უკაბელო მოწყობილობების მზარდი პოპულარობით, მონაცემთა სერვისები შევიდა სწრაფი განვითარების ახალ პერიოდში, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც მონაცემთა სერვისების ფეთქებადი ზრდა. ამჟამად, აპლიკაციების დიდი რაოდენობა თანდათან გადადის კომპიუტერებიდან უსადენო მოწყობილობებზე, როგორიცაა მობილური ტელეფონები, რომლებიც ადვილად ატარებენ და მუშაობენ რეალურ დროში, მაგრამ ამ სიტუაციამ ასევე გამოიწვია მონაცემთა ტრაფიკის სწრაფი ზრდა და გამტარუნარიანობის რესურსების დეფიციტი. . სტატისტიკის მიხედვით, ბაზარზე მონაცემთა სიჩქარემ შესაძლოა მიაღწიოს გბიტ/წმ-ს ან თუნდაც Tbps-ს მომდევნო 10-15 წლის განმავლობაში. ამჟამად, THz კომუნიკაციამ მიაღწია Gbps მონაცემთა სიჩქარეს, ხოლო Tbps მონაცემთა სიჩქარე ჯერ კიდევ განვითარების ადრეულ ეტაპზეა. შესაბამისი ნაშრომი ჩამოთვლის უახლეს პროგრესს Gbps მონაცემთა სიხშირეებში, THz დიაპაზონის საფუძველზე და პროგნოზირებს, რომ Tbps შეიძლება მიღებულ იქნეს პოლარიზაციის მულტიპლექსირების გზით. ამიტომ, მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის გასაზრდელად, შესაძლებელი გამოსავალია ახალი სიხშირის დიაპაზონის შემუშავება, რომელიც არის ტერაჰერცის დიაპაზონი, რომელიც მდებარეობს მიკროტალღურ ტალღებსა და ინფრაწითელ შუქს შორის „ცარიელ ზონაში“. ITU მსოფლიო რადიოკომუნიკაციის კონფერენციაზე (WRC-19) 2019 წელს, 275-450 გჰც სიხშირის დიაპაზონი გამოყენებული იქნა ფიქსირებული და სახმელეთო მობილური სერვისებისთვის. ჩანს, რომ ტერაჰერცის უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემებმა მიიპყრო მრავალი მკვლევარის ყურადღება.
ტერაჰერცის ელექტრომაგნიტური ტალღები ზოგადად განისაზღვრება, როგორც სიხშირის ზოლი 0,1-10 THz (1THz=1012Hz) ტალღის სიგრძით 0,03-3 მმ. IEEE სტანდარტის მიხედვით, ტერაჰერცის ტალღები განისაზღვრება როგორც 0.3-10THz. სურათი 1 გვიჩვენებს, რომ ტერაჰერცის სიხშირის დიაპაზონი მდებარეობს მიკროტალღებსა და ინფრაწითელ შუქს შორის.
ნახ. 1 THz სიხშირის დიაპაზონის სქემატური დიაგრამა.
ტერაჰერცის ანტენების განვითარება
მიუხედავად იმისა, რომ ტერაჰერცის კვლევა მე-19 საუკუნეში დაიწყო, ის იმ დროს არ იყო შესწავლილი, როგორც დამოუკიდებელი სფერო. ტერაჰერცის გამოსხივების კვლევა ძირითადად ფოკუსირებული იყო შორს ინფრაწითელ ზოლზე. მხოლოდ მე-20 საუკუნის შუა ხანებიდან და ბოლოს, მკვლევარებმა დაიწყეს მილიმეტრიანი ტალღის კვლევის წინსვლა ტერაჰერცის ზოლში და ჩაატარეს სპეციალიზებული ტერაჰერცის ტექნოლოგიების კვლევა.
