Con la crescente popolarità dei dispositivi wireless, i servizi dati sono entrati in un nuovo periodo di rapido sviluppo, noto anche come crescita esplosiva dei servizi dati. Attualmente, un gran numero di applicazioni stanno gradualmente migrando dai computer ai dispositivi wireless come i telefoni cellulari, facili da trasportare e da utilizzare in tempo reale, ma questa situazione ha anche portato ad un rapido aumento del traffico dati e ad una carenza di risorse di larghezza di banda . Secondo le statistiche, nei prossimi 10-15 anni la velocità dei dati sul mercato potrebbe raggiungere i Gbps o addirittura i Tbps. Allo stato attuale, la comunicazione THz ha raggiunto una velocità dati Gbps, mentre la velocità dati Tbps è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Un documento correlato elenca gli ultimi progressi nelle velocità dati Gbps basate sulla banda THz e prevede che i Tbps possano essere ottenuti tramite il multiplexing di polarizzazione. Pertanto, per aumentare la velocità di trasmissione dei dati, una soluzione fattibile è sviluppare una nuova banda di frequenza, la banda dei terahertz, che si trova nella "zona vuota" tra le microonde e la luce infrarossa. Alla Conferenza mondiale delle radiocomunicazioni dell'ITU (WRC-19) del 2019, la gamma di frequenze 275-450 GHz è stata utilizzata per i servizi mobili fissi e terrestri. Si può vedere che i sistemi di comunicazione wireless terahertz hanno attirato l'attenzione di molti ricercatori.
Le onde elettromagnetiche Terahertz sono generalmente definite come la banda di frequenza di 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) con una lunghezza d'onda di 0,03-3 mm. Secondo lo standard IEEE, le onde terahertz sono definite come 0,3-10 THz. La Figura 1 mostra che la banda di frequenza terahertz è compresa tra le microonde e la luce infrarossa.
Fig. 1 Diagramma schematico della banda di frequenza THz.
Sviluppo di antenne Terahertz
Sebbene la ricerca sui terahertz sia iniziata nel 19° secolo, a quel tempo non era studiata come un campo indipendente. La ricerca sulla radiazione terahertz si è concentrata principalmente sulla banda del lontano infrarosso. Fu solo dalla metà alla fine del XX secolo che i ricercatori iniziarono a portare avanti la ricerca sulle onde millimetriche fino alla banda dei terahertz e a condurre ricerche specializzate sulla tecnologia dei terahertz.
Negli anni '80, l'emergere delle sorgenti di radiazioni terahertz ha reso possibile l'applicazione delle onde terahertz in sistemi pratici. Dal 21° secolo, la tecnologia di comunicazione wireless si è sviluppata rapidamente e la domanda di informazioni da parte delle persone e l'aumento delle apparecchiature di comunicazione hanno imposto requisiti più rigorosi sulla velocità di trasmissione dei dati di comunicazione. Pertanto, una delle sfide della futura tecnologia della comunicazione è quella di operare con un'elevata velocità di trasmissione dati di gigabit al secondo in un unico luogo. Con l’attuale sviluppo economico, le risorse dello spettro sono diventate sempre più scarse. Tuttavia, i requisiti umani in termini di capacità e velocità di comunicazione sono infiniti. Per il problema della congestione dello spettro, molte aziende utilizzano la tecnologia MIMO (multiple-input multiple-output) per migliorare l'efficienza dello spettro e la capacità del sistema attraverso il multiplexing spaziale. Con l’avanzamento delle reti 5G, la velocità di connessione dati di ciascun utente supererà i Gbps e anche il traffico dati delle stazioni base aumenterà in modo significativo. Per i tradizionali sistemi di comunicazione a onde millimetriche, i collegamenti a microonde non saranno in grado di gestire questi enormi flussi di dati. Inoltre, a causa dell'influenza della linea di vista, la distanza di trasmissione della comunicazione a infrarossi è breve e la posizione delle apparecchiature di comunicazione è fissa. Pertanto, le onde THz, che si trovano tra le microonde e gli infrarossi, possono essere utilizzate per costruire sistemi di comunicazione ad alta velocità e aumentare la velocità di trasmissione dei dati utilizzando collegamenti THz.
