با افزایش محبوبیت دستگاههای بیسیم، سرویسهای داده وارد دوره جدیدی از توسعه سریع شدهاند که به عنوان رشد انفجاری سرویسهای داده نیز شناخته میشود. در حال حاضر، تعداد زیادی از برنامهها به تدریج از رایانهها به دستگاههای بیسیم مانند تلفنهای همراه که حمل و نقل و کار با آنها در زمان واقعی آسان است، مهاجرت میکنند، اما این وضعیت همچنین منجر به افزایش سریع ترافیک دادهها و کمبود منابع پهنای باند شده است. طبق آمار، نرخ داده در بازار ممکن است در 10 تا 15 سال آینده به گیگابیت بر ثانیه یا حتی ترابیت بر ثانیه برسد. در حال حاضر، ارتباطات THz به نرخ داده Gbps رسیده است، در حالی که نرخ داده Tbps هنوز در مراحل اولیه توسعه است. یک مقاله مرتبط، آخرین پیشرفتها در نرخ داده Gbps را بر اساس باند THz فهرست میکند و پیشبینی میکند که Tbps را میتوان از طریق مالتیپلکس کردن قطبش به دست آورد. بنابراین، برای افزایش نرخ انتقال داده، یک راه حل عملی، توسعه یک باند فرکانسی جدید است که باند تراهرتز است که در "ناحیه خالی" بین مایکروویوها و نور مادون قرمز قرار دارد. در کنفرانس جهانی ارتباطات رادیویی ITU (WRC-19) در سال ۲۰۱۹، محدوده فرکانسی ۲۷۵-۴۵۰ گیگاهرتز برای خدمات ثابت و سیار زمینی مورد استفاده قرار گرفته است. میتوان مشاهده کرد که سیستمهای ارتباطی بیسیم تراهرتز توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کردهاند.
امواج الکترومغناطیسی تراهرتز عموماً به عنوان باند فرکانسی 0.1-10THz (1THz=1012Hz) با طول موج 0.03-3 میلیمتر تعریف میشوند. طبق استاندارد IEEE، امواج تراهرتز به عنوان 0.3-10THz تعریف میشوند. شکل 1 نشان میدهد که باند فرکانسی تراهرتز بین مایکروویوها و نور مادون قرمز است.
شکل 1 نمودار شماتیک باند فرکانسی تراهرتز.
توسعه آنتنهای تراهرتز
اگرچه تحقیقات در مورد امواج تراهرتز از قرن نوزدهم آغاز شد، اما در آن زمان به عنوان یک حوزه مستقل مورد مطالعه قرار نگرفت. تحقیقات در مورد تابش تراهرتز عمدتاً بر باند مادون قرمز دور متمرکز بود. تا اواسط تا اواخر قرن بیستم، محققان شروع به پیشبرد تحقیقات موج میلیمتری به باند تراهرتز و انجام تحقیقات تخصصی در مورد فناوری تراهرتز نکردند.
در دهه ۱۹۸۰، ظهور منابع تابش تراهرتز، کاربرد امواج تراهرتز را در سیستمهای عملی امکانپذیر کرد. از قرن بیست و یکم، فناوری ارتباطات بیسیم به سرعت توسعه یافته است و تقاضای مردم برای اطلاعات و افزایش تجهیزات ارتباطی، الزامات سختگیرانهتری را در مورد نرخ انتقال دادههای ارتباطی مطرح کرده است. بنابراین، یکی از چالشهای فناوری ارتباطات آینده، کار با نرخ داده بالای گیگابیت در ثانیه در یک مکان است. تحت توسعه اقتصادی فعلی، منابع طیف فرکانسی به طور فزایندهای کمیاب شدهاند. با این حال، نیازهای انسانی برای ظرفیت و سرعت ارتباطات بیپایان است. برای مشکل ازدحام طیف فرکانسی، بسیاری از شرکتها از فناوری چند ورودی چند خروجی (MIMO) برای بهبود کارایی طیف فرکانسی و ظرفیت سیستم از طریق مالتیپلکسینگ فضایی استفاده میکنند. با پیشرفت شبکههای ۵G، سرعت اتصال داده هر کاربر از گیگابیت در ثانیه فراتر خواهد رفت و ترافیک داده ایستگاههای پایه نیز به طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت. برای سیستمهای ارتباطی موج میلیمتری سنتی، لینکهای مایکروویو قادر به مدیریت این جریانهای عظیم داده نخواهند بود. علاوه بر این، به دلیل تأثیر خط دید، فاصله انتقال ارتباط مادون قرمز کوتاه است و مکان تجهیزات ارتباطی آن ثابت است. بنابراین، امواج THz که بین مایکروویو و مادون قرمز قرار دارند، میتوانند برای ساخت سیستمهای ارتباطی پرسرعت و افزایش نرخ انتقال داده با استفاده از لینکهای THz مورد استفاده قرار گیرند.
