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 utilizzare in tempo reale, ma questa situazione ha anche portato a un rapido aumento del traffico dati e a una carenza di risorse 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 di Gbps, mentre la velocità di trasmissione dati di Tbps è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Un documento correlato elenca i più recenti progressi nelle velocità di trasmissione dati di Gbps basate sulla banda THz e prevede che i Tbps possano essere ottenuti tramite la multiplazione di polarizzazione. Pertanto, per aumentare la velocità di trasmissione dati, una soluzione praticabile è lo sviluppo di una nuova banda di frequenza, ovvero la banda dei terahertz, che si trova nella "zona vuota" tra le microonde e la luce infrarossa. Alla Conferenza mondiale sulle radiocomunicazioni dell'ITU (WRC-19) del 2019, la gamma di frequenze 275-450 GHz è stata utilizzata per servizi fissi e mobili terrestri. È evidente che i sistemi di comunicazione wireless a terahertz hanno attirato l'attenzione di molti ricercatori.
Le onde elettromagnetiche terahertz sono generalmente definite come la banda di frequenza da 0,1 a 10 THz (1 THz = 10¹² Hz) con una lunghezza d'onda da 0,03 a 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.
Figura 1. Schema della banda di frequenza THz.
Sviluppo di antenne a terahertz
Sebbene la ricerca sui terahertz sia iniziata nel XIX secolo, all'epoca non veniva studiata come campo di ricerca indipendente. La ricerca sulle radiazioni terahertz si concentrava principalmente sulla banda dell'infrarosso lontano. Solo tra la metà e la fine del XX secolo i ricercatori hanno iniziato a estendere la ricerca sulle onde millimetriche alla banda dei terahertz e a condurre ricerche specializzate sulla tecnologia dei terahertz.
Negli anni '80, la comparsa di sorgenti di radiazione terahertz ha reso possibile l'applicazione delle onde terahertz in sistemi pratici. A partire dal XXI secolo, la tecnologia delle comunicazioni wireless si è sviluppata rapidamente e la crescente domanda di informazioni e la diffusione di apparecchiature di comunicazione hanno imposto requisiti sempre più stringenti sulla velocità di trasmissione dei dati. Pertanto, una delle sfide future per la tecnologia delle comunicazioni è quella di operare a un'elevata velocità di trasmissione dati di gigabit al secondo in una singola postazione. Nell'attuale contesto economico, le risorse spettrali sono diventate sempre più scarse. Tuttavia, le esigenze umane in termini di capacità e velocità di comunicazione sono infinite. Per ovviare al problema della congestione dello spettro, molte aziende utilizzano la tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) per migliorare l'efficienza spettrale e la capacità del sistema attraverso la multiplazione spaziale. Con l'avvento 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, grazie all'influenza della linea di vista, la distanza di trasmissione delle comunicazioni a infrarossi è breve e la posizione delle relative apparecchiature di comunicazione è fissa. Pertanto, le onde THz, che si collocano tra le microonde e gli infrarossi, possono essere utilizzate per realizzare sistemi di comunicazione ad alta velocità e aumentare la velocità di trasmissione dei dati tramite 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 superiore a quella delle comunicazioni mobili. Pertanto, l'utilizzo dei THz per realizzare sistemi di comunicazione wireless ad altissima velocità rappresenta una soluzione promettente alla sfida delle elevate velocità di trasmissione dati, attirando l'interesse di numerosi gruppi di ricerca e industrie. Nel settembre 2017 è stato pubblicato il primo standard di comunicazione wireless THz, l'IEEE 802.15.3d-2017, che definisce lo scambio di dati punto-punto nella gamma di frequenza THz inferiore, compresa 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, pari a 0,12 THz, è stato realizzato nel 2004, mentre il sistema di comunicazione THz a 0,3 THz è stato completato nel 2013. La Tabella 1 elenca i progressi della ricerca sui sistemi di comunicazione a terahertz in Giappone dal 2004 al 2013.
Tabella 1 Progressi della ricerca sui sistemi di comunicazione a 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 presentata in due casi, come mostrato in Figura 2.
