מיט דער וואקסנדיקער פאפולאריטעט פון דראטלאזע דעווייסעס, זענען דאטן סערוויסעס אריין אין א נייער תקופה פון שנעלער אנטוויקלונג, אויך באקאנט אלס דער עקספלאזיווער וואוקס פון דאטן סערוויסעס. איצט, א גרויסע צאל אפליקאציעס גייען ביסלעכווייז אריבער פון קאמפיוטערס צו דראטלאזע דעווייסעס ווי מאביל טעלעפאנען וואס זענען גרינג צו טראגן און אפערירן אין רעאל-צייט, אבער די סיטואציע האט אויך געפירט צו א שנעלער פארגרעסערונג אין דאטן טראפיק און א מאנגל אין באנדווידט רעסורסן. לויט סטאטיסטיק, קען די דאטן ראטע אויפן מארקעט דערגרייכן Gbps אדער אפילו Tbps אין די נעקסטע 10 ביז 15 יאר. איצט, האט THz קאמוניקאציע דערגרייכט א Gbps דאטן ראטע, בשעת די Tbps דאטן ראטע איז נאך אין די פריע שטאפלען פון אנטוויקלונג. א פארבונדענע פאפיר ליסטירט די לעצטע פארשריט אין Gbps דאטן ראטעס באזירט אויף די THz באנד און פאראויסזאגט אז Tbps קען באקומען ווערן דורך פאלאריזאציע מולטיפלעקסינג. דעריבער, צו פארגרעסערן די דאטן טראנסמיסיע ראטע, איז א מעגלעכע לייזונג צו אנטוויקלען א נייע פרעקווענץ באנד, וואס איז די טעראהערץ באנד, וואס איז אין די "ליידיקע געגנט" צווישן מייקראווייווס און אינפרארויט ליכט. ביי דער ITU וועלט ראַדיאָקאָמוניקאַציע קאָנפֿערענץ (WRC-19) אין 2019, איז די פֿרעקווענץ קייט פֿון 275-450GHz גענוצט געוואָרן פֿאַר פֿיקסירטע און לאַנדמאָבילע באַדינונגען. מען קען זען אַז טעראַהערץ דראָטלאָזע קאָמוניקאַציע סיסטעמען האָבן געצויגן די אויפֿמערקזאַמקייט פֿון פֿיל פֿאָרשער.
טעראַהערץ עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליעס ווערן בכלל דעפינירט ווי די אָפטקייט באַנד פון 0.1-10THz (1THz=1012Hz) מיט אַ כוואַליע לענג פון 0.03-3 מ״מ. לויטן IEEE סטאַנדאַרט, ווערן טעראַהערץ כוואַליעס דעפינירט ווי 0.3-10THz. פיגור 1 ווייזט אַז די טעראַהערץ אָפטקייט באַנד איז צווישן מייקראַווייווז און ינפראַרעד ליכט.
פיג. 1 סכעמאטישע דיאַגראַמע פון THz פרעקווענץ באַנד.
אַנטוויקלונג פון טעראַהערץ אַנטענעס
כאָטש טעראַהערץ פאָרשונג האָט זיך אָנגעהויבן אין 19טן יאָרהונדערט, איז עס דעמאָלט נישט געוואָרן שטודירט ווי אַ זעלבשטענדיק פעלד. די פאָרשונג וועגן טעראַהערץ ראַדיאַציע איז געווען הויפּטזעכלעך פאָקוסירט אויף דער ווייט-אינפֿראַרויט באַנד. ערשט אין מיטן ביז שפּעטן 20סטן יאָרהונדערט האָבן פאָרשער אָנגעהויבן צו פֿאָרשריטן מילימעטער כוואַליע פאָרשונג צו דער טעראַהערץ באַנד און דורכפֿירן ספּעציאַליזירטע טעראַהערץ טעכנאָלאָגיע פאָרשונג.
