Con la creciente popularidad de los dispositivos inalámbricos, los servicios de datos han entrado en una nueva era de rápido desarrollo, también conocida como el crecimiento explosivo de los servicios de datos. Actualmente, un gran número de aplicaciones están migrando gradualmente de las computadoras a dispositivos inalámbricos, como los teléfonos móviles, que son fáciles de transportar y operar en tiempo real. Sin embargo, 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 podría alcanzar los Gbps o incluso los Tbps en los próximos 10 a 15 años. Actualmente, la comunicación de THz ha alcanzado una velocidad de datos de Gbps, mientras que la velocidad de Tbps aún se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Un artículo relacionado enumera los últimos avances en velocidades de datos de Gbps basadas en la banda de THz y predice que se pueden obtener Tbps mediante multiplexación por polarización. Por lo tanto, para aumentar la velocidad de transmisión de datos, una solución viable es desarrollar una nueva banda de frecuencia, la banda de terahercios, que se encuentra en la "zona vacía" 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 frecuencias de 275-450 GHz para servicios fijos y móviles terrestres. Como se puede observar, los sistemas de comunicación inalámbrica de terahercios han atraído la atención de numerosos investigadores.
Las ondas electromagnéticas de terahercios se definen generalmente como la banda de frecuencia de 0,1-10 THz (1 THz = 10 12 Hz) con una longitud de onda de 0,03-3 mm. Según el estándar IEEE, las ondas de terahercios se definen como de 0,3-10 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 sobre los terahercios comenzó en el siglo XIX, no se estudiaba como un campo independiente en aquel entonces. La investigación sobre la radiación de terahercios se centraba principalmente en la banda del infrarrojo lejano. No fue hasta mediados y finales del siglo XX que los investigadores comenzaron a avanzar la investigación de las ondas milimétricas a la banda de los terahercios y a realizar investigaciones especializadas en tecnología de terahercios.
En la década de 1980, la aparición de fuentes de radiación de terahercios posibilitó su aplicación en sistemas prácticos. Desde el siglo XXI, la tecnología de las comunicaciones inalámbricas se ha desarrollado rápidamente, y la demanda de información y el aumento de equipos de comunicación han impuesto requisitos más estrictos en la velocidad de transmisión de datos. Por lo tanto, uno de los desafíos de la tecnología de las comunicaciones del futuro es operar a una alta velocidad de datos de gigabits por segundo en una sola ubicación. Con el desarrollo económico actual, los recursos espectrales son cada vez más escasos. Sin embargo, las necesidades humanas en cuanto a capacidad y velocidad de comunicación son infinitas. Para solucionar el problema de la congestión del espectro, muchas empresas utilizan la tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) para mejorar la eficiencia del espectro y la capacidad del sistema mediante multiplexación espacial. Con el avance de las redes 5G, la velocidad de conexión de datos por usuario superará los Gbps, y el tráfico de datos de las estaciones base también aumentará significativamente. Para los sistemas tradicionales de comunicación de ondas milimétricas, los enlaces de microondas no podrán gestionar estos enormes flujos de datos. Además, debido a la influencia de la línea de visión, la distancia de transmisión de la comunicación infrarroja es corta y la ubicación de sus equipos de comunicación es fija. Por lo tanto, las ondas THz, que se encuentran entre las microondas y las infrarrojas, pueden utilizarse para construir sistemas de comunicación de alta velocidad y aumentar la velocidad de transmisión de datos mediante enlaces THz.
Las ondas de terahercios pueden proporcionar un mayor ancho de banda de comunicación, y su rango de frecuencia es aproximadamente 1000 veces mayor que el de las comunicaciones móviles. Por lo tanto, el uso de THz para construir sistemas de comunicación inalámbrica de ultraalta velocidad es una solución prometedora al desafío de las altas velocidades de datos, lo que ha atraído el interés de numerosos equipos de investigación e industrias. En septiembre de 2017, se publicó el primer estándar de comunicación inalámbrica de 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 a 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 de 0,12 THz exitoso 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. Avances de la investigación sobre sistemas de comunicación de terahercios en Japón entre 2004 y 2013.
