უკაბელო მოწყობილობების მზარდ პოპულარობასთან ერთად, მონაცემთა სერვისები სწრაფი განვითარების ახალ პერიოდში შევიდა, რომელიც ასევე ცნობილია, როგორც მონაცემთა სერვისების ფეთქებადი ზრდა. ამჟამად, დიდი რაოდენობით აპლიკაციები თანდათანობით გადადის კომპიუტერებიდან უკაბელო მოწყობილობებზე, როგორიცაა მობილური ტელეფონები, რომლებიც მარტივად სატარებელი და რეალურ დროში მართვადია, მაგრამ ამ სიტუაციამ ასევე გამოიწვია მონაცემთა ტრაფიკის სწრაფი ზრდა და გამტარუნარიანობის რესურსების დეფიციტი. სტატისტიკის თანახმად, ბაზარზე მონაცემთა გადაცემის სიჩქარემ შესაძლოა მომდევნო 10-15 წლის განმავლობაში მიაღწიოს გბიტ/წმ-ს ან თუნდაც ტერაბაიტს. ამჟამად, თერციან კომუნიკაციამ მიაღწია გბიტ/წმ მონაცემთა გადაცემის სიჩქარეს, მაშინ როდესაც ტერაბაიტს წამში მონაცემთა გადაცემის სიჩქარე ჯერ კიდევ განვითარების ადრეულ ეტაპზეა. დაკავშირებულ ნაშრომში ჩამოთვლილია გბიტ/წმ მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის უახლესი პროგრესი თერციან დიაპაზონზე დაყრდნობით და პროგნოზირებულია, რომ ტერაბაიტს წამში მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის მიღწევა შესაძლებელია პოლარიზაციის მულტიპლექსირების გზით. ამიტომ, მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის გასაზრდელად, შესაძლო გამოსავალია ახალი სიხშირული დიაპაზონის, ტერაჰერცული დიაპაზონის, შემუშავება, რომელიც მიკროტალღებსა და ინფრაწითელ სინათლეს შორის „ცარიელ ზონაშია“. 2019 წელს ITU-ს მსოფლიო რადიოკომუნიკაციების კონფერენციაზე (WRC-19) ფიქსირებული და სახმელეთო მობილური სერვისებისთვის გამოყენებული იქნა 275-450 გჰც სიხშირის დიაპაზონი. ჩანს, რომ ტერაჰერცული უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემებმა მრავალი მკვლევრის ყურადღება მიიპყრო.
ტერაჰერცული ელექტრომაგნიტური ტალღები ზოგადად განისაზღვრება, როგორც 0.1-10 თერაცჰც სიხშირის დიაპაზონი (1 თერაცჰც=1012 ჰერცი) 0.03-3 მმ ტალღის სიგრძით. IEEE სტანდარტის მიხედვით, ტერაჰერცული ტალღები განისაზღვრება, როგორც 0.3-10 თერაცჰც. სურათი 1 გვიჩვენებს, რომ ტერაჰერცული სიხშირის დიაპაზონი მიკროტალღებსა და ინფრაწითელ სინათლეს შორისაა.
სურ. 1. თერაცის სიხშირის დიაპაზონის სქემატური დიაგრამა.
ტერაჰერცული ანტენების შემუშავება
მიუხედავად იმისა, რომ ტერაჰერცული გამოსხივების კვლევა მე-19 საუკუნეში დაიწყო, იმ დროს ის დამოუკიდებელ დარგად არ იყო შესწავლილი. ტერაჰერცული გამოსხივების კვლევა ძირითადად შორეულ ინფრაწითელ დიაპაზონზე იყო ორიენტირებული. მხოლოდ მე-20 საუკუნის შუა ან ბოლო პერიოდში დაიწყეს მკვლევარებმა მილიმეტრიანი ტალღების კვლევის ტერაჰერცული დიაპაზონისკენ წინსვლა და ტერაჰერცული ტექნოლოგიების სპეციალიზებული კვლევის ჩატარება.
