Kanthi tambah populeré piranti nirkabel, layanan data wis mlebu periode anyar perkembangan sing cepet, uga dikenal minangka pertumbuhan layanan data sing eksplosif. Saiki, akeh aplikasi sing mboko sithik pindhah saka komputer menyang piranti nirkabel kayata telpon seluler sing gampang digawa lan dioperasikake kanthi wektu nyata, nanging kahanan iki uga nyebabake peningkatan lalu lintas data sing cepet lan kekurangan sumber daya bandwidth. Miturut statistik, kecepatan data ing pasar bisa tekan Gbps utawa malah Tbps ing 10 nganti 15 taun sabanjure. Saiki, komunikasi THz wis tekan kecepatan data Gbps, dene kecepatan data Tbps isih ana ing tahap awal perkembangan. Makalah sing gegandhengan ndhaptar kemajuan paling anyar ing kecepatan data Gbps adhedhasar pita THz lan prédhiksi manawa Tbps bisa dipikolehi liwat multiplexing polarisasi. Mulane, kanggo nambah kecepatan transmisi data, solusi sing bisa ditindakake yaiku ngembangake pita frekuensi anyar, yaiku pita terahertz, sing ana ing "area kosong" antarane gelombang mikro lan cahya inframerah. Ing Konferensi Radiokomunikasi Dunia ITU (WRC-19) ing taun 2019, rentang frekuensi 275-450GHz wis digunakake kanggo layanan tetep lan seluler darat. Bisa dideleng manawa sistem komunikasi nirkabel terahertz wis narik kawigaten akeh peneliti.
Gelombang elektromagnetik Terahertz umume ditegesake minangka pita frekuensi 0,1-10THz (1THz=1012Hz) kanthi dawa gelombang 0,03-3 mm. Miturut standar IEEE, gelombang terahertz ditegesake minangka 0,3-10THz. Gambar 1 nuduhake yen pita frekuensi terahertz ana ing antarane gelombang mikro lan cahya inframerah.
Gambar 1 Diagram skematis pita frekuensi THz.
Pangembangan Antena Terahertz
Senajan riset terahertz diwiwiti ing abad kaping 19, riset kasebut durung ditliti minangka bidang independen ing wektu kasebut. Riset babagan radiasi terahertz utamane fokus ing pita inframerah adoh. Nganti pertengahan nganti pungkasan abad kaping 20 para peneliti wiwit ngembangake riset gelombang milimeter menyang pita terahertz lan nindakake riset teknologi terahertz khusus.
Ing taun 1980-an, munculé sumber radiasi terahertz nggampangaké aplikasi gelombang terahertz ing sistem praktis. Wiwit abad kaping 21, teknologi komunikasi nirkabel wis berkembang kanthi cepet, lan panjaluk wong kanggo informasi lan tambah akeh peralatan komunikasi wis ngetrapake syarat sing luwih ketat babagan kecepatan transmisi data komunikasi. Mulane, salah sawijining tantangan teknologi komunikasi ing mangsa ngarep yaiku ngoperasikake kanthi kecepatan data gigabit per detik sing dhuwur ing sak lokasi. Ing perkembangan ekonomi saiki, sumber daya spektrum saya langka. Nanging, kabutuhan manungsa kanggo kapasitas lan kecepatan komunikasi ora ana telasé. Kanggo masalah kemacetan spektrum, akeh perusahaan nggunakake teknologi multiple-input multiple-output (MIMO) kanggo ningkatake efisiensi spektrum lan kapasitas sistem liwat multiplexing spasial. Kanthi kemajuan jaringan 5G, kecepatan sambungan data saben pangguna bakal ngluwihi Gbps, lan lalu lintas data stasiun pangkalan uga bakal tambah akeh. Kanggo sistem komunikasi gelombang milimeter tradisional, sambungan gelombang mikro ora bakal bisa nangani aliran data sing gedhe iki. Kajaba iku, amarga pengaruh garis pandang, jarak transmisi komunikasi inframerah cendhak lan lokasi peralatan komunikasine tetep. Mulane, gelombang THz, sing ana ing antarane gelombang mikro lan inframerah, bisa digunakake kanggo mbangun sistem komunikasi kecepatan tinggi lan nambah kecepatan transmisi data kanthi nggunakake pranala THz.