1980-იან წლებში ტერაჰერცის გამოსხივების წყაროების გაჩენამ შესაძლებელი გახადა ტერაჰერცის ტალღების გამოყენება პრაქტიკულ სისტემებში. 21-ე საუკუნიდან მოყოლებული, უკაბელო საკომუნიკაციო ტექნოლოგია სწრაფად განვითარდა და ხალხის მოთხოვნამ ინფორმაციაზე და საკომუნიკაციო აღჭურვილობის ზრდამ უფრო მკაცრი მოთხოვნები წამოაყენა საკომუნიკაციო მონაცემების გადაცემის სიჩქარეზე. ამიტომ, სამომავლო საკომუნიკაციო ტექნოლოგიების ერთ-ერთი გამოწვევა არის გიგაბიტი/წამში მონაცემთა მაღალი სიჩქარით მუშაობა ერთ ადგილას. მიმდინარე ეკონომიკური განვითარების პირობებში სპექტრის რესურსები სულ უფრო მწირი ხდება. თუმცა, ადამიანის მოთხოვნები კომუნიკაციის სიმძლავრეზე და სიჩქარეზე გაუთავებელია. სპექტრის გადატვირთულობის პრობლემის გამო, ბევრი კომპანია იყენებს მრავალჯერადი შეყვანის მრავალ გამომავალი (MIMO) ტექნოლოგიას, რათა გააუმჯობესოს სპექტრის ეფექტურობა და სისტემის სიმძლავრე სივრცითი მულტიპლექსირების გზით. 5G ქსელების წინსვლასთან ერთად, თითოეული მომხმარებლის მონაცემთა კავშირის სიჩქარე გადააჭარბებს გბიტ/წმ-ს, ასევე მნიშვნელოვნად გაიზრდება საბაზო სადგურების მონაცემთა ტრაფიკი. ტრადიციული მილიმეტრიანი ტალღური საკომუნიკაციო სისტემებისთვის, მიკროტალღური ბმულები ვერ უმკლავდებიან ამ უზარმაზარ მონაცემთა ნაკადებს. გარდა ამისა, მხედველობის ხაზის გავლენის გამო, ინფრაწითელი კომუნიკაციის გადაცემის მანძილი მოკლეა და მისი საკომუნიკაციო აღჭურვილობის მდებარეობა ფიქსირდება. ამიტომ, THz ტალღები, რომლებიც მიკროტალღურ ტალღებსა და ინფრაწითელს შორისაა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალსიჩქარიანი საკომუნიკაციო სისტემების შესაქმნელად და მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის გაზრდისთვის THz ბმულების გამოყენებით.
ტერაჰერცის ტალღებს შეუძლია უზრუნველყოს კომუნიკაციის უფრო ფართო გამტარობა და მისი სიხშირის დიაპაზონი დაახლოებით 1000-ჯერ აღემატება მობილური კომუნიკაციებს. აქედან გამომდინარე, THz-ის გამოყენება ულტრა მაღალსიჩქარიანი უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემების შესაქმნელად არის პერსპექტიული გადაწყვეტა მონაცემთა მაღალი სიჩქარის გამოწვევისთვის, რამაც მრავალი კვლევითი გუნდისა და ინდუსტრიის ინტერესი გამოიწვია. 2017 წლის სექტემბერში გამოვიდა პირველი THz უკაბელო კომუნიკაციის სტანდარტი IEEE 802.15.3d-2017, რომელიც განსაზღვრავს წერტილიდან წერტილამდე მონაცემთა გაცვლას ქვედა THz სიხშირის დიაპაზონში 252-325 გჰც. ბმულის ალტერნატიულ ფიზიკურ ფენას (PHY) შეუძლია მიაღწიოს მონაცემთა სიჩქარეს 100 გბიტი/წმ-მდე სხვადასხვა გამტარობაზე.
პირველი წარმატებული THz საკომუნიკაციო სისტემა 0,12 THz დაარსდა 2004 წელს, ხოლო THz საკომუნიკაციო სისტემა 0,3 THz განხორციელდა 2013 წელს.
ცხრილი 1 იაპონიაში ტერაჰერცის საკომუნიკაციო სისტემების კვლევის პროგრესი 2004 წლიდან 2013 წლამდე
2004 წელს შემუშავებული საკომუნიკაციო სისტემის ანტენის სტრუქტურა დეტალურად იყო აღწერილი Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) მიერ 2005 წელს. ანტენის კონფიგურაცია დაინერგა ორ შემთხვევაში, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2.
სურათი 2 იაპონიის NTT 120 გჰც უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემის სქემატური დიაგრამა
სისტემა აერთიანებს ფოტოელექტრო კონვერტაციას და ანტენას და იყენებს ორ სამუშაო რეჟიმს:
1. ახლო მანძილიდან დახურულ გარემოში, პლანშეტური ანტენის გადამცემი, რომელიც გამოიყენება შენობაში, შედგება ერთი ხაზის გადამზიდავი ფოტოდიოდის (UTC-PD) ჩიპისგან, პლანშეტური სლოტის ანტენისგან და სილიკონის ლინზისგან, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2(a).
