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 celulares, que são fáceis de transportar e operar em tempo real. No entanto, essa situação também levou a um rápido aumento no tráfego de dados e à escassez de recursos de largura de banda. Segundo estatísticas, a taxa de dados no mercado pode atingir Gbps ou mesmo Tbps nos próximos 10 a 15 anos. Atualmente, a comunicação em THz atingiu uma taxa de dados de Gbps, enquanto a taxa de dados em Tbps ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento. Um artigo relacionado lista os avanços mais recentes nas taxas de dados em Gbps com base na banda de THz e prevê que Tbps podem ser obtidos por meio da multiplexação por polarização. Portanto, para aumentar a taxa de transmissão de dados, uma solução viável é desenvolver uma nova banda de frequência, a banda de terahertz, que está na "área em branco" entre as micro-ondas e a luz infravermelha. Na Conferência Mundial de Radiocomunicações da UIT (WRC-19) de 2019, a faixa de frequência de 275-450 GHz foi utilizada para serviços fixos e móveis terrestres. Observa-se que os sistemas de comunicação sem fio de terahertz têm atraído a atenção de muitos pesquisadores.
Ondas eletromagnéticas de terahertz são geralmente definidas como a faixa de frequência de 0,1 a 10 Hz (1 Hz = 1012 Hz) com comprimento de onda de 0,03 a 3 mm. De acordo com o padrão IEEE, ondas de terahertz são definidas como 0,3 a 10 Hz. A Figura 1 mostra que a faixa de frequência de terahertz está entre as micro-ondas e a luz infravermelha.
Fig. 1 Diagrama esquemático da banda de frequência THz.
Desenvolvimento de Antenas Terahertz
Embora a pesquisa em terahertz tenha começado no século XIX, ela não era estudada como um campo independente naquela época. A pesquisa sobre radiação terahertz concentrava-se principalmente na faixa do infravermelho distante. Foi somente em meados do século XX que os pesquisadores começaram a avançar a pesquisa de ondas milimétricas para a faixa de terahertz e a conduzir pesquisas especializadas em tecnologia de terahertz.
Na década de 1980, o surgimento de fontes de radiação de terahertz tornou possível a aplicação de ondas de terahertz em sistemas práticos. Desde o século XXI, a tecnologia de comunicação sem fio se desenvolveu rapidamente, e a demanda das pessoas por informações e o aumento dos equipamentos de comunicação impuseram requisitos mais rigorosos para a taxa de transmissão de dados de comunicação. Portanto, um dos desafios da tecnologia de comunicação do futuro é operar a uma alta taxa de dados de gigabits por segundo em um único local. Com o atual desenvolvimento econômico, os recursos de espectro tornaram-se cada vez mais escassos. No entanto, as necessidades humanas por capacidade e velocidade de comunicação são infinitas. Para o problema do congestionamento do espectro, muitas empresas utilizam a tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) para melhorar a eficiência do espectro e a capacidade do sistema por meio da multiplexação espacial. Com o avanço das redes 5G, a velocidade de conexão de dados de cada usuário excederá Gbps, e o tráfego de dados das estações base também aumentará significativamente. Para os sistemas de comunicação tradicionais de 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 equipamento de comunicação é fixa. Portanto, as ondas THz, que estão entre as micro-ondas 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, o uso de THz para construir sistemas de comunicação sem fio de ultra-alta velocidade é uma solução promissora para o desafio das altas taxas de dados, o que atraiu 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 THz mais baixa, de 252 a 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 de terahertz no Japão de 2004 a 2013.
Tabela 1 Progresso da pesquisa sobre sistemas de comunicação terahertz no Japão de 2004 a 2013
A estrutura da antena de um sistema de comunicação desenvolvido em 2004 foi descrita em detalhes 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 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 da grande perda de transmissão e da baixa sensibilidade do detector, a antena transmissora deve ter alto ganho. A antena terahertz existente utiliza uma lente óptica gaussiana com ganho superior a 50 dBi. A combinação de corneta 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 atingir até 100 Gbps. Como pode ser visto na Tabela 1, isso contribuiu significativamente para o desenvolvimento da comunicação em terahertz. No entanto, o trabalho de pesquisa atual apresenta as desvantagens de baixa frequência de operação, grande porte e alto custo.
