З ростам папулярнасці бесправадных прылад, паслугі перадачы дадзеных уступілі ў новы перыяд хуткага развіцця, таксама вядомы як выбуховы рост паслуг перадачы дадзеных. У цяперашні час вялікая колькасць прыкладанняў паступова мігруе з кампутараў на бесправадныя прылады, такія як мабільныя тэлефоны, якія лёгка насіць з сабой і карыстацца імі ў рэжыме рэальнага часу, але гэтая сітуацыя таксама прывяла да хуткага павелічэння трафіку дадзеных і дэфіцыту рэсурсаў прапускной здольнасці. Згодна са статыстыкай, хуткасць перадачы дадзеных на рынку можа дасягнуць Гбіт/с або нават Тбіт/с у бліжэйшыя 10-15 гадоў. У цяперашні час тэрагерцавая сувязь дасягнула хуткасці перадачы дадзеных у Гбіт/с, у той час як хуткасць перадачы дадзеных у Тбіт/с усё яшчэ знаходзіцца на ранніх стадыях развіцця. У адпаведнай працы пералічаны апошнія дасягненні ў хуткасці перадачы дадзеных у Гбіт/с на аснове тэрагерцавага дыяпазону і прагназуецца, што Тбіт/с можна атрымаць з дапамогай палярызацыйнага мультыплексавання. Такім чынам, для павелічэння хуткасці перадачы дадзеных магчымым рашэннем з'яўляецца распрацоўка новага частотнага дыяпазону, які з'яўляецца тэрагерцавым дыяпазонам, які знаходзіцца ў "пустой вобласці" паміж мікрахвалямі і інфрачырвоным святлом. На Сусветнай канферэнцыі радыёсувязі МСЭ (ВКР-19) у 2019 годзе дыяпазон частот 275-450 ГГц выкарыстоўваўся для фіксаванай і наземнай рухомай службаў. Відаць, што бесправадныя сістэмы сувязі тэрагерцавага дыяпазону прыцягнулі ўвагу многіх даследчыкаў.
Тэрагерцавыя электрамагнітныя хвалі звычайна вызначаюцца як дыяпазон частот 0,1–10 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) з даўжынёй хвалі 0,03–3 мм. Згодна са стандартам IEEE, тэрагерцавыя хвалі вызначаюцца як дыяпазон 0,3–10 ТГц. На малюнку 1 паказана, што тэрагерцавы дыяпазон частот знаходзіцца паміж мікрахвалямі і інфрачырвоным святлом.
Мал. 1. Схематычная дыяграма тэрагерцавага дыяпазону частот.
Распрацоўка тэрагерцавых антэн
Нягледзячы на тое, што даследаванні тэрагерцавага выпраменьвання пачаліся ў 19 стагоддзі, у той час яно не вывучалася як самастойная галіна. Даследаванні тэрагерцавага выпраменьвання былі ў асноўным сканцэнтраваны на далёкім інфрачырвоным дыяпазоне. Толькі ў сярэдзіне-канцы 20 стагоддзя даследчыкі пачалі пашыраць даследаванні міліметровых хваль на тэрагерцавы дыяпазон і праводзіць спецыялізаваныя даследаванні тэрагерцавых тэхналогій.