Le onde Terahertz possono fornire una larghezza di banda di comunicazione più ampia e la loro gamma di frequenza è circa 1000 volte quella delle comunicazioni mobili. Pertanto, l’utilizzo di THz per costruire sistemi di comunicazione wireless ad altissima velocità è una soluzione promettente alla sfida delle velocità di trasmissione dati elevate, che ha attirato l’interesse di molti gruppi di ricerca e industrie. Nel settembre 2017 è stato rilasciato il primo standard di comunicazione wireless THz IEEE 802.15.3d-2017, che definisce lo scambio di dati punto a punto nella gamma di frequenza THz inferiore di 252-325 GHz. Il livello fisico alternativo (PHY) del collegamento può raggiungere velocità dati fino a 100 Gbps a diverse larghezze di banda.
Il primo sistema di comunicazione THz di successo da 0,12 THz è stato istituito nel 2004 e il sistema di comunicazione THz da 0,3 THz è stato realizzato nel 2013. La tabella 1 elenca i progressi della ricerca sui sistemi di comunicazione terahertz in Giappone dal 2004 al 2013.
Tabella 1 Progresso della ricerca sui sistemi di comunicazione terahertz in Giappone dal 2004 al 2013
La struttura dell'antenna di un sistema di comunicazione sviluppato nel 2004 è stata descritta in dettaglio da Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) nel 2005. La configurazione dell'antenna è stata introdotta in due casi, come mostrato nella Figura 2.
Figura 2 Diagramma schematico del sistema di comunicazione wireless NTT a 120 GHz giapponese
Il sistema integra conversione fotoelettrica e antenna e adotta due modalità di funzionamento:
1. In un ambiente interno a distanza ravvicinata, il trasmettitore dell'antenna planare utilizzato all'interno è costituito da un chip fotodiodo portante a linea singola (UTC-PD), un'antenna a fessura planare e una lente in silicio, come mostrato nella Figura 2(a).
2. In un ambiente esterno a lungo raggio, per migliorare l'influenza di una grande perdita di trasmissione e di una bassa sensibilità del rilevatore, l'antenna del trasmettitore deve avere un guadagno elevato. L'antenna terahertz esistente utilizza una lente ottica gaussiana con un guadagno di oltre 50 dBi. La combinazione del corno di alimentazione e della lente dielettrica è mostrata nella Figura 2 (b).
Oltre a sviluppare un sistema di comunicazione da 0,12 THz, nel 2012 NTT ha sviluppato anche un sistema di comunicazione da 0,3 THz. Attraverso l'ottimizzazione continua, la velocità di trasmissione può raggiungere i 100 Gbps. Come si può vedere dalla Tabella 1, ha dato un grande contributo allo sviluppo della comunicazione terahertz. Tuttavia, l’attuale lavoro di ricerca presenta gli svantaggi di una bassa frequenza operativa, grandi dimensioni e costi elevati.
La maggior parte delle antenne terahertz attualmente utilizzate sono modificate rispetto alle antenne a onde millimetriche e c'è poca innovazione nelle antenne terahertz. Pertanto, al fine di migliorare le prestazioni dei sistemi di comunicazione terahertz, un compito importante è ottimizzare le antenne terahertz. La tabella 2 elenca i progressi della ricerca sulla comunicazione THz tedesca. La Figura 3 (a) mostra un sistema di comunicazione wireless THz rappresentativo che combina fotonica ed elettronica. La Figura 3 (b) mostra la scena del test nella galleria del vento. A giudicare dall’attuale situazione della ricerca in Germania, la sua ricerca e sviluppo presenta anche degli svantaggi come la bassa frequenza operativa, i costi elevati e la bassa efficienza.