Gelombang Terahertz bisa nyedhiyakake bandwidth komunikasi sing luwih amba, lan rentang frekuensine udakara 1000 kali lipat saka komunikasi seluler. Mulane, nggunakake THz kanggo mbangun sistem komunikasi nirkabel kanthi kecepatan ultra-tinggi minangka solusi sing janjeni kanggo tantangan kecepatan data sing dhuwur, sing wis narik kawigaten akeh tim riset lan industri. Ing September 2017, standar komunikasi nirkabel THz pertama IEEE 802.15.3d-2017 dirilis, sing netepake ijol-ijolan data titik-ke-titik ing rentang frekuensi THz sing luwih murah yaiku 252-325 GHz. Lapisan fisik alternatif (PHY) saka link kasebut bisa entuk kecepatan data nganti 100 Gbps ing bandwidth sing beda-beda.
Sistem komunikasi THz 0,12 THz sing sukses pisanan diadegaké ing taun 2004, lan sistem komunikasi THz 0,3 THz direalisasikaké ing taun 2013. Tabel 1 ndhaptar kemajuan riset sistem komunikasi terahertz ing Jepang saka taun 2004 nganti 2013.
Tabel 1 Kemajuan riset sistem komunikasi terahertz ing Jepang saka taun 2004 nganti 2013
Struktur antena sistem komunikasi sing dikembangake ing taun 2004 diterangake kanthi rinci dening Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ing taun 2005. Konfigurasi antena dikenalake ing rong kasus, kaya sing dituduhake ing Gambar 2.
Gambar 2 Diagram skematis sistem komunikasi nirkabel NTT 120 GHz Jepang
Sistem iki nggabungake konversi fotolistrik lan antena lan nganggo rong mode kerja:
1. Ing lingkungan njero ruangan jarak cedhak, pemancar antena planar sing digunakake ing njero ruangan kasusun saka chip fotodioda pembawa baris tunggal (UTC-PD), antena slot planar lan lensa silikon, kaya sing dituduhake ing Gambar 2(a).
2. Ing lingkungan njaba ruangan jarak adoh, kanggo ningkatake pengaruh rugi transmisi sing gedhe lan sensitivitas detektor sing kurang, antena pemancar kudu duwe gain sing dhuwur. Antena terahertz sing wis ana nggunakake lensa optik Gaussian kanthi gain luwih saka 50 dBi. Kombinasi tanduk umpan lan lensa dielektrik dituduhake ing Gambar 2(b).
Saliyané ngembangaké sistem komunikasi 0,12 THz, NTT uga ngembangaké sistem komunikasi 0,3THz ing taun 2012. Liwat optimasi terus-terusan, kecepatan transmisi bisa nganti 100Gbps. Kaya sing bisa dideleng saka Tabel 1, iki wis mènèhi kontribusi gedhé kanggo pangembangan komunikasi terahertz. Nanging, karya riset saiki duwé kekurangan yaiku frekuensi operasi sing kurang, ukuran sing gedhé, lan biaya sing dhuwur.
Sebagéan gedhé antena terahertz sing digunakake saiki dimodifikasi saka antena gelombang milimeter, lan ana sithik inovasi ing antena terahertz. Mulane, kanggo ningkatake kinerja sistem komunikasi terahertz, tugas penting yaiku ngoptimalake antena terahertz. Tabel 2 ndhaptar kemajuan riset komunikasi THz Jerman. Gambar 3 (a) nuduhake sistem komunikasi nirkabel THz sing representatif sing nggabungake fotonik lan elektronik. Gambar 3 (b) nuduhake pemandangan uji coba trowongan angin. Ditilik saka kahanan riset saiki ing Jerman, riset lan pangembangane uga nduweni kekurangan kayata frekuensi operasi sing kurang, biaya dhuwur lan efisiensi sing kurang.