La estructura de antena de un sistema de comunicaciones 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 de 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 planar utilizado en interiores consta de un chip de fotodiodo portador de línea única (UTC-PD), una antena de ranura planar y una lente de silicio, como se muestra en la Figura 2(a).
2. En un entorno exterior de largo alcance, para minimizar la influencia de la alta pérdida de transmisión y la 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 superior a 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. Gracias a la optimización continua, la velocidad de transmisión puede alcanzar los 100 Gbps. Como se puede observar en la Tabla 1, ha contribuido significativamente al desarrollo de la comunicación de terahercios. Sin embargo, la investigación actual presenta las desventajas de su baja frecuencia de operación, su gran tamaño y su elevado coste.
La mayoría de las antenas de terahercios utilizadas actualmente son modificaciones de antenas de ondas milimétricas, y existe poca innovación en 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 muestra el progreso de la investigación en comunicación de terahercios en Alemania. La Figura 3 (a) muestra un sistema representativo de comunicación inalámbrica de terahercios que combina fotónica y electrónica. La Figura 3 (b) muestra el escenario de prueba en túnel de viento. A juzgar por la situación actual de la investigación en Alemania, su investigación y desarrollo también presenta desventajas, como baja frecuencia de operación, alto costo y baja eficiencia.
Tabla 2 Avances de la investigación sobre la comunicación en THz en Alemania
Figura 3 Escena de prueba del túnel de viento
El Centro de TIC de CSIRO también ha iniciado investigaciones sobre sistemas de comunicación inalámbrica en interiores de 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 se centraba en la banda de THz. La frecuencia máxima de comunicación que utiliza el espectro radioeléctrico se multiplica aproximadamente por diez cada veinte años. El centro ha formulado recomendaciones sobre los requisitos de 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 sencilla 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 una amplia investigación sobre la emisión y detección de ondas de terahercios. Entre los laboratorios de investigación de terahercios más conocidos se encuentran el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford (SLAC), el Laboratorio Nacional de Tecnología de los Estados Unidos (LLNL), la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), entre otros. Se han diseñado nuevas antenas de terahercios para aplicaciones de terahercios, como las antenas de pajarita y las antenas de orientación del haz de frecuencia. Según el desarrollo de las antenas de terahercios, actualmente existen tres ideas básicas de diseño para antenas de terahercios, como se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Tres ideas básicas de diseño para antenas de terahercios
El análisis anterior muestra que, si bien muchos países han prestado gran atención a las antenas de terahercios, estas aún se encuentran en la etapa inicial de exploración y desarrollo. Debido a la alta pérdida de propagación y la absorción molecular, las antenas de terahercios suelen estar limitadas por la distancia de transmisión y la cobertura. Algunos estudios se centran en frecuencias operativas más bajas en la banda de terahercios. La investigación actual sobre antenas de terahercios se centra principalmente en mejorar la ganancia mediante el uso de antenas de lentes dieléctricas, etc., y en mejorar la eficiencia de las comunicaciones mediante algoritmos adecuados. Además, mejorar la eficiencia del empaquetado de antenas de terahercios también es un problema urgente.
Antenas generales de THz
Existen numerosos tipos de antenas THz: antenas dipolo con cavidades cónicas, matrices de reflectores de esquina, dipolos bowtie, antenas planares de lente dieléctrica, antenas fotoconductoras para generar fuentes de radiación THz, antenas de bocina, antenas THz basadas en materiales de grafeno, etc. Según los materiales utilizados para su fabricación, las antenas THz se pueden clasificar en antenas metálicas (principalmente antenas de bocina), antenas dieléctricas (antenas de lente) y antenas de nuevos materiales. En esta sección se presenta un análisis preliminar de estas antenas y, a continuación, se presentan y analizan en profundidad cinco antenas THz típicas.
1. Antenas metálicas
La antena de bocina es una antena metálica típica diseñada para funcionar en la banda de THz. La antena de un receptor de ondas milimétricas clásico es una bocina cónica. Las antenas corrugadas y de modo dual ofrecen numerosas ventajas, como diagramas de radiación rotacionalmente simétricos, alta ganancia de 20 a 30 dBi, baja 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.