У 1980-х гадах з'яўленне крыніц тэрагерцавага выпраменьвання зрабіла магчымым прымяненне тэрагерцавых хваль у практычных сістэмах. З 21-га стагоддзя тэхналогіі бесправадной сувязі хутка развіваюцца, і попыт людзей на інфармацыю і павелічэнне колькасці камунікацыйнага абсталявання вылучаюць больш жорсткія патрабаванні да хуткасці перадачы дадзеных сувязі. Такім чынам, адной з праблем будучых камунікацыйных тэхналогій з'яўляецца праца з высокай хуткасцю перадачы дадзеных у гігабіты ў секунду ў адным месцы. Пры цяперашнім эканамічным развіцці рэсурсы спектру становяцца ўсё больш дэфіцытнымі. Аднак патрэбы чалавека ў прапускной здольнасці і хуткасці сувязі бязмежныя. Для вырашэння праблемы перагрузкі спектру многія кампаніі выкарыстоўваюць тэхналогію MIMO (multiple-input-multiple-output) для павышэння эфектыўнасці выкарыстання спектру і прапускной здольнасці сістэмы за кошт прасторавага мультыплексавання. З развіццём сетак 5G хуткасць перадачы дадзеных кожнага карыстальніка перавысіць Гбіт/с, а трафік дадзеных базавых станцый таксама значна павялічыцца. Для традыцыйных сістэм сувязі міліметровага дыяпазону мікрахвалевыя лініі сувязі не змогуць апрацоўваць гэтыя велізарныя патокі дадзеных. Акрамя таго, з-за ўплыву прамой бачнасці адлегласць перадачы інфрачырвонай сувязі невялікая, а месцазнаходжанне камунікацыйнага абсталявання фіксаванае. Такім чынам, тэрагерцавыя хвалі, якія знаходзяцца паміж мікрахвалямі і інфрачырвоным выпраменьваннем, можна выкарыстоўваць для стварэння высакахуткасных сістэм сувязі і павелічэння хуткасці перадачы дадзеных з дапамогай тэрагерцавых каналаў сувязі.
Тэрагерцавыя хвалі могуць забяспечыць больш шырокую прапускную здольнасць сувязі, а іх дыяпазон частот прыкладна ў 1000 разоў перавышае дыяпазон мабільнай сувязі. Такім чынам, выкарыстанне тэрагерцавых хваль для стварэння звышхуткасных бесправадных сістэм сувязі з'яўляецца перспектыўным рашэннем праблемы высокіх хуткасцей перадачы дадзеных, што прыцягнула цікавасць многіх даследчых груп і галін прамысловасці. У верасні 2017 года быў выпушчаны першы тэрагерцавы стандарт бесправадной сувязі IEEE 802.15.3d-2017, які вызначае абмен дадзенымі паміж кропкамі ў ніжнім тэрагерцавым дыяпазоне частот 252-325 ГГц. Альтэрнатыўны фізічны ўзровень (PHY) канала сувязі можа дасягнуць хуткасці перадачы дадзеных да 100 Гбіт/с пры розных прапускных здольнасцях.
Першая паспяховая сістэма сувязі тэрагерцавага дыяпазону з частатой 0,12 ТГц была створана ў 2004 годзе, а сістэма сувязі тэрагерцавага дыяпазону з частатой 0,3 ТГц — у 2013 годзе. У табліцы 1 паказаны прагрэс даследаванняў сістэм сувязі тэрагерцавага дыяпазону ў Японіі з 2004 па 2013 год.
Табліца 1. Ход даследаванняў тэрагерцавых сістэм сувязі ў Японіі з 2004 па 2013 год
Структура антэны сістэмы сувязі, распрацаванай у 2004 годзе, была падрабязна апісана карпарацыяй Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) у 2005 годзе. Канфігурацыя антэны была прадстаўлена ў двух выпадках, як паказана на малюнку 2.
Малюнак 2. Схематычная дыяграма японскай сістэмы бесправадной сувязі NTT 120 ГГц
Сістэма аб'ядноўвае фотаэлектрычнае пераўтварэнне і антэну і мае два рэжымы працы:
1. У памяшканнях з блізкай адлегласці планарны перадатчык антэны складаецца з адналінейнага фотадыёда-носьбіта (UTC-PD), планарнай шчыліннай антэны і крэмніевай лінзы, як паказана на малюнку 2(a).
2. У адкрытым асяроддзі на вялікіх адлегласці, каб палепшыць уплыў вялікіх страт перадачы і нізкай адчувальнасці дэтэктара, антэна перадатчыка павінна мець высокі каэфіцыент узмацнення. Існуючая тэрагерцавая антэна выкарыстоўвае гаўсаву аптычную лінзу з каэфіцыентам узмацнення больш за 50 дБі. Камбінацыя рупора і дыэлектрычнай лінзы паказана на малюнку 2(b).
Акрамя распрацоўкі сістэмы сувязі 0,12 ТГц, у 2012 годзе NTT таксама распрацавала сістэму сувязі 0,3 ТГц. Дзякуючы пастаяннай аптымізацыі хуткасць перадачы можа дасягаць 100 Гбіт/с. Як відаць з табліцы 1, яна зрабіла вялікі ўнёсак у развіццё тэрагерцавай сувязі. Аднак бягучыя даследаванні маюць недахопы: нізкую рабочую частату, вялікія памеры і высокі кошт.