Tabel 2 Kemajuan riset komunikasi THz ing Jerman
Gambar 3 Adegan uji coba trowongan angin
Pusat TIK CSIRO uga wis miwiti riset babagan sistem komunikasi nirkabel njero ruangan THz. Pusat kasebut nyinaoni hubungan antarane taun lan frekuensi komunikasi, kaya sing dituduhake ing Gambar 4. Kaya sing bisa dideleng saka Gambar 4, ing taun 2020, riset babagan komunikasi nirkabel cenderung menyang pita THz. Frekuensi komunikasi maksimum sing nggunakake spektrum radio mundhak udakara sepuluh kali saben rong puluh taun. Pusat kasebut wis menehi rekomendasi babagan syarat kanggo antena THz lan ngusulake antena tradisional kayata tanduk lan lensa kanggo sistem komunikasi THz. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5, rong antena tanduk kerjane ing 0.84THz lan 1.7THz, kanthi struktur sing prasaja lan kinerja sinar Gaussian sing apik.
Gambar 4 Hubungan antarane taun lan frekuensi
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Gambar 5 Rong jinis antena klakson
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), lan liya-liyane. Antena terahertz anyar kanggo aplikasi terahertz wis dirancang, kayata antena bowtie lan antena kemudi sinar frekuensi. Miturut pangembangan antena terahertz, kita bisa entuk telung ide desain dhasar kanggo antena terahertz saiki, kaya sing dituduhake ing Gambar 6.
Gambar 6 Telung ide desain dhasar kanggo antena terahertz
Analisis ing ndhuwur nuduhake yen sanajan akeh negara wis menehi perhatian gedhe marang antena terahertz, isih ana ing tahap eksplorasi lan pangembangan awal. Amarga mundhut propagasi sing dhuwur lan panyerepan molekuler, antena THz biasane diwatesi dening jarak transmisi lan jangkoan. Sawetara panliten fokus ing frekuensi operasi sing luwih murah ing pita THz. Riset antena terahertz sing wis ana utamane fokus ing ningkatake gain kanthi nggunakake antena lensa dielektrik, lan liya-liyane, lan ningkatake efisiensi komunikasi kanthi nggunakake algoritma sing cocog. Kajaba iku, kepiye carane ningkatake efisiensi kemasan antena terahertz uga dadi masalah sing penting banget.
Antena THz umum
Ana akeh jinis antena THz sing kasedhiya: antena dipol kanthi rongga kerucut, susunan reflektor pojok, dipol bowtie, antena planar lensa dielektrik, antena fotokonduktif kanggo ngasilake sumber radiasi sumber THz, antena tanduk, antena THz adhedhasar bahan graphene, lan liya-liyane. Miturut bahan sing digunakake kanggo nggawe antena THz, antena kasebut bisa dipérang dadi antena logam (utamane antena tanduk), antena dielektrik (antena lensa), lan antena materi anyar. Bagean iki pisanan menehi analisis awal babagan antena kasebut, banjur ing bagean sabanjure, limang antena THz khas dikenalake kanthi rinci lan dianalisis kanthi jero.
1. Antena logam
Antena tanduk kuwi antena logam khas sing dirancang kanggo bisa digunakake ing pita THz. Antena saka panrima gelombang milimeter klasik kuwi tanduk kerucut. Antena bergelombang lan mode ganda duwe akeh kaluwihan, kalebu pola radiasi simetris rotasi, gain dhuwur 20 nganti 30 dBi lan tingkat polarisasi silang sing endhek -30 dB, lan efisiensi kopling 97% nganti 98%. Bandwidth sing kasedhiya saka rong antena tanduk yaiku 30%-40% lan 6%-8%.