2. შორ მანძილზე გარე გარემოში დიდი გადაცემის დაკარგვის და დეტექტორის დაბალი მგრძნობელობის გავლენის გასაუმჯობესებლად, გადამცემის ანტენას უნდა ჰქონდეს მაღალი მომატება. არსებული ტერაჰერცის ანტენა იყენებს გაუსის ოპტიკურ ლინზს 50 dBi-ზე მეტი მომატებით. კვების რქისა და დიელექტრიკული ლინზების კომბინაცია ნაჩვენებია სურათზე 2(ბ).
0.12 THz საკომუნიკაციო სისტემის შემუშავების გარდა, NTT-მა ასევე შეიმუშავა 0.3 THz საკომუნიკაციო სისტემა 2012 წელს. უწყვეტი ოპტიმიზაციის საშუალებით, გადაცემის სიჩქარე შეიძლება იყოს 100 გბიტი/წმ-მდე. როგორც ცხრილი 1-დან ჩანს, მან დიდი წვლილი შეიტანა ტერაჰერცის კომუნიკაციის განვითარებაში. თუმცა, ამჟამინდელ კვლევით სამუშაოს აქვს უარყოფითი მხარეები: დაბალი ოპერაციული სიხშირე, დიდი ზომა და მაღალი ღირებულება.
ამჟამად გამოყენებული ტერაჰერცის ანტენების უმეტესობა მოდიფიცირებულია მილიმეტრიანი ტალღის ანტენებისგან და მცირე ინოვაციაა ტერაჰერცის ანტენებში. ამიტომ, ტერაჰერცის საკომუნიკაციო სისტემების მუშაობის გაუმჯობესების მიზნით, მნიშვნელოვანი ამოცანაა ტერაჰერცის ანტენების ოპტიმიზაცია. ცხრილში 2 ჩამოთვლილია გერმანული THz კომუნიკაციის კვლევის პროგრესი. სურათი 3 (a) გვიჩვენებს წარმომადგენლობითი THz უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემას, რომელიც აერთიანებს ფოტონიკასა და ელექტრონიკას. სურათი 3 (ბ) გვიჩვენებს ქარის გვირაბის გამოცდის სცენას. გერმანიაში არსებული კვლევის სიტუაციიდან გამომდინარე, მის კვლევასა და განვითარებას ასევე აქვს უარყოფითი მხარეები, როგორიცაა დაბალი ოპერაციული სიხშირე, მაღალი ღირებულება და დაბალი ეფექტურობა.
ცხრილი 2 THz კომუნიკაციის კვლევის პროგრესი გერმანიაში
სურათი 3 ქარის გვირაბის ტესტის სცენა
CSIRO ICT ცენტრმა ასევე წამოიწყო კვლევა THz შიდა უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემებზე. ცენტრმა შეისწავლა ურთიერთობა წელიწადსა და კომუნიკაციის სიხშირეს შორის, როგორც ნაჩვენებია 4-ზე. როგორც სურათი 4-დან ჩანს, 2020 წლისთვის უსადენო კომუნიკაციების კვლევა THz დიაპაზონისკენ არის მიმართული. მაქსიმალური საკომუნიკაციო სიხშირე რადიო სპექტრის გამოყენებით იზრდება დაახლოებით ათჯერ ყოველ ოც წელიწადში. ცენტრმა გააკეთა რეკომენდაციები THz ანტენების მოთხოვნების შესახებ და შემოთავაზებული ტრადიციული ანტენები, როგორიცაა რქები და ლინზები THz საკომუნიკაციო სისტემებისთვის. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 5, ორი საყვირის ანტენა მუშაობს შესაბამისად 0,84 THz და 1,7 THz, მარტივი სტრუქტურით და კარგი გაუსის სხივის შესრულებით.
ნახაზი 4 კავშირი წელიწადსა და სიხშირეს შორის
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
სურათი 5 ორი ტიპის საყვირის ანტენები
შეერთებულმა შტატებმა ჩაატარა ვრცელი კვლევა ტერაჰერცის ტალღების ემისიისა და გამოვლენის შესახებ. ცნობილ ტერაჰერცის კვლევით ლაბორატორიებს მიეკუთვნება რეაქტიული მოძრაობის ლაბორატორია (JPL), სტენფორდის ხაზოვანი ამაჩქარებლის ცენტრი (SLAC), აშშ-ს ეროვნული ლაბორატორია (LLNL), აერონავტიკისა და კოსმოსის ეროვნული ადმინისტრაცია (NASA), ეროვნული სამეცნიერო ფონდი (NSF) და ა.შ. დაპროექტებულია ახალი ტერაჰერცის ანტენები ტერაჰერცის აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა მშვილდოსანი ანტენები და სიხშირის სხივის საჭის ანტენები. ტერაჰერცის ანტენების განვითარების მიხედვით, ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ სამი ძირითადი დიზაინის იდეა ტერაჰერცის ანტენებისთვის, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 6.