Большасць тэрагерцавых антэн, якія выкарыстоўваюцца ў цяперашні час, з'яўляюцца мадыфікацыямі антэн міліметровага дыяпазону, і ў галіне тэрагерцавых антэн мала інавацый. Таму, каб палепшыць прадукцыйнасць тэрагерцавых сістэм сувязі, важнай задачай з'яўляецца аптымізацыя тэрагерцавых антэн. У табліцы 2 паказаны прагрэс даследаванняў нямецкай тэрагерцавай сувязі. На малюнку 3 (а) паказаны тыповы тэрагерцавы бесправадны камунікацыйны дыяпазон, які спалучае фатоніку і электроніку. На малюнку 3 (б) паказаны выпрабавальны комплекс у аэрадынамічнай трубе. Мяркуючы па бягучай сітуацыі з даследаваннямі ў Германіі, яе даследаванні і распрацоўкі таксама маюць такія недахопы, як нізкая рабочая частата, высокі кошт і нізкая эфектыўнасць.
Табліца 2. Ход даследаванняў ТГц-сувязі ў Германіі
Малюнак 3. Сцэна выпрабаванняў у аэрадынамічнай трубе
Цэнтр інфармацыйна-камунікацыйных тэхналогій CSIRO таксама ініцыяваў даследаванні па бесправадных сістэмах сувязі ў памяшканнях з тэрагерцавым дыяпазонам. Цэнтр вывучаў сувязь паміж годам і частатой сувязі, як паказана на малюнку 4. Як відаць з малюнка 4, да 2020 года даследаванні бесправадной сувязі імкнуцца да тэрагерцавага дыяпазону. Максімальная частата сувязі з выкарыстаннем радыёспектра павялічваецца прыкладна ў дзесяць разоў кожныя дваццаць гадоў. Цэнтр даў рэкамендацыі па патрабаваннях да тэрагерцавых антэн і прапанаваў традыцыйныя антэны, такія як рупары і лінзы, для тэрагерцавых сістэм сувязі. Як паказана на малюнку 5, дзве рупарныя антэны працуюць на частаце 0,84 ТГц і 1,7 ТГц адпаведна, маюць простую структуру і добрыя характарыстыкі гаўсавага прамяня.
Малюнак 4. Суадносіны паміж годам і частатой
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Малюнак 5. Два тыпы рупорных антэн
У ЗША праведзены шырокія даследаванні па выпраменьванні і выяўленні тэрагерцавых хваль. Сярод вядомых тэрагерцавых даследчых лабараторый — Лабараторыя рэактыўнага руху (JPL), Стэнфардскі цэнтр лінейных паскарэнняў (SLAC), Нацыянальная лабараторыя ЗША (LLNL), Нацыянальнае ўпраўленне па аэранаўтыцы і даследаванні касмічнай прасторы (NASA), Нацыянальны навуковы фонд (NSF) і г.д. Былі распрацаваны новыя тэрагерцавыя антэны для тэрагерцавага прымянення, такія як антэны тыпу «банцік» і антэны з кіраваннем частасным праменем. У залежнасці ад развіцця тэрагерцавых антэн, у цяперашні час можна вылучыць тры асноўныя ідэі канструкцыі тэрагерцавых антэн, як паказана на малюнку 6.
Малюнак 6. Тры асноўныя ідэі праектавання тэрагерцавых антэн
Прыведзены вышэй аналіз паказвае, што, хоць многія краіны надалі вялікую ўвагу тэрагерцавым антэнам, яны ўсё яшчэ знаходзяцца на пачатковай стадыі даследавання і распрацоўкі. З-за высокіх страт распаўсюджвання і малекулярнага паглынання, тэрагерцавыя антэны звычайна абмежаваныя далёкасцю перадачы і зонай пакрыцця. Некаторыя даследаванні сканцэнтраваны на ніжэйшых працоўных частотах у тэрагерцавым дыяпазоне. Існуючыя даследаванні тэрагерцавых антэн у асноўным сканцэнтраваны на паляпшэнні каэфіцыента ўзмацнення за кошт выкарыстання дыэлектрычных лінзавых антэн і г.д., а таксама на павышэнні эфектыўнасці сувязі за кошт выкарыстання адпаведных алгарытмаў. Акрамя таго, вельмі актуальным пытаннем з'яўляецца павышэнне эфектыўнасці ўпакоўкі тэрагерцавых антэн.
