Með auknum vinsældum þráðlausra tækja hefur gagnaþjónusta farið inn í nýtt tímabil hraðrar þróunar, einnig þekkt sem sprengilegur vöxtur gagnaþjónustu. Um þessar mundir er mikill fjöldi forrita að flytjast smám saman úr tölvum yfir í þráðlaus tæki eins og farsíma sem auðvelt er að bera og stjórna í rauntíma, en þetta ástand hefur einnig leitt til örrar aukningar á gagnaumferð og skorts á bandbreiddarauðlindum. . Samkvæmt tölfræði gæti gagnahraðinn á markaðnum náð Gbps eða jafnvel Tbps á næstu 10 til 15 árum. Sem stendur hafa THz samskipti náð Gbps gagnahraða á meðan Tbps gagnahraði er enn á frumstigi þróunar. Tengd grein listar nýjustu framfarir í Gbps gagnahraða byggt á THz bandinu og spáir því að Tbps sé hægt að fá með skautun margföldun. Þess vegna, til að auka gagnaflutningshraðann, er raunhæf lausn að þróa nýtt tíðnisvið, sem er terahertz bandið, sem er á "auðu svæði" milli örbylgjuofna og innrauðs ljóss. Á ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) árið 2019 hefur tíðnisviðið 275-450GHz verið notað fyrir fasta og land farsímaþjónustu. Það má sjá að terahertz þráðlaus samskiptakerfi hafa vakið athygli margra vísindamanna.
Terahertz rafsegulbylgjur eru almennt skilgreindar sem tíðnisviðið 0,1-10THz (1THz=1012Hz) með bylgjulengd 0,03-3 mm. Samkvæmt IEEE staðlinum eru terahertz bylgjur skilgreindar sem 0,3-10THz. Mynd 1 sýnir að terahertz tíðnisviðið er á milli örbylgjuofna og innrauðs ljóss.
Mynd 1 Skýringarmynd af THz tíðnisviði.
Þróun Terahertz loftneta
Þrátt fyrir að terahertz rannsóknir hafi hafist á 19. öld, voru þær ekki rannsakaðar sem sjálfstætt svið á þeim tíma. Rannsóknir á terahertz geislun beindust aðallega að fjar-innrauða bandinu. Það var ekki fyrr en um miðja til seint á 20. öld sem vísindamenn fóru að efla millimetrabylgjurannsóknir að terahertz bandinu og stunda sérhæfðar terahertz tæknirannsóknir.
Á níunda áratugnum gerði tilkoma terahertz geislunargjafa það mögulegt að beita terahertz bylgjum í hagnýtum kerfum. Frá 21. öld hefur þráðlaus samskiptatækni þróast hratt og eftirspurn fólks eftir upplýsingum og fjölgun samskiptabúnaðar hefur sett fram strangari kröfur um flutningshraða samskiptagagna. Þess vegna er ein af áskorunum framtíðarsamskiptatækni að starfa á háum gagnahraða, gígabitum á sekúndu á einum stað. Við núverandi efnahagsþróun hafa litrófsauðlindir orðið sífellt af skornum skammti. Hins vegar eru kröfur manna um samskiptagetu og hraða endalausar. Fyrir vandamálið með þrengslum litrófs nota mörg fyrirtæki margfeldisúttakstækni (MIMO) til að bæta litrófsskilvirkni og kerfisgetu með staðbundinni margföldun. Með framþróun 5G neta mun gagnatengingarhraði hvers notanda fara yfir Gbps og gagnaumferð grunnstöðva mun einnig aukast verulega. Fyrir hefðbundin millimetrabylgjusamskiptakerfi munu örbylgjutenglar ekki geta séð um þessa miklu gagnastrauma. Þar að auki, vegna áhrifa sjónlínu, er sendingarfjarlægð innrauðra samskipta stutt og staðsetning samskiptabúnaðar þess er föst. Þess vegna er hægt að nota THz bylgjur, sem eru á milli örbylgjuofna og innrauða, til að byggja upp háhraða samskiptakerfi og auka gagnaflutningshraða með því að nota THz tengla.
