Með vaxandi vinsældum þráðlausra tækja hefur gagnaþjónusta gengið inn í nýtt tímabil hraðrar þróunar, einnig þekkt sem sprengivöxtur gagnaþjónustu. Sem stendur er fjöldi forrita smám saman að færast frá tölvum yfir í þráðlaus tæki eins og farsíma sem eru auðveld í meðförum og notkun í rauntíma, en þessi staða hefur einnig leitt til hraðrar aukningar á gagnaumferð og skorts á bandvídd. Samkvæmt tölfræði gæti gagnahraðinn á markaðnum náð Gbps eða jafnvel Tbps á næstu 10 til 15 árum. Sem stendur hefur THz samskipti náð Gbps gagnahraða, en Tbps gagnahraðinn er enn á frumstigi þróunar. Tengd grein telur upp nýjustu framfarir í Gbps gagnahraða byggðum á THz bandinu og spáir því að hægt sé að ná Tbps með skautunarmargföldun. Þess vegna, til að auka gagnaflutningshraðann, er möguleg lausn að þróa nýtt tíðnisvið, sem er terahertz bandið, sem er í „tóma svæðinu“ milli örbylgjuofna og innrauðs ljóss. Á Alþjóðaráðstefnunni um fjarskipti (WRC-19) í ITU árið 2019 var tíðnisviðið 275-450 GHz notað fyrir fastlínu- og landfæranlega þjónustu. Það má sjá að þráðlaus fjarskiptakerfi með terahertz-hraða hafa vakið athygli margra vísindamanna.
Terahertz rafsegulbylgjur eru almennt skilgreindar sem tíðnisviðið 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) með bylgjulengd 0,03-3 mm. Samkvæmt IEEE staðlinum eru terahertz bylgjur skilgreindar sem 0,3-10 THz. Mynd 1 sýnir að terahertz tíðnisviðið er á milli örbylgju og innrauðs ljóss.
Mynd 1. Skýringarmynd af THz tíðnisviðinu.
Þróun terahertz loftneta
Þótt rannsóknir á terahertz-bylgjum hefðust á 19. öld voru þær ekki rannsakaðar sem sjálfstætt svið á þeim tíma. Rannsóknir á terahertz-geislun beindust aðallega að fjarinnrauða sviðinu. Það var ekki fyrr en um miðja til síðari hluta 20. aldar að vísindamenn fóru að færa rannsóknir á millimetrabylgjum yfir á terahertz-sviðið og stunda sérhæfðar rannsóknir á terahertz-tækni.
Á níunda áratugnum gerði tilkoma terahertz geislunarlinda notkun terahertz bylgna í hagnýtum kerfum mögulega. Frá 21. öldinni hefur þráðlaus samskiptatækni þróast hratt og eftirspurn fólks eftir upplýsingum og aukning á samskiptabúnaði hefur sett fram strangari kröfur um flutningshraða samskiptagagna. Þess vegna er ein af áskorunum framtíðar samskiptatækni að starfa við háan gagnahraða, gígabita á sekúndu, á einum stað. Við núverandi efnahagsþróun hafa tíðnirófsauðlindir orðið sífellt af skornum skammti. Hins vegar eru kröfur manna um samskiptagetu og hraða óendanlegar. Vegna vandamálsins með tíðnirófsþrengsli nota mörg fyrirtæki margfeldisinntaks-margfeldisúttaks-tækni (MIMO) til að bæta skilvirkni tíðnirófsins og kerfisgetu með rúmfræðilegri fjölföldun. Með framþróun 5G neta mun gagnatengingarhraði hvers notanda fara yfir Gbps og gagnaumferð stöðvarstöðva mun einnig aukast verulega. Fyrir hefðbundin millimetrabylgjusamskiptakerfi munu örbylgjutengingar ekki geta höndlað þessa miklu gagnastrauma. Að auki, vegna áhrifa sjónlínu, er sendingarfjarlægðin í innrauðri samskiptum stutt og staðsetning samskiptabúnaðarins föst. Þess vegna er hægt að nota THz-bylgjur, sem eru á milli örbylgju og innrauðra, til að byggja upp háhraða samskiptakerfi og auka gagnaflutningshraða með því að nota THz-tengingar.
