Con la crescente popolarità dei dispositivi wireless, i servizi dati sono entrati in una nuova fase di rapido sviluppo, nota anche come crescita esplosiva dei servizi dati. Attualmente, un gran numero di applicazioni sta gradualmente migrando dai computer ai dispositivi wireless come i telefoni cellulari, facili da trasportare e operativi in tempo reale, ma questa situazione ha anche portato a un rapido aumento del traffico dati e a una carenza di risorse di larghezza di banda. Secondo le statistiche, la velocità di trasmissione dati sul mercato potrebbe raggiungere i Gbps o addirittura i Tbps nei prossimi 10-15 anni. Attualmente, la comunicazione THz ha raggiunto una velocità di trasmissione dati nell'ordine dei Gbps, mentre quella del Tbps è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Un articolo correlato elenca gli ultimi progressi nelle velocità di trasmissione dati in Gbps basate sulla banda THz e prevede che i Tbps possano essere ottenuti tramite multiplexing di polarizzazione. Pertanto, per aumentare la velocità di trasmissione dati, una soluzione fattibile è lo sviluppo di una nuova banda di frequenza, la banda 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 frequenza 275-450 GHz è stata utilizzata per servizi fissi e mobili terrestri. È emerso 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 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 si trova 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 XIX secolo, all'epoca non era ancora stata studiata come un campo indipendente. La ricerca sulla radiazione terahertz si concentrava principalmente sulla banda dell'infrarosso lontano. Solo tra la metà e la fine del XX secolo i ricercatori iniziarono a estendere la ricerca sulle onde millimetriche alla banda dei terahertz e a condurre ricerche specializzate sulla tecnologia terahertz.
Negli anni '80, l'avvento delle sorgenti di radiazioni terahertz ha reso possibile l'applicazione delle onde terahertz in sistemi pratici. Dal XXI secolo, la tecnologia delle comunicazioni 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 severi sulla velocità di trasmissione dei dati. Pertanto, una delle sfide della tecnologia delle comunicazioni del futuro è quella di operare a 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 risolvere 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 significativamente. 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 dati utilizzando collegamenti THz.
Le onde terahertz possono fornire una larghezza di banda di comunicazione più ampia e il loro intervallo di frequenza è circa 1000 volte superiore a quello delle comunicazioni mobili. Pertanto, l'utilizzo di THz per realizzare sistemi di comunicazione wireless ad altissima velocità rappresenta una soluzione promettente alla sfida delle elevate velocità di trasmissione dati, che ha attirato l'interesse di numerosi team di ricerca e settori industriali. 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-punto nell'intervallo di frequenza THz inferiore, compreso tra 252 e 325 GHz. Il livello fisico alternativo (PHY) del collegamento può raggiungere velocità di trasmissione dati fino a 100 Gbps a diverse larghezze di banda.
Il primo sistema di comunicazione THz di successo da 0,12 THz è stato realizzato nel 2004, mentre 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 Progressi 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 dalla 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 120 GHz del Giappone
Il sistema integra la conversione fotoelettrica e l'antenna e adotta due modalità di funzionamento:
1. In un ambiente interno a corto raggio, il trasmettitore dell'antenna planare utilizzato all'interno è costituito da un chip fotodiodo portante a linea singola (UTC-PD), un'antenna a slot planare e una lente al silicio, come mostrato nella Figura 2(a).
2. In un ambiente esterno a lungo raggio, per attenuare l'influenza delle elevate perdite di trasmissione e della bassa sensibilità del rivelatore, l'antenna trasmittente deve avere un guadagno elevato. L'antenna terahertz esistente utilizza una lente ottica gaussiana con un guadagno superiore a 50 dBi. La combinazione di feed horn e lente dielettrica è mostrata in Figura 2(b).