אין די 1980ער יארן, האט דער אויפקום פון טעראהערץ ראדיאציע קוועלער געמאכט די אנווענדונג פון טעראהערץ כוואליעס אין פראקטישע סיסטעמען מעגליך. זייט דעם 21סטן יארהונדערט, האט זיך ווייערלעס קאמוניקאציע טעכנולוגיע שנעל אנטוויקלט, און מענטשנס פארלאנג פאר אינפארמאציע און די פארגרעסערונג אין קאמוניקאציע עקוויפמענט האבן געשטעלט שטרענגערע פארלאנגען אויף דער טראנסמיסיע ראטע פון קאמוניקאציע דאטן. דעריבער, איינע פון די שוועריגקייטן פון צוקונפטיגע קאמוניקאציע טעכנולוגיע איז צו אפערירן מיט א הויכער דאטן ראטע פון גיגאביטס פער סעקונדע אין איין ארט. אונטער דער היינטיגער עקאנאמישער אנטוויקלונג, זענען ספעקטרום רעסורסן געווארן אלץ מער זעלטן. אבער, מענטשליכע פארלאנגען פאר קאמוניקאציע קאפאציטעט און שנעלקייט זענען אומענדלעך. פארן פראבלעם פון ספעקטרום פארשטאפונג, ניצן אסאך פירמעס מולטיפל-אינפוט מולטיפל-אויטפוט (MIMO) טעכנולוגיע צו פארבעסערן ספעקטרום עפעקטיווקייט און סיסטעם קאפאציטעט דורך ספעציעלע מולטיפלעקסינג. מיטן פארשריט פון 5G נעטוואורקס, וועט די דאטן פארבינדונג שנעלקייט פון יעדן באנוצער איבערשטייגן Gbps, און דער דאטן טראפיק פון באזע סטאנציעס וועט אויך באדייטנד פארגרעסערן. פאר טראדיציאנעלע מילימעטער כוואליע קאמוניקאציע סיסטעמען, וועלן מייקראוועוו לינקס נישט קענען האנדלען מיט די ריזיגע דאטן שטראמען. דערצו, צוליב דעם איינפלוס פון דער זיכט-ליניע, איז די טראנסמיסיע-דיסטאנץ פון אינפרארויט קאמוניקאציע קורץ און די לאקאציע פון איר קאמוניקאציע-אויסריכטונג איז פיקסירט. דעריבער, קענען THz כוואליעס, וואס זענען צווישן מיקראוועווען און אינפרארויט, גענוצט ווערן צו בויען הויך-גיך קאמוניקאציע סיסטעמען און פארגרעסערן דאטן טראנסמיסיע ראטעס דורך ניצן THz לינקס.
טעראַהערץ כוואַליעס קענען צושטעלן אַ ברייטערע קאָמוניקאַציע באַנדברייט, און איר אָפטקייט קייט איז אַרום 1000 מאָל אַז פון מאָביל קאָמוניקאַציע. דעריבער, ניצן THz צו בויען גאָר שנעלע וויירלעס קאָמוניקאַציע סיסטעמען איז אַ פּראַמישינג לייזונג צו דער אַרויסרופן פון הויך דאַטן ראַטעס, וואָס האט געצויגן די אינטערעס פון פילע פאָרשונג טימז און ינדאַסטריז. אין סעפטעמבער 2017, דער ערשטער THz וויירלעס קאָמוניקאַציע סטאַנדאַרט IEEE 802.15.3d-2017 איז ארויסגעגעבן געוואָרן, וואָס דעפינירט פּונקט-צו-פּונקט דאַטן וועקסל אין די נידעריקער THz אָפטקייט קייט פון 252-325 GHz. די אַלטערנאַטיווע פיזישע שיכט (PHY) פון די לינק קען דערגרייכן דאַטן ראַטעס פון ביז 100 Gbps ביי פאַרשידענע באַנדברייטס.
די ערשטע געלונגענע טערהערץ קאָמוניקאַציע סיסטעם פון 0.12 טערהערץ איז געגרינדעט געוואָרן אין 2004, און די טערהערץ קאָמוניקאַציע סיסטעם פון 0.3 טערהערץ איז רעאַליזירט געוואָרן אין 2013. טאַבעלע 1 ליסטירט די פאָרשונג פּראָגרעס פון טערהערץ קאָמוניקאַציע סיסטעמען אין יאַפּאַן פון 2004 ביז 2013.
טאַבעלע 1 פאָרשונג פּראָגרעס פון טעראַהערץ קאָמוניקאַציע סיסטעמען אין יאַפּאַן פון 2004 ביז 2013
די אַנטענע סטרוקטור פון אַ קאָמוניקאַציע סיסטעם וואָס איז דעוועלאָפּעד געוואָרן אין 2004 איז דעטאַלירט באַשריבן געוואָרן דורך ניפּאָן טעלעגראַף און טעלעפאָן קאָרפּאָראַציע (NTT) אין 2005. די אַנטענע קאָנפיגוראַציע איז איינגעפירט געוואָרן אין צוויי פאַלן, ווי געוויזן אין פיגור 2.