1980-იან წლებში ტერაჰერცული გამოსხივების წყაროების გაჩენამ შესაძლებელი გახადა ტერაჰერცული ტალღების გამოყენება პრაქტიკულ სისტემებში. 21-ე საუკუნიდან მოყოლებული, უკაბელო საკომუნიკაციო ტექნოლოგიები სწრაფად განვითარდა და ადამიანების მოთხოვნამ ინფორმაციაზე და საკომუნიკაციო აღჭურვილობის ზრდამ საკომუნიკაციო მონაცემების გადაცემის სიჩქარეზე უფრო მკაცრი მოთხოვნები წამოაყენა. ამიტომ, მომავლის საკომუნიკაციო ტექნოლოგიების ერთ-ერთი გამოწვევაა ერთ ადგილას მაღალი მონაცემების სიჩქარით, გიგაბიტი წამში მუშაობა. ამჟამინდელი ეკონომიკური განვითარების პირობებში, სპექტრის რესურსები სულ უფრო მწირი ხდება. თუმცა, ადამიანის მოთხოვნები საკომუნიკაციო სიმძლავრისა და სიჩქარის მიმართ უსასრულოა. სპექტრის გადატვირთულობის პრობლემის მოსაგვარებლად, ბევრი კომპანია იყენებს მრავალჯერადი შეყვანის მრავალჯერადი გამოყვანის (MIMO) ტექნოლოგიას სპექტრის ეფექტურობისა და სისტემის სიმძლავრის გასაუმჯობესებლად სივრცითი მულტიპლექსირების გზით. 5G ქსელების განვითარებასთან ერთად, თითოეული მომხმარებლის მონაცემთა კავშირის სიჩქარე გადააჭარბებს გბიტ/წმ-ს და საბაზო სადგურების მონაცემთა ტრაფიკიც მნიშვნელოვნად გაიზრდება. ტრადიციული მილიმეტრიანი ტალღის საკომუნიკაციო სისტემებისთვის, მიკროტალღური კავშირები ვერ შეძლებენ ამ უზარმაზარი მონაცემთა ნაკადების დამუშავებას. გარდა ამისა, ხედვის ხაზის გავლენის გამო, ინფრაწითელი კომუნიკაციის გადაცემის მანძილი მოკლეა და მისი საკომუნიკაციო აღჭურვილობის მდებარეობა ფიქსირებულია. ამიტომ, თერციანი ტალღები, რომლებიც მიკროტალღებსა და ინფრაწითელს შორისაა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალსიჩქარიანი საკომუნიკაციო სისტემების შესაქმნელად და მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის გასაზრდელად თერციანი კავშირების გამოყენებით.
ტერაჰერცული ტალღები უზრუნველყოფს უფრო ფართო საკომუნიკაციო გამტარობას და მისი სიხშირის დიაპაზონი დაახლოებით 1000-ჯერ აღემატება მობილური კომუნიკაციის სიხშირის დიაპაზონს. ამიტომ, ულტრამაღალსიჩქარიანი უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემების შესაქმნელად თერცის გამოყენება მაღალი მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის გამოწვევის პერსპექტიული გადაწყვეტაა, რამაც მრავალი კვლევითი ჯგუფისა და ინდუსტრიის ინტერესი გამოიწვია. 2017 წლის სექტემბერში გამოვიდა პირველი თერცის უკაბელო კომუნიკაციის სტანდარტი IEEE 802.15.3d-2017, რომელიც განსაზღვრავს წერტილიდან წერტილამდე მონაცემთა გაცვლას 252-325 გჰც სიხშირის ქვედა დიაპაზონში. კავშირის ალტერნატიულ ფიზიკურ ფენას (PHY) შეუძლია მიაღწიოს 100 გბიტ/წმ-მდე მონაცემთა გადაცემის სიჩქარეს სხვადასხვა გამტარობაზე.
პირველი წარმატებული 0.12 თჰც სიხშირის თჰც საკომუნიკაციო სისტემა 2004 წელს შეიქმნა, ხოლო 0.3 თჰც სიხშირის თჰც სიხშირის საკომუნიკაციო სისტემა 2013 წელს განხორციელდა. ცხრილი 1 ასახავს იაპონიაში ტერაჰერცული საკომუნიკაციო სისტემების კვლევის პროგრესს 2004 წლიდან 2013 წლამდე.
ცხრილი 1. იაპონიაში ტერაჰერცული საკომუნიკაციო სისტემების კვლევის პროგრესი 2004 წლიდან 2013 წლამდე
2004 წელს შემუშავებული საკომუნიკაციო სისტემის ანტენის სტრუქტურა დეტალურად აღწერილი იყო Nippon Telegraph and Telephone Corporation-ის (NTT) მიერ 2005 წელს. ანტენის კონფიგურაცია ორ შემთხვევაში იქნა წარმოდგენილი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში.
სურათი 2. იაპონიის NTT 120 GHz უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემის სქემატური დიაგრამა
სისტემა აერთიანებს ფოტოელექტრულ გარდაქმნას და ანტენას და იღებს ორ სამუშაო რეჟიმს:
1. ახლო მანძილზე დახურულ გარემოში, დახურულ სივრცეში გამოყენებული ბრტყელი ანტენის გადამცემი შედგება ერთხაზიანი გადამტანი ფოტოდიოდის (UTC-PD) ჩიპის, ბრტყელი სლოტიანი ანტენისა და სილიკონის ლინზისგან, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 2(ა)-ზე.