A maioria das antenas de terahertz atualmente utilizadas são modificações de antenas de ondas milimétricas, e há pouca inovação em antenas de terahertz. Portanto, para melhorar o desempenho dos sistemas de comunicação de terahertz, uma tarefa importante é otimizar as antenas de terahertz. A Tabela 2 lista o progresso da pesquisa em comunicação THz na Alemanha. A Figura 3 (a) mostra um sistema de comunicação sem fio THz representativo que combina fotônica e eletrônica. A Figura 3 (b) mostra o cenário de teste em túnel de vento. A julgar pela situação atual da pesquisa na Alemanha, sua pesquisa e desenvolvimento também apresentam desvantagens, como baixa frequência de operação, alto custo e baixa eficiência.
Tabela 2 Progresso da pesquisa sobre comunicação THz na Alemanha
Figura 3 Cena de teste do túnel de vento
O Centro de TIC do CSIRO também iniciou pesquisas sobre sistemas de comunicação sem fio em ambientes internos de THz. O centro estudou a relação entre o ano e a frequência de comunicação, conforme mostrado na Figura 4. Como pode ser visto na Figura 4, até 2020, as pesquisas sobre comunicações sem fio tenderão para a faixa de THz. A frequência máxima de comunicação usando o espectro de rádio aumenta cerca de dez vezes a cada vinte anos. O centro fez recomendações sobre os requisitos para antenas de THz e propôs antenas tradicionais, como antenas cornetas e lentes, para sistemas de comunicação em THz. Como mostrado na Figura 5, duas antenas cornetas operam a 0,84 THz e 1,7 THz, 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 realizaram extensas pesquisas sobre a emissão e detecção de ondas terahertz. Laboratórios famosos de pesquisa em terahertz incluem o Laboratório de Propulsão a Jato (JPL), o Centro de Aceleradores Lineares de Stanford (SLAC), o Laboratório Nacional dos EUA (LLNL), a Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (NASA) e a Fundação Nacional de Ciências (NSF). Novas antenas terahertz para aplicações em terahertz foram projetadas, como antenas bowtie e antenas de direcionamento de feixe de frequência. De acordo com o desenvolvimento das antenas terahertz, podemos obter três ideias básicas de projeto para antenas terahertz atualmente, como mostrado na Figura 6.
Figura 6 Três ideias básicas de projeto para antenas de terahertz
A análise acima mostra que, embora muitos países tenham dedicado grande atenção às antenas de terahertz, elas ainda estão em fase inicial de exploração e desenvolvimento. Devido à alta perda de propagação e absorção molecular, as antenas de THz são geralmente limitadas pela distância de transmissão e cobertura. Alguns estudos se concentram em frequências de operação mais baixas na faixa de THz. As pesquisas existentes sobre antenas de terahertz concentram-se principalmente em melhorar o ganho por meio do uso de antenas de lentes dielétricas, etc., e em melhorar a eficiência da comunicação por meio do uso de algoritmos apropriados. Além disso, como melhorar a eficiência do encapsulamento de antenas de terahertz também é uma questão muito urgente.
Antenas THz gerais
Existem muitos tipos de antenas THz disponíveis: antenas dipolo com cavidades cônicas, conjuntos de refletores de canto, dipolos bowtie, antenas planas de lente dielétrica, antenas fotocondutoras para gerar fontes de radiação THz, antenas corneta, antenas THz baseadas em materiais de grafeno, etc. De acordo com os materiais utilizados na fabricação das antenas THz, elas podem ser divididas em antenas metálicas (principalmente cornetas), antenas dielétricas (antenas de lente) e antenas de novos materiais. Esta seção apresenta inicialmente uma análise preliminar dessas antenas e, na próxima seção, cinco antenas THz típicas são apresentadas em detalhes e analisadas em profundidade.