פיגור 2 סכעמאטישע דיאַגראַמע פון יאַפּאַן'ס NTT 120 GHz וויירלעס קאָמוניקאַציע סיסטעם
די סיסטעם אינטעגרירט פאָטאָעלעקטרישע קאָנווערסיע און אַנטענע און אַדאַפּטירט צוויי אַרבעט מאָדעס:
1. אין אַ נאָענט-קייט אינעווייניקסטער סביבה, באַשטייט דער פּלאַנאַרער אַנטענע טראַנסמיטער וואָס ווערט גענוצט אינעווייניק פון אַן איינליניע-קעריער פאָטאָדיאָדע (UTC-PD) טשיפּ, אַ פּלאַנאַרער שפּאַלט אַנטענע און אַ סיליקאָן לינז, ווי געוויזן אין פיגור 2(אַ).
2. אין אַ לאַנג-דיסטאַנס דרויסנדיקער סביבה, כּדי צו פֿאַרבעסערן דעם השפּעה פֿון גרויסע טראַנסמיסיע פֿאַרלוסטן און נידעריקע סענסיטיוויטי פֿון דעם דעטעקטאָר, מוז די טראַנסמיטער אַנטענע האָבן אַ הויכן געווינס. די עקזיסטירנדיקע טעראַהערץ אַנטענע ניצט אַ גאַוסיאַן אָפּטישע לינז מיט אַ געווינס פֿון מער ווי 50 dBi. די קאָמבינאַציע פֿון פֿיד האָרן און דיעלעקטרישע לינז ווערט געוויזן אין פֿיגור 2(b).
אין צוגאב צו אנטוויקלען א 0.12 טעהרעץ קאמוניקאציע סיסטעם, האט NTT אויך אנטוויקלט א 0.3 טעהרעץ קאמוניקאציע סיסטעם אין 2012. דורך קאנטינעווערליכע אפטימיזאציע, קען די טראנסמיסיע ראטע זיין אזוי הויך ווי 100 גיגאביטס פער סעקונדע. ווי מען קען זען פון טאבעלע 1, האט עס געמאכט א גרויסן ביישטייער צו דער אנטוויקלונג פון טעראהערץ קאמוניקאציע. אבער, די יעצטיגע פארשונג ארבעט האט די חסרונות פון נידעריגע אפעראציע פרעקווענץ, גרויסע גרייס און הויכע קאסטן.
רובֿ פון די טעראַהערץ אַנטענעס וואָס ווערן איצט גענוצט זענען מאָדיפֿיצירט פֿון מילימעטער כוואַליע אַנטענעס, און עס איז נישטאָ קיין גרויסע כידעש אין טעראַהערץ אַנטענעס. דעריבער, כּדי צו פֿאַרבעסערן די פאָרשטעלונג פֿון טעראַהערץ קאָמוניקאַציע סיסטעמען, איז אַ וויכטיקע אויפֿגאַבע צו אָפּטימיזירן טעראַהערץ אַנטענעס. טאַבעלע 2 ליסטירט דעם פֿאָרשונג פּראָגרעס פֿון דײַטשער THz קאָמוניקאַציע. פֿיגור 3 (אַ) ווײַזט אַ רעפּרעזענטאַטיוו THz וויירלעס קאָמוניקאַציע סיסטעם וואָס קאָמבינירט פֿאָטאָניקס און עלעקטראָניק. פֿיגור 3 (ב) ווײַזט די ווינט טונעל טעסט סצענע. לויט דער איצטיקער פֿאָרשונג סיטואַציע אין דײַטשלאַנד, האָט איר פֿאָרשונג און אַנטוויקלונג אויך חסרונות ווי נידעריקע אָפּערירן אָפֿטקײַט, הויכע קאָסטן און נידעריקע עפֿעקטיווקייט.
טאַבעלע 2 פאָרשונג פּראָגרעס פון THz קאָמוניקאַציע אין דייטשלאַנד
פיגור 3 ווינט טונעל טעסט סצענע
דאס CSIRO ICT צענטער האט אויך אנגעהויבן פארשונג אויף THz אינעווייניקסטע דראטלאזע קאמוניקאציע סיסטעמען. דער צענטער האט שטודירט די באציאונג צווישן דעם יאר און די קאמוניקאציע פרעקווענץ, ווי געוויזן אין פיגור 4. ווי מען קען זען פון פיגור 4, ביז 2020, טענדירט די פארשונג אויף דראטלאזע קאמוניקאציע צו דער THz באנד. די מאקסימום קאמוניקאציע פרעקווענץ ניצנדיג דעם ראדיא ספעקטרום וואקסט בערך צען מאל יעדע צוואנציג יאר. דער צענטער האט געמאכט רעקאמענדאציעס אויף די באדערפענישן פאר THz אנטענעס און פארגעשלאגן טראדיציאנעלע אנטענעס ווי הערנער און לענסעס פאר THz קאמוניקאציע סיסטעמען. ווי געוויזן אין פיגור 5, ארבעטן צוויי הערנער אנטענעס ביי 0.84THz און 1.7THz בהתאמה, מיט א פשוטער סטרוקטור און גוטע גאוסישע שטראל פערפארמאנס.
