Com a crescente popularidade de 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. No entanto, essa situação também levou a um rápido aumento no tráfego de dados e à escassez de recursos de largura de banda. De acordo com as estatísticas, a taxa de dados no mercado pode atingir Gbps ou até 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 de Tbps ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento. Um artigo relacionado lista os avanços mais recentes em taxas de dados de Gbps com base na banda de THz e prevê que Tbps podem ser obtidos por meio de multiplexação por polarização. Portanto, para aumentar a taxa de transmissão de dados, uma solução viável é desenvolver uma nova banda de frequência, que é a banda de terahertz, localizada na "área em branco" entre as micro-ondas e a luz infravermelha. Na Conferência Mundial de Radiocomunicações da UIT (CMR-19) em 2019, a faixa de frequência de 275-450 GHz foi utilizada para serviços fixos e móveis terrestres. Percebe-se, portanto, que os sistemas de comunicação sem fio em terahertz têm atraído a atenção de muitos pesquisadores.
As ondas eletromagnéticas de terahertz são geralmente definidas como a faixa de frequência de 0,1 a 10 THz (1 THz = 10¹² Hz) com um comprimento de onda de 0,03 a 3 mm. De acordo com o padrão IEEE, as ondas de terahertz são definidas como 0,3 a 10 THz. A Figura 1 mostra que a faixa de frequência de terahertz está entre as micro-ondas e a luz infravermelha.
Figura 1. Diagrama esquemático da faixa de frequência de THz.
Desenvolvimento de antenas de 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 se concentrava principalmente na faixa do infravermelho distante. Foi somente em meados do século XX que os pesquisadores começaram a avançar a pesquisa em ondas milimétricas para a faixa de terahertz e a conduzir pesquisas especializadas em tecnologia terahertz.
Na década de 1980, o surgimento de fontes de radiação terahertz possibilitou a aplicação de ondas terahertz em sistemas práticos. Desde o século XXI, a tecnologia de comunicação sem fio se desenvolveu rapidamente, e a demanda por informação e o aumento de equipamentos de comunicação impuseram requisitos mais rigorosos à taxa de transmissão de dados. Portanto, um dos desafios da tecnologia de comunicação do futuro é operar com altas taxas de dados, da ordem de gigabits por segundo, em um único local. No contexto do atual desenvolvimento econômico, os recursos de espectro tornaram-se cada vez mais escassos. Contudo, as necessidades humanas por capacidade e velocidade de comunicação são infinitas. Para lidar com o problema da congestão 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 ultrapassará os Gbps, e o tráfego de dados das estações base também aumentará significativamente. Para os sistemas tradicionais de comunicação em ondas milimétricas, os enlaces 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 de seus equipamentos de comunicação é fixa. Portanto, as ondas de terahertz (THz), que se situam entre as micro-ondas e o infravermelho, podem ser utilizadas para construir sistemas de comunicação de alta velocidade e aumentar as taxas de transmissão de dados por meio de enlaces de THz.
As ondas de terahertz podem fornecer uma largura de banda de comunicação mais ampla, e sua faixa de frequência é cerca de 1000 vezes maior que a das comunicações móveis. Portanto, o uso de THz para construir sistemas de comunicação sem fio de altíssima velocidade é uma solução promissora para o desafio de 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 em THz, o IEEE 802.15.3d-2017, que define a troca de dados ponto a ponto na faixa de frequência de THz inferior, de 252 a 325 GHz. A camada física (PHY) alternativa do enlace pode atingir taxas de dados de até 100 Gbps em diferentes larguras de banda.
O primeiro sistema de comunicação em terahertz (THz) bem-sucedido, na frequência de 0,12 THz, foi estabelecido em 2004, e o sistema de comunicação em terahertz (THz) na frequência de 0,3 THz foi implementado em 2013. A Tabela 1 apresenta o progresso da pesquisa em sistemas de comunicação em terahertz no Japão entre 2004 e 2013.
