Con la creciente popularidad de los dispositivos inalámbricos, los servicios de datos han entrado en un nuevo período de rápido desarrollo, también conocido como crecimiento explosivo de los servicios de datos. En la actualidad, un gran número de aplicaciones están migrando paulatinamente de los ordenadores a dispositivos inalámbricos como los teléfonos móviles, fáciles de transportar y operar en tiempo real, pero esta situación también ha provocado un rápido aumento del tráfico de datos y una escasez de recursos de ancho de banda. . Según las estadísticas, la velocidad de datos en el mercado puede alcanzar Gbps o incluso Tbps en los próximos 10 a 15 años. En la actualidad, la comunicación THz ha alcanzado una velocidad de datos de Gbps, mientras que la velocidad de datos de Tbps aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Un artículo relacionado enumera los últimos avances en velocidades de datos de Gbps basados en la banda THz y predice que se pueden obtener Tbps mediante multiplexación de polarización. Por tanto, para aumentar la velocidad de transmisión de datos, una solución factible es desarrollar una nueva banda de frecuencia, que es la banda de terahercios, que se encuentra en el "área en blanco" entre las microondas y la luz infrarroja. En la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones de la UIT (CMR-19) de 2019, se utilizó el rango de frecuencia de 275-450 GHz para los servicios fijos y móviles terrestres. Se puede observar que los sistemas de comunicación inalámbrica de terahercios han atraído la atención de muchos investigadores.
Las ondas electromagnéticas de terahercios se definen generalmente como la banda de frecuencia de 0,1 a 10 THz (1 THz = 1012 Hz) con una longitud de onda de 0,03 a 3 mm. Según el estándar IEEE, las ondas de terahercios se definen entre 0,3 y 10 THz. La Figura 1 muestra que la banda de frecuencia de terahercios se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja.
Fig. 1 Diagrama esquemático de la banda de frecuencia THz.
Desarrollo de antenas de terahercios
Aunque la investigación de los terahercios comenzó en el siglo XIX, en aquella época no se estudiaba como un campo independiente. La investigación sobre la radiación de terahercios se centró principalmente en la banda del infrarrojo lejano. No fue hasta mediados y finales del siglo XX que los investigadores comenzaron a avanzar en la investigación de ondas milimétricas a la banda de terahercios y a realizar investigaciones especializadas en tecnología de terahercios.
En la década de 1980, la aparición de fuentes de radiación de terahercios hizo posible la aplicación de ondas de terahercios en sistemas prácticos. Desde el siglo XXI, la tecnología de comunicación inalámbrica se ha desarrollado rápidamente, y la demanda de información de las personas y el aumento de equipos de comunicación han planteado requisitos más estrictos sobre la velocidad de transmisión de datos de comunicación. Por lo tanto, uno de los desafíos de la tecnología de comunicación del futuro es operar a una alta velocidad de datos de gigabits por segundo en un solo lugar. En el actual desarrollo económico, los recursos del espectro se han vuelto cada vez más escasos. Sin embargo, los requisitos humanos en cuanto a capacidad y velocidad de comunicación son infinitos. Para el problema de la congestión del espectro, muchas empresas utilizan tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) para mejorar la eficiencia del espectro y la capacidad del sistema mediante la multiplexación espacial. Con el avance de las redes 5G, la velocidad de conexión de datos de cada usuario superará los Gbps y el tráfico de datos de las estaciones base también aumentará significativamente. Para los sistemas tradicionales de comunicación por ondas milimétricas, los enlaces de microondas no podrán manejar estos enormes flujos de datos. Además, debido a la influencia de la línea de visión, la distancia de transmisión de la comunicación por infrarrojos es corta y la ubicación de su equipo de comunicación es fija. Por lo tanto, las ondas de THz, que se encuentran entre las microondas y el infrarrojo, se pueden utilizar para construir sistemas de comunicación de alta velocidad y aumentar las velocidades de transmisión de datos mediante el uso de enlaces de THz.
Las ondas de terahercios pueden proporcionar un ancho de banda de comunicación más amplio y su rango de frecuencia es aproximadamente 1000 veces mayor que el de las comunicaciones móviles. Por lo tanto, utilizar THz para construir sistemas de comunicación inalámbrica de velocidad ultraalta es una solución prometedora al desafío de las altas velocidades de datos, que ha atraído el interés de muchos equipos de investigación e industrias. En septiembre de 2017, se lanzó el primer estándar de comunicación inalámbrica THz, IEEE 802.15.3d-2017, que define el intercambio de datos punto a punto en el rango de frecuencia inferior de THz de 252-325 GHz. La capa física alternativa (PHY) del enlace puede alcanzar velocidades de datos de hasta 100 Gbps en diferentes anchos de banda.