פיגור 4 באַציִונג צווישן יאָר און אָפטקייט
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
פיגור 5 צוויי טיפן האָרן אַנטענעס
די פאראייניגטע שטאטן האט דורכגעפירט ברייטע פארשונג איבער די אויסשטראלונג און דעטעקציע פון טעראהערץ כוואליעס. בארימטע טעראהערץ פארשונג לאבאראטאריעס שליסן איין די דזשעט פראפאולשאן לאבאראטאריע (JPL), די סטאנפארד לינעאר אקסעלעראטאר צענטער (SLAC), די יו.עס. נאציאנאלע לאבאראטאריע (LLNL), די נאציאנאלע עראנאוטיקס און ספעיס אדמיניסטראציע (NASA), די נאציאנאלע וויסנשאפט פונדאציע (NSF), א.א.וו. נייע טעראהערץ אנטענעס פאר טעראהערץ אפליקאציעס זענען דיזיינט געווארן, ווי למשל באו-טיי אנטענעס און פרעקווענץ שטראל סטירינג אנטענעס. לויט דער אנטוויקלונג פון טעראהערץ אנטענעס, קענען מיר באקומען דריי גרונטלעכע דיזיין געדאנקען פאר טעראהערץ אנטענעס היינט, ווי געוויזן אין פיגור 6.
פיגור 6 דריי גרונטלעכע דיזיין געדאנקען פאר טעראַהערץ אַנטענעס
די אויבנדערמאנטע אנאליז ווייזט אז כאטש אסאך לענדער האבן געגעבן גרויס אויפמערקזאמקייט צו טעראהערץ אנטענעס, איז עס נאך אין דער ערשטער אויספארשונג און אנטוויקלונג שטאפל. צוליב הויכן פארשפרייטונג פארלוסט און מאלעקולארער אבסארפציע, זענען THz אנטענעס געווענליך באגרענעצט דורך טראנסמיסיע דיסטאנץ און קאווערידזש. עטלעכע שטודיעס פאקוסירן אויף נידעריגערע אפערירן פרעקווענצן אין די THz באנד. עקזיסטירנדע טעראהערץ אנטענע פארשונג פאקוסירט בעיקר אויף פארבעסערן געווינס דורך ניצן דיעלעקטרישע לינז אנטענעס, א.א.וו., און פארבעסערן קאמוניקאציע עפעקטיווקייט דורך ניצן צוגעפאסטע אלגאריטמען. דערצו, ווי אזוי צו פארבעסערן די עפעקטיווקייט פון טעראהערץ אנטענע פאקעדזשינג איז אויך א זייער דרינגענדע פראגע.
אַלגעמיינע THz אַנטענעס
עס זענען פאַראַן אַ סך טיפּן THz אַנטענעס: דיפּאָל אַנטענעס מיט קאָנישע קאַוויטיז, ווינקל רעפלעקטאָר אַררעיס, באָוטי דיפּאָלס, דיעלעקטרישע לינז פּלאַנאַר אַנטענעס, פאָטאָקאַנדאַקטיווע אַנטענעס פֿאַר דזשענערירן THz קוואַל ראַדיאַציע קוואלן, האָרן אַנטענעס, THz אַנטענעס באַזירט אויף גראַפֿען מאַטעריאַלן, אאַז"וו. לויט די מאַטעריאַלן געניצט צו מאַכן THz אַנטענעס, קענען זיי גראָב צעטיילט ווערן אין מעטאַל אַנטענעס (הויפּטזעכלעך האָרן אַנטענעס), דיעלעקטרישע אַנטענעס (לינז אַנטענעס), און נייַ מאַטעריאַל אַנטענעס. די סעקציע גיט ערשט אַ פאָרלייפיקע אַנאַליז פון די אַנטענעס, און דערנאָך אין דער ווייַטער סעקציע, פינף טיפּישע THz אַנטענעס ווערן באַקענט אין דעטאַל און אַנאַליזירט אין טיפקייט.