2. შორ მანძილზე მოქმედ გარე გარემოში, დეტექტორის დიდი გადაცემის დანაკარგებისა და დაბალი მგრძნობელობის გავლენის გასაუმჯობესებლად, გადამცემ ანტენას უნდა ჰქონდეს მაღალი გაძლიერება. არსებული ტერაჰერცული ანტენა იყენებს გაუსის ოპტიკურ ლინზას 50 dBi-ზე მეტი გამაძლიერებლით. მიმწოდებელი რქისა და დიელექტრიკული ლინზის კომბინაცია ნაჩვენებია ნახაზ 2(ბ)-ზე.
0.12 THz საკომუნიკაციო სისტემის შემუშავების გარდა, NTT-მ 2012 წელს ასევე შეიმუშავა 0.3 THz საკომუნიკაციო სისტემა. უწყვეტი ოპტიმიზაციის გზით, გადაცემის სიჩქარემ შეიძლება 100 გბიტ/წმ-ს მიაღწიოს. როგორც ცხრილი 1-დან ჩანს, მან დიდი წვლილი შეიტანა ტერაჰერცული კომუნიკაციის განვითარებაში. თუმცა, ამჟამინდელ კვლევით სამუშაოს აქვს უარყოფითი მხარეები, როგორიცაა დაბალი ოპერაციული სიხშირე, დიდი ზომა და მაღალი ღირებულება.
ამჟამად გამოყენებული ტერაჰერცული ანტენების უმეტესობა მილიმეტრიანი ტალღის ანტენებისგან არის მოდიფიცირებული და ტერაჰერცულ ანტენებში ინოვაციები მცირეა. ამიტომ, ტერაჰერცული საკომუნიკაციო სისტემების მუშაობის გასაუმჯობესებლად, მნიშვნელოვანი ამოცანაა ტერაჰერცული ანტენების ოპტიმიზაცია. ცხრილი 2 ასახავს გერმანული თერცული კომუნიკაციის კვლევის პროგრესს. სურათი 3 (ა) გვიჩვენებს წარმომადგენლობით თერცულ უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემას, რომელიც აერთიანებს ფოტონიკასა და ელექტრონიკას. სურათი 3 (ბ) გვიჩვენებს ქარის გვირაბის ტესტირების ადგილს. გერმანიაში არსებული კვლევითი სიტუაციიდან გამომდინარე, მის კვლევასა და განვითარებას ასევე აქვს ნაკლოვანებები, როგორიცაა დაბალი სამუშაო სიხშირე, მაღალი ღირებულება და დაბალი ეფექტურობა.
ცხრილი 2. გერმანიაში THz კომუნიკაციის კვლევის პროგრესი
სურათი 3. აეროდინამიკური გვირაბის ტესტის სცენა
CSIRO-ს საინფორმაციო და საკომუნიკაციო ტექნოლოგიების ცენტრმა ასევე დაიწყო კვლევა თერციანი სიხშირის შიდა უსადენო საკომუნიკაციო სისტემების შესახებ. ცენტრმა შეისწავლა წელიწადსა და საკომუნიკაციო სიხშირეს შორის ურთიერთობა, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 4-ზე. როგორც ჩანს ნახაზ 4-დან, 2020 წლისთვის უკაბელო კომუნიკაციების კვლევა თერციანი დიაპაზონისკენ მიისწრაფვის. რადიოსპექტრის გამოყენებით მაქსიმალური საკომუნიკაციო სიხშირე დაახლოებით ათჯერ იზრდება ყოველ ოცი წელიწადში ერთხელ. ცენტრმა შეიმუშავა რეკომენდაციები თერციანი ანტენების მოთხოვნებთან დაკავშირებით და შემოგვთავაზა ტრადიციული ანტენები, როგორიცაა რქები და ლინზები თერციანი საკომუნიკაციო სისტემებისთვის. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 5-ზე, ორი რქისებრი ანტენა მუშაობს შესაბამისად 0.84 თებერვალს და 1.7 თებერვალს სიხშირეზე, მარტივი სტრუქტურით და კარგი გაუსის სხივის მახასიათებლებით.