Oltre a sviluppare un sistema di comunicazione a 0,12 THz, nel 2012 NTT ha sviluppato anche un sistema di comunicazione a 0,3 THz. Grazie alla continua ottimizzazione, la velocità di trasmissione può raggiungere i 100 Gbps. Come si può vedere dalla Tabella 1, questo 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 deriva da antenne a onde millimetriche modificate e le innovazioni in questo campo sono limitate. 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 sulle comunicazioni THz in Germania. La Figura 3 (a) mostra un sistema di comunicazione wireless THz rappresentativo che combina fotonica ed elettronica. La Figura 3 (b) mostra la scena dei test in galleria del vento. A giudicare dall'attuale situazione della ricerca in Germania, la ricerca e lo sviluppo presentano anche svantaggi come bassa frequenza operativa, costi elevati e bassa efficienza.
Tabella 2 Progressi della ricerca sulla comunicazione THz in Germania
Figura 3 Scena di prova nella galleria del vento
Il Centro ICT del CSIRO ha inoltre avviato una ricerca sui sistemi di comunicazione wireless indoor in THz. Il centro ha studiato la relazione tra l'anno e la frequenza di comunicazione, come mostrato nella Figura 4. Come si può vedere dalla Figura 4, entro il 2020 la ricerca sulle comunicazioni wireless tenderà a concentrarsi sulla banda THz. La frequenza massima di comunicazione che utilizza 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 antenne a tromba e lenti per i sistemi di comunicazione THz. Come mostrato nella Figura 5, due antenne a tromba operano 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
Modello RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Due tipi di antenne a tromba
Gli Stati Uniti hanno condotto ampie ricerche sull'emissione e il rilevamento di onde terahertz. Tra i laboratori di ricerca più noti nel campo delle onde terahertz figurano 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 le antenne a farfalla e le antenne a orientamento di fascio di frequenza. In base allo sviluppo delle antenne terahertz, attualmente possiamo individuare tre idee progettuali di base per le antenne terahertz, come mostrato in Figura 6.
Figura 6 Tre idee di progettazione 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 in una fase iniziale di esplorazione e sviluppo. A causa dell'elevata perdita di propagazione e dell'assorbimento molecolare, le antenne THz sono solitamente limitate dalla distanza di trasmissione e dalla copertura. Alcuni studi si concentrano su frequenze operative inferiori nella banda THz. La ricerca esistente sulle antenne terahertz si concentra principalmente sul miglioramento del guadagno mediante l'utilizzo di antenne a lente dielettrica, ecc., e sul miglioramento dell'efficienza delle comunicazioni mediante algoritmi appropriati. Inoltre, anche il miglioramento dell'efficienza del packaging delle antenne terahertz è una questione molto urgente.
Antenne THz generali
Esistono molti tipi di antenne THz disponibili: antenne dipolo con cavità coniche, array di riflettori angolari, dipoli a farfalla, antenne planari a lente dielettrica, antenne fotoconduttive per la generazione di sorgenti di radiazione THz, antenne a tromba, antenne THz basate su materiali in grafene, ecc. A seconda dei materiali utilizzati per realizzare le antenne THz, queste possono essere suddivise in antenne metalliche (principalmente antenne a tromba), antenne dielettriche (antenne a lente) e antenne realizzate con nuovi materiali. Questa sezione fornisce prima un'analisi preliminare di queste antenne, mentre nella sezione successiva vengono presentate in dettaglio e analizzate in modo approfondito 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 a onde millimetriche è una tromba conica. Le antenne corrugate e bimodali presentano numerosi vantaggi, tra cui diagrammi di radiazione simmetrici rotazionali, elevato guadagno da 20 a 30 dBi e basso livello di polarizzazione incrociata di -30 dB, nonché un'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, le dimensioni dell'antenna a tromba sono molto ridotte, il che rende la sua lavorazione molto complessa, soprattutto nella progettazione di array di antenne, e la complessità della tecnologia di lavorazione comporta costi eccessivi e una produzione limitata. A causa della difficoltà di produzione della base del complesso design della tromba, viene solitamente utilizzata una semplice antenna a tromba a forma conica, che può ridurre i costi e la complessità del processo, e le prestazioni di radiazione dell'antenna possono essere mantenute in buone condizioni.