Debido a la alta frecuencia de las ondas de terahercios, el tamaño de la antena de bocina es muy pequeño, lo que dificulta enormemente su procesamiento, especialmente en el diseño de conjuntos de antenas. La complejidad de la tecnología de procesamiento resulta en un coste excesivo y una producción limitada. Debido a la dificultad de fabricar la base de un diseño de bocina complejo, se suele utilizar una antena de bocina simple, de forma cónica o cónica, que reduce el coste y la complejidad del proceso, manteniendo un buen rendimiento de radiación.
Otra antena metálica es la antena piramidal de ondas viajeras, que consiste en una antena de ondas viajeras integrada en una película dieléctrica de 1,2 micras y suspendida en una cavidad longitudinal grabada en una oblea de silicio, como se muestra en la Figura 7. Esta antena tiene una estructura abierta compatible con diodos Schottky. Gracias a su estructura relativamente simple y a sus bajos requisitos de fabricación, generalmente se puede utilizar en bandas de frecuencia superiores a 0,6 THz. Sin embargo, el nivel de lóbulos laterales y la 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 ondas viajeras
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 la adaptación de impedancia con el detector, y ofrece las ventajas de un proceso sencillo, una fácil integración y un bajo coste. En los últimos años, se han diseñado diversas antenas de banda estrecha y banda ancha de disparo lateral que pueden adaptarse a los detectores de baja impedancia de las antenas dieléctricas de terahercios: antena mariposa, antena de doble U, antena log-periódica y antena sinusoidal log-periódica, 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 provocará que la antena pierda mucha energía durante su funcionamiento y una reducción significativa de su eficiencia de radiación. Como se muestra en la Figura 9, cuando el ángulo de radiación de la antena es mayor que el ángulo de corte, su energía se confina en el sustrato dieléctrico y se acopla con el modo del 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 el acoplamiento entre la antena y el sustrato, lo que resulta en pérdida de energía. Para atenuar el efecto de la onda superficial, existen tres esquemas de optimización:
1) Cargue una lente en la antena para aumentar la ganancia utilizando las características de formación de haz de las ondas electromagnéticas.
2) Reducir el espesor del sustrato para suprimir la generación de modos de ondas electromagnéticas de orden superior.
3) Reemplazar el material dieléctrico del sustrato por una banda prohibida electromagnética (EBG). Las características de filtrado espacial de la EBG pueden suprimir los modos de orden superior.
3. Nuevas antenas de material
Además de las dos antenas anteriores, también existe una antena de terahercios hecha de nuevos materiales. Por ejemplo, en 2006, Jin Hao et al. propusieron 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 infrarrojas y ópticas 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 diagrama 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 a frecuencias más altas. Esto indica que la antena puede lograr múltiples resonancias a diferentes frecuencias. Obviamente, la antena de nanotubos de carbono exhibe 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 de 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. Esta estructura consiste en un haz de nanotubos de carbono envuelto 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. Mediante pruebas, se ha mejorado el rendimiento de radiación de la antena 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 conformadas, las antenas planas de grafeno han recibido gran atención. El grafeno posee excelentes características de control dinámico continuo y puede generar plasma superficial mediante el ajuste de la tensión de polarización. El plasma superficial se encuentra en la interfaz entre sustratos con constante dieléctrica positiva (como Si, SiO₂, etc.) y sustratos con constante dieléctrica negativa (como metales preciosos, grafeno, etc.). En conductores como los metales preciosos y el grafeno, existe una gran cantidad de "electrones libres". Estos electrones libres también se denominan plasmas. Debido al campo de potencial inherente al conductor, estos plasmas se encuentran en un estado estable y no son perturbados por el medio exterior. Cuando la energía de la onda electromagnética incidente se acopla a estos plasmas, estos se desvían del estado estacionario y vibran. Tras la conversión, el modo electromagnético forma una onda magnética transversal en la interfaz. Según la descripción de la relación de dispersión del plasma superficial metálico del modelo Drude, los metales no pueden acoplarse naturalmente con las ondas electromagnéticas en el espacio libre y convertir energía. Es necesario utilizar otros materiales para excitar las ondas de plasma superficial. Las ondas de plasma superficial decaen rápidamente en la dirección paralela a la interfaz metal-sustrato. Cuando el conductor metálico conduce en la dirección perpendicular a la superficie, se produce un efecto pelicular. Obviamente, debido al pequeño tamaño de la antena, existe un efecto pelicular 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 enlace y una menor pérdida, sino que también admite la sintonización eléctrica continua. Además, el grafeno tiene una conductividad compleja en la banda de terahercios. Por lo tanto, la propagación lenta de las ondas está relacionada con el modo de plasma a frecuencias de terahercios. Estas características demuestran plenamente la viabilidad del grafeno para reemplazar los materiales metálicos en la banda de terahercios.