სურათი 4. წელსა და სიხშირეს შორის კავშირი
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
სურათი 5. ორი ტიპის რქისებრი ანტენა
შეერთებულმა შტატებმა ჩაატარა ვრცელი კვლევა ტერაჰერცული ტალღების გამოსხივებისა და აღმოჩენის შესახებ. ცნობილ ტერაჰერცულ კვლევით ლაბორატორიებს შორისაა რეაქტიული ძრავის ლაბორატორია (JPL), სტენფორდის ხაზოვანი ამაჩქარებლის ცენტრი (SLAC), აშშ-ის ეროვნული ლაბორატორია (LLNL), ეროვნული აერონავტიკისა და კოსმოსური სივრცის ადმინისტრაცია (NASA), ეროვნული სამეცნიერო ფონდი (NSF) და ა.შ. შემუშავებულია ტერაჰერცული აპლიკაციებისთვის ახალი ტერაჰერცული ანტენები, როგორიცაა ბაფთიანი ანტენები და სიხშირული სხივის მართვის ანტენები. ტერაჰერცული ანტენების შემუშავების მიხედვით, ამჟამად შეგვიძლია მივიღოთ ტერაჰერცული ანტენების სამი ძირითადი დიზაინის იდეა, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 6-ში.
სურათი 6. ტერაჰერცული ანტენების სამი ძირითადი დიზაინის იდეა
ზემოთ მოყვანილი ანალიზი აჩვენებს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ბევრმა ქვეყანამ დიდი ყურადღება დაუთმო ტერაჰერცულ ანტენებს, ისინი ჯერ კიდევ საწყის ეტაპზეა კვლევისა და განვითარების ეტაპზე. მაღალი გავრცელების დანაკარგისა და მოლეკულური შთანთქმის გამო, თერცული ანტენები, როგორც წესი, შეზღუდულია გადაცემის მანძილითა და დაფარვით. ზოგიერთი კვლევა ფოკუსირებულია თერცული დიაპაზონის დაბალ ოპერაციულ სიხშირეებზე. არსებული ტერაჰერცული ანტენების კვლევა ძირითადად ფოკუსირებულია დიელექტრული ლინზების ანტენების და ა.შ. გამოყენებით გაძლიერების გაუმჯობესებაზე და შესაბამისი ალგორითმების გამოყენებით კომუნიკაციის ეფექტურობის გაუმჯობესებაზე. გარდა ამისა, ასევე ძალიან აქტუალური საკითხია, თუ როგორ გავუმჯობესოთ ტერაჰერცული ანტენის შეფუთვის ეფექტურობა.
ზოგადი THz ანტენები
არსებობს თერციანი ანტენების მრავალი ტიპი: დიპოლური ანტენები კონუსური ღრუებით, კუთხის რეფლექტორული მასივები, ბაფთიანი დიპოლები, დიელექტრული ლინზების ბრტყელი ანტენები, ფოტოგამტარი ანტენები თერციანი წყაროს გამოსხივების წყაროების გენერირებისთვის, რქისებრი ანტენები, გრაფენის მასალებზე დაფუძნებული თერციანი ანტენები და ა.შ. თერციანი ანტენების დასამზადებლად გამოყენებული მასალების მიხედვით, ისინი შეიძლება დაიყოს ლითონის ანტენებად (ძირითადად რქისებრი ანტენები), დიელექტრიკულ ანტენებად (ლინზური ანტენები) და ახალი მასალის ანტენებად. ეს ნაწილი თავდაპირველად იძლევა ამ ანტენების წინასწარ ანალიზს, ხოლო შემდეგ ნაწილში დეტალურად და სიღრმისეულად არის წარმოდგენილი ხუთი ტიპიური თერციანი ანტენა.
1. ლითონის ანტენები
რქისებრი ანტენა ტიპიური მეტალის ანტენაა, რომელიც შექმნილია თერც დიაპაზონში სამუშაოდ. კლასიკური მილიმეტრიანი ტალღის მიმღების ანტენა კონუსური რქაა. გოფრირებულ და ორმოდიან ანტენებს ბევრი უპირატესობა აქვთ, მათ შორის ბრუნვით სიმეტრიული გამოსხივების ნიმუშები, 20-დან 30 დბი-მდე მაღალი გაძლიერება და -30 დბ-მდე დაბალი ჯვარედინი პოლარიზაციის დონე და 97%-დან 98%-მდე შეერთების ეფექტურობა. ორი რქისებრი ანტენის ხელმისაწვდომი გამტარობა შესაბამისად 30%-40% და 6%-8%-ია.
ვინაიდან ტერაჰერცული ტალღების სიხშირე ძალიან მაღალია, რქისებრი ანტენის ზომა ძალიან მცირეა, რაც რქის დამუშავებას ძალიან ართულებს, განსაკუთრებით ანტენის მასივების დიზაინში, ხოლო დამუშავების ტექნოლოგიის სირთულე იწვევს ზედმეტ ხარჯებს და შეზღუდულ წარმოებას. რთული რქის დიზაინის ქვედა ნაწილის დამზადების სირთულის გამო, ჩვეულებრივ გამოიყენება კონუსური ან კონუსური რქის ფორმის მარტივი რქისებრი ანტენა, რომელსაც შეუძლია შეამციროს ღირებულება და პროცესის სირთულე, ხოლო ანტენის გამოსხივების მახასიათებლები კარგად შენარჩუნდეს.