Terahertz-bylgjur geta veitt breiðari samskiptabandbreidd og tíðnisvið hennar er um 1000 sinnum meira en farsímasamskipti. Því að nota THz til að byggja ofur-háhraða þráðlaus samskiptakerfi er efnileg lausn á áskoruninni um háan gagnahraða, sem hefur vakið áhuga margra rannsóknarteyma og atvinnugreina. Í september 2017 kom fyrsti THz þráðlausa samskiptastaðallinn IEEE 802.15.3d-2017 út, sem skilgreinir gagnaskipti á lægra THz tíðnisviði 252-325 GHz. Annað líkamlegt lag (PHY) tengilsins getur náð gagnahraða allt að 100 Gbps á mismunandi bandbreiddum.
Fyrsta farsæla THz samskiptakerfið upp á 0,12 THz var stofnað árið 2004 og THz samskiptakerfið upp á 0,3 THz varð að veruleika árið 2013. Tafla 1 sýnir framfarir rannsókna á terahertz samskiptakerfum í Japan frá 2004 til 2013.
Tafla 1 Rannsóknir á framvindu terahertz samskiptakerfa í Japan frá 2004 til 2013
Loftnetsbyggingu samskiptakerfis sem þróað var árið 2004 var lýst í smáatriðum af Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) árið 2005. Loftnetsstillingin var kynnt í tveimur tilvikum, eins og sýnt er á mynd 2.
Mynd 2 Skýringarmynd af NTT 120 GHz þráðlausu samskiptakerfi Japans
Kerfið samþættir ljósaumbreytingu og loftnet og samþykkir tvær vinnustillingar:
1. Í nærliggjandi umhverfi innandyra samanstendur planar loftnetsendirinn sem notaður er innandyra af einlínu burðarljósdíóða (UTC-PD) flís, sléttu raufaloftneti og sílikonlinsu, eins og sýnt er á mynd 2(a).
2. Í langdrægu útiumhverfi, til að bæta áhrif stórs sendingartaps og lágs næmi skynjarans, verður sendiloftnetið að hafa mikla ávinning. Núverandi terahertz loftnet notar Gaussian sjónlinsu með aukningu sem er meira en 50 dBi. Samsetning fóðurhornsins og raflínulínunnar er sýnd á mynd 2(b).
Auk þess að þróa 0,12 THz samskiptakerfi þróaði NTT einnig 0,3THz samskiptakerfi árið 2012. Með stöðugri hagræðingu getur flutningshraði verið allt að 100Gbps. Eins og sjá má af töflu 1 hefur það lagt mikið af mörkum til þróunar terahertz samskipta. Núverandi rannsóknarvinna hefur hins vegar þá ókosti sem lága rekstrartíðni, stóra stærð og mikinn kostnað.
Flest terahertz loftnetin sem nú eru notuð eru breytt úr millimetrabylgjuloftnetum og lítil nýsköpun er í terahertz loftnetum. Þess vegna, til að bæta árangur terahertz samskiptakerfa, er mikilvægt verkefni að hámarka terahertz loftnet. Tafla 2 sýnir framfarir rannsókna á þýskum THz samskiptum. Mynd 3 (a) sýnir dæmigert þráðlaust THz samskiptakerfi sem sameinar ljóseindatækni og rafeindatækni. Mynd 3 (b) sýnir prófunarsenuna í vindgöngunum. Miðað við núverandi rannsóknaraðstæður í Þýskalandi hafa rannsóknir og þróun þess einnig ókosti eins og lága notkunartíðni, hár kostnaður og lítil skilvirkni.
Tafla 2 Rannsóknir á framvindu THz samskipta í Þýskalandi
Mynd 3 Prófunarvettvangur vindganga
CSIRO UT Center hefur einnig hafið rannsóknir á THz þráðlausum samskiptakerfum innandyra. Miðstöðin rannsakaði tengsl ártals og samskiptatíðni eins og sést á mynd 4. Eins og sést á mynd 4, árið 2020, hafa rannsóknir á þráðlausum fjarskiptum tilhneigingu til THz-bandsins. Hámarkssamskiptatíðni sem notar útvarpsrófið eykst um það bil tífalt á tuttugu ára fresti. Miðstöðin hefur lagt fram tillögur um kröfur um THz loftnet og lagt til hefðbundin loftnet eins og horn og linsur fyrir THz samskiptakerfi. Eins og sýnt er á mynd 5, virka tvö hornloftnet við 0,84THz og 1,7THz í sömu röð, með einfaldri uppbyggingu og góðum Gaussgeislaafköstum.