Figura 2 Schema del sistema di comunicazione wireless NTT a 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 ad antenna planare utilizzato all'interno è costituito da un chip fotodiodo a linea singola (UTC-PD), un'antenna a fessura planare e una lente al silicio, come mostrato nella Figura 2(a).
2. In un ambiente esterno a lungo raggio, per migliorare 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 corno di alimentazione e lente dielettrica è mostrata nella 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 a continue ottimizzazioni, la velocità di trasmissione può raggiungere i 100 Gbps. Come si evince dalla Tabella 1, questo ha dato un grande contributo allo sviluppo delle comunicazioni a terahertz. Tuttavia, l'attuale lavoro di ricerca presenta gli svantaggi di una bassa frequenza operativa, dimensioni ingombranti e costi elevati.
La maggior parte delle antenne a terahertz attualmente utilizzate sono derivate da antenne a onde millimetriche e l'innovazione in questo campo è limitata. Pertanto, per migliorare le prestazioni dei sistemi di comunicazione a terahertz, un compito importante è ottimizzare le antenne a terahertz. La Tabella 2 elenca i progressi della ricerca tedesca nel campo delle comunicazioni THz. 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 in galleria del vento. A giudicare dall'attuale situazione della ricerca in Germania, anche la ricerca e lo sviluppo in questo settore presentano degli svantaggi, come la bassa frequenza operativa, gli alti costi e la bassa efficienza.
Tabella 2 Stato di avanzamento della ricerca sulle comunicazioni 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 a THz. Il centro ha studiato la relazione tra l'anno e la frequenza di comunicazione, come mostrato in Figura 4. Come si può osservare dalla Figura 4, entro il 2020 la ricerca sulle comunicazioni wireless tenderà alla banda THz. La frequenza di comunicazione massima utilizzabile nello 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 a lente per i sistemi di comunicazione THz. Come mostrato in 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
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Due tipi di antenne a tromba
Gli Stati Uniti hanno condotto ricerche approfondite sull'emissione e la rilevazione di onde terahertz. Tra i più famosi laboratori di ricerca sui terahertz si annoverano il Jet Propulsion Laboratory (JPL), lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), lo 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 specifiche, come le antenne a farfalla e le antenne a orientamento del fascio in frequenza. In base allo sviluppo delle antenne terahertz, possiamo individuare tre idee progettuali di base, come illustrato nella Figura 6.
Figura 6 Tre idee di progettazione di base per antenne a terahertz
L'analisi precedente mostra che, sebbene molti paesi abbiano prestato grande attenzione alle antenne a terahertz, queste sono ancora in una fase iniziale di esplorazione e sviluppo. A causa delle elevate perdite di propagazione e dell'assorbimento molecolare, le antenne THz sono generalmente limitate dalla distanza di trasmissione e dalla copertura. Alcuni studi si concentrano su frequenze operative più basse nella banda THz. La ricerca attuale sulle antenne a terahertz si concentra principalmente sul miglioramento del guadagno mediante l'utilizzo di antenne a lente dielettrica, ecc., e sul miglioramento dell'efficienza di comunicazione mediante l'impiego di algoritmi appropriati. Inoltre, come migliorare l'efficienza del packaging delle antenne a terahertz è un problema di fondamentale importanza.
Antenne THz generali
Esistono molti tipi di antenne THz: antenne a 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 a base di grafene, ecc. In base ai materiali utilizzati per la loro realizzazione, le antenne THz possono essere suddivise approssimativamente in antenne metalliche (principalmente antenne a tromba), antenne dielettriche (antenne a lente) e antenne realizzate con nuovi materiali. Questa sezione fornisce innanzitutto un'analisi preliminare di queste antenne, mentre nella sezione successiva vengono introdotte e analizzate in dettaglio 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 a doppia modalità presentano numerosi vantaggi, tra cui diagrammi di radiazione a simmetria rotazionale, un elevato guadagno da 20 a 30 dBi, un basso livello di polarizzazione incrociata di -30 dB e 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 lavorazione della tromba molto difficile, soprattutto nella progettazione di array di antenne. La complessità della tecnologia di lavorazione porta a costi eccessivi e a una produzione limitata. A causa della difficoltà di realizzare la base di un'antenna a tromba complessa, si utilizza solitamente un'antenna a tromba semplice a forma conica o conica, che può ridurre i costi e la complessità del processo, mantenendo al contempo buone prestazioni di radiazione dell'antenna.