Агульныя ТГц-антэны
Існуе мноства тыпаў ТГц антэн: дыпольныя антэны з канічнымі рэзанатарамі, вуглавыя адбівальнікі, дыполі тыпу «банцікі», планарныя антэны з дыэлектрычнай лінзай, фотаправодныя антэны для генерацыі крыніц выпраменьвання ТГц, рупарныя антэны, ТГц антэны на аснове графенавых матэрыялаў і г.д. У залежнасці ад матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца для вырабу ТГц антэн, іх можна ўмоўна падзяліць на металічныя антэны (у асноўным рупарныя антэны), дыэлектрычныя антэны (лінзавыя антэны) і антэны з новых матэрыялаў. У гэтым раздзеле спачатку даецца папярэдні аналіз гэтых антэн, а ў наступным раздзеле падрабязна прадстаўлены і прааналізаваны пяць тыповых ТГц антэн.
1. Металічныя антэны
Рупарная антэна — гэта тыповая металічная антэна, прызначаная для працы ў тэрагерцавым дыяпазоне. Антэна класічнага прыёмніка міліметровага дыяпазону мае канічную форму рупару. Гафрыраваныя і двухрэжымныя антэны маюць шмат пераваг, у тым ліку ратацыйна-сіметрычныя дыяграмы накіраванасці, высокі каэфіцыент узмацнення ад 20 да 30 дБі і нізкі ўзровень крос-палярызацыі -30 дБ, а таксама эфектыўнасць сувязі ад 97% да 98%. Даступныя шырыні паласы прапускання дзвюх рупарных антэн складаюць 30%-40% і 6%-8% адпаведна.
Паколькі частата тэрагерцавых хваль вельмі высокая, памер рупарнай антэны вельмі малы, што робіць апрацоўку рупару вельмі складанай, асабліва пры праектаванні антэнных рашотак, а складанасць тэхналогіі апрацоўкі прыводзіць да празмерных выдаткаў і абмежаванай вытворчасці. З-за складанасці вырабу ніжняй часткі складанай канструкцыі рупару звычайна выкарыстоўваецца простая рупарная антэна ў выглядзе канічнага або канічнага рупару, што можа знізіць кошт і складанасць працэсу, а таксама забяспечыць добрыя характарыстыкі выпраменьвання антэны.
Яшчэ адна металічная антэна — гэта пірамідальная антэна бегучай хвалі, якая складаецца з антэны бегучай хвалі, інтэграванай на дыэлектрычную плёнку таўшчынёй 1,2 мікрона і падвешанай у падоўжным паражніне, вытраўленым на крэмніевай пласціне, як паказана на малюнку 7. Гэта антэна мае адкрытую структуру, сумяшчальную з дыёдамі Шоткі. Дзякуючы адносна простай структуры і нізкім патрабаванням да вытворчасці, яе звычайна можна выкарыстоўваць у дыяпазонах частот вышэй за 0,6 ТГц. Аднак узровень бакавых пялёсткаў і ўзровень крыжаванай палярызацыі антэны высокія, верагодна, з-за яе адкрытай структуры. Такім чынам, эфектыўнасць яе сувязі адносна нізкая (каля 50%).
Малюнак 7. Пірамідальная антэна бегучай хвалі
2. Дыэлектрычная антэна
Дыэлектрычная антэна ўяўляе сабой камбінацыю дыэлектрычнай падложкі і выпраменьвальніка антэны. Дзякуючы правільнай канструкцыі, дыэлектрычная антэна можа дасягнуць імпеданснага ўзгаднення з дэтэктарам і мае такія перавагі, як прастата працэсу, лёгкая інтэграцыя і нізкі кошт. У апошнія гады даследчыкі распрацавалі некалькі вузкапалосных і шырокапалосных антэн бакавога выпраменьвання, якія могуць сумяшчацца з нізкаімпеданснымі дэтэктарамі тэрагерцавых дыэлектрычных антэн: антэна тыпу «матылёк», падвойная U-вобразная антэна, лагарыфмічна-перыядычная антэна і лагарыфмічна-перыядычная сінусоідная антэна, як паказана на малюнку 8. Акрамя таго, больш складаныя геаметрыі антэн могуць быць распрацаваны з дапамогай генетычных алгарытмаў.