1. מעטאַל אַנטענעס
די האָרן אַנטענע איז אַ טיפּישע מעטאַל אַנטענע וואָס איז דיזיינד צו אַרבעטן אין די THz באַנד. די אַנטענע פון אַ קלאַסישן מילימעטער כוואַליע ופנעמער איז אַ קאָנישער האָרן. קאָרוגירטע און דואַל-מאָד אַנטענעס האָבן פילע מעלות, אַרייַנגערעכנט ראָטאַציע סימעטרישע ראַדיאַציע פּאַטערנז, הויך געווינס פון 20 צו 30 dBi און נידעריק קראָס-פּאָלאַריזאַציע מדרגה פון -30 dB, און קאַפּלינג עפעקטיווקייט פון 97% צו 98%. די בנימצא באַנדווידטס פון די צוויי האָרן אַנטענעס זענען 30%-40% און 6%-8%, ריספּעקטיוולי.
זינט די פרעקווענץ פון טעראהערץ כוואליעס איז זייער הויך, איז די גרייס פון דער האָרן אַנטענע זייער קליין, וואָס מאַכט די פּראַסעסינג פון דעם האָרן זייער שווער, ספּעציעל אין דעם פּלאַן פון אַנטענע אַררייז, און די קאָמפּלעקסיטי פון דער פּראַסעסינג טעכנאָלאָגיע פירט צו איבערגעטריבענע קאָסטן און באַגרענעצטע פּראָדוקציע. צוליב דער שוועריקייט אין מאַנופאַקטורינג דעם דנאָ פון דעם קאָמפּלעקסן האָרן פּלאַן, ווערט געוויינטלעך גענוצט אַ פּשוטע האָרן אַנטענע אין דער פאָרעם פון אַ קאָנישן אָדער קאָנישן האָרן, וואָס קען רעדוצירן די קאָסטן און פּראָצעס קאָמפּלעקסיטי, און די ראַדיאַציע פאָרשטעלונג פון דער אַנטענע קען גוט געהאַלטן ווערן.
נאך א מעטאלענע אנטענע איז א רייזנדיקע כוואליע פיראמיד אנטענע, וואס באשטייט פון א רייזנדיקע כוואליע אנטענע אינטעגרירט אויף א 1.2 מיקראן דיעלעקטרישן פילם און אויפגעהאנגען אין א לענגליכער קאויטי איינגעקריצט אויף א סיליקאן וועיפער, ווי געוויזן אין פיגור 7. די אנטענע איז אן אפענע סטרוקטור וואס איז קאמפאטיבל מיט שאטקי דיאדעס. צוליב איר רעלאטיוו פשוטער סטרוקטור און נידעריגע פאבריקאציע באדערפענישן, קען זי בכלל גענוצט ווערן אין פרעקווענץ בענדס העכער 0.6 טעהרץ. אבער, די זייטלאב לעוועל און קראס-פאלאריזאציע לעוועל פון דער אנטענע זענען הויך, מסתמא צוליב איר אפענער סטרוקטור. דעריבער, איז איר קאפלונג עפעקטיווקייט רעלאטיוו נידעריג (ארום 50%).
פיגור 7 רייזנדיקע כוואַליע פּיראַמידאַל אַנטענע
2. דיעלעקטרישע אַנטענע
די דיעלעקטרישע אַנטענע איז אַ קאָמבינאַציע פֿון אַ דיעלעקטרישן סאַבסטראַט און אַן אַנטענע ראַדיאַטאָר. דורך אַ ריכטיקן פּלאַן, קען די דיעלעקטרישע אַנטענע דערגרייכן אַן אימפּעדאַנס-גלייַכונג מיטן דעטעקטאָר, און האָט די מעלות פֿון אַ פּשוטן פּראָצעס, גרינגע אינטעגראַציע, און נידעריקע קאָסטן. אין די לעצטע יאָרן, האָבן פֿאָרשער דיזיינט עטלעכע שמאָלבאַנד און ברייטבאַנד זייט-פֿײַער אַנטענעס וואָס קענען גלייכן די נידעריק-אימפּעדאַנס דעטעקטאָרן פֿון טעראַהערץ דיעלעקטרישע אַנטענעס: פֿליטערפֿלייש אַנטענע, טאָפּל U-פֿאָרמיקע אַנטענע, לאָג-פּעריאָדישע אַנטענע, און לאָג-פּעריאָדישע סינוסאָידאַל אַנטענע, ווי געוויזן אין פֿיגור 8. אין דערצו, קענען מער קאָמפּליצירטע אַנטענע געאָמעטריעס דיזיינט ווערן דורך גענעטישע אַלגעריטמען.