სურათი 6 სამი ძირითადი დიზაინის იდეა ტერაჰერცის ანტენებისთვის
ზემოაღნიშნული ანალიზი აჩვენებს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ბევრმა ქვეყანამ დიდი ყურადღება დაუთმო ტერაჰერცის ანტენებს, ის ჯერ კიდევ საწყის საძიებო და განვითარების ეტაპზეა. მაღალი გავრცელების დაკარგვისა და მოლეკულური შთანთქმის გამო, THz ანტენები ჩვეულებრივ შეზღუდულია გადაცემის მანძილით და დაფარვით. ზოგიერთი კვლევა ფოკუსირებულია დაბალ ოპერაციულ სიხშირეებზე THz დიაპაზონში. არსებული ტერაჰერცის ანტენის კვლევა ძირითადად ფოკუსირებულია გაზრდის გაუმჯობესებაზე დიელექტრიკული ლინზების ანტენების გამოყენებით და ა.შ. და კომუნიკაციის ეფექტურობის გაუმჯობესებაზე შესაბამისი ალგორითმების გამოყენებით. გარდა ამისა, როგორ გავაუმჯობესოთ ტერაჰერცის ანტენის შეფუთვის ეფექტურობა, ასევე ძალიან აქტუალური საკითხია.
ზოგადი THz ანტენები
არსებობს მრავალი სახის THz ანტენები: დიპოლური ანტენები კონუსური ღრუებით, კუთხის ამრეკლი მასივები, მშვილდოსანი დიპოლები, დიელექტრიკული ლინზების პლანშეტური ანტენები, ფოტოგამტარი ანტენები THz წყაროს გამოსხივების წყაროებისთვის, რქის ანტენები, THz ანტენები გრაფენის მასალებზე და ა.შ. მასალები, რომლებიც გამოიყენება THz ანტენების დასამზადებლად, ისინი შეიძლება უხეშად დაიყოს ლითონის ანტენებად (ძირითადად საყვირის ანტენებად), დიელექტრიკულ ანტენებად (ლინზების ანტენები) და ახალი მასალის ანტენებად. ეს განყოფილება ჯერ იძლევა ამ ანტენების წინასწარ ანალიზს, შემდეგ კი შემდეგ ნაწილში, დეტალურად არის წარმოდგენილი და სიღრმისეულად გაანალიზებული ხუთი ტიპიური THz ანტენა.
1. ლითონის ანტენები
საყვირის ანტენა არის ტიპიური მეტალის ანტენა, რომელიც შექმნილია THz დიაპაზონში მუშაობისთვის. კლასიკური მილიმეტრიანი ტალღის მიმღების ანტენა არის კონუსური რქა. გოფრირებული და ორმაგი რეჟიმის ანტენებს ბევრი უპირატესობა აქვთ, მათ შორის ბრუნვით სიმეტრიული გამოსხივების შაბლონები, მაღალი მომატება 20-დან 30 dBi-მდე და დაბალი ჯვარედინი პოლარიზაციის დონე -30 dB და დაწყვილების ეფექტურობა 97%-დან 98%-მდე. ორი საყვირის ანტენის ხელმისაწვდომი გამტარობა არის 30%-40% და 6%-8%, შესაბამისად.
ვინაიდან ტერაჰერცის ტალღების სიხშირე ძალიან მაღალია, საყვირის ანტენის ზომა ძალიან მცირეა, რაც ართულებს რქის დამუშავებას, განსაკუთრებით ანტენის მასივების დიზაინში, ხოლო დამუშავების ტექნოლოგიის სირთულე იწვევს გადაჭარბებულ ხარჯებს და შეზღუდული წარმოება. რთული რქის დიზაინის ქვედა ნაწილის დამზადების სირთულის გამო, ჩვეულებრივ გამოიყენება მარტივი რქის ანტენა კონუსური ან კონუსური რქის სახით, რამაც შეიძლება შეამციროს ღირებულება და პროცესის სირთულე, და შენარჩუნდეს ანტენის რადიაციული მოქმედება. კარგად.
