Com a crescente popularidade dos dispositivos sem fio, os serviços de dados entraram em um novo período de rápido desenvolvimento, também conhecido como crescimento explosivo dos serviços de dados. Atualmente, um grande número de aplicações está migrando gradualmente de computadores para dispositivos sem fio, como telefones celulares, que são fáceis de transportar e operar em tempo real, mas esta situação também levou a um rápido aumento no tráfego de dados e a uma escassez de recursos de largura de banda. . Segundo as estatísticas, a taxa de dados no mercado pode atingir Gbps ou mesmo Tbps nos próximos 10 a 15 anos. Atualmente, a comunicação THz atingiu uma taxa de dados de Gbps, enquanto a taxa de dados de Tbps ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento. Um artigo relacionado lista os progressos mais recentes nas taxas de dados de Gbps com base na banda THz e prevê que os Tbps podem ser obtidos através da multiplexação de polarização. Portanto, para aumentar a taxa de transmissão de dados, uma solução viável é desenvolver uma nova banda de frequência, que é a banda terahertz, que fica na “área em branco” entre as microondas e a luz infravermelha. Na Conferência Mundial de Radiocomunicações da UIT (WRC-19) em 2019, a faixa de frequência de 275-450 GHz foi utilizada para serviços fixos e móveis terrestres. Pode-se observar que os sistemas de comunicação sem fio terahertz têm atraído a atenção de muitos pesquisadores.
As ondas eletromagnéticas Terahertz são geralmente definidas como a banda de frequência de 0,1-10THz (1THz=1012Hz) com um comprimento de onda de 0,03-3 mm. De acordo com o padrão IEEE, as ondas terahertz são definidas como 0,3-10THz. A Figura 1 mostra que a banda de frequência terahertz está entre as microondas e a luz infravermelha.
Figura 1 Diagrama esquemático da banda de frequência THz.
Desenvolvimento de Antenas Terahertz
Embora a pesquisa sobre terahertz tenha começado no século 19, ela não foi estudada como um campo independente naquela época. A pesquisa sobre a radiação terahertz concentrou-se principalmente na faixa do infravermelho distante. Somente em meados do século 20 é que os pesquisadores começaram a avançar na pesquisa de ondas milimétricas para a banda terahertz e a conduzir pesquisas especializadas em tecnologia terahertz.
Na década de 1980, o surgimento de fontes de radiação terahertz tornou possível a aplicação de ondas terahertz em sistemas práticos. Desde o século XXI, a tecnologia de comunicação sem fio desenvolveu-se rapidamente, e a demanda das pessoas por informações e o aumento de equipamentos de comunicação apresentaram requisitos mais rigorosos quanto à taxa de transmissão de dados de comunicação. Portanto, um dos desafios da futura tecnologia de comunicação é operar a uma elevada taxa de dados de gigabits por segundo num único local. No contexto do actual desenvolvimento económico, os recursos do espectro tornaram-se cada vez mais escassos. No entanto, os requisitos humanos em termos de capacidade e velocidade de comunicação são infinitos. Para o problema do congestionamento do espectro, muitas empresas utilizam a tecnologia de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) para melhorar a eficiência do espectro e a capacidade do sistema através da multiplexação espacial. Com o avanço das redes 5G, a velocidade de conexão de dados de cada usuário ultrapassará Gbps, e o tráfego de dados das estações base também aumentará significativamente. Para sistemas tradicionais de comunicação por ondas milimétricas, os links de micro-ondas não serão capazes de lidar com esses enormes fluxos de dados. Além disso, devido à influência da linha de visão, a distância de transmissão da comunicação infravermelha é curta e a localização do seu equipamento de comunicação é fixa. Portanto, as ondas THz, que estão entre as microondas e o infravermelho, podem ser usadas para construir sistemas de comunicação de alta velocidade e aumentar as taxas de transmissão de dados usando links THz.
As ondas Terahertz podem fornecer uma largura de banda de comunicação mais ampla e sua faixa de frequência é cerca de 1.000 vezes maior que a das comunicações móveis. Portanto, usar THz para construir sistemas de comunicação sem fio de altíssima velocidade é uma solução promissora para o desafio das altas taxas de dados, o que tem atraído o interesse de muitas equipes de pesquisa e indústrias. Em setembro de 2017, foi lançado o primeiro padrão de comunicação sem fio THz IEEE 802.15.3d-2017, que define a troca de dados ponto a ponto na faixa de frequência inferior de THz de 252-325 GHz. A camada física alternativa (PHY) do link pode atingir taxas de dados de até 100 Gbps em diferentes larguras de banda.