Tabela 1. Progresso da pesquisa em sistemas de comunicação em 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 apresentada em dois casos, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2. Diagrama esquemático do sistema de comunicação sem fio de 120 GHz da NTT do Japão.
O sistema integra conversão fotoelétrica e antena e adota dois modos de funcionamento:
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 planar de fenda 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 de terahertz existente usa uma lente óptica gaussiana com ganho superior a 50 dBi. A combinação da corneta de alimentação e da 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 de otimizações contínuas, a taxa de transmissão pode chegar a 100 Gbps. Como pode ser visto na Tabela 1, isso representou uma grande contribuição para o desenvolvimento da comunicação em terahertz. No entanto, o trabalho de pesquisa atual apresenta as desvantagens de baixa frequência de operação, tamanho grande e alto custo.
A maioria das antenas de terahertz atualmente utilizadas são modificações de antenas de ondas milimétricas, havendo pouca inovação nesse segmento. Portanto, para melhorar o desempenho dos sistemas de comunicação em terahertz, uma tarefa importante é a otimização das antenas. A Tabela 2 apresenta o progresso da pesquisa em comunicação em terahertz na Alemanha. A Figura 3(a) mostra um sistema representativo de comunicação sem fio em terahertz que combina fotônica e eletrônica. A Figura 3(b) mostra o cenário de teste em túnel de vento. Considerando o atual cenário da pesquisa na Alemanha, seu desenvolvimento também apresenta desvantagens, como baixa frequência de operação, alto custo e baixa eficiência.
Tabela 2. Progresso da pesquisa em comunicação THz na Alemanha.
Figura 3. Cena do teste em túnel de vento.
O Centro de TIC da CSIRO também iniciou pesquisas sobre sistemas de comunicação sem fio em ambientes internos na faixa de THz. O centro estudou a relação entre o ano e a frequência de comunicação, conforme mostrado na Figura 4. Como pode ser observado na Figura 4, em 2020, as pesquisas em comunicações sem fio se concentraram na faixa de 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 de THz e propôs antenas tradicionais, como antenas de corneta e lentes, para sistemas de comunicação em THz. Como mostrado na Figura 5, duas antenas de corneta operam em 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 de corneta
Os Estados Unidos têm conduzido extensas pesquisas sobre a emissão e detecção de ondas de terahertz. Laboratórios de pesquisa renomados em terahertz incluem o Jet Propulsion Laboratory (JPL), o Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), o Laboratório Nacional de Longitudinal dos EUA (LLNL), a Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (NASA), a Fundação Nacional de Ciência (NSF), etc. Novas antenas de terahertz para aplicações nessa faixa de frequência foram projetadas, como antenas bowtie e antenas de direcionamento de feixe de frequência. Com base no desenvolvimento de antenas de terahertz, podemos obter três ideias básicas de projeto para antenas de terahertz atualmente, conforme mostrado na Figura 6.
Figura 6. Três ideias básicas de projeto para antenas de terahertz.
A análise acima demonstra que, embora muitos países tenham dedicado grande atenção às antenas de terahertz, elas ainda se encontram em estágio inicial de exploração e desenvolvimento. Devido às altas perdas de propagação e à absorção molecular, as antenas de THz geralmente são limitadas pela distância de transmissão e pela cobertura. Alguns estudos se concentram em frequências operacionais mais baixas na banda de THz. As pesquisas existentes sobre antenas de terahertz focam principalmente na melhoria do ganho por meio do uso de antenas com lentes dielétricas, etc., e na melhoria da eficiência da comunicação por meio de algoritmos apropriados. Além disso, como melhorar a eficiência da embalagem das antenas de terahertz também é uma questão muito urgente.
Antenas THz em geral
Existem muitos tipos de antenas de THz disponíveis: antenas dipolo com cavidades cônicas, arranjos de refletores de canto, dipolos em forma de gravata borboleta, antenas planas com lentes dielétricas, antenas fotocondutoras para geração de fontes de radiação de THz, antenas de corneta, antenas de THz baseadas em materiais de grafeno, etc. De acordo com os materiais utilizados na fabricação das antenas de THz, elas podem ser divididas em antenas metálicas (principalmente antenas de corneta), antenas dielétricas (antenas de lente) e antenas de novos materiais. Esta seção apresenta inicialmente uma análise preliminar dessas antenas e, na seção seguinte, cinco antenas de THz típicas são apresentadas em detalhes e analisadas em profundidade.