Amarga frekuensi gelombang terahertz dhuwur banget, ukuran antena sungu cilik banget, sing ndadekake pangolahan sungu dadi angel banget, utamane ing desain susunan antena, lan kerumitan teknologi pangolahan nyebabake biaya sing gedhe banget lan produksi sing winates. Amarga kangelan ing manufaktur sisih ngisor desain sungu sing kompleks, antena sungu prasaja awujud sungu kerucut utawa kerucut biasane digunakake, sing bisa nyuda biaya lan kerumitan proses, lan kinerja radiasi antena bisa dijaga kanthi apik.
Antena logam liyané yaiku antena piramida gelombang lelungan, sing kasusun saka antena gelombang lelungan sing diintegrasi ing film dielektrik 1,2 mikron lan digantung ing rongga longitudinal sing diukir ing wafer silikon, kaya sing dituduhake ing Gambar 7. Antena iki minangka struktur mbukak sing 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 perjalanan
2. Antena dielektrik
Antena dielektrik iku kombinasi saka substrat dielektrik lan radiator antena. Liwat desain sing tepat, antena dielektrik bisa entuk pencocokan impedansi karo detektor, lan nduweni kaluwihan proses sing prasaja, integrasi sing gampang, lan biaya sing murah. Ing taun-taun pungkasan, para peneliti wis ngrancang sawetara antena sisih-api narrowband lan broadband sing bisa cocog karo detektor impedansi rendah saka antena dielektrik terahertz: antena kupu-kupu, antena bentuk U dobel, antena log-periodik, lan antena sinusoidal log-periodik, kaya sing dituduhake ing Gambar 8. Kajaba iku, geometri antena sing luwih kompleks bisa dirancang liwat algoritma genetik.
Gambar 8 Papat 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 kelangan akeh energi sajrone operasi lan nyebabake penurunan efisiensi radiasi antena sing signifikan. Kaya sing dituduhake ing Gambar 9, nalika sudut radiasi antena luwih gedhe tinimbang sudut cutoff, energine diwatesi ing substrat dielektrik lan digandhengake karo mode substrat.
Gambar 9 Efek gelombang permukaan antena
Nalika kekandelan substrat mundhak, jumlah mode orde dhuwur uga mundhak, lan kopling antarane antena lan substrat mundhak, sing nyebabake mundhut energi. Kanggo nglemahake efek gelombang permukaan, ana telung skema optimasi:
1) Pasang lensa ing antena kanggo nambah gain kanthi nggunakake karakteristik beamforming gelombang elektromagnetik.
2) Kurangi kekandelan substrat kanggo nyegah generasi mode gelombang elektromagnetik tingkat dhuwur.
3) Ganti bahan dielektrik substrat nganggo celah pita elektromagnetik (EBG). Karakteristik penyaringan spasial EBG bisa nyuda mode orde tinggi.
3. Antena bahan anyar
Saliyané rong antena ing ndhuwur, ana uga antena terahertz sing digawe saka bahan anyar. Contone, ing taun 2006, Jin Hao et al. ngusulake antena dipol tabung nano karbon. Kaya sing dituduhake ing Gambar 10 (a), dipol kasebut digawe saka tabung nano karbon tinimbang bahan logam. Dheweke kanthi teliti nyinaoni sifat inframerah lan optik saka antena dipol tabung nano karbon lan ngrembug karakteristik umum antena dipol tabung nano karbon kanthi dawa winates, kayata impedansi input, distribusi arus, gain, efisiensi lan pola radiasi. Gambar 10 (b) nuduhake hubungan antarane impedansi input lan frekuensi antena dipol tabung nano karbon. Kaya sing bisa dideleng ing Gambar 10 (b), bagean imajiner saka impedansi input duwe pirang-pirang nol ing frekuensi sing luwih dhuwur. Iki nuduhake yen antena bisa entuk pirang-pirang resonansi ing frekuensi sing beda. Temenan, antena tabung nano karbon nuduhake resonansi ing rentang frekuensi tartamtu (frekuensi THz sing luwih murah), nanging ora bisa resonansi ing njaba rentang iki.