Mynd 4 Tengsl árs og tíðni
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Mynd 5 Tvær gerðir af hornloftnetum
Bandaríkin hafa framkvæmt umfangsmiklar rannsóknir á losun og greiningu terahertzbylgna. Frægar terahertz rannsóknarstofur eru meðal annars Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), o.fl. Ný terahertz loftnet fyrir terahertz forrit hafa verið hönnuð, svo sem bowtie loftnet og tíðni geislastýringarloftnet. Samkvæmt þróun terahertz loftneta getum við fengið þrjár grunnhönnunarhugmyndir fyrir terahertz loftnet eins og sýnt er á mynd 6.
Mynd 6 Þrjár grunnhönnunarhugmyndir fyrir terahertz loftnet
Ofangreind greining sýnir að þrátt fyrir að mörg lönd hafi veitt terahertz loftnetum mikla athygli, þá er það enn á fyrstu könnunar- og þróunarstigi. Vegna mikils útbreiðslutaps og sameinda frásogs eru THz loftnet venjulega takmörkuð af sendingarfjarlægð og þekju. Sumar rannsóknir beinast að lægri rekstrartíðni á THz bandinu. Núverandi terahertz loftnetsrannsóknir beinast aðallega að því að bæta hagnað með því að nota dielectric linsuloftnet o.s.frv., og bæta samskipti skilvirkni með því að nota viðeigandi reiknirit. Að auki, hvernig á að bæta skilvirkni terahertz loftnetsumbúða er einnig mjög brýnt mál.
Almenn THz loftnet
Það eru margar gerðir af THz loftnetum í boði: tvípóla loftnet með keilulaga holrúmum, hornendurskinskerfi, bogadregna tvípólar, dilectric linsuplanar loftnet, ljósleiðandi loftnet til að búa til THz geislunargjafa, hornloftnet, THz loftnet byggð á grafenefnum o.s.frv. efnin sem notuð eru til að búa til THz loftnet, þau geta verið gróflega skipt í málmloftnet (aðallega hornloftnet), rafræn loftnet (linsuloftnet) og loftnet fyrir ný efni. Þessi hluti gefur fyrst bráðabirgðagreiningu á þessum loftnetum og síðan í næsta kafla eru fimm dæmigerð THz loftnet kynnt í smáatriðum og greind ítarlega.
1. Loftnet úr málmi
Hornloftnetið er dæmigert málmloftnet sem er hannað til að virka í THz bandinu. Loftnet klassísks millimetra bylgjumóttakara er keilulaga horn. Bylgjupappa og tvískipt loftnet hafa marga kosti, þar á meðal snúningssamhverft geislunarmynstur, háan ávinning upp á 20 til 30 dBi og lágt krossskautun upp á -30 dB, og tengiskilvirkni upp á 97% til 98%. Tiltæk bandbreidd hornloftnetanna tveggja er 30%-40% og 6%-8%, í sömu röð.
Þar sem tíðni terahertz-bylgna er mjög há er stærð hornloftnetsins mjög lítil, sem gerir vinnslu hornsins mjög erfitt, sérstaklega við hönnun loftnetsfylkinga, og flókið vinnslutækni leiðir til óhóflegs kostnaðar og takmarkaða framleiðslu. Vegna erfiðleika við að framleiða botn flóknu hornhönnunarinnar er venjulega notað einfalt hornloftnet í formi keilulaga eða keilulaga horns, sem getur dregið úr kostnaði og flókið ferli og hægt að viðhalda geislunarafköstum loftnetsins. jæja.
