Con la creciente popularidad de los dispositivos inalámbricos, los servicios de datos han entrado en una nueva etapa 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 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 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 el "espacio vacío" 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 a 450 GHz para servicios fijos y móviles terrestres. Esto demuestra que los sistemas de comunicación inalámbrica de terahercios han captado la atención de numerosos 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 la norma IEEE, las ondas de terahercios se definen como de 0,3 a 10 THz. La figura 1 muestra que la banda de frecuencia de terahercios se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja.
Figura 1. Diagrama esquemático de la banda de frecuencia de THz.
Desarrollo de antenas de terahercios
Aunque la investigación sobre terahercios comenzó en el siglo XIX, en aquel entonces no se estudiaba como un campo independiente. 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 cuando los investigadores comenzaron a extender la investigación de ondas milimétricas a la banda de terahercios y a realizar investigaciones especializadas sobre la 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 y el aumento de equipos de comunicación han planteado requisitos más estrictos en la velocidad de transmisión de datos. Por lo tanto, uno de los desafíos de la tecnología de comunicación futura es operar a una alta velocidad de datos de gigabits por segundo en una misma ubicación. Con el desarrollo económico actual, los recursos del espectro son cada vez más escasos. Sin embargo, las necesidades humanas de capacidad y velocidad de comunicación son constantes. Para abordar el problema de la congestión del espectro, muchas empresas utilizan la tecnología MIMO (múltiples entradas, múltiples salidas) 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 de comunicación de ondas milimétricas tradicionales, los enlaces de microondas no podrán gestionar estos enormes flujos de datos. Además, debido a la limitación 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 de terahercios (THz), que se encuentran entre las microondas y los infrarrojos, pueden utilizarse para construir sistemas de comunicación de alta velocidad y aumentar las tasas de transmisión de datos mediante enlaces de THz.
Las ondas de terahercios (THz) ofrecen un ancho de banda de comunicación más amplio, con un rango de frecuencia aproximadamente 1000 veces mayor que el de las comunicaciones móviles. Por lo tanto, el uso de THz para la creación de sistemas de comunicación inalámbrica de ultra alta velocidad representa una solución prometedora para el desafío de las altas tasas de datos, lo que ha despertado el interés de numerosos equipos de investigación e industrias. En septiembre de 2017, se publicó 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 THz inferior, de 252 a 325 GHz. La capa física (PHY) alternativa del enlace permite alcanzar velocidades de datos de hasta 100 Gbps en diferentes anchos de banda.
El primer sistema de comunicación de terahercios (THz) exitoso, de 0,12 THz, se estableció en 2004, y el sistema de comunicación de THz de 0,3 THz se implementó en 2013. La Tabla 1 muestra el progreso de la investigación sobre sistemas de comunicación de terahercios en Japón desde 2004 hasta 2013.
Tabla 1. Avances en la investigación de sistemas de comunicación de terahercios en Japón entre 2004 y 2013.
La estructura de 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 presentó 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 funcionamiento:
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 entornos exteriores de largo alcance, para mitigar la influencia de las grandes pérdidas de transmisión y la baja sensibilidad del detector, la antena transmisora debe tener una alta ganancia. La antena de terahercios actual 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. Mediante una optimización continua, la velocidad de transmisión puede alcanzar los 100 Gbps. Como se puede observar en la Tabla 1, esto ha contribuido significativamente al desarrollo de la comunicación en la banda de terahercios. Sin embargo, la investigación actual presenta las desventajas de una baja frecuencia de operación, un tamaño considerable y un alto costo.
La mayoría de las antenas de terahercios que se utilizan actualmente son modificaciones de antenas de ondas milimétricas, y existe poca innovación en este campo. Por lo tanto, para mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación de terahercios, es fundamental optimizar las antenas. La Tabla 2 muestra el progreso de la investigación en comunicaciones 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 la escena de la prueba en el túnel de viento. A juzgar por la situación actual de la investigación en Alemania, su desarrollo también presenta desventajas como baja frecuencia de operación, alto costo y baja eficiencia.
Tabla 2. Avances en la investigación de la comunicación en terahercios en Alemania.