1. Antenas metálicas
A antena corneta é uma antena metálica típica, projetada para operar na faixa de THz. A antena de um receptor clássico de ondas milimétricas é uma corneta cônica. Antenas corrugadas e bimodo apresentam muitas vantagens, incluindo padrões de radiação rotacionalmente simétricos, alto ganho de 20 a 30 dBi e baixo nível de polarização cruzada de -30 dB, além de eficiência de acoplamento de 97% a 98%. As larguras de banda disponíveis para as duas antenas corneta são de 30% a 40% e 6% a 8%, respectivamente.
Como a frequência das ondas terahertz é muito alta, o tamanho da antena corneta é muito pequeno, o que torna o processamento da corneta 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 projeto complexo da corneta, geralmente é utilizada uma antena corneta simples, na forma de uma corneta cônica ou cônica, o que pode reduzir o custo e a complexidade do processo, e o desempenho de radiação da antena pode ser mantido adequadamente.
Outra antena metálica é a antena piramidal de onda viajante, que consiste em uma antena de onda viajante integrada a um filme dielétrico de 1,2 mícron e suspensa em uma cavidade longitudinal gravada em uma pastilha de silício, como mostrado na Figura 7. Essa antena é uma estrutura aberta compatível com diodos Schottky. Devido à sua estrutura relativamente simples e aos baixos requisitos de fabricação, ela geralmente pode ser usada 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 altos, provavelmente devido à sua estrutura aberta. Portanto, 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 projeto adequado, a antena dielétrica pode alcançar o casamento de impedância com o detector, apresentando as vantagens de um processo simples, fácil integração e baixo custo. Nos últimos anos, pesquisadores projetaram diversas antenas de disparo lateral de banda estreita e banda larga que podem corresponder aos detectores de baixa impedância de antenas dielétricas de terahertz: antena borboleta, antena em formato de U duplo, antena log-periódica e antena senoidal log-periódica, como mostrado na Figura 8. Além disso, geometrias de antena mais complexas podem ser projetadas por meio de algoritmos genéticos.
Figura 8 Quatro tipos de antenas planas
No entanto, como a antena dielétrica é combinada com um substrato dielétrico, um efeito de onda de superfície ocorrerá quando a frequência tender para a faixa de THz. Essa desvantagem fatal fará com que a antena perca muita energia durante a operação, resultando em uma redução significativa na eficiência de radiação da antena. Como 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 de substrato.
Figura 9 Efeito de onda de superfície da antena
À medida que a espessura do substrato aumenta, o número de modos de alta ordem aumenta e o acoplamento entre a antena e o substrato aumenta, resultando em perda de energia. Para atenuar o efeito da onda de superfície, 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 alta ordem de ondas eletromagnéticas.
3) Substituir o material dielétrico do substrato por uma lacuna de banda eletromagnética (EBG). As características de filtragem espacial da EBG podem suprimir modos de alta ordem.
3. Antenas de novos materiais
Além das duas antenas mencionadas acima, há também uma antena terahertz feita de novos materiais. Por exemplo, em 2006, Jin Hao et al. propuseram uma antena dipolo de nanotubos de carbono. Como 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 nanotubos de carbono. Como pode ser visto na Figura 10 (b), a parte imaginária da impedância de entrada tem múltiplos zeros em frequências mais altas. Isso indica que a antena pode atingir múltiplas ressonâncias em diferentes frequências. Obviamente, a antena de nanotubos de carbono exibe ressonância dentro de uma determinada 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 de impedância-frequência de entrada
Em 2012, Samir F. Mahmoud e Ayed R. Al-Ajmi propuseram uma nova estrutura de antena de 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. Por meio de testes, o desempenho de radiação da antena foi aprimorado em comparação com nanotubos de carbono de parede única.