Basándose en el comportamiento de polarización de los plasmones superficiales 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 la banda de antena sintonizable proporciona una nueva forma de estudiar las características de propagación de las antenas de terahercios de nuevos materiales.
Figura 12 Nueva antena de tira
Además de explorar nuevos elementos de antena de terahercios, las antenas de terahercios con nanoparches de grafeno también pueden diseñarse como matrices para construir sistemas de comunicación de antenas de terahercios con múltiples entradas y múltiples salidas. La estructura de la antena se muestra en la Figura 13. Gracias a las propiedades únicas de las antenas de nanoparches de grafeno, los elementos de antena tienen dimensiones micrométricas. La deposición química de vapor sintetiza directamente diferentes imágenes de grafeno sobre una fina capa de níquel y las transfiere a cualquier sustrato. Seleccionando un número adecuado de componentes y modificando la tensión de polarización electrostática, se puede modificar eficazmente la dirección de la radiación, lo que permite reconfigurar el sistema.
Figura 13 Matriz de antenas de terahercios de nanoparches de grafeno
La investigación de nuevos materiales es una dirección relativamente nueva. Se espera que la innovación en 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 en nuevos materiales y del 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 novedoso para satisfacer 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 metálica: Su geometría es simple, fácil de procesar, de bajo costo y con bajos requisitos de materiales de sustrato. Sin embargo, las antenas metálicas utilizan un método mecánico para ajustar su posición, lo cual es propenso a errores. Si el ajuste no es correcto, el rendimiento de la antena se verá considerablemente reducido. Aunque la antena metálica es pequeña, es difícil de ensamblar con un circuito planar.
2. Antena dieléctrica: La antena dieléctrica tiene baja impedancia de entrada, es fácil de combinar con un detector de baja impedancia y su conexión a un circuito planar es relativamente sencilla. Las formas geométricas de las antenas dieléctricas incluyen la forma de mariposa, la forma de doble U, la forma logarítmica convencional y la forma seno periódica logarítmica. Sin embargo, las antenas dieléctricas también presentan un inconveniente importante: el efecto de onda superficial causado por el sustrato grueso. La solución consiste en cargar una lente y sustituir el sustrato dieléctrico por una estructura EBG. Ambas soluciones requieren innovación y la mejora continua de la tecnología de procesos y los materiales, pero su excelente rendimiento (como la omnidireccionalidad y la supresión de ondas superficiales) puede aportar nuevas ideas para la investigación de antenas de terahercios.
3. Antenas de nuevos materiales: Actualmente, han surgido nuevas antenas dipolares de nanotubos de carbono y nuevas estructuras de antena de metamateriales. Los nuevos materiales pueden aportar avances en rendimiento, pero la premisa es la innovación en la ciencia de los materiales. Actualmente, la investigación sobre antenas de nuevos materiales aún se encuentra en fase exploratoria, y muchas tecnologías clave aún no están lo suficientemente desarrolladas.
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 de metal.
2) Si se requiere alta integración y baja impedancia de entrada, se pueden seleccionar antenas dieléctricas.
3) Si se requiere un avance en el rendimiento, se pueden seleccionar antenas de nuevos materiales.
Los diseños anteriores también pueden ajustarse según requisitos específicos. Por ejemplo, se pueden combinar dos tipos de antenas para obtener mayores ventajas, pero el método de ensamblaje y la tecnología de diseño deben cumplir requisitos más estrictos.
Para obtener más información sobre las antenas, visite:
Hora de publicación: 02-ago-2024