Terahertz-bylgjur geta veitt breiðari samskiptabandvídd og tíðnisvið þeirra er um 1000 sinnum stærra en í farsímasamskiptum. Þess vegna er notkun THz til að smíða mjög hraðvirk þráðlaus samskiptakerfi efnileg lausn á áskoruninni um mikinn gagnahraða, sem hefur vakið áhuga margra rannsóknarteyma og atvinnugreina. Í september 2017 var fyrsti THz þráðlausi samskiptastaðallinn IEEE 802.15.3d-2017 gefinn út, sem skilgreinir punkt-til-punkts gagnaskipti á lægra THz tíðnibilinu 252-325 GHz. Vara-efnislagið (e. alternative physical layer (PHY)) tengisins getur náð gagnahraða allt að 100 Gbps á mismunandi bandbreiddum.
Fyrsta farsæla THz samskiptakerfið með 0,12 THz tíðni var sett á laggirnar árið 2004 og THz samskiptakerfið með 0,3 THz tíðni var þróað árið 2013. Tafla 1 sýnir framvindu rannsókna á terahertz samskiptakerfum í Japan frá 2004 til 2013.
Tafla 1 Rannsóknarframfarir á terahertz samskiptakerfum í Japan frá 2004 til 2013
Loftnetsbygging samskiptakerfis sem þróað var árið 2004 var lýst ítarlega af Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) árið 2005. Loftnetsstillingin var kynnt í tveimur tilfellum, eins og sýnt er á mynd 2.
Mynd 2 Skýringarmynd af þráðlausu samskiptakerfi NTT 120 GHz í Japan
Kerfið samþættir ljósvirka umbreytingu og loftnet og notar tvær vinnuaðferðir:
1. Í nálægð innandyra samanstendur flatar loftnetssendirinn sem notaður er innandyra af einlínu ljósdíóðu (UTC-PD) flís, flatri raufarloftneti og kísillinsu, eins og sýnt er á mynd 2(a).
2. Í langdrægu umhverfi utandyra, til að bæta áhrif mikils senditaps og lágrar næmis skynjarans, verður sendiloftnetið að hafa mikinn ávinning. Núverandi terahertz loftnet notar Gaussíska ljósleiðaralinsu með ávinningi upp á meira en 50 dBi. Samsetning fóðrunarhornsins og díelektrískrar linsu er sýnd á mynd 2(b).
Auk þess að þróa 0,12 THz samskiptakerfi þróaði NTT einnig 0,3 THz samskiptakerfi árið 2012. Með stöðugri hagræðingu getur flutningshraðinn náð allt að 100 Gbps. Eins og sjá má í töflu 1 hefur það lagt mikið af mörkum til þróunar terahertz samskipta. Hins vegar hefur núverandi rannsóknarvinna ókosti eins og lága rekstrartíðni, stóra stærð og mikinn kostnað.
Flest terahertz loftnetin sem nú eru notuð eru breytt úr millímetrabylgjuloftnetum og litlar nýjungar eru í terahertz loftnetum. Þess vegna, til að bæta afköst terahertz samskiptakerfa, er mikilvægt verkefni að hámarka terahertz loftnet. Tafla 2 sýnir framfarir í rannsóknum á þýskum THz samskiptum. Mynd 3 (a) sýnir dæmigert þráðlaust THz samskiptakerfi sem sameinar ljósfræði og rafeindatækni. Mynd 3 (b) sýnir prófunarsvæði í vindgöngum. Miðað við núverandi rannsóknarstöðu í Þýskalandi hafa rannsóknir og þróun einnig ókosti eins og lága rekstrartíðni, mikinn kostnað og litla skilvirkni.