פיגור 8 פיר טיפן פון פּלאַנאַר אַנטענעס
אבער, ווייל די דיעלעקטרישע אנטענע איז קאמבינירט מיט א דיעלעקטרישן סובסטראט, וועט א ייבערפלאך כוואליע עפעקט פאסירן ווען די פרעקווענץ טענדירט צו די THz באנד. דער פאטאלער חסרון וועט פאראורזאכן אז די אנטענע זאל פארלירן א סך ענערגיע בעתן אפעראציע און וועט פירן צו א באדייטנדיקער רעדוקציע אין דער אנטענע שטראלונג עפעקטיווקייט. ווי געוויזן אין פיגור 9, ווען דער אנטענע שטראלונג ווינקל איז גרעסער ווי דער אפשניט ווינקל, איז איר ענערגיע באגרענעצט אין דעם דיעלעקטרישן סובסטראט און פארבונדן מיטן סובסטראט מאָדע.
פיגור 9 אַנטענע ייבערפלאַך כוואַליע ווירקונג
ווי די דיקקייט פון דעם סאַבסטראַט וואַקסט, וואַקסט די צאָל פון הויך-אָרדענונג מאָדעס, און די קאַפּלינג צווישן דער אַנטענע און דעם סאַבסטראַט וואַקסט, וואָס רעזולטירט אין ענערגיע פארלוסט. כּדי צו שוואַכן דעם ייבערפלאַך כוואַליע ווירקונג, זענען דאָ דריי אָפּטימיזאַציע סכעמעס:
1) לייג א לינז אויף דער אַנטענע צו פֿאַרגרעסערן דעם געווינס דורך ניצן די שטראַלפאָרמינג כאַראַקטעריסטיקס פון עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליעס.
2) רעדוצירן די גרעב פון דעם סאַבסטראַט צו אונטערדריקן די דזשענעריישאַן פון הויך-אָרדענונג מאָדעס פון עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליעס.
3) פאַרבייַטן דעם סאַבסטראַט דיעלעקטריש מאַטעריאַל מיט אַן עלעקטראָמאַגנעטישן באַנד גאַפּ (EBG). די ספּיישאַל פילטערינג קעראַקטעריסטיקס פון EBG קענען אונטערדריקן הויך-אָרדענונג מאָדעס.
3. נייע מאַטעריאַל אַנטענעס
אין צוגאב צו די אויבנדערמאנטע צוויי אנטענעס, איז דא אויך א טעראהערץ אנטענע געמאכט פון נייע מאטעריאלן. למשל, אין 2006, האבן דזשין האו און אנדערע פארגעשלאגן א קארבאן נאנאטוב דיפאל אנטענע. ווי געוויזן אין פיגור 10 (א), איז די דיפאל געמאכט פון קארבאן נאנאטובעס אנשטאט מעטאל מאטעריאלן. ער האט קערפול שטודירט די אינפרארעד און אפטישע אייגנשאפטן פון די קארבאן נאנאטוב דיפאל אנטענע און דיסקוטירט די אלגעמיינע כאראקטעריסטיקס פון די ענדלעך-לענג קארבאן נאנאטוב דיפאל אנטענע, ווי למשל אינפוט אימפעדענס, שטראם פארטיילונג, געווינס, עפעקטיווקייט און שטראלונג מוסטער. פיגור 10 (ב) ווייזט די באציאונג צווישן די אינפוט אימפעדענס און פרעקווענץ פון די קארבאן נאנאטוב דיפאל אנטענע. ווי מען קען זען אין פיגור 10 (ב), האט דער אימאגינערי טייל פון די אינפוט אימפעדענס קייפל נולן ביי העכערע פרעקווענצן. דאס ווייזט אז די אנטענע קען דערגרייכן קייפל רעזאנאנסן ביי פארשידענע פרעקווענצן. קלאר, ווייזט די קארבאן נאנאטוב אנטענע רעזאנאנץ אין א געוויסן פרעקווענץ קייט (נידעריגערע THz פרעקווענצן), אבער איז אינגאנצן נישט ביכולת צו רעזאנירן אינדרויסן פון דעם קייט.