კიდევ ერთი მეტალის ანტენა არის მოძრავი ტალღის პირამიდისებრი ანტენა, რომელიც შედგება მოძრავი ტალღის ანტენისგან, რომელიც ინტეგრირებულია 1.2 მიკრონიან დიელექტრულ ფენაზე და ჩამოკიდებულია სილიკონის ვაფლზე ამოტვიფრულ გრძივ ღრუში, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 7-ზე. ეს ანტენა ღია სტრუქტურაა, რომელიც თავსებადია შოტკის დიოდებთან. შედარებით მარტივი სტრუქტურისა და დაბალი წარმოების მოთხოვნების გამო, მისი გამოყენება ზოგადად შესაძლებელია 0.6 თჰც-ზე მაღალ სიხშირულ დიაპაზონებში. თუმცა, ანტენის გვერდითი წილების დონე და ჯვარედინი პოლარიზაციის დონე მაღალია, სავარაუდოდ, მისი ღია სტრუქტურის გამო. ამიტომ, მისი შეერთების ეფექტურობა შედარებით დაბალია (დაახლოებით 50%).
სურათი 7 მოძრავი ტალღის პირამიდული ანტენა
2. დიელექტრიკული ანტენა
დიელექტრული ანტენა წარმოადგენს დიელექტრული სუბსტრატისა და ანტენის რადიატორის კომბინაციას. სათანადო დიზაინის შემთხვევაში, დიელექტრიკულ ანტენას შეუძლია მიაღწიოს დეტექტორთან იმპედანსის შესაბამისობას და აქვს მარტივი პროცესის, მარტივი ინტეგრაციისა და დაბალი ღირებულების უპირატესობები. ბოლო წლებში მკვლევარებმა შექმნეს რამდენიმე ვიწროზოლოვანი და ფართოზოლოვანი გვერდითი ცეცხლის ანტენა, რომლებიც შეიძლება შეესაბამებოდეს ტერაჰერცული დიელექტრული ანტენების დაბალი წინაღობის დეტექტორებს: პეპლისებრი ანტენა, ორმაგი U-ფორმის ანტენა, ლოგ-პერიოდული ანტენა და ლოგ-პერიოდული სინუსოიდური ანტენა, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 8-ში. გარდა ამისა, გენეტიკური ალგორითმების საშუალებით შესაძლებელია უფრო რთული ანტენის გეომეტრიის დაპროექტება.
სურათი 8. ბრტყელი ანტენების ოთხი ტიპი
თუმცა, რადგან დიელექტრული ანტენა დიელექტრულ სუბსტრატთან არის შერწყმული, როდესაც სიხშირე თერცის დიაპაზონისკენ მიისწრაფვის, ზედაპირული ტალღის ეფექტი წარმოიქმნება. ეს ფატალური ნაკლი გამოიწვევს ანტენის დიდი რაოდენობით ენერგიის დაკარგვას მუშაობის დროს და ანტენის გამოსხივების ეფექტურობის მნიშვნელოვან შემცირებას. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 9-ში, როდესაც ანტენის გამოსხივების კუთხე მეტია გათიშვის კუთხეზე, მისი ენერგია შემოიფარგლება დიელექტრიკულ სუბსტრატში და დაკავშირებულია სუბსტრატის რეჟიმთან.
სურათი 9 ანტენის ზედაპირული ტალღის ეფექტი
სუბსტრატის სისქის ზრდასთან ერთად, მაღალი რიგის რეჟიმების რაოდენობა იზრდება და ანტენასა და სუბსტრატს შორის კავშირი იზრდება, რაც ენერგიის დანაკარგს იწვევს. ზედაპირული ტალღის ეფექტის შესასუსტებლად, არსებობს ოპტიმიზაციის სამი სქემა:
1) ელექტრომაგნიტური ტალღების სხივის ფორმირების მახასიათებლების გამოყენებით, გაძლიერების გასაზრდელად ანტენაზე დაამაგრეთ ლინზა.
2) სუბსტრატის სისქის შემცირება ელექტრომაგნიტური ტალღების მაღალი რიგის რეჟიმების გენერაციის ჩასახშობად.
3) სუბსტრატის დიელექტრიკული მასალის შეცვლა ელექტრომაგნიტური ზონის უფსკრულით (EBG). EBG-ის სივრცითი ფილტრაციის მახასიათებლებს შეუძლიათ მაღალი რიგის რეჟიმების დათრგუნვა.