El primer sistema de comunicación THz exitoso de 0,12 THz se estableció en 2004, y el sistema de comunicación THz de 0,3 THz se realizó en 2013. La Tabla 1 enumera el progreso de la investigación de los sistemas de comunicación de terahercios en Japón de 2004 a 2013.
Tabla 1 Progreso de la investigación de los sistemas de comunicación de terahercios en Japón de 2004 a 2013
La estructura de la antena de un sistema de comunicación desarrollado en 2004 fue descrita en detalle por Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) en 2005. La configuración de la antena se introdujo en dos casos, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático del sistema de comunicación inalámbrica NTT 120 GHz de Japón
El sistema integra conversión fotoeléctrica y antena y adopta dos modos de trabajo:
1. En un entorno interior de corto alcance, el transmisor de antena plana utilizado en interiores consta de un chip de fotodiodo portador de una sola línea (UTC-PD), una antena de ranura plana y una lente de silicio, como se muestra en la Figura 2(a).
2. En un entorno exterior de largo alcance, para mejorar la influencia de una gran pérdida de transmisión y una baja sensibilidad del detector, la antena del transmisor debe tener una alta ganancia. La antena de terahercios existente utiliza una lente óptica gaussiana con una ganancia de más de 50 dBi. La combinación de bocina de alimentación y lente dieléctrica se muestra en la Figura 2 (b).
Además de desarrollar un sistema de comunicación de 0,12 THz, NTT también desarrolló un sistema de comunicación de 0,3 THz en 2012. A través de la optimización continua, la velocidad de transmisión puede llegar a 100 Gbps. Como puede verse en la Tabla 1, ha hecho una gran contribución al desarrollo de la comunicación de terahercios. Sin embargo, el trabajo de investigación actual tiene las desventajas de baja frecuencia de operación, gran tamaño y alto costo.
La mayoría de las antenas de terahercios que se utilizan actualmente son modificaciones de antenas de ondas milimétricas y hay poca innovación en las antenas de terahercios. Por lo tanto, para mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación de terahercios, una tarea importante es optimizar las antenas de terahercios. La Tabla 2 enumera el progreso de la investigación de la comunicación THz alemana. La Figura 3 (a) muestra un sistema de comunicación inalámbrico THz representativo que combina fotónica y electrónica. La Figura 3 (b) muestra la escena de la prueba en el túnel de viento. A juzgar por la situación actual de la investigación en Alemania, su investigación y desarrollo también tiene desventajas como baja frecuencia de operación, alto costo y baja eficiencia.
Tabla 2 Progreso de la investigación de la comunicación THz en Alemania
Figura 3 Escena de prueba del túnel de viento
El Centro de TIC CSIRO también ha iniciado una investigación sobre sistemas de comunicación inalámbrica en interiores THz. El centro estudió la relación entre el año y la frecuencia de comunicación, como se muestra en la Figura 4. Como se puede observar en la Figura 4, para 2020, la investigación sobre comunicaciones inalámbricas tenderá a la banda de THz. La frecuencia máxima de comunicación que utiliza el espectro de radio aumenta aproximadamente diez veces cada veinte años. El centro ha hecho recomendaciones sobre los requisitos para las antenas de THz y ha propuesto antenas tradicionales, como bocinas y lentes, para sistemas de comunicación de THz. Como se muestra en la Figura 5, dos antenas de bocina funcionan a 0,84 THz y 1,7 THz respectivamente, con una estructura simple y un buen rendimiento del haz gaussiano.
Figura 4 Relación entre año y frecuencia
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Dos tipos de antenas de bocina
Estados Unidos ha realizado extensas investigaciones sobre la emisión y detección de ondas de terahercios. Los laboratorios de investigación de terahercios famosos incluyen el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), el Laboratorio Nacional de EE. UU. (LLNL), la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), etc. Se han diseñado nuevas antenas de terahercios para aplicaciones de terahercios, como antenas de pajarita y antenas de dirección de haz de frecuencia. Según el desarrollo de las antenas de terahercios, podemos obtener tres ideas de diseño básicas para las antenas de terahercios en la actualidad, como se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Tres ideas básicas de diseño para antenas de terahercios
El análisis anterior muestra que, aunque muchos países han prestado gran atención a las antenas de terahercios, todavía se encuentran en la etapa inicial de exploración y desarrollo. Debido a las altas pérdidas de propagación y absorción molecular, las antenas THz suelen estar limitadas por la distancia de transmisión y la cobertura. Algunos estudios se centran en frecuencias operativas más bajas en la banda THz. La investigación existente sobre antenas de terahercios se centra principalmente en mejorar la ganancia mediante el uso de antenas de lentes dieléctricas, etc., y mejorar la eficiencia de la comunicación mediante el uso de algoritmos apropiados. Además, cómo mejorar la eficiencia del empaquetado de antenas de terahercios también es una cuestión muy urgente.