Tafla 2 Rannsóknarframfarir á THz samskiptum í Þýskalandi
Mynd 3 Prófunarsvæði í vindgöngum
Upplýsingamiðstöð CSIRO hefur einnig hafið rannsóknir á þráðlausum fjarskiptakerfum innanhúss með THz tíðni. Miðstöðin rannsakaði tengslin milli ársins og fjarskiptatíðni, eins og sést á mynd 4. Eins og sjá má á mynd 4, þá stefna rannsóknir á þráðlausum fjarskiptum árið 2020 að THz bandinu. Hámarksfjarskiptatíðni sem notar útvarpsrófið eykst um það bil tífalt á tuttugu ára fresti. Miðstöðin hefur gert tillögur um kröfur fyrir THz loftnet og lagt til hefðbundin loftnet eins og horn og linsur fyrir THz fjarskiptakerfi. Eins og sést á mynd 5, virka tvö horn loftnet á 0,84 THz og 1,7 THz, með einfaldri uppbyggingu og góðum Gauss geislaafköstum.
Mynd 4 Tengsl milli árs og tíðni
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Mynd 5 Tvær gerðir af hornloftnetum
Bandaríkin hafa gert umfangsmiklar rannsóknir á útgeislun og greiningu terahertzbylgna. Meðal frægra rannsóknarstofa í terahertz-tækni eru Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF) og fleiri. Nýjar terahertz-loftnet fyrir terahertz-forrit hafa verið hannaðar, svo sem bogaloftnet og tíðnigeislastýringarloftnet. Samkvæmt þróun terahertz-loftneta getum við fengið þrjár grunnhugmyndir að hönnun terahertz-loftneta eins og sést á mynd 6.
Mynd 6 Þrjár grunnhugmyndir að hönnun terahertz loftneta
Ofangreind greining sýnir að þótt mörg lönd hafi lagt mikla áherslu á terahertz loftnet, þá er það enn á frumstigi rannsókna og þróunar. Vegna mikils útbreiðslutaps og sameindaupptöku eru THz loftnet yfirleitt takmörkuð af sendifjarlægð og þekju. Sumar rannsóknir beinast að lægri rekstrartíðni í THz bandinu. Núverandi rannsóknir á terahertz loftnetum beinast aðallega að því að bæta ávinning með því að nota díelektrískar linsuloftnet o.s.frv. og bæta samskiptahagkvæmni með því að nota viðeigandi reiknirit. Að auki er hvernig bæta megi skilvirkni pökkunar terahertz loftnets einnig mjög brýnt mál.
Almennar THz loftnet
Margar gerðir af THz loftnetum eru í boði: tvípólloftnet með keilulaga holrúm, hornendurskinsfletir, tvípólloftnet með slaufu, díelektrísk linsuplanarloftnet, ljósleiðandi loftnet til að mynda THz geislunarlindur, hornloftnet, THz loftnet byggð á grafenefnum o.s.frv. Samkvæmt efnunum sem notuð eru til að búa til THz loftnet má gróflega skipta þeim í málmloftnet (aðallega hornloftnet), díelektrísk loftnet (linsuloftnet) og loftnet úr nýjum efnum. Í þessum kafla er fyrst gerð forgreining á þessum loftnetum og í næsta kafla eru fimm dæmigerð THz loftnet kynnt í smáatriðum og greind ítarlega.
1. Málmloftnet
Hornloftnetið er dæmigert málmloftnet sem er hannað til að virka í THz bandinu. Loftnetið í klassískum millímetrabylgjumóttakara er keilulaga horn. Bylgjulaga og tvískipt loftnet hafa marga kosti, þar á meðal snúnings-samhverft geislunarmynstur, mikla ávinning upp á 20 til 30 dBi og lágt krossskautunarstig upp á -30 dB, og tengivirkni upp á 97% til 98%. Tiltæk bandvídd tveggja hornloftneta er 30%-40% og 6%-8%, talið í sömu röð.
Þar sem tíðni terahertzbylgjanna er mjög há er stærð hornloftnetsins mjög lítil, sem gerir vinnslu hornsins mjög erfiða, sérstaklega við hönnun loftnetsfylkja, og flækjustig vinnslutækninnar leiðir til óhóflegs kostnaðar og takmarkaðrar framleiðslu. Vegna erfiðleika við framleiðslu á botni flókinnar hornhönnunar er venjulega notað einfalt hornloftnet í formi keilulaga eða keilulaga horns, sem getur dregið úr kostnaði og flækjustigi ferlisins og geislunarafköst loftnetsins geta verið vel viðhaldið.