O primeiro sistema de comunicação THz de 0,12 THz bem-sucedido foi estabelecido em 2004, e o sistema de comunicação THz de 0,3 THz foi realizado em 2013. A Tabela 1 lista o progresso da pesquisa de sistemas de comunicação terahertz no Japão de 2004 a 2013.
Tabela 1 Progresso da pesquisa de sistemas de comunicação terahertz no Japão de 2004 a 2013
A estrutura da antena de um sistema de comunicação desenvolvido em 2004 foi descrita detalhadamente pela Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) em 2005. A configuração da antena foi introduzida em dois casos, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático do sistema de comunicação sem fio NTT 120 GHz do Japão
O sistema integra conversão fotoelétrica e antena e adota dois modos de trabalho:
1. Em um ambiente interno de curto alcance, o transmissor de antena planar usado em ambientes internos consiste em um chip de fotodiodo portador de linha única (UTC-PD), uma antena de slot planar e uma lente de silício, conforme mostrado na Figura 2 (a).
2. Em um ambiente externo de longo alcance, para melhorar a influência de grandes perdas de transmissão e baixa sensibilidade do detector, a antena transmissora deve ter alto ganho. A antena terahertz existente usa uma lente óptica gaussiana com ganho de mais de 50 dBi. A combinação de chifre de alimentação e lente dielétrica é mostrada na Figura 2 (b).
Além de desenvolver um sistema de comunicação de 0,12 THz, a NTT também desenvolveu um sistema de comunicação de 0,3 THz em 2012. Através da otimização contínua, a taxa de transmissão pode chegar a 100 Gbps. Como pode ser visto na Tabela 1, deu uma grande contribuição para o desenvolvimento da comunicação terahertz. No entanto, o trabalho de pesquisa atual tem as desvantagens de baixa frequência operacional, grande tamanho e alto custo.
A maioria das antenas terahertz usadas atualmente são modificadas a partir de antenas de ondas milimétricas, e há pouca inovação em antenas terahertz. Portanto, para melhorar o desempenho dos sistemas de comunicação terahertz, uma tarefa importante é otimizar as antenas terahertz. A Tabela 2 lista o progresso da pesquisa da comunicação THz alemã. A Figura 3 (a) mostra um sistema representativo de comunicação sem fio THz combinando fotônica e eletrônica. A Figura 3 (b) mostra a cena do teste em túnel de vento. A julgar pela situação actual da investigação na Alemanha, a sua investigação e desenvolvimento também tem desvantagens, tais como baixa frequência de funcionamento, elevado custo e baixa eficiência.
Tabela 2 Progresso da pesquisa sobre comunicação THz na Alemanha
Figura 3 Cena de teste em túnel de vento
O CSIRO ICT Center também iniciou pesquisas sobre sistemas de comunicação sem fio internos THz. O centro estudou a relação entre o ano e a frequência de comunicação, conforme mostra a Figura 4. Como pode ser visto na Figura 4, até 2020, as pesquisas em comunicações sem fio tendem para a faixa THz. A frequência máxima de comunicação utilizando o espectro de rádio aumenta cerca de dez vezes a cada vinte anos. O centro fez recomendações sobre os requisitos para antenas THz e propôs antenas tradicionais, como buzinas e lentes para sistemas de comunicação THz. Conforme mostrado na Figura 5, duas antenas tipo corneta funcionam a 0,84THz e 1,7THz respectivamente, com uma estrutura simples e bom desempenho de feixe gaussiano.
Figura 4 Relação entre ano e frequência
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Dois tipos de antenas tipo corneta
Os Estados Unidos conduziram extensas pesquisas sobre a emissão e detecção de ondas terahertz. Laboratórios de pesquisa terahertz famosos incluem o Laboratório de Propulsão a Jato (JPL), o Centro de Acelerador Linear de Stanford (SLAC), o Laboratório Nacional dos EUA (LLNL), a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), a Fundação Nacional de Ciência (NSF), etc. Novas antenas terahertz para aplicações terahertz foram projetadas, como antenas bowtie e antenas direcionais de feixe de frequência. De acordo com o desenvolvimento de antenas terahertz, podemos obter atualmente três idéias básicas de design para antenas terahertz, conforme mostrado na Figura 6.