Figura 3 Escena de prueba en el túnel de viento
El Centro de TIC de CSIRO también ha iniciado una investigación sobre sistemas de comunicación inalámbrica en interiores en la banda de terahercios (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 en comunicaciones inalámbricas tiende a la banda de THz. La frecuencia máxima de comunicación que utiliza el espectro radioeléctrico aumenta aproximadamente diez veces cada veinte años. El centro ha formulado recomendaciones sobre los requisitos para antenas de THz y ha propuesto antenas tradicionales, como bocinas y lentes, para sistemas de comunicación en 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 de 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 llevado a cabo una extensa investigación sobre la emisión y detección de ondas de terahercios. Entre los laboratorios de investigación de terahercios más destacados se encuentran el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). Se han diseñado nuevas antenas de terahercios para diversas aplicaciones, como las antenas de mariposa y las antenas de direccionamiento de haz de frecuencia. Según el desarrollo de las antenas de terahercios, actualmente podemos identificar tres ideas de diseño básicas, 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 las elevadas pérdidas 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 de operación más bajas dentro de la banda de terahercios. La investigación actual sobre antenas de terahercios se centra principalmente en mejorar la ganancia mediante el uso de antenas de lente dieléctrica, entre otras técnicas, y en optimizar la eficiencia de la comunicación mediante algoritmos adecuados. Además, mejorar la eficiencia del encapsulado de las antenas de terahercios es un tema de suma importancia.
Antenas THz generales
Existen muchos tipos de antenas de terahercios (THz): antenas dipolo con cavidades cónicas, conjuntos de reflectores de esquina, dipolos en forma de pajarita, antenas planas con lentes dieléctricas, antenas fotoconductoras para la generación de radiación THz, antenas de bocina, antenas THz basadas en grafeno, etc. Según los materiales utilizados en 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. Esta sección ofrece un análisis preliminar de estas antenas y, posteriormente, en la siguiente, se presentan y analizan en detalle cinco antenas THz típicas.
1. Antenas metálicas
La antena de bocina es una antena metálica típica diseñada para operar en la banda de terahercios (THz). La antena de un receptor clásico de ondas milimétricas es una bocina cónica. Las antenas corrugadas y de modo dual presentan numerosas ventajas, como patrones de radiación con simetría rotacional, alta ganancia de 20 a 30 dBi, bajo nivel de polarización cruzada de -30 dB y una eficiencia de acoplamiento del 97 % al 98 %. Los anchos de banda disponibles para ambas 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 su procesamiento, especialmente en el diseño de conjuntos de antenas. La complejidad de la tecnología de procesamiento conlleva un costo 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 en forma de cono, lo que reduce el costo y la complejidad del proceso, manteniendo un buen rendimiento de radiación.
Otra antena metálica es la antena piramidal de onda viajera, que consiste en una antena de onda viajera 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. 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 lóbulos laterales 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 viajera
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 presenta las ventajas de un proceso sencillo, fácil integración y bajo costo. En los últimos años, los investigadores han diseñado varias antenas de banda estrecha y banda ancha de emisión lateral que pueden adaptarse a los detectores de baja impedancia de las antenas dieléctricas de terahercios: antena mariposa, antena en forma de U doble, antena logarítmica periódica y antena sinusoidal logarítmica 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 produce un efecto de onda superficial cuando la frecuencia tiende a la banda de terahercios (THz). Esta desventaja crucial provoca una gran pérdida de energía durante el funcionamiento de la antena 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 grosor del sustrato, aumenta el número de modos de orden superior y el acoplamiento entre la antena y el sustrato, lo que provoca una pérdida de energía. Para atenuar el efecto de las ondas superficiales, existen tres esquemas de optimización:
1) Coloque una lente en la antena para aumentar la ganancia utilizando las características de formación de haces de las ondas electromagnéticas.
2) Reducir el grosor del sustrato para suprimir la generación de modos de orden superior de ondas electromagnéticas.
3) Reemplace el material dieléctrico del sustrato con una banda prohibida electromagnética (EBG). Las características de filtrado espacial de la EBG pueden suprimir los modos de orden superior.
3. Antenas de nuevo material
Además de las dos antenas mencionadas anteriormente, también existe una antena de terahercios fabricada con 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, tales 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 observar 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 alcanzar múltiples resonancias a diferentes frecuencias. Obviamente, la antena de nanotubos de carbono presenta resonancia dentro de un cierto rango de frecuencia (frecuencias de THz bajas), pero es completamente incapaz de resonar fuera de este rango.