Annað málmloftnet er farandbylgjupýramídaloftnet, sem samanstendur af farandbylgjuloftneti sem er samþætt á 1,2 míkron rafhlöðufilmu og hengt upp í lengdarholi sem er ætið á kísilskífu, eins og sýnt er á mynd 7. Þetta loftnet er opið skipulag sem er samhæft við Schottky díóða. Vegna tiltölulega einfaldrar uppbyggingar og lítillar framleiðslukrafna er almennt hægt að nota það á tíðnisviðum yfir 0,6 THz. Hins vegar eru hliðarlobe-stig og krossskautun loftnetsins hátt, líklega vegna opinnar uppbyggingar þess. Þess vegna er tengivirkni þess tiltölulega lág (um 50%).
Mynd 7 Ferðabylgjupýramídaloftnet
2. Rafmagnsloftnet
Rafmagnsloftnetið er sambland af rafrænu undirlagi og loftnetsofni. Með réttri hönnun getur rafloftnetið náð viðnámssamsvörun við skynjarann og hefur þá kosti einfalt ferli, auðveld samþætting og litlum tilkostnaði. Á undanförnum árum hafa vísindamenn hannað nokkur þröngbands- og breiðbandshliðareldaloftnet sem geta passað við lágviðnámsskynjara terahertz rafloftneta: fiðrildaloftnet, tvöfalt U-laga loftnet, log-periodískt loftnet og log-periodic sinusoidal loftnet, eins og sýnt á mynd 8. Að auki er hægt að hanna flóknari loftnetsrúmfræði með erfðafræðilegum reikniritum.
Mynd 8 Fjórar gerðir af planum loftnetum
Hins vegar, þar sem rafloftnetið er sameinað rafrænu undirlagi, munu yfirborðsbylgjuáhrif eiga sér stað þegar tíðnin stefnir að THz bandinu. Þessi banvæni ókostur mun valda því að loftnetið missir mikla orku við notkun og leiðir til verulegrar minnkunar á geislunarvirkni loftnetsins. Eins og sýnt er á mynd 9, þegar loftnetsgeislunarhornið er stærra en afskurðarhornið, er orka þess bundin í rafmagns undirlaginu og tengd við undirlagshaminn.
Mynd 9 Loftnet yfirborðsbylgjuáhrif
Þegar þykkt undirlagsins eykst eykst fjöldi háttsettra stillinga og tengingin milli loftnetsins og undirlagsins eykst, sem leiðir til orkutaps. Til að veikja yfirborðsbylgjuáhrifin eru þrjú hagræðingarkerfi:
1) Hladdu linsu á loftnetið til að auka ávinninginn með því að nota geislamyndunareiginleika rafsegulbylgna.
2) Dragðu úr þykkt undirlagsins til að bæla myndun rafsegulbylgna í háum röðum.
3) Skiptu um rafsegulbandsbil (EBG) fyrir rafsegulbandsbilið. Staðbundin síunareiginleikar EBG geta bælt niður háttar stillingar.
3. Ný efnisloftnet
Til viðbótar við ofangreind tvö loftnet er einnig til terahertz loftnet úr nýjum efnum. Til dæmis, árið 2006, Jin Hao o.fl. lagði til kolefnisnanotube tvípóla loftnet. Eins og sýnt er á mynd 10 (a), er tvípólinn úr kolefnisnanorörum í stað málmefna. Hann rannsakaði vandlega innrauða og sjónræna eiginleika kolefnis nanópóla tvípóla loftnetsins og ræddi almenna eiginleika kolefnis nanóröra tvípóla loftnetsins með endanlegri lengd, svo sem inntaksviðnám, straumdreifingu, ávinning, skilvirkni og geislunarmynstur. Mynd 10 (b) sýnir sambandið á milli inntaksviðnáms og tíðni kolefnis nanórör tvípóla loftnetsins. Eins og sést á mynd 10(b), hefur ímyndaði hluti inntaksviðnámsins mörg núll við hærri tíðni. Þetta gefur til kynna að loftnetið geti náð mörgum ómun á mismunandi tíðni. Augljóslega sýnir kolefni nanórör loftnetið ómun innan ákveðins tíðnisviðs (lægri THz tíðni), en er algjörlega ófær um að enduróma utan þessa sviðs.