פיגור 10 (א) קארבאן נאנא-רער דיפאל אנטענע. (ב) אינפוט אימפעדאנץ-פרעקווענץ קורווע
אין 2012, האבן סאמיר פ. מאכמוד און אייד ר. על-אגמי פארגעשלאגן א נייע טעראהערץ אנטענע סטרוקטור באזירט אויף קוילן-נאנאטובעס, וואס באשטייט פון א בינדל קוילן-נאנאטובעס איינגעוויקלט אין צוויי דיעלעקטרישע שיכטן. די אינעווייניגסטע דיעלעקטרישע שיכט איז א דיעלעקטרישע שאום שיכט, און די אויסערליכע דיעלעקטרישע שיכט איז א מעטאמאטעריעל שיכט. די ספעציפישע סטרוקטור ווערט געוויזן אין פיגור 11. דורך טעסטן, איז די ראדיאציע פערפארמאנס פון דער אנטענע פארבעסערט געווארן קאמפערד מיט איין-וואנטיקע קוילן-נאנאטובעס.
פיגור 11 נייע טעראַהערץ אַנטענע באַזירט אויף קאַרבאָן נאַנאָטובעס
די נייע מאַטעריאַל טעראַהערץ אַנטענעס פארגעשלאגן אויבן זענען מערסטנס דריי-דימענסיאָנאַל. כּדי צו פֿאַרבעסערן די באַנדברייט פון דער אַנטענע און מאַכן קאָנפאָרמאַל אַנטענעס, האָבן פּלאַנאַר גראַפֿין אַנטענעס באַקומען ברייטע אויפֿמערקזאַמקייט. גראַפֿין האט אויסגעצייכנטע דינאַמישע קאָנטינויִערלעכע קאָנטראָל קעראַקטעריסטיקס און קען דזשענערירן ייבערפלאַך פּלאַזמע דורך אַדזשאַסטינג די בייאַס וואָולטידזש. ייבערפלאַך פּלאַזמע עקזיסטירט אויף דער גרענעץ צווישן פּאָזיטיווע דיעלעקטרישע קאָנסטאַנטע סאַבסטראַטן (אַזאַ ווי Si, SiO2, אאז"וו) און נעגאַטיווע דיעלעקטרישע קאָנסטאַנטע סאַבסטראַטן (אַזאַ ווי טייערע מעטאַלן, גראַפֿין, אאז"וו). עס זענען אַ גרויסע צאָל "פֿרייַע עלעקטראָנען" אין קאַנדאַקטאָרן ווי טייערע מעטאַלן און גראַפֿין. די פֿרייַע עלעקטראָנען ווערן אויך גערופֿן פּלאַזמעס. צוליב דעם אינהערענטן פּאָטענציעל פֿעלד אין דעם קאַנדאַקטאָר, זענען די פּלאַזמעס אין אַ סטאַבילן צושטאַנד און ווערן נישט געשטערט דורך דער אַרויס וועלט. ווען די אינצידענטע עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליע ענערגיע איז קאַפּאַלד צו די פּלאַזמעס, וועלן די פּלאַזמעס אָפּווייכן פֿון דעם סטאַבילן צושטאַנד און וויברירן. נאָך דער קאָנווערסיע, פֿאָרמירט דער עלעקטראָמאַגנעטישע מאָדע אַ טראַנסווערס מאַגנעטישע כוואַליע אויף דער גרענעץ. לויט דער באַשרייַבונג פֿון דער דיספּערזיע באַציִונג פֿון מעטאַל ייבערפלאַך פּלאַזמע דורך דעם דרוד מאָדעל, קענען מעטאַלן נישט נאַטירלעך קאַפּלען מיט עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליעס אין פֿרייען אָרט און קאָנווערטירן ענערגיע. עס איז נויטיק צו ניצן אנדערע מאַטעריאַלן צו אויפֿרעגן ייבערפלאַך פּלאַזמע כוואַליעס. ייבערפלאַך פּלאַזמע כוואַליעס צעפֿאַלן שנעל אין דער פּאַראַלעלער ריכטונג פֿון דער מעטאַל-סאַבסטראַט צובינד. ווען דער מעטאַל קאַנדאַקטאָר קאַנדאַקטירט אין דער ריכטונג פּערפּענדיקולאַר צו דער ייבערפלאַך, פּאַסירט אַ הויט-עפֿעקט. קלאָר, צוליב דער קליינער גרייס פֿון דער אַנטענע, איז דאָ אַ הויט-עפֿעקט אין דער הויך-פֿרעקווענץ באַנד, וואָס פֿאַראורזאַכט אַז די אַנטענע פאָרשטעלונג זאָל שאַרף פֿאַלן און קען נישט מקיים זיין די באַדערפֿנישן פֿון טעראַהערץ אַנטענעס. דער ייבערפלאַך פּלאַזמאָן פֿון גראַפֿען האָט ניט נאָר אַ העכערע בינדונג-קראַפֿט און אַ נידעריקער פֿאַרלוסט, נאָר שטיצט אויך קאָנטינויִערלעכע עלעקטרישע טונינג. דערצו, גראַפֿען האָט קאָמפּלעקסע קאַנדאַקטיוויטי אין דער טעראַהערץ באַנד. דעריבער, איז אַ לאַנגזאַמע כוואַליע פֿאַרשפּרייטונג פֿאַרבונדן מיטן פּלאַזמע מאָדע ביי טעראַהערץ פֿרעקווענצן. די כאַראַקטעריסטיקס דעמאָנסטרירן גאָר די מעגלעכקייט פֿון גראַפֿען צו פֿאַרבייטן מעטאַל מאַטעריאַלן אין דער טעראַהערץ באַנד.