امواج تراهرتز میتوانند پهنای باند ارتباطی وسیعتری را فراهم کنند و محدوده فرکانسی آن حدود ۱۰۰۰ برابر ارتباطات سیار است. بنابراین، استفاده از تراهرتز برای ساخت سیستمهای ارتباطی بیسیم فوق پرسرعت، یک راهحل امیدوارکننده برای چالش نرخ بالای داده است که توجه بسیاری از تیمهای تحقیقاتی و صنایع را به خود جلب کرده است. در سپتامبر ۲۰۱۷، اولین استاندارد ارتباط بیسیم تراهرتز IEEE 802.15.3d-2017 منتشر شد که تبادل داده نقطه به نقطه را در محدوده فرکانسی پایینتر تراهرتز ۲۵۲-۳۲۵ گیگاهرتز تعریف میکند. لایه فیزیکی جایگزین (PHY) لینک میتواند به نرخ داده تا ۱۰۰ گیگابیت بر ثانیه در پهنای باندهای مختلف دست یابد.
اولین سیستم ارتباطی موفق تراهرتز با فرکانس 0.12 تراهرتز در سال 2004 راهاندازی شد و سیستم ارتباطی تراهرتز با فرکانس 0.3 تراهرتز در سال 2013 محقق شد. جدول 1 پیشرفت تحقیقاتی سیستمهای ارتباطی تراهرتز در ژاپن را از سال 2004 تا 2013 نشان میدهد.
جدول 1 پیشرفت تحقیقاتی سیستمهای ارتباطی تراهرتز در ژاپن از سال 2004 تا 2013
ساختار آنتن یک سیستم ارتباطی که در سال ۲۰۰۴ توسعه داده شد، در سال ۲۰۰۵ توسط شرکت تلگراف و تلفن نیپون (NTT) به تفصیل شرح داده شد. پیکربندی آنتن در دو حالت، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، معرفی شد.
شکل 2 نمودار شماتیک سیستم ارتباط بیسیم NTT 120 گیگاهرتز ژاپن
این سیستم تبدیل فوتوالکتریک و آنتن را ادغام کرده و دو حالت کاری را اتخاذ میکند:
۱. در یک محیط داخلی با برد کوتاه، فرستنده آنتن مسطح مورد استفاده در داخل ساختمان شامل یک تراشه فوتودیود حامل تک خط (UTC-PD)، یک آنتن شیاردار مسطح و یک لنز سیلیکونی است، همانطور که در شکل ۲ (الف) نشان داده شده است.
۲. در یک محیط بیرونی با برد طولانی، به منظور بهبود تأثیر تلفات انتقال زیاد و حساسیت پایین آشکارساز، آنتن فرستنده باید بهره بالایی داشته باشد. آنتن تراهرتز موجود از یک لنز نوری گاوسی با بهره بیش از ۵۰ dBi استفاده میکند. ترکیب هورن تغذیه و لنز دیالکتریک در شکل ۲ (ب) نشان داده شده است.
علاوه بر توسعه یک سیستم ارتباطی 0.12 تراهرتز، NTT در سال 2012 یک سیستم ارتباطی 0.3 تراهرتز نیز توسعه داد. از طریق بهینهسازی مداوم، نرخ انتقال میتواند به 100 گیگابیت بر ثانیه برسد. همانطور که از جدول 1 مشاهده میشود، این شرکت سهم بزرگی در توسعه ارتباطات تراهرتز داشته است. با این حال، کار تحقیقاتی فعلی دارای معایبی مانند فرکانس کاری پایین، اندازه بزرگ و هزینه بالا است.