Figura 6 Três ideias básicas de design para antenas terahertz
A análise acima mostra que embora muitos países tenham prestado grande atenção às antenas terahertz, elas ainda estão em fase inicial de exploração e desenvolvimento. Devido à alta perda de propagação e absorção molecular, as antenas THz são geralmente limitadas pela distância de transmissão e cobertura. Alguns estudos enfocam frequências operacionais mais baixas na banda THz. A pesquisa existente sobre antenas terahertz concentra-se principalmente em melhorar o ganho usando antenas de lentes dielétricas, etc., e melhorar a eficiência da comunicação usando algoritmos apropriados. Além disso, como melhorar a eficiência do empacotamento da antena terahertz também é uma questão muito urgente.
Antenas gerais THz
Existem muitos tipos de antenas THz disponíveis: antenas dipolo com cavidades cônicas, arranjos refletores de canto, dipolos bowtie, antenas planares de lentes dielétricas, antenas fotocondutoras para gerar fontes de radiação de fonte THz, antenas tipo chifre, antenas THz baseadas em materiais de grafeno, etc. os materiais usados para fazer antenas THz podem ser divididos em antenas de metal (principalmente antenas tipo chifre), antenas dielétricas (antenas de lente) e antenas de novos materiais. Esta seção primeiro fornece uma análise preliminar dessas antenas e, na próxima seção, cinco antenas típicas de THz são apresentadas em detalhes e analisadas em profundidade.
1. Antenas metálicas
A antena tipo corneta é uma típica antena de metal projetada para funcionar na banda THz. A antena de um receptor clássico de ondas milimétricas é uma buzina cônica. Antenas corrugadas e de modo duplo têm muitas vantagens, incluindo padrões de radiação rotacionalmente simétricos, alto ganho de 20 a 30 dBi e baixo nível de polarização cruzada de -30 dB e eficiência de acoplamento de 97% a 98%. As larguras de banda disponíveis das duas antenas tipo corneta são de 30% a 40% e 6% a 8%, respectivamente.
Como a frequência das ondas terahertz é muito alta, o tamanho da antena da buzina é muito pequeno, o que torna o processamento da buzina muito difícil, especialmente no projeto de conjuntos de antenas, e a complexidade da tecnologia de processamento leva a custos excessivos e produção limitada. Devido à dificuldade de fabricação da parte inferior do design complexo da buzina, geralmente é usada uma antena de buzina simples na forma de uma buzina cônica ou cônica, o que pode reduzir o custo e a complexidade do processo, e o desempenho de radiação da antena pode ser mantido bem.
Outra antena metálica é uma antena piramidal de ondas viajantes, que consiste em uma antena de ondas viajantes integrada em um filme dielétrico de 1,2 mícron e suspensa em uma cavidade longitudinal gravada em um wafer de silício, conforme mostrado na Figura 7. Esta antena é uma estrutura aberta que é compatível com diodos Schottky. Devido à sua estrutura relativamente simples e baixos requisitos de fabricação, geralmente pode ser usado em faixas de frequência acima de 0,6 THz. No entanto, o nível do lóbulo lateral e o nível de polarização cruzada da antena são elevados, provavelmente devido à sua estrutura aberta. Portanto, a sua eficiência de acoplamento é relativamente baixa (cerca de 50%).
Figura 7 Antena piramidal de onda viajante
2. Antena dielétrica
A antena dielétrica é uma combinação de um substrato dielétrico e um radiador de antena. Através de um design adequado, a antena dielétrica pode alcançar a correspondência de impedância com o detector e tem as vantagens de processo simples, fácil integração e baixo custo. Nos últimos anos, os pesquisadores projetaram várias antenas laterais de banda estreita e banda larga que podem corresponder aos detectores de baixa impedância das antenas dielétricas de terahertz: antena borboleta, antena dupla em forma de U, antena log-periódica e antena sinusoidal log-periódica, como mostrado na Figura 8. Além disso, geometrias de antenas mais complexas podem ser projetadas por meio de algoritmos genéticos.
Figura 8 Quatro tipos de antenas planares
No entanto, como a antena dielétrica é combinada com um substrato dielétrico, ocorrerá um efeito de onda superficial quando a frequência tender para a banda THz. Esta desvantagem fatal fará com que a antena perca muita energia durante a operação e levará a uma redução significativa na eficiência de radiação da antena. Conforme mostrado na Figura 9, quando o ângulo de radiação da antena é maior que o ângulo de corte, sua energia fica confinada no substrato dielétrico e acoplada ao modo substrato.