Tabella 2 Progresso della ricerca sulla comunicazione THz in Germania
Figura 3 Scena di test in galleria del vento
Il Centro ICT CSIRO ha inoltre avviato la ricerca sui sistemi di comunicazione wireless indoor THz. Il centro ha studiato la relazione tra l'anno e la frequenza di comunicazione, come mostrato nella Figura 4. Come si vede dalla Figura 4, entro il 2020, la ricerca sulle comunicazioni wireless tenderà alla banda THz. La frequenza massima di comunicazione utilizzando lo spettro radio aumenta di circa dieci volte ogni vent'anni. Il centro ha formulato raccomandazioni sui requisiti per le antenne THz e ha proposto antenne tradizionali come trombe e lenti per i sistemi di comunicazione THz. Come mostrato nella Figura 5, due antenne a tromba funzionano rispettivamente a 0,84 THz e 1,7 THz, con una struttura semplice e buone prestazioni del fascio gaussiano.
Figura 4 Relazione tra anno e frequenza
RM-BDHA818-20A
RM-DPHA105145-20
Figura 5 Due tipi di antenne a tromba
Gli Stati Uniti hanno condotto ricerche approfondite sull'emissione e il rilevamento delle onde terahertz. Famosi laboratori di ricerca terahertz includono il Jet Propulsion Laboratory (JPL), lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), l'US National Laboratory (LLNL), la National Aeronautics and Space Administration (NASA), la National Science Foundation (NSF), ecc. Sono state progettate nuove antenne terahertz per applicazioni terahertz, come antenne a papillon e antenne di sterzo del fascio di frequenza. In base allo sviluppo delle antenne terahertz, attualmente possiamo ottenere tre idee di progettazione di base per le antenne terahertz, come mostrato nella Figura 6.
Figura 6 Tre idee progettuali di base per antenne terahertz
L'analisi di cui sopra mostra che, sebbene molti paesi abbiano prestato grande attenzione alle antenne terahertz, queste sono ancora nella fase iniziale di esplorazione e sviluppo. A causa dell’elevata perdita di propagazione e dell’assorbimento molecolare, le antenne THz sono generalmente limitate dalla distanza di trasmissione e dalla copertura. Alcuni studi si concentrano sulle frequenze operative più basse nella banda THz. La ricerca esistente sulle antenne terahertz si concentra principalmente sul miglioramento del guadagno utilizzando antenne con lenti dielettriche, ecc., e sul miglioramento dell'efficienza della comunicazione utilizzando algoritmi appropriati. Inoltre, anche come migliorare l’efficienza del confezionamento dell’antenna terahertz è una questione molto urgente.
Antenne THz generali
Sono disponibili molti tipi di antenne THz: antenne dipolo con cavità coniche, array di riflettori angolari, dipoli bowtie, antenne planari con lenti dielettriche, antenne fotoconduttrici per generare sorgenti di radiazioni di sorgenti THz, antenne a tromba, antenne THz basate su materiali di grafene, ecc. Secondo I materiali utilizzati per realizzare le antenne THz possono essere approssimativamente suddivisi in antenne metalliche (principalmente antenne a tromba), antenne dielettriche (antenne a lente) e antenne di nuovo materiale. Questa sezione fornisce innanzitutto un'analisi preliminare di queste antenne, quindi nella sezione successiva vengono introdotte in dettaglio e analizzate in profondità cinque tipiche antenne THz.
1. Antenne metalliche
L'antenna a tromba è una tipica antenna metallica progettata per funzionare nella banda THz. L'antenna di un classico ricevitore di onde millimetriche è un corno conico. Le antenne ondulate e dual-mode presentano molti vantaggi, tra cui schemi di radiazione rotazionalmente simmetrici, alto guadagno da 20 a 30 dBi e basso livello di polarizzazione incrociata di -30 dB ed efficienza di accoppiamento dal 97% al 98%. Le larghezze di banda disponibili delle due antenne a tromba sono rispettivamente del 30%-40% e del 6%-8%.
Poiché la frequenza delle onde terahertz è molto elevata, la dimensione dell'antenna a tromba è molto piccola, il che rende molto difficile la lavorazione della tromba, soprattutto nella progettazione di schiere di antenne, e la complessità della tecnologia di elaborazione porta a costi eccessivi e produzione limitata. A causa della difficoltà nella produzione della parte inferiore del complesso design del corno, viene solitamente utilizzata una semplice antenna a corno sotto forma di corno conico o conico, che può ridurre i costi e la complessità del processo e le prestazioni di radiazione dell'antenna possono essere mantenute BENE.