بیشتر آنتنهای تراهرتزی که در حال حاضر استفاده میشوند، از آنتنهای موج میلیمتری اصلاح شدهاند و نوآوری کمی در آنتنهای تراهرتز وجود دارد. بنابراین، به منظور بهبود عملکرد سیستمهای ارتباطی تراهرتز، یک کار مهم، بهینهسازی آنتنهای تراهرتز است. جدول 2 پیشرفت تحقیقاتی ارتباطات THz آلمان را فهرست میکند. شکل 3 (الف) یک سیستم ارتباطی بیسیم THz نمونه را با ترکیب فوتونیک و الکترونیک نشان میدهد. شکل 3 (ب) صحنه آزمایش تونل باد را نشان میدهد. با توجه به وضعیت فعلی تحقیقات در آلمان، تحقیق و توسعه آن همچنین دارای معایبی مانند فرکانس کاری پایین، هزینه بالا و راندمان پایین است.
جدول 2 پیشرفت تحقیقاتی ارتباطات تراهرتز در آلمان
شکل 3 صحنه آزمایش تونل باد
مرکز فناوری اطلاعات و ارتباطات CSIRO همچنین تحقیقاتی را در مورد سیستمهای ارتباطی بیسیم داخلی THz آغاز کرده است. این مرکز رابطه بین سال و فرکانس ارتباطی را همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، مطالعه کرده است. همانطور که از شکل 4 مشاهده میشود، تا سال 2020، تحقیقات در مورد ارتباطات بیسیم به باند THz گرایش پیدا میکند. حداکثر فرکانس ارتباطی با استفاده از طیف رادیویی هر بیست سال حدود ده برابر افزایش مییابد. این مرکز توصیههایی در مورد الزامات آنتنهای THz ارائه داده و آنتنهای سنتی مانند آنتنهای شیپوری و لنزها را برای سیستمهای ارتباطی THz پیشنهاد کرده است. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، دو آنتن شیپوری به ترتیب با فرکانسهای 0.84 و 1.7 THz کار میکنند، با ساختاری ساده و عملکرد پرتو گاوسی خوب.
شکل ۴ رابطه بین سال و فراوانی
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
شکل 5 دو نوع آنتن شیپوری
ایالات متحده تحقیقات گستردهای در مورد انتشار و تشخیص امواج تراهرتز انجام داده است. آزمایشگاههای تحقیقاتی معروف تراهرتز شامل آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL)، مرکز شتابدهنده خطی استنفورد (SLAC)، آزمایشگاه ملی ایالات متحده (LLNL)، سازمان ملی هوانوردی و فضایی (NASA)، بنیاد ملی علوم (NSF) و غیره هستند. آنتنهای تراهرتز جدیدی برای کاربردهای تراهرتز طراحی شدهاند، مانند آنتنهای پاپیونی و آنتنهای هدایت پرتو فرکانسی. با توجه به توسعه آنتنهای تراهرتز، میتوانیم سه ایده طراحی اساسی برای آنتنهای تراهرتز در حال حاضر داشته باشیم، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل 6 سه ایده طراحی اولیه برای آنتنهای تراهرتز
تحلیل فوق نشان میدهد که اگرچه بسیاری از کشورها توجه زیادی به آنتنهای تراهرتز نشان دادهاند، اما هنوز در مرحله اولیه اکتشاف و توسعه است. به دلیل تلفات انتشار بالا و جذب مولکولی، آنتنهای THz معمولاً با فاصله انتقال و پوشش محدود میشوند. برخی مطالعات بر فرکانسهای عملیاتی پایینتر در باند THz تمرکز دارند. تحقیقات موجود در مورد آنتنهای تراهرتز عمدتاً بر بهبود بهره با استفاده از آنتنهای لنز دیالکتریک و غیره و بهبود راندمان ارتباط با استفاده از الگوریتمهای مناسب متمرکز است. علاوه بر این، چگونگی بهبود راندمان بستهبندی آنتنهای تراهرتز نیز یک مسئله بسیار فوری است.