Mynd 10 (a) Tvípóla loftnet úr kolefnisnanotube. (b) Inntaksviðnám-tíðniferill
Árið 2012 lögðu Samir F. Mahmoud og Ayed R. AlAjmi til nýja terahertz loftnetsbyggingu byggða á kolefnis nanórörum, sem samanstendur af búnti af kolefnis nanórörum vafið inn í tvö dielektrísk lög. Innra raforkulagið er rafstýrt froðulag og ytra rafmagnslagið er metaefnislag. Sértæk uppbygging er sýnd á mynd 11. Með prófunum hefur geislunarafköst loftnetsins verið bætt samanborið við einveggða kolefnis nanórör.
Mynd 11 Nýtt terahertz loftnet byggt á kolefnisnanorörum
Nýju terahertz loftnetin sem lögð eru til hér að ofan eru aðallega þrívídd. Til þess að bæta bandbreidd loftnetsins og búa til samræmd loftnet hafa slétt grafenloftnet fengið mikla athygli. Grafen hefur framúrskarandi kraftmikla stöðuga stjórnunareiginleika og getur myndað yfirborðsplasma með því að stilla hlutspennu. Yfirborðsplasma er til á snertifleti milli jákvæðra hvarfefna rafstuðuls (eins og Si, SiO2, osfrv.) og neikvæðs hvarfefna rafstraums (eins og góðmálma, grafen osfrv.). Það er mikill fjöldi „frjálsra rafeinda“ í leiðurum eins og góðmálmum og grafeni. Þessar frjálsu rafeindir eru einnig kallaðar plasma. Vegna innbyggts hugsanlegs sviðs í leiðaranum eru þessi plasma í stöðugu ástandi og truflast ekki af umheiminum. Þegar innfallandi rafsegulbylgjuorka er tengd við þessi plasma munu plasmaarnir víkja frá stöðugu ástandi og titra. Eftir umbreytinguna myndar rafsegulsviðið þverlæga segulbylgju við viðmótið. Samkvæmt lýsingu á dreifingarsambandi málmyfirborðsplasma með Drude líkaninu geta málmar ekki náttúrulega tengst rafsegulbylgjum í lausu rými og umbreytt orku. Nauðsynlegt er að nota önnur efni til að örva yfirborðsplasmabylgjur. Yfirborðsplasmabylgjur rotna hratt í samhliða stefnu málm-hvarfefnisins. Þegar málmleiðarinn leiðir í átt sem er hornrétt á yfirborðið verða húðáhrif. Augljóslega, vegna smæðar loftnetsins, eru húðáhrif á hátíðnisviðinu, sem veldur því að frammistaða loftnetsins lækkar verulega og getur ekki uppfyllt kröfur terahertz loftneta. Yfirborðsplasmon grafen hefur ekki aðeins meiri bindikraft og minna tap, heldur styður það einnig stöðuga rafstillingu. Að auki hefur grafen flókna leiðni í terahertz bandinu. Þess vegna er hæg bylgjuútbreiðsla tengd plasmahamnum við terahertz tíðni. Þessir eiginleikar sýna fullkomlega fram á hagkvæmni grafen til að skipta um málmefni í terahertz bandinu.
Byggt á skautunarhegðun grafenyfirborðsplasmona sýnir mynd 12 nýja gerð ræmuloftneta og leggur til bandform útbreiðslueiginleika plasmabylgna í grafeni. Hönnun stillanlegs loftnetsbands veitir nýja leið til að rannsaka útbreiðslueiginleika nýrra terahertz loftneta.
Mynd 12 Nýtt strimlaloftnet
Auk þess að kanna nýja efnisþætti terahertz loftnets í einingum, er einnig hægt að hanna grafen nanopatch terahertz loftnet sem fylki til að byggja upp terahertz multi-inntak multi-output loftnet samskiptakerfi. Uppbygging loftnetsins er sýnd á mynd 13. Byggt á einstökum eiginleikum grafen-nanopatch loftneta, hafa loftnetseiningarnar míkron-kvarða. Efnafræðileg gufuútfelling myndar mismunandi grafen myndir beint á þunnt nikkellag og flytur þær yfir á hvaða undirlag sem er. Með því að velja viðeigandi fjölda íhluta og breyta rafstöðueiginleikaspennu er hægt að breyta geislunarstefnunni á áhrifaríkan hátt, sem gerir kerfið endurstillanlegt.