კიდევ ერთი ლითონის ანტენა არის მბრუნავი ტალღის პირამიდის ანტენა, რომელიც შედგება მოძრავი ტალღის ანტენისგან, რომელიც ინტეგრირებულია 1,2 მიკრონი დიელექტრიკულ ფილაზე და შეჩერებულია გრძივი ღრუში, რომელიც ამოტვიფრულია სილიკონის ვაფლზე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 7. ეს ანტენა არის ღია სტრუქტურა, რომელიც არის თავსებადია Schottky დიოდებთან. შედარებით მარტივი სტრუქტურისა და წარმოების დაბალი მოთხოვნების გამო, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას 0,6 ტჰც-ზე ზემოთ სიხშირის ზოლებში. თუმცა, ანტენის გვერდითი დონე და ჯვარედინი პოლარიზაციის დონე მაღალია, ალბათ მისი ღია სტრუქტურის გამო. ამიტომ, მისი შეერთების ეფექტურობა შედარებით დაბალია (დაახლოებით 50%).
სურათი 7 მოგზაური ტალღის პირამიდული ანტენა
2. დიელექტრიკული ანტენა
დიელექტრიკული ანტენა არის დიელექტრიკული სუბსტრატისა და ანტენის რადიატორის კომბინაცია. სათანადო დიზაინის წყალობით, დიელექტრიკულ ანტენას შეუძლია მიაღწიოს წინაღობის შესაბამისობას დეტექტორთან და აქვს მარტივი პროცესის, მარტივი ინტეგრაციისა და დაბალი ფასის უპირატესობები. ბოლო წლების განმავლობაში, მკვლევარებმა შექმნეს რამდენიმე ვიწროზოლიანი და ფართოზოლოვანი გვერდითი ცეცხლის ანტენა, რომელსაც შეუძლია შეესაბამებოდეს ტერაჰერცის დიელექტრიკული ანტენების დაბალი წინაღობის დეტექტორებს: პეპლის ანტენა, ორმაგი U- ფორმის ანტენა, ჟურნალ-პერიოდული ანტენა და ლოგ-პერიოდული სინუსოიდური ანტენა. ნაჩვენებია სურათზე 8. გარდა ამისა, ანტენის უფრო რთული გეომეტრიები შეიძლება შეიქმნას გენეტიკური ალგორითმების მეშვეობით.
სურათი 8 პლანზური ანტენის ოთხი ტიპი
თუმცა, ვინაიდან დიელექტრიკული ანტენა შერწყმულია დიელექტრიკულ სუბსტრატთან, ზედაპირული ტალღის ეფექტი წარმოიქმნება, როდესაც სიხშირე მიისწრაფვის THz დიაპაზონში. ეს ფატალური მინუსი გამოიწვევს ანტენის დაკარგავს დიდ ენერგიას მუშაობის დროს და გამოიწვევს ანტენის გამოსხივების ეფექტურობის მნიშვნელოვან შემცირებას. როგორც სურათზე 9-ზეა ნაჩვენები, როდესაც ანტენის გამოსხივების კუთხე აღემატება ათვლის კუთხეს, მისი ენერგია შემოიფარგლება დიელექტრიკულ სუბსტრატში და შერწყმულია სუბსტრატის რეჟიმთან.
სურათი 9 ანტენის ზედაპირის ტალღის ეფექტი
სუბსტრატის სისქის მატებასთან ერთად იზრდება მაღალი რიგის რეჟიმების რაოდენობა და იზრდება ანტენასა და სუბსტრატს შორის შეერთება, რაც იწვევს ენერგიის დაკარგვას. ზედაპირის ტალღის ეფექტის შესუსტების მიზნით, არსებობს სამი ოპტიმიზაციის სქემა:
1) ჩატვირთეთ ლინზა ანტენაზე, რათა გაიზარდოს მომატება ელექტრომაგნიტური ტალღების სხივის ფორმირების მახასიათებლების გამოყენებით.
2) შეამცირეთ სუბსტრატის სისქე ელექტრომაგნიტური ტალღების მაღალი რიგის რეჟიმების წარმოქმნის აღსაკვეთად.
3) შეცვალეთ სუბსტრატის დიელექტრიკული მასალა ელექტრომაგნიტური ზოლის უფსკრულით (EBG). EBG-ის სივრცითი ფილტრაციის მახასიათებლებს შეუძლიათ მაღალი რიგის რეჟიმების ჩახშობა.