آنتنهای عمومی تراهرتز
انواع مختلفی از آنتنهای THz موجود است: آنتنهای دوقطبی با حفرههای مخروطی، آرایههای بازتابنده گوشهای، دوقطبیهای پاپیونی، آنتنهای صفحهای لنز دیالکتریک، آنتنهای فوتورسانا برای تولید منابع تابش THz، آنتنهای بوقی، آنتنهای THz مبتنی بر مواد گرافن و غیره. با توجه به مواد مورد استفاده در ساخت آنتنهای THz، میتوان آنها را تقریباً به آنتنهای فلزی (عمدتاً آنتنهای بوقی)، آنتنهای دیالکتریک (آنتنهای لنز) و آنتنهای مواد جدید تقسیم کرد. این بخش ابتدا تجزیه و تحلیل اولیهای از این آنتنها ارائه میدهد و سپس در بخش بعدی، پنج آنتن معمولی THz به تفصیل معرفی و عمیقاً تجزیه و تحلیل میشوند.
۱. آنتنهای فلزی
آنتن بوقی یک آنتن فلزی معمولی است که برای کار در باند THz طراحی شده است. آنتن یک گیرنده موج میلیمتری کلاسیک، یک بوق مخروطی است. آنتنهای موجدار و دو حالته مزایای زیادی دارند، از جمله الگوهای تابشی متقارن چرخشی، بهره بالا 20 تا 30 dBi و سطح قطبش متقاطع پایین -30 dB، و راندمان کوپلینگ 97٪ تا 98٪. پهنای باند موجود دو آنتن بوقی به ترتیب 30٪-40٪ و 6٪-8٪ است.
از آنجایی که فرکانس امواج تراهرتز بسیار بالاست، اندازه آنتن شیپوری بسیار کوچک است که پردازش شیپور را به خصوص در طراحی آرایههای آنتن بسیار دشوار میکند و پیچیدگی فناوری پردازش منجر به هزینه بیش از حد و تولید محدود میشود. به دلیل دشواری در ساخت قسمت پایین طراحی پیچیده شیپوری، معمولاً از یک آنتن شیپوری ساده به شکل مخروطی یا شاخی استفاده میشود که میتواند هزینه و پیچیدگی فرآیند را کاهش دهد و عملکرد تابشی آنتن را به خوبی حفظ کند.
آنتن فلزی دیگر، آنتن هرمی موج رونده است که از یک آنتن موج رونده که روی یک فیلم دیالکتریک ۱.۲ میکرونی ادغام شده و در یک حفره طولی حکاکی شده روی ویفر سیلیکونی معلق است، همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است، تشکیل شده است. این آنتن یک ساختار باز است که با دیودهای شاتکی سازگار است. به دلیل ساختار نسبتاً ساده و الزامات تولید پایین، عموماً میتوان از آن در باندهای فرکانسی بالاتر از ۰.۶ تراهرتز استفاده کرد. با این حال، سطح لوب جانبی و سطح قطبش متقاطع آنتن بالا است، احتمالاً به دلیل ساختار باز آن. بنابراین، بازده کوپلینگ آن نسبتاً پایین است (حدود ۵۰٪).
شکل 7 آنتن هرمی موج رونده
۲. آنتن دیالکتریک
آنتن دیالکتریک ترکیبی از یک زیرلایه دیالکتریک و یک رادیاتور آنتن است. از طریق طراحی مناسب، آنتن دیالکتریک میتواند به تطبیق امپدانس با آشکارساز دست یابد و از مزایای فرآیند ساده، ادغام آسان و هزینه کم برخوردار است. در سالهای اخیر، محققان چندین آنتن جانبی باریک و پهن باند طراحی کردهاند که میتوانند با آشکارسازهای امپدانس پایین آنتنهای دیالکتریک تراهرتز مطابقت داشته باشند: آنتن پروانهای، آنتن U شکل دوتایی، آنتن دورهای لگاریتمی و آنتن سینوسی دورهای لگاریتمی، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است. علاوه بر این، هندسههای پیچیدهتر آنتن را میتوان از طریق الگوریتمهای ژنتیک طراحی کرد.