Önnur málmloftnet er ferðabylgjupýramídaloftnet, sem samanstendur af ferðabylgjuloftneti sem er samþætt á 1,2 míkron rafskautsfilmu og hangir í langsum hola sem er etsuð á kísilþynnu, eins og sýnt er á mynd 7. Þetta loftnet er með opna uppbyggingu sem er samhæft við Schottky díóður. Vegna tiltölulega einfaldrar uppbyggingar og lágra framleiðslukrafna er almennt hægt að nota það í tíðnisviðum yfir 0,6 THz. Hins vegar eru hliðarlobastig og víxlskautunarstig loftnetsins hátt, líklega vegna opins uppbyggingar þess. Þess vegna er tengivirkni þess tiltölulega lág (um 50%).
Mynd 7 Pýramídalaga ferðabylgjuloftnet
2. Rafmagnsloftnet
Rafmagnsloftnetið er samsetning af rafmagnsundirlagi og loftnetsgeisla. Með réttri hönnun getur rafmagnsloftnetið náð viðnámsjöfnun við skynjarann og hefur kosti eins og einfalt ferli, auðvelda samþættingu og lágan kostnað. Á undanförnum árum hafa vísindamenn hannað nokkur þröngbands- og breiðbandshliðarloftnet sem geta passað við lágviðnámsskynjara terahertz rafmagnaloftneta: fiðrildaloftnet, tvöfalt U-laga loftnet, log-periodískt loftnet og log-periodískt sinusloftnet, eins og sýnt er á mynd 8. Að auki er hægt að hanna flóknari loftnetsgeometriur með erfðafræðilegum reikniritum.
Mynd 8 Fjórar gerðir af planar loftnetum
Hins vegar, þar sem rafsvörunarloftnetið er sameinuð rafsvörunarundirlagi, mun yfirborðsbylgjuáhrif eiga sér stað þegar tíðnin stefnir að THz bandinu. Þessi banvæni ókostur veldur því að loftnetið tapar mikilli orku við notkun og leiðir til verulegrar minnkunar á geislunarnýtni loftnetsins. Eins og sést á mynd 9, þegar geislunarhorn loftnetsins er stærra en afskurðarhornið, er orkan bundin innan rafsvörunarundirlagsins og tengd undirlagsstillingunni.
Mynd 9 Áhrif yfirborðsbylgju loftnets
Þegar þykkt undirlagsins eykst eykst fjöldi háþróaðra stillinga og tengingin milli loftnetsins og undirlagsins eykst, sem leiðir til orkutaps. Til að veikja áhrif yfirborðsbylgjunnar eru þrjár hagræðingaraðferðir:
1) Setjið linsu á loftnetið til að auka ávinninginn með því að nota geislamyndunareiginleika rafsegulbylgna.
2) Minnkið þykkt undirlagsins til að bæla niður myndun rafsegulbylgna af hærri röð.
3) Skiptu út rafskautsefni undirlagsins fyrir rafsegulbandgap (EBG). Rýmis síunareiginleikar EBG geta bælt niður háþróaða stillingu.
3. Ný efnisloftnet
Auk ofangreindra tveggja loftneta er einnig til terahertz loftnet úr nýjum efnum. Til dæmis, árið 2006, lögðu Jin Hao o.fl. til tvípólsloftnet úr kolefnisnanórörum. Eins og sést á mynd 10 (a), er tvípólinn úr kolefnisnanórörum í stað málmefna. Hann rannsakaði vandlega innrauða og ljósfræðilega eiginleika tvípólsloftnetsins úr kolefnisnanórörum og ræddi almenna eiginleika tvípólsloftnetsins úr kolefnisnanórörum með endanlega lengd, svo sem inntaksviðnám, straumdreifingu, ávinning, skilvirkni og geislunarmynstur. Mynd 10 (b) sýnir sambandið milli inntaksviðnáms og tíðni tvípólsloftnetsins úr kolefnisnanórörum. Eins og sjá má á mynd 10 (b), hefur ímyndaði hluti inntaksviðnámsins mörg núll við hærri tíðni. Þetta bendir til þess að loftnetið geti náð mörgum ómun á mismunandi tíðnum. Augljóslega sýnir kolefnisnanórörsloftnetið ómun innan ákveðins tíðnibils (lægri THz tíðni), en er alls ekki fær um að óma utan þessa bils.