Figura 10 (a) Antena dipolo de nanotubos de carbono. (b) Curva de impedancia de entrada en función de la frecuencia.
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 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 demostrado que el rendimiento de radiación de la antena 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 y crear antenas conformables, las antenas planas de grafeno han recibido gran atención. El grafeno posee excelentes características de control dinámico continuo y puede generar plasma superficial ajustando la tensión 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.). En conductores como los metales preciosos y el grafeno, existe una gran cantidad de electrones libres, también llamados plasmas. Debido al campo potencial inherente en el conductor, estos plasmas se encuentran en un estado estable y no se ven afectados por el 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 mediante el modelo de Drude, los metales no pueden acoplarse naturalmente con las ondas electromagnéticas en el espacio libre ni convertir energía. Es necesario utilizar otros materiales para excitar las ondas de plasma superficial. Estas ondas se atenúan 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 provoca una caída drástica en el rendimiento de la antena y no cumple con los requisitos de las antenas de terahercios. El plasmón superficial del grafeno no solo tiene una mayor fuerza de enlace y menores pérdidas, sino que también admite una sintonización eléctrica continua. Además, el grafeno presenta una conductividad compleja en la banda de terahercios. Por lo tanto, la propagación de ondas lentas está relacionada con el modo de plasma en 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 de superficie del grafeno, la Figura 12 muestra un nuevo tipo de antena de tira 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 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 de nanoparches de grafeno también pueden diseñarse como matrices para construir sistemas de comunicación de antenas de terahercios de entrada múltiple y salida múltiple. 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 la antena tienen dimensiones a escala micrométrica. 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 un número adecuado de componentes y modificar la tensión de polarización electrostática, se puede cambiar eficazmente la dirección de radiación, lo que hace que el sistema sea reconfigurable.
Figura 13. Matriz de antenas de terahercios con nanoparches de grafeno.
La investigación de nuevos materiales es un campo relativamente nuevo. Se espera que la innovación en materiales supere las limitaciones de las antenas tradicionales y permita el desarrollo de diversas antenas novedosas, como metamateriales reconfigurables y materiales bidimensionales (2D). Sin embargo, este tipo de antena depende principalmente de la innovación en materiales y del avance de la tecnología de procesamiento. En cualquier caso, el desarrollo de antenas de terahercios requiere materiales innovadores, tecnología de procesamiento precisa y estructuras de diseño novedosas para satisfacer los requisitos de alta ganancia, bajo costo y amplio ancho de banda de dichas antenas.
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, de fácil procesamiento, de costo relativamente bajo y con requisitos mínimos de materiales de sustrato. Sin embargo, las antenas metálicas utilizan un método mecánico para ajustar su posición, lo que las hace propensas a errores. Si el ajuste no es correcto, el rendimiento de la antena se verá considerablemente reducido. Si bien las antenas metálicas son de tamaño reducido, su integración con circuitos planares resulta compleja.
2. Antena dieléctrica: La antena dieléctrica tiene una baja impedancia de entrada, es fácil de acoplar a un detector de baja impedancia y relativamente sencilla de conectar a un circuito planar. Las formas geométricas de las antenas dieléctricas incluyen forma de mariposa, doble U, logarítmica convencional y sinusoidal 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 incorporar una lente y reemplazar el sustrato dieléctrico con una estructura EBG. Ambas soluciones requieren innovación y una 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 dipolo fabricadas con nanotubos de carbono y nuevas estructuras de antenas hechas de metamateriales. Los nuevos materiales pueden aportar avances significativos en el rendimiento, pero la innovación en la ciencia de los materiales es fundamental. En la actualidad, la investigación sobre antenas de nuevos materiales aún se encuentra en una etapa exploratoria, y muchas tecnologías clave no están 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 elegir antenas metálicas.
2) Si se requiere una alta integración y una baja impedancia de entrada, se pueden seleccionar antenas dieléctricas.
3) Si se requiere un avance significativo en el rendimiento, se pueden seleccionar antenas fabricadas con nuevos materiales.
Los diseños anteriores también pueden ajustarse según los 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 con requisitos más estrictos.
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Fecha de publicación: 2 de agosto de 2024