1. Antenas metálicas
A antena de corneta é uma antena metálica típica projetada para operar na faixa de THz. A antena de um receptor de ondas milimétricas clássico é uma corneta cônica. As antenas corrugadas e de modo duplo apresentam diversas vantagens, incluindo padrões de radiação com simetria rotacional, 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 das duas antenas de corneta são de 30% a 40% e de 6% a 8%, respectivamente.
Como a frequência das ondas de terahertz é muito alta, o tamanho da antena de corneta é muito pequeno, o que torna seu processamento muito difícil, especialmente no projeto de arranjos de antenas. A complexidade da tecnologia de processamento resulta em custos excessivos e produção limitada. Devido à dificuldade de fabricação da base de um projeto de corneta complexo, geralmente se utiliza uma antena de corneta simples, em formato cônico ou com extremidades arredondadas, que reduz o custo e a complexidade do processo, mantendo um bom desempenho de radiação da antena.
Outra antena metálica é a antena piramidal de onda progressiva, que consiste em uma antena de onda progressiva integrada em um filme dielétrico de 1,2 micrômetros e suspensa em uma cavidade longitudinal gravada em uma pastilha de silício, como mostrado na Figura 7. Esta antena possui uma estrutura aberta compatível com diodos Schottky. Devido à sua estrutura relativamente simples e baixos requisitos de fabricação, ela geralmente pode ser usada em faixas de frequência acima de 0,6 THz. No entanto, o nível de lóbulos laterais 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 progressiva
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 a adaptação de impedância com o detector, apresentando as vantagens de processo simples, fácil integração e baixo custo. Nos últimos anos, pesquisadores projetaram diversas antenas de emissão lateral de banda estreita e banda larga que podem se adaptar aos detectores de baixa impedância de antenas dielétricas de terahertz: antena borboleta, antena em forma 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 através de algoritmos genéticos.
Figura 8 Quatro tipos de antenas planas
No entanto, como a antena dielétrica é combinada com um substrato dielétrico, ocorrerá um efeito de onda de superfície quando a frequência se aproximar da faixa de THz. Essa desvantagem crucial fará com que a antena perca muita energia durante a operação e levará a 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 do substrato.
Figura 9 Efeito de onda de superfície da antena
Com o aumento da espessura do substrato, o número de modos de alta ordem também aumenta, assim como o acoplamento entre a antena e o substrato, resultando em perda de energia. Para atenuar o efeito da onda de superfície, existem três esquemas de otimização:
1) Instale uma lente na antena para aumentar o ganho, utilizando as características de formação de feixe das ondas eletromagnéticas.
2) Reduzir a espessura do substrato para suprimir a geração de modos de ondas eletromagnéticas de alta ordem.
3) Substitua o material dielétrico do substrato por uma banda proibida eletromagnética (EBG). As características de filtragem espacial da EBG podem suprimir modos de ordem superior.
3. Novas antenas de material
Além das duas antenas mencionadas acima, existe também uma antena de terahertz feita de novos materiais. Por exemplo, em 2006, Jin Hao et al. propuseram uma antena dipolo de nanotubo 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 nanotubo de carbono e discutiu as características gerais da antena dipolo de nanotubo 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 apresenta 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 determinada faixa de frequência (frequências de THz mais baixas), mas é completamente incapaz de ressoar fora dessa faixa.
Figura 10 (a) Antena dipolo de nanotubo de carbono. (b) Curva de impedância de entrada em função da frequência.
Em 2012, Samir F. Mahmoud e Ayed R. AlAjmi propuseram uma nova estrutura de antena de terahertz baseada em nanotubos de carbono, que consiste em um feixe de nanotubos de carbono envolto 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 simples.