Gambar 10 (a) Antena dipol tabung nano karbon. (b) Kurva impedansi-frekuensi input
Ing taun 2012, Samir F. Mahmoud lan Ayed R. AlAjmi ngusulake struktur antena terahertz anyar adhedhasar tabung nano karbon, sing kasusun saka bundel tabung nano karbon sing dibungkus rong lapisan dielektrik. Lapisan dielektrik njero minangka lapisan busa dielektrik, lan lapisan dielektrik njaba minangka lapisan metamaterial. Struktur spesifik dituduhake ing Gambar 11. Liwat uji coba, kinerja radiasi antena wis luwih apik dibandhingake karo tabung nano karbon berdinding tunggal.
Gambar 11 Antena terahertz anyar adhedhasar tabung nano karbon
Antena terahertz materi anyar sing diusulake ing ndhuwur utamane telung dimensi. Kanggo ningkatake bandwidth antena lan nggawe antena konformal, antena graphene planar wis entuk perhatian sing akeh. Graphene nduweni karakteristik kontrol terus-terusan dinamis sing apik banget lan bisa ngasilake plasma permukaan kanthi nyetel voltase bias. Plasma permukaan ana ing antarmuka antarane substrat konstanta dielektrik positif (kayata Si, SiO2, lsp.) 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 diarani plasma. Amarga medan potensial sing ana ing konduktor, plasma iki ana ing kahanan stabil lan ora kaganggu dening jagad njaba. Nalika energi gelombang elektromagnetik sing teka digandhengake karo plasma iki, plasma bakal nyimpang saka kahanan ajeg lan geter. Sawise konversi, mode elektromagnetik mbentuk gelombang magnetik transversal ing antarmuka. Miturut deskripsi hubungan dispersi plasma permukaan logam dening model Drude, logam ora bisa kanthi alami digandhengake karo gelombang elektromagnetik ing ruang bebas lan ngowahi energi. Perlu nggunakake bahan liyane kanggo ngrangsang gelombang plasma permukaan. Gelombang plasma permukaan bosok kanthi cepet ing arah paralel antarmuka logam-substrat. Nalika konduktor logam nglakokake ing arah tegak lurus karo permukaan, efek kulit kedadeyan. Temtu, amarga ukuran antena sing cilik, ana efek kulit ing pita frekuensi dhuwur, sing nyebabake kinerja antena mudhun kanthi cetha lan ora bisa nyukupi syarat antena terahertz. Plasmon permukaan graphene ora mung duwe gaya pengikat sing luwih dhuwur lan kerugian sing luwih murah, nanging uga ndhukung penyetelan listrik terus-terusan. Kajaba iku, graphene duwe konduktivitas sing kompleks ing pita terahertz. Mulane, propagasi gelombang alon ana hubungane karo mode plasma ing frekuensi terahertz. Karakteristik kasebut kanthi lengkap nuduhake kelayakan graphene kanggo ngganti bahan logam ing pita terahertz.
Adhedhasar prilaku polarisasi plasmon permukaan graphene, Gambar 12 nuduhake jinis antena strip anyar, lan ngusulake bentuk pita saka karakteristik propagasi gelombang plasma ing graphene. Desain pita antena sing bisa disetel nyedhiyakake cara anyar kanggo nyinaoni karakteristik propagasi antena terahertz materi anyar.