Un'altra antenna metallica è un'antenna piramidale a onda progressiva, costituita da un'antenna a onda progressiva integrata su un film dielettrico da 1,2 micron e sospesa in una cavità longitudinale incisa su un wafer di silicio, come mostrato in Figura 7. Questa antenna è una struttura aperta compatibile con i diodi Schottky. Grazie alla sua struttura relativamente semplice e ai bassi requisiti di produzione, può essere generalmente utilizzata 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 a onda progressiva
2. Antenna dielettrica
L'antenna dielettrica è una combinazione di un substrato dielettrico e di un radiatore. Grazie a una progettazione adeguata, l'antenna dielettrica può raggiungere l'adattamento di impedenza con il rivelatore e presenta i vantaggi di un processo semplice, una facile integrazione e un costo contenuto. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno progettato diverse antenne side-fire a banda stretta e larga in grado di adattarsi ai rivelatori a bassa impedenza delle antenne dielettriche terahertz: antenna a farfalla, antenna a doppia U, antenna log-periodica e antenna log-periodica sinusoidale, come mostrato in Figura 8. Inoltre, geometrie di antenna più complesse possono essere progettate 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 causerà all'antenna una perdita di molta energia durante il funzionamento e porterà a una significativa riduzione dell'efficienza di radiazione dell'antenna. Come mostrato in 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 alla modalità del substrato.
Figura 9 Effetto onda superficiale dell'antenna
All'aumentare dello spessore del substrato, aumenta il numero di modi di ordine superiore e l'accoppiamento tra antenna e substrato, con conseguente perdita di energia. Per attenuare l'effetto delle onde superficiali, sono disponibili 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 modalità di ordine superiore delle onde elettromagnetiche.
3) Sostituire il materiale dielettrico del substrato con un band gap elettromagnetico (EBG). Le caratteristiche di filtraggio spaziale dell'EBG possono sopprimere le modalità di ordine superiore.
3. Nuove antenne materiali
Oltre alle due antenne sopra menzionate, esiste anche un'antenna terahertz realizzata con nuovi materiali. Ad esempio, nel 2006, Jin Hao et al. hanno proposto un'antenna dipolo a nanotubi di carbonio. Come mostrato in Figura 10 (a), il dipolo è realizzato in nanotubi di carbonio anziché in materiali metallici. Hao ha studiato attentamente le proprietà ottiche e infrarosse 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 diagramma di radiazione. La Figura 10 (b) mostra la relazione tra l'impedenza di ingresso e la frequenza dell'antenna dipolo a nanotubi di carbonio. Come si può vedere in Figura 10 (b), la parte immaginaria dell'impedenza di ingresso presenta più zeri a frequenze più elevate. Ciò indica che l'antenna può raggiungere più risonanze a frequenze diverse. Ovviamente, l'antenna a nanotubi di carbonio mostra risonanza entro un certo intervallo di frequenza (frequenze THz inferiori), ma non è assolutamente in grado di risuonare al di fuori di tale intervallo.