Малюнак 8. Чатыры тыпы планарных антэн
Аднак, паколькі дыэлектрычная антэна спалучана з дыэлектрычнай падкладкай, пры набліжэнні частата да ТГц-дыяпазону ўзнікае эфект павярхоўнай хвалі. Гэты фатальны недахоп прывядзе да таго, што антэна будзе губляць шмат энергіі падчас працы і прывядзе да значнага зніжэння эфектыўнасці выпраменьвання антэны. Як паказана на малюнку 9, калі вугал выпраменьвання антэны большы за вугал зрэзу, яе энергія абмяжоўваецца ў дыэлектрычнай падкладцы і звязана з модай падкладкі.
Малюнак 9. Эфект паверхневай хвалі антэны
Па меры павелічэння таўшчыні падкладкі павялічваецца колькасць мод вышэйшага парадку, а таксама павялічваецца сувязь паміж антэнай і падкладкай, што прыводзіць да страт энергіі. Для аслаблення эфекту павярхоўных хваль існуюць тры схемы аптымізацыі:
1) На антэну надзеньце лінзу, каб павялічыць каэфіцыент узмацнення, выкарыстоўваючы характарыстыкі фарміравання прамяня электрамагнітных хваль.
2) Паменшыць таўшчыню падкладкі, каб падавіць генерацыю электрамагнітных хваль высокага парадку.
3) Замяніць дыэлектрычны матэрыял падкладкі электрамагнітнай забароненай зонай (ЭЗЗ). Прасторавыя фільтруючыя характарыстыкі ЭЗЗ могуць падаўляць моды высокага парадку.
3. Антэны з новага матэрыялу
Акрамя двух вышэйзгаданых антэн, існуе таксама тэрагерцавая антэна, вырабленая з новых матэрыялаў. Напрыклад, у 2006 годзе Цзінь Хао і інш. прапанавалі дыпольную антэну з вугляродных нанатрубак. Як паказана на малюнку 10 (а), дыполь выраблены з вугляродных нанатрубак замест металічных матэрыялаў. Ён уважліва вывучыў інфрачырвоныя і аптычныя ўласцівасці дыпольнай антэны з вугляродных нанатрубак і абмеркаваў агульныя характарыстыкі дыпольнай антэны з вугляродных нанатрубак канчатковай даўжыні, такія як уваходны імпеданс, размеркаванне току, каэфіцыент узмацнення, эфектыўнасць і дыяграма накіраванасці. На малюнку 10 (б) паказана сувязь паміж уваходным імпедансам і частатой дыпольнай антэны з вугляродных нанатрубак. Як відаць на малюнку 10 (б), уяўная частка уваходнага імпедансу мае некалькі нулёў на больш высокіх частотах. Гэта сведчыць аб тым, што антэна можа дасягнуць некалькіх рэзанансаў на розных частотах. Відавочна, што антэна з вугляродных нанатрубак праяўляе рэзананс у пэўным дыяпазоне частот (нізкія ТГц-частоты), але цалкам не здольная рэзаніраваць па-за гэтым дыяпазонам.
Малюнак 10 (а) Дыпольная антэна з вугляродных нанатрубак. (б) Крывая ўваходнага імпедансу ў залежнасці ад частаты
У 2012 годзе Самір Ф. Махмуд і Аед Р. Аль-Аджмі прапанавалі новую структуру тэрагерцавай антэны на аснове вугляродных нанатрубак, якая складаецца з пучка вугляродных нанатрубак, абгорнутых двума дыэлектрычнымі пластамі. Унутраны дыэлектрычны пласт — гэта пласт дыэлектрычнай пены, а вонкавы дыэлектрычны пласт — пласт метаматэрыялу. Канкрэтная структура паказана на малюнку 11. У выніку выпрабаванняў выпраменьвальныя характарыстыкі антэны былі палепшаны ў параўнанні з аднаслаёвымі вугляроднымі нанатрубкамі.