Figura 11 Nova antena de terahertz baseada em nanotubos de carbono
As novas antenas de terahertz propostas acima são principalmente tridimensionais. Para melhorar a largura de banda da antena e produzir antenas conformadas, as antenas planas 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 com constante dielétrica positiva (como Si, SiO2, etc.) e substratos com 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, esses plasmas estão em um estado estável e não são perturbados pelo mundo externo. Quando a energia da onda eletromagnética incidente é acoplada a esses plasmas, eles se desviam do estado estacionário e vibram. Após a conversão, o modo eletromagnético forma uma onda magnética transversal na interface. De acordo com a descrição da relação de dispersão do plasma de superfície metálica pelo modelo de Drude, os metais não podem naturalmente se acoplar a ondas eletromagnéticas no espaço livre e converter energia. É necessário o uso de outros materiais para excitar as ondas de plasma de superfície. As ondas de plasma de superfície decaem rapidamente na direção paralela à 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 de terahertz. O plasmon de superfície do grafeno não só possui maior força de ligação e menor perda, mas também suporta sintonia elétrica contínua. Além disso, o grafeno possui condutividade complexa na banda de terahertz. Portanto, a propagação de onda lenta está relacionada ao modo plasma em frequências de terahertz. Essas características demonstram plenamente a viabilidade do grafeno para substituir materiais metálicos na banda de terahertz.
Com base no comportamento de polarização dos plasmons de superfície do grafeno, a Figura 12 mostra um novo tipo de antena de fita e propõe o formato de banda das características de propagação das ondas de plasma no grafeno. O projeto de banda ajustável da antena oferece uma nova maneira de estudar as características de propagação de antenas de terahertz de novos materiais.
Figura 12 Nova antena de tira
Além de explorar novos elementos de antenas de terahertz com materiais unitários, as antenas de terahertz com nanopatch de grafeno também podem ser projetadas como matrizes para construir sistemas de comunicação de antenas multientrada e multisaída com terahertz. A estrutura da antena é mostrada na Figura 13. Com base nas propriedades únicas das antenas de nanopatch de grafeno, os elementos da antena têm dimensões em microescala. A deposição química de vapor sintetiza diretamente diferentes imagens de grafeno em uma fina camada de níquel e as transfere para qualquer substrato. Selecionando um número apropriado de componentes e alterando a tensão de polarização eletrostática, a direção da radiação pode ser efetivamente alterada, tornando o sistema reconfigurável.
Figura 13 Conjunto de antenas de terahertz de nanopatch de grafeno
A pesquisa de novos materiais é uma direção relativamente nova. Espera-se que a inovação em materiais supere as limitações das antenas tradicionais e desenvolva uma variedade de novas antenas, como metamateriais reconfiguráveis, materiais bidimensionais (2D), etc. No entanto, esse tipo de antena depende principalmente da inovação de novos materiais e do avanço da tecnologia de processo. De qualquer forma, o desenvolvimento de antenas de 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 de terahertz.
A seguir, são apresentados os princípios básicos de três tipos de antenas de terahertz: antenas metálicas, antenas dielétricas e antenas de novos materiais, além de analisar suas diferenças, vantagens e desvantagens.
1. Antena metálica: A geometria é simples, fácil de processar, tem custo relativamente baixo e baixa exigência de materiais de substrato. No entanto, as antenas metálicas utilizam um método mecânico para ajustar a posição da antena, o que é propenso a erros. Se o ajuste não for correto, o desempenho da antena será bastante reduzido. Embora a antena metálica seja pequena, é difícil de montar com um circuito planar.
2. Antena dielétrica: A antena dielétrica possui 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 a forma de borboleta, a forma de U duplo, a forma logarítmica convencional e a forma de seno periódico logarítmico. No entanto, as antenas dielétricas também apresentam uma falha fatal: o efeito de onda de superfície causado pela espessura do substrato. A solução é carregar uma lente e substituir o substrato dielétrico por uma estrutura EBG. Ambas as soluções exigem inovação e aprimoramento contínuo da tecnologia de processo e dos materiais, mas seus excelentes desempenhos (como omnidirecionalidade e supressão de ondas de superfície) podem 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 antena feitas de metamateriais. Novos materiais podem trazer novos avanços em desempenho, mas a premissa é a inovação da ciência dos materiais. Atualmente, a pesquisa sobre antenas de novos 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 de projeto:
1) Se forem necessários um design simples e baixo custo de produção, antenas de metal podem ser selecionadas.
2) Se forem necessárias alta integração e baixa impedância de entrada, antenas dielétricas podem ser selecionadas.
3) Se for necessário um avanço no desempenho, novas antenas de material podem ser selecionadas.
Os projetos 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 projeto devem atender a requisitos mais rigorosos.
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Horário da publicação: 02/08/2024