Antenas generales THz
Hay muchos tipos de antenas THz disponibles: antenas dipolo con cavidades cónicas, conjuntos de reflectores de esquina, dipolos tipo pajarita, antenas planas de lentes dieléctricas, antenas fotoconductoras para generar fuentes de radiación de fuente THz, antenas de bocina, antenas THz basadas en materiales de grafeno, etc. Según Los materiales utilizados para fabricar antenas THz se pueden dividir aproximadamente en antenas metálicas (principalmente antenas de bocina), antenas dieléctricas (antenas de lentes) y antenas de nuevos materiales. Esta sección primero brinda un análisis preliminar de estas antenas y luego, en la siguiente sección, se presentan en detalle y se analizan en profundidad cinco antenas THz típicas.
1. Antenas metálicas
La antena de bocina es una antena metálica típica que está diseñada para funcionar en la banda de THz. La antena de un receptor clásico de ondas milimétricas es una bocina cónica. Las antenas corrugadas y de modo dual tienen muchas ventajas, incluidos patrones de radiación rotacionalmente simétricos, alta ganancia de 20 a 30 dBi y bajo nivel de polarización cruzada de -30 dB, y una eficiencia de acoplamiento del 97% al 98%. Los anchos de banda disponibles de las dos antenas de bocina son del 30% al 40% y del 6% al 8%, respectivamente.
Dado que la frecuencia de las ondas de terahercios es muy alta, el tamaño de la antena de bocina es muy pequeño, lo que dificulta mucho el procesamiento de la bocina, especialmente en el diseño de conjuntos de antenas, y la complejidad de la tecnología de procesamiento conduce a costos excesivos y producción limitada. Debido a la dificultad de fabricar la parte inferior del complejo diseño de bocina, generalmente se usa una antena de bocina simple en forma de bocina cónica o cónica, lo que puede reducir el costo y la complejidad del proceso, y se puede mantener el rendimiento de radiación de la antena. Bueno.
Otra antena metálica es una antena piramidal de ondas viajeras, que consiste en una antena de ondas viajeras integrada en una película dieléctrica de 1,2 micrones y suspendida en una cavidad longitudinal grabada en una oblea de silicio, como se muestra en la Figura 7. Esta antena es una estructura abierta que se Compatible con diodos Schottky. Debido a su estructura relativamente simple y sus bajos requisitos de fabricación, generalmente se puede utilizar en bandas de frecuencia superiores a 0,6 THz. Sin embargo, el nivel de lóbulo lateral y el nivel de polarización cruzada de la antena son altos, probablemente debido a su estructura abierta. Por lo tanto, su eficiencia de acoplamiento es relativamente baja (alrededor del 50%).
Figura 7 Antena piramidal de onda progresiva
2. Antena dieléctrica
La antena dieléctrica es una combinación de un sustrato dieléctrico y un radiador de antena. Mediante un diseño adecuado, la antena dieléctrica puede lograr una adaptación de impedancia con el detector y tiene las ventajas de un proceso simple, una fácil integración y un bajo costo. En los últimos años, los investigadores han diseñado varias antenas laterales de banda estrecha y banda ancha que pueden coincidir con los detectores de baja impedancia de las antenas dieléctricas de terahercios: antena de mariposa, antena doble en forma de U, antena logarítmica periódica y antena sinusoidal logarítmica, así como como se muestra en la Figura 8. Además, se pueden diseñar geometrías de antena más complejas mediante algoritmos genéticos.
Figura 8 Cuatro tipos de antenas planas
Sin embargo, dado que la antena dieléctrica se combina con un sustrato dieléctrico, se producirá un efecto de onda superficial cuando la frecuencia tienda a la banda de THz. Esta desventaja fatal hará que la antena pierda mucha energía durante el funcionamiento y conducirá a una reducción significativa en la eficiencia de radiación de la antena. Como se muestra en la Figura 9, cuando el ángulo de radiación de la antena es mayor que el ángulo de corte, su energía queda confinada en el sustrato dieléctrico y se acopla con el modo de sustrato.
