangun U pindho, wangun logaritma konvensional lan wangun sinus periodik logaritma. Nanging, antena dielektrik uga duwe cacat fatal, yaiku efek gelombang permukaan sing disebabake dening substrat sing kandel. Solusi kanggo mbukak lensa lan ngganti substrat dielektrik karo struktur EBG. Loro-lorone solusi mbutuhake inovasi lan dandan terus teknologi proses lan bahan, nanging kinerja banget (kayata omnidirectionality lan dipatèni gelombang lumahing) bisa nyedhiyani gagasan anyar kanggo riset saka antena terahertz.
3. Antena materi anyar: Saiki, antena dipole anyar sing digawe saka nanotube karbon lan struktur antena anyar sing digawe saka metamaterial wis muncul. Bahan anyar bisa nggawa terobosan kinerja anyar, nanging premis kasebut yaiku inovasi ilmu material. Saiki, riset babagan antena materi anyar isih ana ing tahap eksplorasi, lan akeh teknologi utama sing durung cukup diwasa.
Ing ringkesan, macem-macem jinis antena terahertz bisa dipilih miturut syarat desain:
1) Yen desain prasaja lan biaya produksi kurang dibutuhake, antena logam bisa dipilih.
2) Yen integrasi dhuwur lan impedansi input kurang dibutuhake, antena dielektrik bisa dipilih.
3) Yen terobosan ing kinerja dibutuhake, antena materi anyar bisa dipilih.
Desain ing ndhuwur uga bisa diatur miturut syarat tartamtu. Contone, rong jinis antena bisa digabung kanggo entuk luwih akeh kaluwihan, nanging cara perakitan lan teknologi desain kudu nyukupi syarat sing luwih ketat.
Kanggo mangerteni sing luwih lengkap babagan antena, bukak:
Wektu kirim: Aug-02-2024