Gambar 12 Antena strip anyar
Saliyané njelajah elemen antena terahertz materi anyar unit, antena terahertz graphene nanopatch uga bisa dirancang minangka array kanggo mbangun sistem komunikasi antena multi-input multi-output terahertz. Struktur antena dituduhake ing Gambar 13. Adhedhasar sifat unik antena nanopatch graphene, elemen antena duwe dimensi skala mikron. Deposisi uap kimia langsung nyintesis gambar graphene sing beda ing lapisan nikel tipis lan nransfer menyang substrat apa wae. Kanthi milih jumlah komponen sing cocog lan ngganti voltase bias elektrostatik, arah radiasi bisa diganti kanthi efektif, saengga sistem bisa dikonfigurasi ulang.
Gambar 13 Susunan antena terahertz nanopatch graphene
Riset babagan bahan anyar minangka arah sing relatif anyar. Inovasi bahan diarepake bisa ngatasi watesan antena tradisional lan ngembangake macem-macem antena anyar, kayata metamaterial sing bisa dikonfigurasi ulang, bahan rong dimensi (2D), lan liya-liyane. Nanging, jinis antena iki utamane gumantung marang inovasi bahan anyar lan kemajuan teknologi proses. Ing kasus apa wae, pangembangan antena terahertz mbutuhake bahan inovatif, teknologi pangolahan sing tepat, lan struktur desain anyar kanggo nyukupi syarat gain sing dhuwur, biaya murah, lan bandwidth sing amba saka antena terahertz.
Ing ngisor iki bakal ngenalake prinsip dhasar saka telung jinis antena terahertz: antena logam, antena dielektrik, lan antena materi anyar, sarta nganalisis bedane sarta kaluwihan lan kekurangane.
1. Antena logam: Geometrine prasaja, gampang diproses, biaya relatif murah, lan syarat bahan substrate sithik. Nanging, antena logam nggunakake metode mekanik kanggo nyetel posisi antena, sing rawan kesalahan. Yen penyesuaian ora bener, kinerja antena bakal mudhun banget. Sanajan antena logam ukurane cilik, angel dirakit nganggo sirkuit planar.
2. Antena dielektrik: Antena dielektrik nduweni impedansi input sing endhek, gampang dicocogake karo detektor impedansi sing endhek, lan relatif gampang disambungake karo sirkuit planar. Wangun geometris antena dielektrik kalebu wujud kupu-kupu, wujud U dobel, wujud logaritmik konvensional lan wujud sinus periodik logaritmik. Nanging, antena dielektrik uga nduweni cacat fatal, yaiku efek gelombang permukaan sing disebabake dening substrat sing kandel. Solusine yaiku ngisi lensa lan ngganti substrat dielektrik nganggo struktur EBG. Kaloro solusi kasebut mbutuhake inovasi lan perbaikan teknologi proses lan bahan sing terus-terusan, nanging kinerja sing apik banget (kayata omnidirectionalitas lan penekanan gelombang permukaan) bisa menehi ide anyar kanggo riset antena terahertz.
3. Antena materi anyar: Saiki, antena dipol anyar sing digawe saka tabung nano karbon lan struktur antena anyar sing digawe saka metamaterial wis muncul. Materi anyar bisa nggawa terobosan kinerja anyar, nanging premise yaiku inovasi ilmu materi. Saiki, riset babagan antena materi anyar isih ana ing tahap eksplorasi, lan akeh teknologi utama sing durung cukup mateng.
Ringkesane, macem-macem jinis antena terahertz bisa dipilih miturut syarat desain:
1) Yen desain sing prasaja lan biaya produksi sing murah dibutuhake, antena logam bisa dipilih.
2) Yen integrasi dhuwur lan impedansi input endhek dibutuhake, antena dielektrik bisa dipilih.
3) Yen butuh terobosan ing kinerja, antena materi anyar bisa dipilih.
Desain ing ndhuwur uga bisa diatur miturut syarat tartamtu. Contone, rong jinis antena bisa digabungake kanggo entuk luwih akeh kaluwihan, nanging cara perakitan lan teknologi desain kudu memenuhi syarat sing luwih ketat.
Kanggo mangerteni luwih lengkap babagan antena, bukak:
Wektu kiriman: 02-Agu-2024