3. ახალი მასალის ანტენები
ზემოაღნიშნული ორი ანტენის გარდა, ასევე არის ახალი მასალებისგან დამზადებული ტერაჰერცის ანტენა. მაგალითად, 2006 წელს ჯინ ჰაო და სხვ. შესთავაზა ნახშირბადის ნანომილის დიპოლური ანტენა. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 10 (ა), დიპოლი დამზადებულია ნახშირბადის ნანომილებისაგან ლითონის მასალების ნაცვლად. მან გულდასმით შეისწავლა ნახშირბადის ნანომილის დიპოლური ანტენის ინფრაწითელი და ოპტიკური თვისებები და განიხილა სასრული სიგრძის ნახშირბადის ნანომილის დიპოლური ანტენის ზოგადი მახასიათებლები, როგორიცაა შეყვანის წინაღობა, დენის განაწილება, მომატება, ეფექტურობა და გამოსხივების ნიმუში. სურათი 10 (ბ) გვიჩვენებს ნახშირბადის ნანომილის დიპოლური ანტენის შეყვანის წინაღობასა და სიხშირეს შორის ურთიერთობას. როგორც ნახაზი 10(ბ) ჩანს, შეყვანის წინაღობის წარმოსახვით ნაწილს აქვს მრავალი ნული მაღალ სიხშირეებზე. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ ანტენას შეუძლია მიაღწიოს მრავალ რეზონანსს სხვადასხვა სიხშირეზე. ცხადია, ნახშირბადის ნანომილის ანტენა ავლენს რეზონანსს გარკვეული სიხშირის დიაპაზონში (ქვედა THz სიხშირეები), მაგრამ ამ დიაპაზონის გარეთ რეზონანსი სრულიად შეუძლებელია.
სურათი 10 (ა) ნახშირბადის ნანომილის დიპოლური ანტენა. (ბ) შეყვანის წინაღობა-სიხშირის მრუდი
2012 წელს Samir F. Mahmoud და Ayed R. AlAjmi შემოგვთავაზეს ახალი ტერაჰერცის ანტენის სტრუქტურა, რომელიც დაფუძნებულია ნახშირბადის ნანომილაკებზე, რომელიც შედგება ნახშირბადის ნანომილების შეკვრისგან, რომელიც შეფუთულია ორ დიელექტრიკულ ფენაში. შიდა დიელექტრიკული ფენა არის დიელექტრიკული ქაფის ფენა, ხოლო გარე დიელექტრიკული ფენა მეტამატერიალური ფენაა. სპეციფიკური სტრუქტურა ნაჩვენებია სურათზე 11. ტესტირების შედეგად, ანტენის რადიაციული მოქმედება გაუმჯობესდა ერთკედლიან ნახშირბადის ნანომილაკებთან შედარებით.
სურათი 11 ახალი ტერაჰერცის ანტენა ნახშირბადის ნანომილაკებზე დაფუძნებული
ზემოთ შემოთავაზებული ახალი მასალის ტერაჰერცის ანტენები ძირითადად სამგანზომილებიანია. ანტენის გამტარუნარიანობის გასაუმჯობესებლად და კონფორმული ანტენების გასაკეთებლად, პლანემა გრაფენის ანტენებმა ფართო ყურადღება მიიპყრო. გრაფენს აქვს შესანიშნავი დინამიური უწყვეტი კონტროლის მახასიათებლები და შეუძლია ზედაპირის პლაზმის გენერირება მიკერძოებული ძაბვის რეგულირებით. ზედაპირული პლაზმა არსებობს დადებითი დიელექტრიკული მუდმივი სუბსტრატების (როგორიცაა Si, SiO2 და ა.შ.) და უარყოფითი დიელექტრიკული მუდმივი სუბსტრატების (როგორიცაა ძვირფასი ლითონები, გრაფენი და ა.შ.) ინტერფეისზე. არსებობს დიდი რაოდენობით „თავისუფალი ელექტრონები“ გამტარებლებში, როგორიცაა ძვირფასი ლითონები და გრაფენი. ამ თავისუფალ ელექტრონებს პლაზმასაც უწოდებენ. გამტარში თანდაყოლილი პოტენციური ველის გამო, ეს პლაზმა სტაბილურ მდგომარეობაშია და არ აწუხებს გარე სამყაროს. როდესაც ინციდენტის ელექტრომაგნიტური ტალღის ენერგია ამ პლაზმას უერთდება, პლაზმა გადაიხრება მდგრადი მდგომარეობიდან და ვიბრირებს. გარდაქმნის შემდეგ, ელექტრომაგნიტური რეჟიმი ქმნის განივი მაგნიტურ ტალღას ინტერფეისზე. დრუდის მოდელის მიერ ლითონის ზედაპირის პლაზმის დისპერსიული ურთიერთობის აღწერის მიხედვით, ლითონებს ბუნებრივად არ შეუძლიათ თავისუფალ სივრცეში ელექტრომაგნიტური ტალღების შეერთება და ენერგიის გარდაქმნა. ზედაპირული პლაზმური ტალღების გასაღვიძებლად საჭიროა სხვა მასალების გამოყენება. ზედაპირის პლაზმური ტალღები სწრაფად იშლება ლითონის-სუბსტრატის ინტერფეისის პარალელურად. როდესაც ლითონის გამტარი ატარებს ზედაპირის პერპენდიკულარული მიმართულებით, ხდება კანის ეფექტი. ცხადია, ანტენის მცირე ზომის გამო, მაღალი სიხშირის დიაპაზონში ხდება კანის ეფექტი, რაც იწვევს ანტენის მუშაობის მკვეთრ დაცემას და ვერ აკმაყოფილებს ტერაჰერცის ანტენების მოთხოვნებს. გრაფენის ზედაპირულ პლაზმონს არა მხოლოდ აქვს უფრო მაღალი შემაკავშირებელი ძალა და ნაკლები დანაკარგი, არამედ მხარს უჭერს უწყვეტ ელექტრული რეგულირებას. გარდა ამისა, გრაფენს აქვს რთული გამტარობა ტერაჰერცის ზოლში. ამიტომ, ნელი ტალღის გავრცელება დაკავშირებულია პლაზმურ რეჟიმში ტერაჰერცის სიხშირეზე. ეს მახასიათებლები სრულად ადასტურებს გრაფენის მიზანშეწონილობას ჩაანაცვლოს ლითონის მასალები ტერაჰერცის ზოლში.
გრაფენის ზედაპირის პლაზმონების პოლარიზაციის ქცევაზე დაყრდნობით, სურათი 12 გვიჩვენებს ზოლის ანტენის ახალ ტიპს და გვთავაზობს გრაფენში პლაზმური ტალღების გავრცელების მახასიათებლების ზოლის ფორმას. რეგულირებადი ანტენის ზოლის დიზაინი იძლევა ახალ გზას ახალი მასალის ტერაჰერცის ანტენების გავრცელების მახასიათებლების შესასწავლად.
სურათი 12 ახალი ზოლიანი ანტენა
ერთეულის ახალი მასალის ტერაჰერცის ანტენის ელემენტების შესწავლის გარდა, გრაფენის ნანოპაჩ ტერაჰერცის ანტენები ასევე შეიძლება შეიქმნას მასივების სახით ტერაჰერცის მრავალ შეყვანის მრავალგამომავალი ანტენის საკომუნიკაციო სისტემების შესაქმნელად. ანტენის სტრუქტურა ნაჩვენებია სურათზე 13. გრაფენის ნანოპაჩის ანტენების უნიკალური თვისებებიდან გამომდინარე, ანტენის ელემენტებს აქვთ მიკრონი მასშტაბის ზომები. ქიმიური ორთქლის დეპონირება პირდაპირ ასინთეზებს სხვადასხვა გრაფენის გამოსახულებებს ნიკელის თხელ ფენაზე და გადააქვს მათ ნებისმიერ სუბსტრატზე. კომპონენტების შესაბამისი რაოდენობის არჩევით და ელექტროსტატიკური მიკერძოების ძაბვის შეცვლით, რადიაციის მიმართულება შეიძლება ეფექტურად შეიცვალოს, რაც სისტემის ხელახლა კონფიგურირებას გახდის.
სურათი 13 გრაფენის ნანოპაჩის ტერაჰერცის ანტენის მასივი
ახალი მასალების კვლევა შედარებით ახალი მიმართულებაა. მოსალოდნელია, რომ მასალების ინოვაცია გაარღვიოს ტრადიციული ანტენების შეზღუდვები და განავითაროს სხვადასხვა სახის ახალი ანტენები, როგორიცაა ხელახლა კონფიგურირებადი მეტამასალები, ორგანზომილებიანი (2D) მასალები და ა.შ. თუმცა, ამ ტიპის ანტენა ძირითადად დამოკიდებულია ახლის ინოვაციებზე. მასალები და პროცესის ტექნოლოგიის წინსვლა. ნებისმიერ შემთხვევაში, ტერაჰერცის ანტენების განვითარება მოითხოვს ინოვაციურ მასალებს, ზუსტ დამუშავების ტექნოლოგიას და ახალი დიზაინის სტრუქტურებს, რათა დააკმაყოფილოს ტერაჰერცის ანტენების მაღალი მომატება, დაბალი ღირებულება და ფართო გამტარუნარიანობა.