Figura 9 Efeito de onda de superfície da antena
À medida que a espessura do substrato aumenta, o número de modos de ordem superior aumenta e o acoplamento entre a antena e o substrato aumenta, resultando em perda de energia. Para enfraquecer o efeito das ondas superficiais, existem três esquemas de otimização:
1) Coloque uma lente na antena para aumentar o ganho usando as características de formação de feixe das ondas eletromagnéticas.
2) Reduza a espessura do substrato para suprimir a geração de modos de ondas eletromagnéticas de alta ordem.
3) Substitua o material dielétrico do substrato por um band gap eletromagnético (EBG). As características de filtragem espacial do EBG podem suprimir modos de ordem superior.
3. Novos materiais de antenas
Além das duas antenas acima, há também uma antena terahertz feita de novos materiais. Por exemplo, em 2006, Jin Hao et al. propôs uma antena dipolo de nanotubo de carbono. Conforme mostrado na Figura 10 (a), o dipolo é feito de nanotubos de carbono em vez de materiais metálicos. Ele estudou cuidadosamente as propriedades infravermelhas e ópticas da antena dipolo de nanotubos de carbono e discutiu as características gerais da antena dipolo de nanotubos de carbono de comprimento finito, como impedância de entrada, distribuição de corrente, ganho, eficiência e padrão de radiação. A Figura 10 (b) mostra a relação entre a impedância de entrada e a frequência da antena dipolo de nanotubo de carbono. Como pode ser visto na Figura 10(b), a parte imaginária da impedância de entrada possui múltiplos zeros em frequências mais altas. Isso indica que a antena pode atingir múltiplas ressonâncias em diferentes frequências. Obviamente, a antena de nanotubo de carbono exibe ressonância dentro de uma certa faixa de frequência (frequências THz mais baixas), mas é completamente incapaz de ressoar fora dessa faixa.
Figura 10 (a) Antena dipolo de nanotubos de carbono. (b) Curva impedância-frequência de entrada
Em 2012, Samir F. Mahmoud e Ayed R. AlAjmi propuseram uma nova estrutura de antena terahertz baseada em nanotubos de carbono, que consiste em um feixe de nanotubos de carbono envoltos em duas camadas dielétricas. A camada dielétrica interna é uma camada de espuma dielétrica e a camada dielétrica externa é uma camada de metamaterial. A estrutura específica é mostrada na Figura 11. Através de testes, o desempenho de radiação da antena foi melhorado em comparação com nanotubos de carbono de parede única.
Figura 11 Nova antena terahertz baseada em nanotubos de carbono
As novas antenas terahertz de material propostas acima são principalmente tridimensionais. A fim de melhorar a largura de banda da antena e fabricar antenas conformadas, as antenas planares de grafeno têm recebido ampla atenção. O grafeno possui excelentes características de controle dinâmico contínuo e pode gerar plasma de superfície ajustando a tensão de polarização. O plasma de superfície existe na interface entre substratos de constante dielétrica positiva (como Si, SiO2, etc.) e substratos de constante dielétrica negativa (como metais preciosos, grafeno, etc.). Há um grande número de “elétrons livres” em condutores como metais preciosos e grafeno. Esses elétrons livres também são chamados de plasmas. Devido ao campo potencial inerente ao condutor, estes plasmas estão num estado estável e não são perturbados pelo mundo exterior. Quando a energia das ondas eletromagnéticas incidentes é acoplada a esses plasmas, os plasmas se desviarão do estado estacionário e vibrarão. Após a conversão, o modo eletromagnético forma uma onda magnética transversal na interface. De acordo com a descrição da relação de dispersão do plasma da superfície metálica pelo modelo Drude, os metais não podem acoplar-se naturalmente às ondas eletromagnéticas no espaço livre e converter energia. É necessário usar outros materiais para excitar as ondas de plasma de superfície. As ondas de plasma de superfície decaem rapidamente na direção paralela da interface metal-substrato. Quando o condutor metálico conduz na direção perpendicular à superfície, ocorre um efeito pelicular. Obviamente, devido ao pequeno tamanho da antena, há um efeito pelicular na banda de alta frequência, o que faz com que o desempenho da antena caia drasticamente e não atenda aos requisitos das antenas terahertz. O plasmon de superfície do grafeno não só possui maior força de ligação e menor perda, mas também suporta ajuste elétrico contínuo. Além disso, o grafeno possui condutividade complexa na banda terahertz. Portanto, a propagação de ondas lentas está relacionada ao modo plasma em frequências terahertz. Essas características demonstram plenamente a viabilidade do grafeno em substituir materiais metálicos na banda terahertz.