Figura 9 Efecto de onda superficial de la antena
A medida que aumenta el espesor del sustrato, aumenta el número de modos de orden superior y aumenta el acoplamiento entre la antena y el sustrato, lo que resulta en una pérdida de energía. Para debilitar el efecto de las ondas superficiales, existen tres esquemas de optimización:
1) Cargue una lente en la antena para aumentar la ganancia utilizando las características de formación de haces de las ondas electromagnéticas.
2) Reducir el espesor del sustrato para suprimir la generación de modos de ondas electromagnéticas de alto orden.
3) Reemplace el material dieléctrico del sustrato con una banda prohibida electromagnética (EBG). Las características de filtrado espacial de EBG pueden suprimir modos de orden superior.
3. Antenas de nuevo material
Además de las dos antenas anteriores, también hay una antena de terahercios fabricada con nuevos materiales. Por ejemplo, en 2006, Jin Hao et al. propuso una antena dipolo de nanotubos de carbono. Como se muestra en la Figura 10 (a), el dipolo está hecho de nanotubos de carbono en lugar de materiales metálicos. Estudió cuidadosamente las propiedades ópticas e infrarrojas de la antena dipolo de nanotubos de carbono y analizó las características generales de la antena dipolo de nanotubos de carbono de longitud finita, como la impedancia de entrada, la distribución de corriente, la ganancia, la eficiencia y el patrón de radiación. La Figura 10 (b) muestra la relación entre la impedancia de entrada y la frecuencia de la antena dipolo de nanotubos de carbono. Como se puede ver en la Figura 10(b), la parte imaginaria de la impedancia de entrada tiene múltiples ceros en frecuencias más altas. Esto indica que la antena puede lograr múltiples resonancias en diferentes frecuencias. Obviamente, la antena de nanotubos de carbono muestra resonancia dentro de un cierto rango de frecuencia (frecuencias de THz más bajas), pero es completamente incapaz de resonar fuera de este rango.
Figura 10 (a) Antena dipolo de nanotubos de carbono. (b) Curva impedancia-frecuencia de entrada
En 2012, Samir F. Mahmoud y Ayed R. AlAjmi propusieron una nueva estructura de antena de terahercios basada en nanotubos de carbono, que consiste en un haz de nanotubos de carbono envueltos en dos capas dieléctricas. La capa dieléctrica interna es una capa de espuma dieléctrica y la capa dieléctrica externa es una capa de metamaterial. La estructura específica se muestra en la Figura 11. A través de pruebas, el rendimiento de radiación de la antena se ha mejorado en comparación con los nanotubos de carbono de pared simple.
Figura 11 Nueva antena de terahercios basada en nanotubos de carbono
Las nuevas antenas de terahercios propuestas anteriormente son principalmente tridimensionales. Para mejorar el ancho de banda de la antena y fabricar antenas conformes, las antenas planas de grafeno han recibido una amplia atención. El grafeno tiene excelentes características de control dinámico continuo y puede generar plasma superficial ajustando el voltaje de polarización. El plasma superficial existe en la interfaz entre sustratos con constante dieléctrica positiva (como Si, SiO2, etc.) y sustratos con constante dieléctrica negativa (como metales preciosos, grafeno, etc.). Hay una gran cantidad de "electrones libres" en conductores como los metales preciosos y el grafeno. Estos electrones libres también se llaman plasmas. Debido al campo potencial inherente al conductor, estos plasmas se encuentran en un estado estable y no se ven perturbados por el mundo exterior. Cuando la energía de las ondas electromagnéticas incidentes se acopla a estos plasmas, los plasmas se desviarán del estado estacionario y vibrarán. Después de la conversión, el modo electromagnético forma una onda magnética transversal en la interfaz. Según la descripción de la relación de dispersión del plasma de la superficie metálica mediante el modelo Drude, los metales no pueden acoplarse naturalmente con ondas electromagnéticas en el espacio libre y convertir energía. Es necesario utilizar otros materiales para excitar las ondas de plasma superficiales. Las ondas de plasma superficiales decaen rápidamente en la dirección paralela a la interfaz metal-sustrato. Cuando el conductor metálico conduce en dirección perpendicular a la superficie, se produce un efecto de piel. Obviamente, debido al pequeño tamaño de la antena, se produce un efecto superficial en la banda de alta frecuencia, lo que hace que el rendimiento de la antena disminuya drásticamente y no pueda cumplir con los requisitos de las antenas de terahercios. El plasmón superficial del grafeno no solo tiene una mayor fuerza de unión y una menor pérdida, sino que también admite una sintonización eléctrica continua. Además, el grafeno tiene una conductividad compleja en la banda de terahercios. Por tanto, la propagación lenta de las ondas está relacionada con el modo plasma en frecuencias de terahercios. Estas características demuestran plenamente la viabilidad del grafeno para reemplazar materiales metálicos en la banda de terahercios.