Un'altra antenna metallica è un'antenna piramidale ad onda viaggiante, che consiste in un'antenna a onda viaggiante integrata su una pellicola dielettrica da 1,2 micron e sospesa in una cavità longitudinale incisa su un wafer di silicio, come mostrato nella Figura 7. Questa antenna è una struttura aperta che è compatibile con diodi Schottky. Grazie alla sua struttura relativamente semplice e ai bassi requisiti di produzione, può generalmente essere utilizzato in bande di frequenza superiori a 0,6 THz. Tuttavia, il livello dei lobi laterali e il livello di polarizzazione incrociata dell'antenna sono elevati, probabilmente a causa della sua struttura aperta. Pertanto, la sua efficienza di accoppiamento è relativamente bassa (circa il 50%).
Figura 7 Antenna piramidale ad onde viaggianti
2. Antenna dielettrica
L'antenna dielettrica è una combinazione di un substrato dielettrico e un radiatore dell'antenna. Attraverso una progettazione adeguata, l'antenna dielettrica può ottenere l'adattamento dell'impedenza con il rilevatore e presenta i vantaggi di un processo semplice, una facile integrazione e un basso costo. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno progettato diverse antenne side-fire a banda stretta e a banda larga che possono eguagliare i rilevatori a bassa impedenza delle antenne dielettriche terahertz: antenna a farfalla, antenna a doppia U, antenna log-periodica e antenna sinusoidale log-periodica, come mostrato nella Figura 8. Inoltre, è possibile progettare geometrie di antenne più complesse tramite algoritmi genetici.
Figura 8 Quattro tipi di antenne planari
Tuttavia, poiché l'antenna dielettrica è combinata con un substrato dielettrico, si verificherà un effetto di onda superficiale quando la frequenza tende alla banda THz. Questo svantaggio fatale farà sì che l'antenna perda molta energia durante il funzionamento e porterà ad una significativa riduzione dell'efficienza della radiazione dell'antenna. Come mostrato nella Figura 9, quando l'angolo di radiazione dell'antenna è maggiore dell'angolo di taglio, la sua energia è confinata nel substrato dielettrico e accoppiata con la modalità del substrato.
Figura 9 Effetto delle onde superficiali dell'antenna
All’aumentare dello spessore del substrato, aumenta il numero di modalità di ordine superiore e aumenta l’accoppiamento tra l’antenna e il substrato, con conseguente perdita di energia. Per indebolire l’effetto delle onde superficiali, esistono tre schemi di ottimizzazione:
1) Caricare una lente sull'antenna per aumentare il guadagno sfruttando le caratteristiche di beamforming delle onde elettromagnetiche.
2) Ridurre lo spessore del substrato per sopprimere la generazione di modi di onde elettromagnetiche di ordine superiore.
3) Sostituire il materiale dielettrico del substrato con una banda proibita elettromagnetica (EBG). Le caratteristiche di filtraggio spaziale dell'EBG possono sopprimere le modalità di ordine superiore.
3. Nuove antenne in materiale
Oltre alle due antenne di cui sopra, c'è anche un'antenna terahertz realizzata con nuovi materiali. Ad esempio, nel 2006, Jin Hao et al. ha proposto un'antenna dipolo in nanotubi di carbonio. Come mostrato nella Figura 10 (a), il dipolo è costituito da nanotubi di carbonio anziché da materiali metallici. Ha studiato attentamente le proprietà infrarosse e ottiche dell'antenna dipolo a nanotubi di carbonio e ha discusso le caratteristiche generali dell'antenna dipolo a nanotubi di carbonio di lunghezza finita, come l'impedenza di ingresso, la distribuzione della corrente, il guadagno, l'efficienza e il modello di radiazione. La Figura 10 (b) mostra la relazione tra l'impedenza di ingresso e la frequenza dell'antenna a dipolo in nanotubi di carbonio. Come si può vedere nella Figura 10(b), la parte immaginaria dell'impedenza di ingresso ha più zeri a frequenze più alte. Ciò indica che l'antenna può ottenere risonanze multiple a frequenze diverse. Ovviamente, l'antenna in nanotubi di carbonio presenta risonanza entro un certo intervallo di frequenze (frequenze THz più basse), ma non è completamente in grado di risuonare al di fuori di questo intervallo.