Un'altra antenna metallica è un'antenna a piramide a onda progressiva, costituita da un'antenna a onda progressiva integrata su una pellicola dielettrica di 1,2 micron e sospesa in una cavità longitudinale incisa su un wafer di silicio, come mostrato in Figura 7. Questa antenna ha una struttura aperta ed è 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 un radiatore d'antenna. 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 basso costo. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno progettato diverse antenne a emissione laterale a banda stretta e a banda larga in grado di adattarsi ai rivelatori a bassa impedenza delle antenne dielettriche a terahertz: antenna a farfalla, antenna a doppia U, antenna log-periodica e antenna sinusoidale log-periodica, 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 verifica 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 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 cutoff, la sua energia è confinata nel substrato dielettrico e accoppiata al modo del substrato.
Figura 9 Effetto dell'onda superficiale dell'antenna
All'aumentare dello spessore del substrato, aumenta il numero di modi di ordine superiore e l'accoppiamento tra l'antenna e il substrato, con conseguente perdita di energia. Per attenuare l'effetto delle onde superficiali, esistono tre schemi di ottimizzazione:
1) Montare 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 ordine superiore delle onde elettromagnetiche.
3) Sostituire il materiale dielettrico del substrato con un gap di banda elettromagnetica (EBG). Le caratteristiche di filtraggio spaziale dell'EBG possono sopprimere i modi di ordine superiore.
3. Antenne realizzate con nuovi materiali
Oltre alle due antenne sopra menzionate, esiste anche un'antenna a terahertz realizzata con nuovi materiali. Ad esempio, nel 2006, Jin Hao et al. hanno proposto un'antenna a dipolo in nanotubi di carbonio. Come mostrato in Figura 10 (a), il dipolo è costituito da nanotubi di carbonio anziché da materiali metallici. Hanno studiato attentamente le proprietà infrarosse e ottiche dell'antenna a dipolo in nanotubi di carbonio e discusso le caratteristiche generali dell'antenna a dipolo in nanotubi di carbonio di lunghezza finita, come l'impedenza di ingresso, la distribuzione di 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 a dipolo in nanotubi di carbonio. Come si può osservare nella Figura 10 (b), la parte immaginaria dell'impedenza di ingresso presenta più zeri alle frequenze più elevate. Ciò indica che l'antenna può raggiungere risonanze multiple a diverse frequenze. Ovviamente, l'antenna in nanotubi di carbonio presenta risonanza all'interno di un certo intervallo di frequenza (frequenze THz inferiori), ma non è in grado di risuonare al di fuori di questo intervallo.
Figura 10 (a) Antenna a dipolo in nanotubi di carbonio. (b) Curva impedenza di ingresso-frequenza
Nel 2012, Samir F. Mahmoud e Ayed R. AlAjmi hanno proposto una nuova struttura di antenna a terahertz basata su nanotubi di carbonio, costituita da un fascio di nanotubi di carbonio avvolti in due strati dielettrici. Lo strato dielettrico interno è costituito da una schiuma dielettrica, mentre lo strato dielettrico esterno è un metamateriale. La struttura specifica è mostrata in Figura 11. Attraverso i test, le prestazioni di radiazione dell'antenna sono risultate migliorate rispetto a quelle dei nanotubi di carbonio a parete singola.