Малюнак 11. Новая тэрагерцавая антэна на аснове вугляродных нанатрубак
Новы матэрыял тэрагерцавых антэн, прапанаваны вышэй, у асноўным трохмерны. Каб палепшыць прапускную здольнасць антэны і стварыць канформныя антэны, шырокую ўвагу прыцягнулі планарныя графенавыя антэны. Графен мае выдатныя дынамічныя характарыстыкі бесперапыннага кіравання і можа генераваць паверхневую плазму шляхам рэгулявання напружання зрушэння. Павярхоўная плазма існуе на мяжы паміж падкладкамі з дадатнай дыэлектрычнай пастаяннай (такымі як Si, SiO2 і г.д.) і падкладкамі з адмоўнай дыэлектрычнай пастаяннай (такімі як каштоўныя металы, графен і г.д.). У правадніках, такіх як каштоўныя металы і графен, ёсць вялікая колькасць «свабодных электронаў». Гэтыя свабодныя электроны таксама называюцца плазмай. З-за ўласцівага патэнцыяльнага поля ў правадніку гэтая плазма знаходзіцца ў стабільным стане і не парушаецца знешнім светам. Калі энергія падаючай электрамагнітнай хвалі злучаецца з гэтай плазмай, плазма адхіляецца ад стацыянарнага стану і вібруе. Пасля пераўтварэння электрамагнітная мода ўтварае папярочную магнітную хвалю на мяжы. Згодна з апісаннем дысперсійнага суадносін плазмы паверхні металу мадэллю Друдэ, металы не могуць натуральным чынам злучацца з электрамагнітнымі хвалямі ў свабоднай прасторы і пераўтвараць энергію. Для ўзбуджэння паверхневых плазменных хваль неабходна выкарыстоўваць іншыя матэрыялы. Павярхоўныя плазменныя хвалі хутка затухаюць у паралельным кірунку мяжы метал-падкладка. Калі металічны праваднік праводзіць у кірунку, перпендыкулярным паверхні, узнікае скін-эфект. Відавочна, што з-за малога памеру антэны ў дыяпазоне высокіх частот узнікае скін-эфект, што прыводзіць да рэзкага зніжэння прадукцыйнасці антэны і не можа задаволіць патрабаванні тэрагерцавых антэн. Павярхоўны плазмон графена не толькі мае больш высокую сілу сувязі і меншыя страты, але і падтрымлівае бесперапынную электрычную перабудову. Акрамя таго, графен мае складаную праводнасць у тэрагерцавым дыяпазоне. Такім чынам, распаўсюджванне павольных хваль звязана з плазменным рэжымам на тэрагерцавых частотах. Гэтыя характарыстыкі цалкам дэманструюць магчымасць замены графенам металічных матэрыялаў у тэрагерцавым дыяпазоне.
На малюнку 12, зыходзячы з палярызацыйных паводзін паверхневых плазмонаў графена, паказаны новы тып паласковай антэны і прапанавана форма паласы характарыстык распаўсюджвання плазменных хваль у графене. Канструкцыя настроўваемай паласы антэны забяспечвае новы спосаб вывучэння характарыстык распаўсюджвання новых матэрыялаў — тэрагерцавых антэн.
Малюнак 12 Новая паласавая антэна
Акрамя вывучэння новых матэрыялаў для тэрагерцавых антэнных элементаў, графенавыя нанапласцінкі тэрагерцавых антэн таксама могуць быць распрацаваны ў выглядзе масіваў для стварэння тэрагерцавых шматуваходных і шматвыхадных антэнных сістэм сувязі. Структура антэны паказана на малюнку 13. Дзякуючы унікальным уласцівасцям графенавых нанапласцінак, элементы антэны маюць памеры мікроннага маштабу. Хімічнае асаджэнне з паравой фазы непасрэдна сінтэзуе розныя графенавыя выявы на тонкім нікелевым пласце і пераносіць іх на любую падкладку. Выбіраючы адпаведную колькасць кампанентаў і змяняючы напружанне электрастатычнага зрушэння, можна эфектыўна змяняць кірунак выпраменьвання, што робіць сістэму рэканфігураванай.