Mynd 13 Graphene nanopatch terahertz loftnetsfylki
Rannsóknir á nýjum efnum eru tiltölulega ný stefna. Gert er ráð fyrir að nýsköpun efna muni brjótast í gegnum takmarkanir hefðbundinna loftneta og þróa margs konar ný loftnet, svo sem endurstillanlegt metaefni, tvívíð (2D) efni o.s.frv. Hins vegar er þessi tegund loftneta aðallega háð nýsköpun nýrra efni og framfarir í vinnslutækni. Í öllum tilvikum, þróun terahertz loftneta krefst nýstárlegra efna, nákvæmrar vinnslutækni og nýrrar hönnunarbyggingar til að mæta háum ávinningi, litlum tilkostnaði og breiðri bandbreidd kröfum terahertz loftneta.
Eftirfarandi kynnir grunnreglur þriggja tegunda af terahertz loftnetum: málmloftnetum, rafstýrðum loftnetum og loftnetum fyrir nýtt efni og greinir muninn á þeim og kosti og galla.
1. Málmloftnet: Rúmfræðin er einföld, auðveld í vinnslu, tiltölulega litlum tilkostnaði og litlar kröfur um undirlagsefni. Hins vegar nota málmloftnet vélrænni aðferð til að stilla stöðu loftnetsins, sem er viðkvæmt fyrir villum. Ef aðlögunin er ekki rétt mun afköst loftnetsins minnka verulega. Þrátt fyrir að málmloftnetið sé lítið í stærð er erfitt að setja það saman með flatri hringrás.
2. Rafmagnsloftnet: Rafmagnsloftnetið hefur lágt inntaksviðnám, auðvelt að passa við lágviðnámsskynjara og er tiltölulega einfalt að tengja við plana hringrás. Geómetrísk form rafloftneta innihalda fiðrildalögun, tvöfalda U lögun, hefðbundna lógaritmíska lögun og lógaritmíska reglubundna sinusform. Hins vegar hafa rafmagnsloftnet einnig banvænan galla, nefnilega yfirborðsbylgjuáhrifin af völdum þykks undirlagsins. Lausnin er að hlaða linsu og skipta um dielectric undirlagið með EBG uppbyggingu. Báðar lausnirnar krefjast nýsköpunar og stöðugrar endurbóta á vinnslutækni og efnum, en framúrskarandi frammistaða þeirra (svo sem alátta og yfirborðsbylgjubæling) getur gefið nýjar hugmyndir fyrir rannsóknir á terahertz loftnetum.
3. Ný efnisloftnet: Um þessar mundir hafa komið fram ný tvípól loftnet úr kolefnis nanórörum og ný loftnetsbygging úr metaefni. Ný efni geta leitt til nýrra frammistöðubyltinga, en forsendan er nýsköpun efnisfræðinnar. Sem stendur eru rannsóknir á nýjum efnisloftnetum enn á rannsóknarstigi og mörg lykiltækni er ekki nógu þroskuð.
Í stuttu máli er hægt að velja mismunandi gerðir af terahertz loftnetum í samræmi við hönnunarkröfur:
1) Ef krafist er einfaldrar hönnunar og lágs framleiðslukostnaðar er hægt að velja málmloftnet.
2) Ef krafist er mikillar samþættingar og lágs inntaksviðnáms er hægt að velja rafloftnet.
3) Ef þörf er á byltingu í frammistöðu er hægt að velja ný efnisloftnet.
Ofangreind hönnun er einnig hægt að aðlaga í samræmi við sérstakar kröfur. Til dæmis er hægt að sameina tvær tegundir loftneta til að öðlast fleiri kosti, en samsetningaraðferðin og hönnunartæknin verða að uppfylla strangari kröfur.
Til að læra meira um loftnet skaltu fara á:
Pósttími: ágúst-02-2024