3. ახალი მასალის ანტენები
ზემოთ ჩამოთვლილი ორი ანტენის გარდა, არსებობს ახალი მასალებისგან დამზადებული ტერაჰერცული ანტენაც. მაგალითად, 2006 წელს ჯინ ჰაომ და სხვებმა შემოგვთავაზეს ნახშირბადის ნანომილაკების დიპოლური ანტენა. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 10 (ა)-ზე, დიპოლი დამზადებულია ნახშირბადის ნანომილაკებისგან და არა ლითონის მასალებისგან. მან ყურადღებით შეისწავლა ნახშირბადის ნანომილაკების დიპოლური ანტენის ინფრაწითელი და ოპტიკური თვისებები და განიხილა სასრული სიგრძის ნახშირბადის ნანომილაკების დიპოლური ანტენის ზოგადი მახასიათებლები, როგორიცაა შემავალი წინაღობა, დენის განაწილება, გაძლიერება, ეფექტურობა და გამოსხივების სურათი. სურათი 10 (ბ) გვიჩვენებს შემავალი წინაღობისა და ნახშირბადის ნანომილაკების დიპოლური ანტენის სიხშირეს შორის დამოკიდებულებას. როგორც ჩანს ნახაზ 10 (ბ)-ზე, შემავალი წინაღობის წარმოსახვით ნაწილს აქვს მრავალი ნული მაღალ სიხშირეებზე. ეს მიუთითებს, რომ ანტენას შეუძლია მიაღწიოს მრავალ რეზონანსს სხვადასხვა სიხშირეზე. ცხადია, ნახშირბადის ნანომილაკების ანტენა ავლენს რეზონანსს გარკვეულ სიხშირის დიაპაზონში (დაბალი THz სიხშირეები), მაგრამ სრულიად ვერ ახერხებს ამ დიაპაზონის გარეთ რეზონანსს.
სურათი 10 (ა) ნახშირბადის ნანომილაკების დიპოლური ანტენა. (ბ) შეყვანის წინაღობა-სიხშირის მრუდი
2012 წელს სამირ ფ. მაჰმუდმა და აიედ რ. ალ აჯმიმ შემოგვთავაზეს ნახშირბადის ნანომილაკებზე დაფუძნებული ახალი ტერაჰერცული ანტენის სტრუქტურა, რომელიც შედგება ორ დიელექტრიკულ ფენაში გახვეული ნახშირბადის ნანომილაკების შეკვრისგან. შიდა დიელექტრიკული ფენა დიელექტრიკული ქაფის ფენაა, ხოლო გარეთა დიელექტრიკული ფენა მეტამასალის ფენა. სპეციფიკური სტრუქტურა ნაჩვენებია ნახაზ 11-ში. ტესტირების შედეგად, ანტენის გამოსხივების მახასიათებლები გაუმჯობესდა ერთკედლიან ნახშირბადის ნანომილაკებთან შედარებით.
სურათი 11. ნახშირბადის ნანომილაკებზე დაფუძნებული ახალი ტერაჰერცული ანტენა
ზემოთ შემოთავაზებული ახალი მასალის ტერაჰერცული ანტენები ძირითადად სამგანზომილებიანია. ანტენის გამტარობის გასაუმჯობესებლად და კონფორმული ანტენების შესაქმნელად, ბრტყელ გრაფენის ანტენებმა ფართო ყურადღება მიიპყრო. გრაფენს აქვს შესანიშნავი დინამიური უწყვეტი მართვის მახასიათებლები და შეუძლია ზედაპირული პლაზმის გენერირება გადახრის ძაბვის რეგულირებით. ზედაპირული პლაზმა არსებობს დადებითი დიელექტრული მუდმივის სუბსტრატებს (როგორიცაა Si, SiO2 და ა.შ.) და უარყოფითი დიელექტრული მუდმივის სუბსტრატებს (როგორიცაა ძვირფასი ლითონები, გრაფენი და ა.შ.) შორის ინტერფეისზე. გამტარებში, როგორიცაა ძვირფასი ლითონები და გრაფენი, დიდი რაოდენობით „თავისუფალი ელექტრონებია“. ამ თავისუფალ ელექტრონებს ასევე პლაზმას უწოდებენ. გამტარში არსებული თანდაყოლილი პოტენციური ველის გამო, ეს პლაზმები სტაბილურ მდგომარეობაშია და არ არის შეწუხებული გარე სამყაროთი. როდესაც დაცემული ელექტრომაგნიტური ტალღის ენერგია უკავშირდება ამ პლაზმას, პლაზმა გადაიხრება სტაბილური მდგომარეობიდან და ვიბრირებს. გარდაქმნის შემდეგ, ელექტრომაგნიტური რეჟიმი ინტერფეისზე ქმნის განივი მაგნიტურ ტალღას. ლითონის ზედაპირის