Com base no comportamento de polarização dos plasmons de superfície do grafeno, a Figura 12 mostra um novo tipo de antena de tira e propõe o formato da banda das características de propagação das ondas de plasma no grafeno. O projeto da banda de antena sintonizável fornece uma nova maneira de estudar as características de propagação de novas antenas terahertz de materiais.
Figura 12 Nova antena de tira
Além de explorar novos elementos de antena terahertz de material unitário, as antenas terahertz nanopatch de grafeno também podem ser projetadas como matrizes para construir sistemas de comunicação de antenas terahertz com múltiplas entradas e múltiplas saídas. A estrutura da antena é mostrada na Figura 13. Com base nas propriedades exclusivas das antenas nanopatch de grafeno, os elementos da antena têm dimensões em escala de mícron. A deposição química de vapor sintetiza diretamente diferentes imagens de grafeno em uma fina camada de níquel e as transfere para qualquer substrato. Ao selecionar um número apropriado de componentes e alterar a tensão de polarização eletrostática, a direção da radiação pode ser efetivamente alterada, tornando o sistema reconfigurável.
Figura 13 Conjunto de antenas terahertz nanopatch de grafeno
A pesquisa de novos materiais é uma direção relativamente nova. Espera-se que a inovação dos materiais ultrapasse as limitações das antenas tradicionais e desenvolva uma variedade de novas antenas, como metamateriais reconfiguráveis, materiais bidimensionais (2D), etc. materiais e o avanço da tecnologia de processo. Em qualquer caso, o desenvolvimento de antenas terahertz requer materiais inovadores, tecnologia de processamento precisa e novas estruturas de design para atender aos requisitos de alto ganho, baixo custo e ampla largura de banda das antenas terahertz.
A seguir são apresentados os princípios básicos de três tipos de antenas terahertz: antenas metálicas, antenas dielétricas e antenas de novos materiais, e analisa suas diferenças, vantagens e desvantagens.
1. Antena de metal: A geometria é simples, fácil de processar, custo relativamente baixo e baixos requisitos para materiais de substrato. No entanto, as antenas metálicas usam um método mecânico para ajustar a posição da antena, que está sujeito a erros. Se o ajuste não estiver correto, o desempenho da antena será bastante reduzido. Embora a antena metálica seja pequena, é difícil montá-la com um circuito planar.
2. Antena dielétrica: A antena dielétrica tem baixa impedância de entrada, é fácil de combinar com um detector de baixa impedância e é relativamente simples de conectar a um circuito planar. As formas geométricas das antenas dielétricas incluem formato de borboleta, formato de U duplo, formato logarítmico convencional e formato senoidal periódico logarítmico. No entanto, as antenas dielétricas também apresentam uma falha fatal, ou seja, o efeito de onda superficial causado pelo substrato espesso. A solução é carregar uma lente e substituir o substrato dielétrico por uma estrutura EBG. Ambas as soluções exigem inovação e melhoria contínua da tecnologia de processos e materiais, mas seu excelente desempenho (como omnidirecionalidade e supressão de ondas superficiais) pode fornecer novas ideias para a pesquisa de antenas terahertz.
3. Antenas de novos materiais: Atualmente, surgiram novas antenas dipolo feitas de nanotubos de carbono e novas estruturas de antenas feitas de metamateriais. Novos materiais podem trazer novos avanços de desempenho, mas a premissa é a inovação da ciência dos materiais. Atualmente, a pesquisa sobre novas antenas de materiais ainda está em fase exploratória e muitas tecnologias-chave não estão suficientemente maduras.
Em resumo, diferentes tipos de antenas terahertz podem ser selecionados de acordo com os requisitos do projeto:
1) Se for necessário um design simples e baixo custo de produção, antenas de metal podem ser selecionadas.
2) Se for necessária alta integração e baixa impedância de entrada, antenas dielétricas podem ser selecionadas.
3) Se for necessário um avanço no desempenho, novas antenas de material poderão ser selecionadas.
Os designs acima também podem ser ajustados de acordo com requisitos específicos. Por exemplo, dois tipos de antenas podem ser combinados para obter mais vantagens, mas o método de montagem e a tecnologia de design devem atender a requisitos mais rigorosos.
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Horário da postagem: 02 de agosto de 2024