Mynd 10 (a) Tvípólaloftnet úr kolefnisnanóröri. (b) Inntaksviðnáms-tíðniferill
Árið 2012 lögðu Samir F. Mahmoud og Ayed R. AlAjmi til nýja terahertz loftnetsbyggingu byggða á kolefnisnanórörum, sem samanstendur af knippi af kolefnisnanórörum vafið í tvö rafsvörunarlög. Innra rafsvörunarlagið er rafsvörunarfroðulag og ytra rafsvörunarlagið er lag úr málmefni. Nákvæm uppbygging er sýnd á mynd 11. Með prófunum hefur geislunargeta loftnetsins batnað samanborið við einveggja kolefnisnanórör.
Mynd 11 Nýtt terahertz loftnet byggt á kolefnisnanórörum
Nýju terahertz loftnetin sem lögð eru til hér að ofan eru aðallega þrívíddar. Til að bæta bandvídd loftnetsins og búa til samræmd loftnet hafa flatar grafen loftnet vakið mikla athygli. Grafen hefur framúrskarandi eiginleika til að stjórna stöðugum hreyfifærum straumum og getur myndað yfirborðsplasma með því að stilla spennuna. Yfirborðsplasma er á milli undirlaga með jákvæðum rafsvörunarstuðli (eins og Si, SiO2 o.s.frv.) og undirlaga með neikvæðum rafsvörunarstuðli (eins og eðalmálma, grafen o.s.frv.). Það er mikill fjöldi „fríra rafeinda“ í leiðurum eins og eðalmálmum og grafeni. Þessar frjálsu rafeindir eru einnig kallaðar plasma. Vegna innbyggðs spennusviðs í leiðaranum eru þessi plasma í stöðugu ástandi og truflast ekki af umheiminum. Þegar rafsegulbylgjuorka tengist þessum plasma mun plasma víkja frá stöðugu ástandi og titra. Eftir umbreytinguna myndar rafsegulbylgju þversniðs segulbylgju á millilaginu. Samkvæmt lýsingu Drude líkansins á dreifingartengslum málmyfirborðsplasma geta málmar ekki tengst rafsegulbylgjum í tómarúmi og umbreytt orku. Nauðsynlegt er að nota önnur efni til að örva yfirborðsplasmabylgjur. Yfirborðsplasmabylgjur minnka hratt í samsíða átt við tengifleti málms og undirlags. Þegar málmleiðarinn leiðir í átt sem er hornrétt á yfirborðið myndast húðáhrif. Augljóslega, vegna smæðar loftnetsins, myndast húðáhrif í hátíðnisviðinu, sem veldur því að afköst loftnetsins lækka hratt og uppfylla ekki kröfur terahertz-loftneta. Yfirborðsplasmon grafens hefur ekki aðeins meiri bindingarkraft og minni tap, heldur styður einnig stöðuga rafstillingu. Að auki hefur grafen flókna leiðni í terahertz-sviðinu. Þess vegna tengist hæg bylgjuútbreiðsla plasmastillingu við terahertz-tíðni. Þessir eiginleikar sýna fullkomlega fram á möguleikann á grafeni til að koma í stað málmefna í terahertz-sviðinu.
Mynd 12 sýnir nýja gerð af ræmuloftneti, byggt á skautunarhegðun yfirborðsplasmóna grafíns, og leggur til bandform útbreiðslueiginleika plasmabylgna í grafíni. Hönnun stillanlegrar loftnetsbands býður upp á nýja leið til að rannsaka útbreiðslueiginleika nýrra terahertz loftneta.
Mynd 12 Ný loftnetsræma
Auk þess að kanna nýjar terahertz loftnetsþætti úr einingum, er einnig hægt að hanna grafín nanóplötu terahertz loftnet sem fylki til að byggja upp terahertz fjölinntaks fjölúttaks loftnetssamskiptakerfi. Loftnetsbyggingin er sýnd á mynd 13. Byggt á einstökum eiginleikum grafín nanóplötu loftneta eru loftnetsþættirnir míkrómetrastærðir. Efnafræðileg gufuútfelling myndar beint mismunandi grafínmyndir á þunnu nikkellagi og flytur þær á hvaða undirlag sem er. Með því að velja viðeigandi fjölda íhluta og breyta rafstöðuvirkri spennu er hægt að breyta geislunarstefnunni á áhrifaríkan hátt, sem gerir kerfið endurstillanlegt.