Figura 10 (a) Antenna dipolo in nanotubi di carbonio. (b) Curva impedenza-frequenza di ingresso
Nel 2012, Samir F. Mahmoud e Ayed R. AlAjmi hanno proposto una nuova struttura di antenna terahertz basata su nanotubi di carbonio, che consiste in un fascio di nanotubi di carbonio avvolto in due strati dielettrici. Lo strato dielettrico interno è uno strato di schiuma dielettrica e lo strato dielettrico esterno è uno strato di metamateriale. La struttura specifica è mostrata nella Figura 11. Attraverso i test, le prestazioni di radiazione dell'antenna sono state migliorate rispetto ai nanotubi di carbonio a parete singola.
Figura 11 Nuova antenna terahertz basata su nanotubi di carbonio
Le nuove antenne terahertz in materiale proposte sopra sono principalmente tridimensionali. Al fine di migliorare la larghezza di banda dell'antenna e realizzare antenne conformi, le antenne planari in grafene hanno ricevuto ampia attenzione. Il grafene ha eccellenti caratteristiche di controllo dinamico continuo e può generare plasma superficiale regolando la tensione di polarizzazione. Il plasma superficiale esiste sull'interfaccia tra substrati a costante dielettrica positiva (come Si, SiO2, ecc.) e substrati a costante dielettrica negativa (come metalli preziosi, grafene, ecc.). Ci sono un gran numero di "elettroni liberi" nei conduttori come i metalli preziosi e il grafene. Questi elettroni liberi sono anche chiamati plasma. A causa del campo potenziale intrinseco nel conduttore, questi plasmi sono in uno stato stabile e non vengono disturbati dal mondo esterno. Quando l'energia delle onde elettromagnetiche incidenti viene accoppiata a questi plasmi, i plasmi devieranno dallo stato stazionario e vibreranno. Dopo la conversione, la modalità elettromagnetica forma un'onda magnetica trasversale all'interfaccia. Secondo la descrizione della relazione di dispersione del plasma superficiale metallico da parte del modello Drude, i metalli non possono accoppiarsi naturalmente con le onde elettromagnetiche nello spazio libero e convertire energia. È necessario utilizzare altri materiali per eccitare le onde del plasma superficiale. Le onde del plasma superficiale decadono rapidamente nella direzione parallela dell'interfaccia metallo-substrato. Quando il conduttore metallico conduce nella direzione perpendicolare alla superficie, si verifica un effetto pelle. Ovviamente, a causa delle dimensioni ridotte dell'antenna, nella banda ad alta frequenza si verifica un effetto pelle, che fa sì che le prestazioni dell'antenna diminuiscano drasticamente e non possono soddisfare i requisiti delle antenne terahertz. Il plasmone superficiale del grafene non solo ha una forza legante maggiore e una perdita minore, ma supporta anche la sintonizzazione elettrica continua. Inoltre, il grafene ha una conduttività complessa nella banda dei terahertz. Pertanto, la propagazione delle onde lente è correlata alla modalità plasma alle frequenze terahertz. Queste caratteristiche dimostrano pienamente la fattibilità del grafene per sostituire i materiali metallici nella banda dei terahertz.
Basandosi sul comportamento di polarizzazione dei plasmoni superficiali del grafene, la Figura 12 mostra un nuovo tipo di antenna a striscia e propone la forma della banda delle caratteristiche di propagazione delle onde del plasma nel grafene. La progettazione della banda di antenna sintonizzabile fornisce un nuovo modo di studiare le caratteristiche di propagazione delle antenne terahertz di nuovo materiale.