شکل 8 چهار نوع آنتن مسطح
با این حال، از آنجایی که آنتن دیالکتریک با یک زیرلایه دیالکتریک ترکیب شده است، هنگامی که فرکانس به باند THz میل میکند، یک اثر موج سطحی رخ میدهد. این عیب مهلک باعث میشود که آنتن در حین کار انرژی زیادی را از دست بدهد و منجر به کاهش قابل توجه راندمان تابش آنتن شود. همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، هنگامی که زاویه تابش آنتن بزرگتر از زاویه قطع باشد، انرژی آن در زیرلایه دیالکتریک محدود شده و با حالت زیرلایه جفت میشود.
شکل 9 اثر موج سطحی آنتن
با افزایش ضخامت زیرلایه، تعداد مدهای مرتبه بالا افزایش مییابد و کوپلینگ بین آنتن و زیرلایه افزایش مییابد که منجر به اتلاف انرژی میشود. به منظور تضعیف اثر موج سطحی، سه طرح بهینهسازی وجود دارد:
۱) یک لنز را روی آنتن قرار دهید تا با استفاده از ویژگیهای شکلدهی پرتو امواج الکترومغناطیسی، بهره را افزایش دهید.
۲) کاهش ضخامت زیرلایه برای جلوگیری از تولید مدهای مرتبه بالای امواج الکترومغناطیسی.
۳) ماده دیالکتریک زیرلایه را با یک شکاف باند الکترومغناطیسی (EBG) جایگزین کنید. ویژگیهای فیلترینگ مکانی EBG میتواند مدهای مرتبه بالا را سرکوب کند.
۳. آنتنهای ساخته شده از مواد جدید
علاوه بر دو آنتن فوق، یک آنتن تراهرتز نیز وجود دارد که از مواد جدید ساخته شده است. به عنوان مثال، در سال 2006، جین هائو و همکارانش یک آنتن دوقطبی نانولوله کربنی پیشنهاد دادند. همانطور که در شکل 10 (الف) نشان داده شده است، این دوقطبی به جای مواد فلزی از نانولولههای کربنی ساخته شده است. او خواص مادون قرمز و نوری آنتن دوقطبی نانولوله کربنی را به دقت مطالعه کرد و ویژگیهای کلی آنتن دوقطبی نانولوله کربنی با طول محدود، مانند امپدانس ورودی، توزیع جریان، بهره، بازده و الگوی تابش را مورد بحث قرار داد. شکل 10 (ب) رابطه بین امپدانس ورودی و فرکانس آنتن دوقطبی نانولوله کربنی را نشان میدهد. همانطور که در شکل 10 (ب) مشاهده میشود، قسمت موهومی امپدانس ورودی در فرکانسهای بالاتر دارای چندین صفر است. این نشان میدهد که آنتن میتواند در فرکانسهای مختلف به چندین رزونانس دست یابد. بدیهی است که آنتن نانولوله کربنی در یک محدوده فرکانسی خاص (فرکانسهای پایینتر THz) رزونانس نشان میدهد، اما کاملاً قادر به رزونانس در خارج از این محدوده نیست.
شکل 10 (الف) آنتن دوقطبی نانولوله کربنی. (ب) منحنی امپدانس-فرکانس ورودی
در سال ۲۰۱۲، سمیر اف. محمود و آید آر. العجمی یک ساختار آنتن تراهرتز جدید مبتنی بر نانولولههای کربنی ارائه دادند که شامل مجموعهای از نانولولههای کربنی است که در دو لایه دیالکتریک پیچیده شدهاند. لایه دیالکتریک داخلی یک لایه فوم دیالکتریک و لایه دیالکتریک خارجی یک لایه متاماده است. ساختار خاص در شکل ۱۱ نشان داده شده است. از طریق آزمایش، عملکرد تابشی آنتن در مقایسه با نانولولههای کربنی تک دیواره بهبود یافته است.
شکل 11 آنتن جدید تراهرتز مبتنی بر نانولولههای کربنی
آنتنهای تراهرتز مادهای جدید که در بالا پیشنهاد شدهاند، عمدتاً سهبعدی هستند. به منظور بهبود پهنای باند آنتن و ساخت آنتنهای همدیس، آنتنهای گرافن مسطح توجه گستردهای را به خود جلب کردهاند. گرافن دارای ویژگیهای کنترل پیوسته دینامیکی عالی است و میتواند با تنظیم ولتاژ بایاس، پلاسمای سطحی تولید کند. پلاسمای سطحی در سطح مشترک بین زیرلایههای با ثابت دیالکتریک مثبت (مانند Si، SiO2 و غیره) و زیرلایههای با ثابت دیالکتریک منفی (مانند فلزات گرانبها، گرافن و غیره) وجود دارد. تعداد زیادی "الکترون آزاد" در رساناهایی مانند فلزات گرانبها و گرافن وجود دارد. این الکترونهای آزاد، پلاسما نیز نامیده میشوند. به دلیل میدان پتانسیل ذاتی در رسانا، این پلاسماها در حالت پایدار هستند و توسط دنیای خارج مختل نمیشوند. هنگامی که انرژی موج الکترومغناطیسی فرودی به این پلاسماها متصل میشود، پلاسماها از حالت پایدار منحرف شده و ارتعاش میکنند. پس از تبدیل، حالت الکترومغناطیسی یک موج مغناطیسی عرضی در سطح مشترک تشکیل میدهد. طبق توصیف رابطه پراکندگی پلاسمای سطح فلز توسط مدل درود، فلزات نمیتوانند به طور طبیعی با امواج الکترومغناطیسی در فضای آزاد جفت شوند و انرژی را تبدیل کنند. استفاده از مواد دیگر برای تحریک امواج پلاسمای سطحی ضروری است. امواج پلاسمای سطحی به سرعت در جهت موازی سطح مشترک فلز-زیرلایه تضعیف میشوند. هنگامی که رسانای فلزی در جهت عمود بر سطح هدایت میکند، یک اثر پوستی رخ میدهد. بدیهی است که به دلیل اندازه کوچک آنتن، یک اثر پوستی در باند فرکانس بالا وجود دارد که باعث میشود عملکرد آنتن به شدت کاهش یابد و نتواند الزامات آنتنهای تراهرتز را برآورده کند. پلاسمون سطحی گرافن نه تنها نیروی اتصال بالاتر و تلفات کمتری دارد، بلکه از تنظیم الکتریکی پیوسته نیز پشتیبانی میکند. علاوه بر این، گرافن در باند تراهرتز رسانایی پیچیدهای دارد. بنابراین، انتشار موج آهسته به حالت پلاسما در فرکانسهای تراهرتز مربوط میشود. این ویژگیها به طور کامل امکان جایگزینی گرافن با مواد فلزی در باند تراهرتز را نشان میدهند.
بر اساس رفتار قطبش پلاسمونهای سطحی گرافن، شکل 12 نوع جدیدی از آنتن نواری را نشان میدهد و شکل باند ویژگیهای انتشار امواج پلاسما در گرافن را پیشنهاد میدهد. طراحی باند آنتن قابل تنظیم، روش جدیدی را برای مطالعه ویژگیهای انتشار آنتنهای تراهرتز ماده جدید ارائه میدهد.
شکل ۱۲ آنتن نواری جدید
علاوه بر بررسی عناصر آنتن تراهرتز با مواد جدید واحد، آنتنهای تراهرتز نانوپچ گرافنی را میتوان به صورت آرایههایی برای ساخت سیستمهای ارتباطی آنتن چند ورودی چند خروجی تراهرتز نیز طراحی کرد. ساختار آنتن در شکل 13 نشان داده شده است. بر اساس خواص منحصر به فرد آنتنهای نانوپچ گرافنی، عناصر آنتن دارای ابعاد در مقیاس میکرون هستند. رسوب بخار شیمیایی مستقیماً تصاویر مختلف گرافنی را روی یک لایه نازک نیکل سنتز کرده و آنها را به هر زیرلایهای منتقل میکند. با انتخاب تعداد مناسبی از اجزا و تغییر ولتاژ بایاس الکترواستاتیک، میتوان جهت تابش را به طور موثر تغییر داد و سیستم را قابل پیکربندی مجدد کرد.