Basándose en el comportamiento de polarización de los plasmones de la superficie del grafeno, la Figura 12 muestra un nuevo tipo de antena de banda y propone la forma de banda de las características de propagación de las ondas de plasma en el grafeno. El diseño de una banda de antena sintonizable proporciona una nueva forma de estudiar las características de propagación de nuevas antenas de terahercios.
Figura 12 Nueva antena de banda
Además de explorar nuevos elementos de antena de terahercios de material unitario, las antenas de terahercios con nanoparches de grafeno también se pueden diseñar como matrices para construir sistemas de comunicación de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas de terahercios. La estructura de la antena se muestra en la Figura 13. Según las propiedades únicas de las antenas de nanoparches de grafeno, los elementos de la antena tienen dimensiones a escala de micras. La deposición química de vapor sintetiza directamente diferentes imágenes de grafeno sobre una fina capa de níquel y las transfiere a cualquier sustrato. Al seleccionar una cantidad adecuada de componentes y cambiar el voltaje de polarización electrostática, la dirección de la radiación se puede cambiar de manera efectiva, lo que hace que el sistema sea reconfigurable.
Figura 13 Conjunto de antenas de terahercios con nanoparches de grafeno
La investigación de nuevos materiales es una dirección relativamente nueva. Se espera que la innovación de materiales supere las limitaciones de las antenas tradicionales y desarrolle una variedad de nuevas antenas, como metamateriales reconfigurables, materiales bidimensionales (2D), etc. Sin embargo, este tipo de antena depende principalmente de la innovación de nuevos materiales y el avance de la tecnología de procesos. En cualquier caso, el desarrollo de antenas de terahercios requiere materiales innovadores, tecnología de procesamiento precisa y estructuras de diseño novedosas para cumplir con los requisitos de alta ganancia, bajo costo y amplio ancho de banda de las antenas de terahercios.
A continuación se presentan los principios básicos de tres tipos de antenas de terahercios: antenas metálicas, antenas dieléctricas y antenas de nuevos materiales, y se analizan sus diferencias, ventajas y desventajas.
1. Antena de metal: la geometría es simple, fácil de procesar, de costo relativamente bajo y con bajos requisitos de materiales de sustrato. Sin embargo, las antenas metálicas utilizan un método mecánico para ajustar la posición de la antena, que es propenso a errores. Si el ajuste no es correcto, el rendimiento de la antena se verá muy reducido. Aunque la antena metálica es de tamaño pequeño, es difícil montarla con un circuito plano.
2. Antena dieléctrica: la antena dieléctrica tiene una impedancia de entrada baja, es fácil de combinar con un detector de baja impedancia y es relativamente sencilla de conectar con un circuito plano. Las formas geométricas de las antenas dieléctricas incluyen forma de mariposa, forma de doble U, forma logarítmica convencional y forma de seno periódico logarítmico. Sin embargo, las antenas dieléctricas también tienen un defecto fatal: el efecto de onda superficial causado por el sustrato grueso. La solución es cargar una lente y reemplazar el sustrato dieléctrico con una estructura EBG. Ambas soluciones requieren innovación y mejora continua de la tecnología de procesos y los materiales, pero su excelente rendimiento (como la omnidireccionalidad y la supresión de ondas superficiales) puede proporcionar nuevas ideas para la investigación de antenas de terahercios.
3. Antenas de nuevos materiales: En la actualidad han aparecido nuevas antenas dipolo fabricadas con nanotubos de carbono y nuevas estructuras de antena fabricadas con metamateriales. Los nuevos materiales pueden aportar nuevos avances en el rendimiento, pero la premisa es la innovación de la ciencia de los materiales. En la actualidad, la investigación sobre antenas de nuevos materiales se encuentra todavía en la etapa de exploración y muchas tecnologías clave no están lo suficientemente maduras.
En resumen, se pueden seleccionar diferentes tipos de antenas de terahercios según los requisitos de diseño:
1) Si se requiere un diseño simple y un bajo costo de producción, se pueden seleccionar antenas metálicas.
2) Si se requiere alta integración y baja impedancia de entrada, se pueden seleccionar antenas dieléctricas.
3) Si se requiere un gran avance en el rendimiento, se pueden seleccionar antenas de nuevo material.
Los diseños anteriores también se pueden ajustar según requisitos específicos. Por ejemplo, se pueden combinar dos tipos de antenas para obtener más ventajas, pero el método de montaje y la tecnología de diseño deben cumplir requisitos más estrictos.
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Hora de publicación: 02-ago-2024