Figura 11 Nuova antenna a terahertz basata su nanotubi di carbonio
Le nuove antenne a terahertz proposte in precedenza sono principalmente tridimensionali. Per migliorare la larghezza di banda dell'antenna e realizzare antenne conformabili, le antenne planari in grafene hanno riscosso un'ampia attenzione. Il grafene possiede eccellenti caratteristiche di controllo dinamico continuo e può generare plasma superficiale regolando la tensione di polarizzazione. Il plasma superficiale esiste 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 i metalli preziosi e il grafene è presente un gran numero di "elettroni liberi". Questi elettroni liberi sono anche chiamati plasma. Grazie al campo di potenziale intrinseco nel conduttore, questi plasmi si trovano in uno stato stabile e non vengono disturbati dall'ambiente esterno. Quando l'energia dell'onda elettromagnetica incidente si accoppia a questi plasmi, questi si discostano 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 superficiale metallico 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 di plasma superficiale. Le onde di plasma superficiale si attenuano 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 piccole dimensioni dell'antenna, si verifica un effetto pelle nella banda ad alta frequenza, che causa un brusco calo delle prestazioni dell'antenna e non soddisfa i requisiti delle antenne terahertz. Il plasmone di superficie del grafene non solo presenta una forza di legame maggiore e perdite inferiori, ma supporta anche la sintonizzazione elettrica continua. Inoltre, il grafene ha una conduttività complessa nella banda terahertz. Pertanto, la propagazione lenta delle onde è correlata alla modalità di plasma alle frequenze terahertz. Queste caratteristiche dimostrano pienamente la fattibilità del grafene come sostituto dei 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 una banda di antenna sintonizzabile offre un nuovo modo per studiare le caratteristiche di propagazione delle antenne a terahertz realizzate con nuovi materiali.
Figura 12 Nuova antenna a striscia
Oltre a esplorare nuovi elementi di antenna terahertz realizzati con materiali innovativi, le antenne terahertz a nanopatch di grafene possono anche essere progettate come array per realizzare sistemi di comunicazione a antenna terahertz multi-ingresso multi-uscita. La struttura dell'antenna è mostrata in Figura 13. Grazie alle proprietà uniche delle antenne a nanopatch di grafene, gli elementi dell'antenna hanno dimensioni micrometriche. La deposizione chimica da fase vapore (CVD) 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 cambiare efficacemente la direzione di radiazione, rendendo il sistema riconfigurabile.
Figura 13 Array di antenne a terahertz con nanopatch di grafene
La ricerca di nuovi materiali è un campo di studio relativamente nuovo. L'innovazione dei materiali dovrebbe superare i limiti delle antenne tradizionali e consentire lo sviluppo di nuove tipologie di antenne, come i metamateriali riconfigurabili, i materiali bidimensionali (2D), ecc. Tuttavia, questo tipo di antenna dipende principalmente dall'innovazione dei materiali e dal progresso delle tecnologie di processo. In ogni caso, lo sviluppo di antenne a 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 a terahertz.
Di seguito vengono illustrati i principi fondamentali di tre tipi di antenne a terahertz: antenne metalliche, antenne dielettriche e antenne a materiali innovativi, analizzandone differenze, vantaggi e svantaggi.
1. Antenna metallica: la geometria è semplice, facile da lavorare, relativamente economica e con requisiti minimi 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 le antenne metalliche siano di piccole dimensioni, è difficile integrarle in 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 a seno periodico logaritmico. Tuttavia, le antenne dielettriche presentano anche un difetto fatale, ovvero l'effetto onda di superficie causato dal substrato spesso. La soluzione consiste nell'inserire 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 dell'onda di superficie) possono fornire nuove idee per la ricerca sulle antenne a terahertz.
3. Antenne realizzate con 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 il presupposto è l'innovazione nella scienza dei materiali. Al momento, 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 a terahertz in base ai requisiti di progettazione:
1) Se sono richiesti un design semplice e bassi costi di produzione, è possibile optare per antenne metalliche.
2) Se sono richiesti un'elevata integrazione e una bassa impedenza di ingresso, è possibile scegliere antenne dielettriche.
3) Se è necessario un miglioramento significativo delle prestazioni, è possibile selezionare antenne realizzate con nuovi materiali.
I progetti sopra descritti possono essere adattati anche a esigenze specifiche. 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: 2 agosto 2024