Figura 10 (a) Antenna dipolo a 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, costituita da un fascio di nanotubi di carbonio avvolti 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 in 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 proposte sopra sono principalmente tridimensionali. Per 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 di superficie regolando la tensione di polarizzazione. Il plasma di superficie si trova all'interfaccia tra substrati con costante dielettrica positiva (come Si, SiO2, ecc.) e substrati con costante dielettrica negativa (come metalli preziosi, grafene, ecc.). Nei conduttori come metalli preziosi e grafene è presente un gran numero di "elettroni liberi". Questi elettroni liberi sono anche chiamati plasmi. A causa del campo di potenziale intrinseco nel conduttore, questi plasmi si trovano in uno stato stabile e non sono disturbati dal mondo esterno. Quando l'energia dell'onda elettromagnetica incidente viene accoppiata a questi plasmi, questi deviano dallo stato stazionario e vibrano. Dopo la conversione, il modo elettromagnetico forma un'onda magnetica trasversale all'interfaccia. Secondo la descrizione della relazione di dispersione del plasma di superficie metallica fornita dal modello di 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 di superficie. Le onde del plasma di superficie decadono rapidamente nella direzione parallela all'interfaccia metallo-substrato. Quando il conduttore metallico conduce nella direzione perpendicolare alla superficie, si verifica un effetto pelle. Ovviamente, a causa delle ridotte dimensioni dell'antenna, si verifica un effetto pelle nella banda ad alta frequenza, che causa un brusco calo delle prestazioni dell'antenna e non può soddisfare i requisiti delle antenne terahertz. Il plasmone di superficie del grafene non solo ha una maggiore forza di legame e minori perdite, ma supporta anche la sintonizzazione elettrica continua. Inoltre, il grafene ha una conduttività complessa nella banda terahertz. Pertanto, la propagazione delle onde lente è correlata alla modalità del plasma alle frequenze terahertz. Queste caratteristiche dimostrano pienamente la fattibilità del grafene per sostituire i materiali metallici nella banda terahertz.
Basandosi sul comportamento di polarizzazione dei plasmoni di superficie del grafene, la Figura 12 mostra un nuovo tipo di antenna a striscia e propone la forma di banda delle caratteristiche di propagazione delle onde di plasma nel grafene. La progettazione di un'antenna a banda sintonizzabile offre un nuovo modo per studiare le caratteristiche di propagazione di nuove antenne terahertz realizzate con materiali innovativi.
Figura 12 Nuova antenna a striscia
Oltre a esplorare nuovi materiali per elementi di antenna terahertz, le antenne terahertz in nanopatch di grafene possono anche essere progettate come array per realizzare sistemi di comunicazione con antenne multi-ingresso e multi-uscita terahertz. La struttura dell'antenna è mostrata in Figura 13. Grazie alle proprietà uniche delle antenne in nanopatch di grafene, gli elementi dell'antenna hanno dimensioni micrometriche. 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, la direzione della radiazione può essere modificata in modo efficace, 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 dal progresso della tecnologia di processo. In ogni caso, lo sviluppo di antenne terahertz richiede materiali innovativi, tecnologie di lavorazione precise e strutture di progettazione innovative per soddisfare i requisiti di elevato guadagno, basso costo e ampia larghezza di banda delle antenne terahertz.
Di seguito vengono presentati i principi di base di tre tipi di antenne terahertz: antenne metalliche, antenne dielettriche e antenne in nuovi materiali, e vengono analizzate le loro differenze, vantaggi e svantaggi.
1. Antenna metallica: la geometria è semplice, facile da lavorare, relativamente economica 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 rivelatore 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 logaritmica periodica sinusoidale. Tuttavia, le antenne dielettriche presentano anche un difetto fatale, ovvero l'effetto onda superficiale causato dal substrato spesso. La soluzione consiste nel caricare una lente e sostituire il substrato dielettrico con una struttura EBG. Entrambe le soluzioni richiedono innovazione e un continuo miglioramento 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 realizzate con nuovi materiali: attualmente sono apparse nuove antenne dipolo realizzate con nanotubi di carbonio e nuove strutture di antenna realizzate con metamateriali. I nuovi materiali possono apportare innovazioni in termini di prestazioni, ma la premessa è l'innovazione della scienza dei materiali. Attualmente, la ricerca sulle antenne realizzate con nuovi materiali è ancora in fase esplorativa e molte tecnologie chiave non sono ancora 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 bassi costi di produzione, è possibile scegliere 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 realizzate con nuovi materiali.
I progetti sopra descritti 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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Data di pubblicazione: 02-08-2024