პლაზმის დისპერსიული ურთიერთობის დრუდის მოდელით აღწერილობის თანახმად, ლითონებს არ შეუძლიათ ბუნებრივად შეერთდნენ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს თავისუფალ სივრცეში და გარდაქმნან ენერგია. ზედაპირული პლაზმური ტალღების აღსაგზნებლად აუცილებელია სხვა მასალების გამოყენება. ზედაპირული პლაზმური ტალღები სწრაფად იშლება ლითონ-სუბსტრატის ინტერფეისის პარალელური მიმართულებით. როდესაც ლითონის გამტარი ატარებს სიგნალს ზედაპირის პერპენდიკულარული მიმართულებით, ხდება კანის ეფექტი. ცხადია, ანტენის მცირე ზომის გამო, მაღალი სიხშირის დიაპაზონში ხდება კანის ეფექტი, რაც იწვევს ანტენის მუშაობის მკვეთრ ვარდნას და ვერ აკმაყოფილებს ტერაჰერცული ანტენების მოთხოვნებს. გრაფენის ზედაპირულ პლაზმონს არა მხოლოდ უფრო მაღალი შეკავშირების ძალა და დაბალი დანაკარგები აქვს, არამედ მხარს უჭერს უწყვეტ ელექტრულ რეგულირებას. გარდა ამისა, გრაფენს აქვს რთული გამტარობა ტერაჰერცულ დიაპაზონში. ამიტომ, ნელი ტალღის გავრცელება დაკავშირებულია პლაზმურ რეჟიმთან ტერაჰერცულ სიხშირეებზე. ეს მახასიათებლები სრულად აჩვენებს გრაფენის მიერ ტერაჰერცულ დიაპაზონში ლითონის მასალების ჩანაცვლების შესაძლებლობას.
გრაფენის ზედაპირული პლაზმონების პოლარიზაციის ქცევის საფუძველზე, სურათი 12 გვიჩვენებს ზოლიანი ანტენის ახალ ტიპს და გვთავაზობს გრაფენში პლაზმური ტალღების გავრცელების მახასიათებლების ზოლის ფორმას. რეგულირებადი ანტენის ზოლის დიზაინი იძლევა ახალი ტერაჰერცული მასალის ანტენების გავრცელების მახასიათებლების შესწავლის ახალ გზას.
სურათი 12 ახალი ზოლიანი ანტენა
ახალი მასალისგან დამზადებული ტერაჰერცული ანტენის ელემენტების შესწავლის გარდა, გრაფენის ნანოპაჩ-ტერაჰერცული ანტენების დაპროექტება ასევე შესაძლებელია მასივებად, რათა შეიქმნას ტერაჰერცული მრავალშემავალი და მრავალგამომავალი ანტენის საკომუნიკაციო სისტემები. ანტენის სტრუქტურა ნაჩვენებია ნახაზ 13-ში. გრაფენის ნანოპაჩ-ანტენების უნიკალური თვისებების საფუძველზე, ანტენის ელემენტებს აქვთ მიკრონის მასშტაბის ზომები. ქიმიური ორთქლის დეპონირება პირდაპირ სინთეზირებს სხვადასხვა გრაფენის გამოსახულებებს თხელ ნიკელის ფენაზე და გადასცემს მათ ნებისმიერ სუბსტრატზე. კომპონენტების შესაბამისი რაოდენობის შერჩევით და ელექტროსტატიკური გადახრის ძაბვის შეცვლით, გამოსხივების მიმართულება შეიძლება ეფექტურად შეიცვალოს, რაც სისტემის რეკონფიგურირებადს ხდის.
სურათი 13 გრაფენის ნანოპაჩების ტერაჰერცული ანტენის მასივი
ახალი მასალების კვლევა შედარებით ახალი მიმართულებაა. მასალების ინოვაცია, სავარაუდოდ, ტრადიციული ანტენების შეზღუდვებს გადალახავს და სხვადასხვა ახალი ანტენების, როგორიცაა რეკონფიგურირებადი მეტამასალები, ორგანზომილებიანი (2D) მასალები და ა.შ., შექმნას. თუმცა, ამ ტიპის ანტენა ძირითადად ახალი მასალების ინოვაციასა და პროცესის ტექნოლოგიების განვითარებაზეა დამოკიდებული. ნებისმიერ შემთხვევაში, ტერაჰერცული ანტენების შემუშავება მოითხოვს ინოვაციურ მასალებს, ზუსტ დამუშავების ტექნოლოგიას და ახალი დიზაინის სტრუქტურებს, რათა დააკმაყოფილოს ტერაჰერცული ანტენების მაღალი გაძლიერების, დაბალი ღირებულებისა და ფართო გამტარუნარიანობის მოთხოვნები.