Figura 12 Nuova antenna a striscia
Oltre a esplorare nuovi elementi di antenna terahertz in materiale unitario, le antenne terahertz nanopatch in grafene possono anche essere progettate come array per costruire sistemi di comunicazione con antenne multi-ingresso e uscita terahertz. La struttura dell'antenna è mostrata nella Figura 13. In base alle proprietà uniche delle antenne nanopatch di grafene, gli elementi dell'antenna hanno dimensioni su scala micron. La deposizione chimica da vapore sintetizza direttamente diverse immagini di grafene su un sottile strato di nichel e le trasferisce su qualsiasi substrato. Selezionando un numero appropriato di componenti e modificando la tensione di polarizzazione elettrostatica, è possibile modificare efficacemente la direzione della radiazione, rendendo il sistema riconfigurabile.
Figura 13 Array di antenne terahertz nanopatch di grafene
La ricerca di nuovi materiali è una direzione relativamente nuova. Si prevede che l'innovazione dei materiali supererà i limiti delle antenne tradizionali e svilupperà una varietà di nuove antenne, come metamateriali riconfigurabili, materiali bidimensionali (2D), ecc. Tuttavia, questo tipo di antenna dipende principalmente dall'innovazione di nuovi materiali e il progresso della tecnologia di processo. In ogni caso, lo sviluppo di antenne terahertz richiede materiali innovativi, tecnologia di elaborazione precisa e nuove strutture di progettazione per soddisfare i requisiti di elevato guadagno, basso costo e ampia larghezza di banda delle antenne terahertz.
Quanto segue introduce i principi di base di tre tipi di antenne terahertz: antenne metalliche, antenne dielettriche e antenne di nuovo materiale e analizza le loro differenze, vantaggi e svantaggi.
1. Antenna metallica: la geometria è semplice, facile da lavorare, ha un costo relativamente basso e richiede bassi requisiti per i materiali del substrato. Tuttavia, le antenne metalliche utilizzano un metodo meccanico per regolare la posizione dell'antenna, che è soggetto a errori. Se la regolazione non è corretta, le prestazioni dell'antenna saranno notevolmente ridotte. Sebbene l'antenna metallica sia di piccole dimensioni, è difficile da assemblare con un circuito planare.
2. Antenna dielettrica: l'antenna dielettrica ha una bassa impedenza di ingresso, è facile da abbinare a un rilevatore a bassa impedenza ed è relativamente semplice da collegare a un circuito planare. Le forme geometriche delle antenne dielettriche includono la forma a farfalla, la forma a doppia U, la forma logaritmica convenzionale e la forma sinusoidale periodica logaritmica. Tuttavia, le antenne dielettriche presentano anche un difetto fatale, ovvero l'effetto onda superficiale causato dallo spesso substrato. La soluzione è caricare una lente e sostituire il substrato dielettrico con una struttura EBG. Entrambe le soluzioni richiedono innovazione e miglioramento continuo della tecnologia di processo e dei materiali, ma le loro eccellenti prestazioni (come l'omnidirezionalità e la soppressione delle onde superficiali) possono fornire nuove idee per la ricerca sulle antenne terahertz.
3. Antenne di nuovi materiali: attualmente sono apparse nuove antenne a dipolo realizzate con nanotubi di carbonio e nuove strutture di antenne realizzate con metamateriali. I nuovi materiali possono portare a nuove scoperte in termini di prestazioni, ma la premessa è l’innovazione della scienza dei materiali. Al momento, la ricerca su nuovi materiali per antenne è ancora in fase esplorativa e molte tecnologie chiave non sono sufficientemente mature.
In sintesi, è possibile selezionare diversi tipi di antenne terahertz in base ai requisiti di progettazione:
1) Se sono richiesti un design semplice e un basso costo di produzione, è possibile selezionare antenne metalliche.
2) Se sono richieste un'elevata integrazione e una bassa impedenza di ingresso, è possibile selezionare antenne dielettriche.
3) Se è necessario un miglioramento delle prestazioni, è possibile selezionare antenne di nuovo materiale.
I disegni di cui sopra possono anche essere adattati in base a requisiti specifici. Ad esempio, è possibile combinare due tipi di antenne per ottenere maggiori vantaggi, ma il metodo di assemblaggio e la tecnologia di progettazione devono soddisfare requisiti più rigorosi.
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Orario di pubblicazione: 02 agosto 2024