Mynd 13. Loftnetsfylking úr grafín-nanóplástri með terahertz-tengingu.
Rannsóknir á nýjum efnum eru tiltölulega ný stefna. Gert er ráð fyrir að nýsköpun í efnum muni brjóta niður takmarkanir hefðbundinna loftneta og þróa fjölbreytt úrval nýrra loftneta, svo sem endurskipuleggjanleg málmefni, tvívíð (2D) efni o.s.frv. Hins vegar er þessi tegund loftneta aðallega háð nýsköpun nýrra efna og framþróun í vinnslutækni. Í öllum tilvikum krefst þróun terahertz loftneta nýstárlegra efna, nákvæmrar vinnslutækni og nýstárlegra hönnunarbygginga til að uppfylla kröfur terahertz loftneta um mikinn ávinning, lágan kostnað og breiða bandbreidd.
Eftirfarandi kynnir grunnreglur þriggja gerða terahertz loftneta: málmloftnet, díelektrísk loftnet og loftnet úr nýju efni, og greinir muninn á þeim, kosti og galla.
1. Málmloftnet: Einföld rúmfræði, auðveld í vinnslu, tiltölulega ódýr og litlar kröfur um undirlagsefni. Hins vegar nota málmloftnet vélræna aðferð til að stilla stöðu loftnetsins, sem er viðkvæmt fyrir villum. Ef stillingin er ekki rétt mun afköst loftnetsins minnka verulega. Þó að málmloftnetið sé lítið að stærð er erfitt að setja það saman með planarrás.
2. Rafmagnsloftnet: Rafmagnsloftnetið hefur lágt inntaksviðnám, auðvelt er að tengja það við lágviðnámsskynjara og tiltölulega einfalt að tengja það við planarrás. Rúmfræðileg lögun rafmagnaloftneta eru meðal annars fiðrildalögun, tvöföld U-lögun, hefðbundin lógaritmísk lögun og lógaritmísk lotubundin sínuslögun. Hins vegar hafa rafmagnaloftnet einnig alvarlegan galla, þ.e. yfirborðsbylgjuáhrif sem orsakast af þykku undirlagi. Lausnin er að hlaða linsu og skipta út rafmagnsundirlaginu fyrir EBG-byggingu. Báðar lausnirnar krefjast nýsköpunar og stöðugra umbóta á ferlistækni og efnum, en framúrskarandi frammistaða þeirra (eins og fjölátta og yfirborðsbylgjuhömlun) getur veitt nýjar hugmyndir fyrir rannsóknir á terahertz loftnetum.
3. Ný efnisloftnet: Sem stendur hafa komið fram ný tvípólaloftnet úr kolefnisnanórörum og nýjar loftnetsbyggingar úr málmefnum. Ný efni geta leitt til nýrra byltingar í afköstum, en forsenda þess er nýsköpun í efnisfræði. Eins og er eru rannsóknir á nýjum efnisloftnetum enn á könnunarstigi og margar lykiltækni eru ekki nógu þroskaðar.
Í stuttu máli má velja mismunandi gerðir af terahertz loftnetum eftir hönnunarkröfum:
1) Ef þörf er á einföldum hönnun og lágum framleiðslukostnaði er hægt að velja málmloftnet.
2) Ef mikil samþætting og lág inntaksviðnám eru nauðsynleg er hægt að velja rafsvörunarloftnet.
3) Ef þörf er á byltingarkenndri afköstum er hægt að velja loftnet úr nýjum efnivið.
Hægt er að aðlaga ofangreindar hönnunir að sérstökum kröfum. Til dæmis er hægt að sameina tvær gerðir loftneta til að fá meiri kosti, en samsetningaraðferðin og hönnunartæknin verða að uppfylla strangari kröfur.
Til að læra meira um loftnet, vinsamlegast farðu á:
Birtingartími: 2. ágúst 2024