ქვემოთ მოცემულია ტერაჰერცული ანტენების სამი ტიპის ძირითადი პრინციპები: ლითონის ანტენები, დიელექტრიკული ანტენები და ახალი მასალის ანტენები, და გაანალიზებულია მათი განსხვავებები, უპირატესობები და ნაკლოვანებები.
1. ლითონის ანტენა: გეომეტრია მარტივია, ადვილად დასამუშავებელი, შედარებით დაბალი ფასით და დაბალი მოთხოვნებით სუბსტრატის მასალების მიმართ. თუმცა, ლითონის ანტენები ანტენის პოზიციის რეგულირებისთვის მექანიკურ მეთოდს იყენებენ, რაც შეცდომების დაშვებისკენაა მიდრეკილი. თუ რეგულირება არასწორია, ანტენის მუშაობა მნიშვნელოვნად შემცირდება. მიუხედავად იმისა, რომ ლითონის ანტენა პატარა ზომისაა, მისი ბრტყელი წრედით აწყობა რთულია.
2. დიელექტრიკული ანტენა: დიელექტრიკულ ანტენას აქვს დაბალი შეყვანის წინაღობა, მისი შეთავსება დაბალი წინაღობის დეტექტორთან მარტივია და შედარებით მარტივია ბრტყელ წრედთან დაკავშირება. დიელექტრიკული ანტენების გეომეტრიული ფორმები მოიცავს პეპლის ფორმას, ორმაგი U ფორმას, ჩვეულებრივ ლოგარითმულ ფორმას და ლოგარითმულ პერიოდულ სინუსოიდურ ფორმას. თუმცა, დიელექტრიკულ ანტენებს ასევე აქვთ ფატალური ნაკლი, კერძოდ, ზედაპირული ტალღის ეფექტი, რომელიც გამოწვეულია სქელი სუბსტრატით. გამოსავალია ლინზის ჩატვირთვა და დიელექტრიკული სუბსტრატის EBG სტრუქტურით ჩანაცვლება. ორივე გადაწყვეტა მოითხოვს ინოვაციას და პროცესის ტექნოლოგიისა და მასალების მუდმივ გაუმჯობესებას, მაგრამ მათი შესანიშნავი მახასიათებლები (როგორიცაა ყოვლისმიმართულება და ზედაპირული ტალღის ჩახშობა) შეიძლება ახალ იდეებს ქმნიდეს ტერაჰერცული ანტენების კვლევისთვის.
3. ახალი მასალისგან დამზადებული ანტენები: ამჟამად, გამოჩნდა ნახშირბადის ნანომილაკებისგან დამზადებული ახალი დიპოლური ანტენები და მეტამასალებისგან დამზადებული ახალი ანტენის სტრუქტურები. ახალ მასალებს შეუძლიათ ახალი მიღწევების მოტანა მუშაობის მხრივ, მაგრამ წინაპირობა მასალათმცოდნეობის ინოვაციაა. ამჟამად, ახალი მასალისგან დამზადებული ანტენების კვლევა ჯერ კიდევ საძიებო ეტაპზეა და ბევრი ძირითადი ტექნოლოგია საკმარისად მომწიფებული არ არის.
შეჯამებისთვის, დიზაინის მოთხოვნების მიხედვით, შესაძლებელია ტერაჰერცული ანტენების სხვადასხვა ტიპის შერჩევა:
1) თუ საჭიროა მარტივი დიზაინი და დაბალი წარმოების ღირებულება, შესაძლებელია ლითონის ანტენების შერჩევა.
2) თუ საჭიროა მაღალი ინტეგრაცია და დაბალი შეყვანის წინაღობა, შესაძლებელია დიელექტრული ანტენების შერჩევა.
3) თუ საჭიროა შესრულების გაუმჯობესება, შესაძლებელია ახალი მასალისგან დამზადებული ანტენების შერჩევა.
ზემოთ ჩამოთვლილი დიზაინები ასევე შეიძლება მორგებული იყოს კონკრეტული მოთხოვნების შესაბამისად. მაგალითად, მეტი უპირატესობის მისაღებად შესაძლებელია ორი ტიპის ანტენის გაერთიანება, მაგრამ აწყობის მეთოდი და დიზაინის ტექნოლოგია უფრო მკაცრ მოთხოვნებს უნდა აკმაყოფილებდეს.
ანტენების შესახებ დამატებითი ინფორმაციის მისაღებად, გთხოვთ, ეწვიოთ:
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 2 აგვისტო