ქვემოთ მოცემულია სამი ტიპის ტერაჰერცის ანტენების ძირითადი პრინციპები: ლითონის ანტენები, დიელექტრიკული ანტენები და ახალი მასალის ანტენები და აანალიზებს მათ განსხვავებებს და უპირატესობებსა და ნაკლოვანებებს.
1. ლითონის ანტენა: გეომეტრია არის მარტივი, ადვილად დასამუშავებელი, შედარებით დაბალი ღირებულება და დაბალი მოთხოვნები სუბსტრატის მასალებზე. თუმცა, ლითონის ანტენები იყენებენ მექანიკურ მეთოდს ანტენის პოზიციის დასარეგულირებლად, რომელიც მიდრეკილია შეცდომებისკენ. თუ კორექტირება არ არის სწორი, ანტენის შესრულება მნიშვნელოვნად შემცირდება. მიუხედავად იმისა, რომ ლითონის ანტენა მცირე ზომისაა, ძნელია მისი აწყობა გეგმიური სქემით.
2. დიელექტრიკული ანტენა: დიელექტრიკულ ანტენას აქვს დაბალი შეყვანის წინაღობა, ადვილად ემთხვევა დაბალი წინაღობის დეტექტორს და შედარებით მარტივი დასაკავშირებელია პლანტურ წრედთან. დიელექტრიკული ანტენების გეომეტრიულ ფორმებს მიეკუთვნება პეპლის ფორმა, ორმაგი U ფორმა, ჩვეულებრივი ლოგარითმული ფორმა და ლოგარითმული პერიოდული სინუსური ფორმა. თუმცა, დიელექტრიკულ ანტენებს ასევე აქვთ ფატალური ხარვეზი, კერძოდ, ზედაპირული ტალღის ეფექტი გამოწვეული სქელი სუბსტრატით. გამოსავალი არის ლინზის ჩატვირთვა და დიელექტრიკული სუბსტრატის შეცვლა EBG სტრუქტურით. ორივე გამოსავალი მოითხოვს ინოვაციებს და პროცესის ტექნოლოგიისა და მასალების მუდმივ გაუმჯობესებას, მაგრამ მათი შესანიშნავი შესრულება (როგორიცაა omnidirectionality და ზედაპირული ტალღების ჩახშობა) შეუძლია ახალი იდეების შექმნა ტერაჰერცის ანტენების კვლევისთვის.
3. ახალი მატერიალური ანტენები: ამჟამად გამოჩნდა ნახშირბადის ნანომილებისაგან დამზადებული ახალი დიპოლური ანტენები და მეტამასალებისგან დამზადებული ახალი ანტენის სტრუქტურები. ახალ მასალებს შეუძლიათ ახალი გარღვევების მოტანა, მაგრამ წინაპირობა არის მასალების მეცნიერების ინოვაცია. ამჟამად ახალი მასალის ანტენების კვლევა ჯერ კიდევ საძიებო ეტაპზეა და ბევრი ძირითადი ტექნოლოგია საკმარისად მომწიფებული არ არის.
მოკლედ, სხვადასხვა ტიპის ტერაჰერცის ანტენების შერჩევა შესაძლებელია დიზაინის მოთხოვნების მიხედვით:
1) თუ საჭიროა მარტივი დიზაინი და დაბალი წარმოების ღირებულება, შეიძლება შეირჩეს ლითონის ანტენები.
2) თუ საჭიროა მაღალი ინტეგრაცია და დაბალი შეყვანის წინაღობა, შეიძლება შეირჩეს დიელექტრიკული ანტენები.
3) თუ საჭიროა გარღვევა შესრულებაში, შეიძლება შეირჩეს ახალი მასალის ანტენები.
ზემოაღნიშნული დიზაინები ასევე შეიძლება მორგებული იყოს კონკრეტული მოთხოვნების შესაბამისად. მაგალითად, ორი ტიპის ანტენა შეიძლება გაერთიანდეს მეტი უპირატესობის მოსაპოვებლად, მაგრამ შეკრების მეთოდი და დიზაინის ტექნოლოგია უნდა აკმაყოფილებდეს უფრო მკაცრ მოთხოვნებს.
ანტენების შესახებ მეტი ინფორმაციისთვის ეწვიეთ:
გამოქვეყნების დრო: აგვისტო-02-2024