Малюнак 13. Тэрагерцавая антэнная рашотка з графенавых нанапласцінак
Даследаванне новых матэрыялаў — гэта адносна новы кірунак. Чакаецца, што інавацыі ў галіне матэрыялаў дазволяць пераадолець абмежаванні традыцыйных антэн і распрацаваць розныя новыя антэны, такія як рэканфігуруемыя метаматэрыялы, двухмерныя (2D) матэрыялы і г.д. Аднак гэты тып антэн у асноўным залежыць ад інавацый новых матэрыялаў і развіцця тэхналагічных працэсаў. У любым выпадку, распрацоўка тэрагерцавых антэн патрабуе інавацыйных матэрыялаў, дакладнай тэхналогіі апрацоўкі і новых канструкцый, каб задаволіць патрабаванні да высокага каэфіцыента ўзмацнення, нізкай кошту і шырокай прапускной здольнасці тэрагерцавых антэн.
Ніжэй прадстаўлены асноўныя прынцыпы трох тыпаў тэрагерцавых антэн: металічных антэн, дыэлектрычных антэн і антэн з новых матэрыялаў, а таксама прааналізаваны іх адрозненні, перавагі і недахопы.
1. Металічная антэна: геаметрыя простая, лёгка апрацоўваецца, адносна недарагая і патрабуе невялікіх матэрыялаў падкладкі. Аднак у металічных антэнах выкарыстоўваецца механічны метад рэгулявання становішча антэны, што схільна да памылак. Калі рэгуляванне няправільнае, прадукцыйнасць антэны значна зніжаецца. Нягледзячы на невялікія памеры металічнай антэны, яе складана сабраць з дапамогай планарнай схемы.
2. Дыэлектрычная антэна: дыэлектрычная антэна мае нізкі ўваходны імпеданс, лёгка сумяшчаецца з нізкаімпедансным дэтэктарам і адносна проста падключаецца да планарнай схемы. Геаметрычныя формы дыэлектрычных антэн ўключаюць форму матылька, форму двайной U, звычайную лагарыфмічную форму і форму лагарыфмічнай перыядычнай сінусоіды. Аднак дыэлектрычныя антэны таксама маюць фатальны недахоп, а менавіта эфект павярхоўнай хвалі, выкліканы тоўстай падкладкай. Рашэнне заключаецца ў загрузцы лінзы і замене дыэлектрычнай падкладкі структурай EBG. Абодва рашэнні патрабуюць інавацый і пастаяннага ўдасканалення тэхналагічных працэсаў і матэрыялаў, але іх выдатныя характарыстыкі (напрыклад, усенакіраванасць і падаўленне павярхоўных хваль) могуць даць новыя ідэі для даследавання тэрагерцавых антэн.
3. Антэны з новых матэрыялаў: У цяперашні час з'явіліся новыя дыпольныя антэны з вугляродных нанатрубак і новыя антэнныя структуры з метаматэрыялаў. Новыя матэрыялы могуць прынесці новыя прарывы ў прадукцыйнасці, але перадумовай з'яўляюцца інавацыі ў матэрыялазнаўстве. У цяперашні час даследаванні антэн з новых матэрыялаў усё яшчэ знаходзяцца на стадыі вывучэння, і многія ключавыя тэхналогіі недастаткова развітыя.
Карацей кажучы, розныя тыпы тэрагерцавых антэн можна выбраць у залежнасці ад патрабаванняў канструкцыі:
1) Калі патрабуецца простая канструкцыя і нізкі кошт вытворчасці, можна выбраць металічныя антэны.
2) Калі патрабуецца высокая інтэграцыя і нізкі ўваходны імпеданс, можна выбраць дыэлектрычныя антэны.
3) Калі патрабуецца прарыў у прадукцыйнасці, можна выбраць антэны з новых матэрыялаў.
Вышэйзгаданыя канструкцыі таксама можна адаптаваць да канкрэтных патрабаванняў. Напрыклад, два тыпы антэн можна камбінаваць для атрымання большай колькасці пераваг, але спосаб зборкі і тэхналогія праектавання павінны адпавядаць больш строгім патрабаванням.
Каб даведацца больш пра антэны, наведайце:
Час публікацыі: 02 жніўня 2024 г.