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 conformes, as antenas planas de grafeno têm recebido grande atenção. O grafeno possui excelentes características de controle dinâmico contínuo e pode gerar plasma de superfície ajustando-se 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 ambiente 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 conseguem acoplar-se naturalmente com ondas eletromagnéticas no espaço livre e converter energia. É necessário utilizar outros materiais para excitar 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 o efeito pelicular. Obviamente, devido ao pequeno tamanho da antena, há um efeito pelicular na faixa de alta frequência, o que causa uma queda acentuada no desempenho da antena e a impede de atender aos requisitos de antenas de terahertz. O plasmon de superfície do grafeno não só possui maior força de ligação e menor perda, como também permite o ajuste elétrico contínuo. Além disso, o grafeno apresenta condutividade complexa na faixa de terahertz. Portanto, a propagação lenta de ondas está relacionada ao modo de plasma em frequências de terahertz. Essas características demonstram plenamente a viabilidade do grafeno como substituto de materiais metálicos na faixa de terahertz.
Com base no comportamento de polarização dos plasmons de superfície do grafeno, a Figura 12 mostra um novo tipo de antena em forma de fita e propõe o formato da banda das características de propagação das ondas de plasma no grafeno. O projeto de uma banda de antena ajustável oferece uma nova maneira de estudar as características de propagação de antenas de terahertz feitas com novos materiais.
Figura 12 Nova antena de fita
Além de explorar novos elementos de antena de terahertz com materiais unitários, as antenas de nanopartículas de grafeno também podem ser projetadas como arranjos para construir sistemas de comunicação de antenas MIMO (múltiplas entradas e múltiplas saídas) em terahertz. A estrutura da antena é mostrada na Figura 13. Graças às propriedades únicas das antenas de nanopartículas de grafeno, os elementos da antena possuem dimensões na escala micrométrica. A deposição química de vapor sintetiza diretamente diferentes imagens de grafeno em uma fina camada de níquel e as transfere para qualquer substrato. Selecionando-se um número apropriado de componentes e alterando a tensão de polarização eletrostática, a direção da radiação pode ser alterada de forma eficaz, tornando o sistema reconfigurável.
Figura 13 Matriz de antenas de terahertz de nanopartículas de grafeno
A pesquisa de novos materiais é uma área relativamente recente. 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 em novos materiais e do avanço da tecnologia de processamento. De qualquer forma, o desenvolvimento de antenas de terahertz exige materiais inovadores, tecnologia de processamento precisa e estruturas de design inéditas para atender aos requisitos de alto ganho, baixo custo e ampla largura de banda dessas antenas.
O texto a seguir apresenta os princípios básicos de três tipos de antenas de terahertz: antenas metálicas, antenas dielétricas e antenas de novos materiais, analisando suas diferenças, vantagens e desvantagens.
1. Antena metálica: A geometria é simples, fácil de processar, tem custo relativamente baixo e exige poucos 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 preciso, 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 possui baixa impedância de entrada, é fácil de adaptar a um detector de baixa impedância e é relativamente simples de conectar a um circuito planar. Os formatos geométricos das antenas dielétricas incluem formato de borboleta, formato de U duplo, formato logarítmico convencional e formato de seno logarítmico periódico. No entanto, as antenas dielétricas também apresentam uma falha crítica, ou seja, o efeito de onda de superfície causado pelo substrato espesso. A solução é adicionar 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 seu excelente desempenho (como omnidirecionalidade e supressão de ondas de superfície) pode fornecer novas ideias para a pesquisa de antenas de 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 avanços significativos em desempenho, mas a premissa é a inovação na 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 de terahertz podem ser selecionados de acordo com os requisitos do projeto:
1) Se forem necessários um design simples e um baixo custo de produção, podem ser selecionadas antenas metálicas.
2) Se forem necessários alto nível de integração e baixa impedância de entrada, podem ser selecionadas antenas dielétricas.
3) Caso seja necessário um avanço significativo no desempenho, podem ser selecionadas antenas de novos materiais.
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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Data da publicação: 02/08/2024