شکل 13 آرایه آنتن تراهرتز نانوپچ گرافن
تحقیق در مورد مواد جدید، جهتگیری نسبتاً جدیدی است. انتظار میرود نوآوری در مواد، محدودیتهای آنتنهای سنتی را از بین ببرد و انواع آنتنهای جدید، مانند متامواد قابل پیکربندی مجدد، مواد دوبعدی (2D) و غیره را توسعه دهد. با این حال، این نوع آنتن عمدتاً به نوآوری در مواد جدید و پیشرفت فناوری فرآیند بستگی دارد. در هر صورت، توسعه آنتنهای تراهرتز نیازمند مواد نوآورانه، فناوری پردازش دقیق و ساختارهای طراحی جدید است تا الزامات بهره بالا، هزینه کم و پهنای باند وسیع آنتنهای تراهرتز را برآورده کند.
در ادامه اصول اساسی سه نوع آنتن تراهرتز معرفی میشود: آنتنهای فلزی، آنتنهای دیالکتریک و آنتنهای ساخته شده از مواد جدید، و تفاوتها و مزایا و معایب آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد.
۱. آنتن فلزی: هندسه آن ساده، پردازش آسان، هزینه نسبتاً کم و نیاز کم به مواد زیرلایه است. با این حال، آنتنهای فلزی از یک روش مکانیکی برای تنظیم موقعیت آنتن استفاده میکنند که مستعد خطا است. اگر تنظیم صحیح نباشد، عملکرد آنتن به شدت کاهش مییابد. اگرچه آنتن فلزی اندازه کوچکی دارد، اما مونتاژ آن با مدار مسطح دشوار است.
۲. آنتن دیالکتریک: آنتن دیالکتریک امپدانس ورودی پایینی دارد، به راحتی با یک آشکارساز امپدانس پایین تطبیق داده میشود و اتصال آن به یک مدار مسطح نسبتاً ساده است. اشکال هندسی آنتنهای دیالکتریک شامل شکل پروانهای، شکل U دوتایی، شکل لگاریتمی معمولی و شکل سینوسی تناوبی لگاریتمی است. با این حال، آنتنهای دیالکتریک یک نقص اساسی نیز دارند، یعنی اثر موج سطحی ناشی از زیرلایه ضخیم. راه حل، بارگذاری یک لنز و جایگزینی زیرلایه دیالکتریک با ساختار EBG است. هر دو راه حل نیاز به نوآوری و بهبود مستمر فناوری و مواد فرآیند دارند، اما عملکرد عالی آنها (مانند همه جهته بودن و سرکوب موج سطحی) میتواند ایدههای جدیدی برای تحقیق در مورد آنتنهای تراهرتز ارائه دهد.
۳. آنتنهای ماده جدید: در حال حاضر، آنتنهای دوقطبی جدید ساخته شده از نانولولههای کربنی و ساختارهای آنتن جدید ساخته شده از فرامواد ظاهر شدهاند. مواد جدید میتوانند پیشرفتهای عملکردی جدیدی را به همراه داشته باشند، اما فرضیه، نوآوری علم مواد است. در حال حاضر، تحقیقات روی آنتنهای ماده جدید هنوز در مرحله اکتشافی است و بسیاری از فناوریهای کلیدی به اندازه کافی بالغ نشدهاند.
به طور خلاصه، انواع مختلف آنتنهای تراهرتز را میتوان بر اساس الزامات طراحی انتخاب کرد:
۱) اگر طراحی ساده و هزینه تولید پایین مورد نیاز باشد، میتوان آنتنهای فلزی را انتخاب کرد.
۲) اگر به یکپارچهسازی بالا و امپدانس ورودی پایین نیاز باشد، میتوان آنتنهای دیالکتریک را انتخاب کرد.
۳) اگر به پیشرفت چشمگیری در عملکرد نیاز باشد، میتوان آنتنهایی با جنس جدید انتخاب کرد.
طرحهای فوق را میتوان با توجه به الزامات خاص نیز تنظیم کرد. به عنوان مثال، میتوان دو نوع آنتن را برای دستیابی به مزایای بیشتر ترکیب کرد، اما روش مونتاژ و فناوری طراحی باید الزامات سختگیرانهتری را برآورده کند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتنها، لطفاً به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: آگوست-02-2024