באַזירט אויף דעם פּאָלאַריזאַציע נאַטור פון גראַפֿין ייבערפלאַך פּלאַזמאָנען, ווייזט פיגור 12 אַ נייעם טיפּ פון סטריפּ אַנטענע, און פֿאָרשלאָגט די באַנד פאָרעם פון די פּראָפּאַגאַציע קעראַקטעריסטיקס פון פּלאַזמע כוואַליעס אין גראַפֿין. דער פּלאַן פון טונאַבאַל אַנטענע באַנד גיט אַ נייעם וועג צו שטודירן די פּראָפּאַגאַציע קעראַקטעריסטיקס פון נייַ מאַטעריאַל טעראַהערץ אַנטענעס.
פיגור 12 נייע סטריפּ אַנטענע
אין צוגאב צו אויספארשן איינהייט נייע מאטעריאל טעראהערץ אנטענע עלעמענטן, קענען גראפען נאנאפאטש טעראהערץ אנטענעס אויך ווערן דיזיינט ווי ערייז צו בויען טעראהערץ מולטי-אינפוט מולטי-אויטפוט אנטענע קאמוניקאציע סיסטעמען. די אנטענע סטרוקטור ווערט געוויזן אין פיגור 13. באזירט אויף די אייגנארטיגע אייגנשאפטן פון גראפען נאנאפאטש אנטענעס, האבן די אנטענע עלעמענטן מיקראן-וואָג דימענסיעס. כעמישע פארע דעפאזיציע סינטעזירט דירעקט פארשידענע גראפען בילדער אויף א דין ניקעל שיכט און טראנספערירט זיי צו יעדן סאַבסטראַט. דורך אויסקלויבן א צוגעפאסטע צאל קאמפאנענטן און ענדערן די עלעקטראסטאטישע בייאַס וואָולטידזש, קען די ראַדיאַציע ריכטונג ווערן עפעקטיוו געביטן, מאכנדיג די סיסטעם ריקאָנפיגורירבאר.
פיגור 13 גראַפֿין נאַנאָפּאַטש טעראַהערץ אַנטענע אַרעי
די פאָרשונג פון נייע מאַטעריאַלן איז אַ רעלאַטיוו נייע ריכטונג. די כידעש פון מאַטעריאַלן ווערט ערוואַרטעט צו דורכברעכן די לימיטאַציעס פון טראַדיציאָנעלע אַנטענעס און אַנטוויקלען אַ פאַרשיידנקייט פון נייע אַנטענעס, אַזאַ ווי רעקאָנפיגוראַבלע מעטאַמאַטעריאַלן, צוויי-דימענסיאָנאַלע (2D) מאַטעריאַלן, אאז"וו. אָבער, דעם טיפּ אַנטענע איז דער הויפּט אָפענגיק אויף די כידעש פון נייע מאַטעריאַלן און די פֿאָרשריט פון פּראָצעס טעכנאָלאָגיע. אין יעדן פאַל, די אַנטוויקלונג פון טעראַהערץ אַנטענעס ריקווייערז כידעשדיק מאַטעריאַלן, פּינקטלעכע פּראָצעס טעכנאָלאָגיע און נייַע פּלאַן סטרוקטורן צו טרעפן די הויך געווינען, נידעריק קאָסטן און ברייט באַנדווידט באדערפענישן פון טעראַהערץ אַנטענעס.
די פאלגענדע שטעלט פאר די גרונט־פּרינציפּן פון דריי טיפּן טעראַהערץ אַנטענעס: מעטאַל אַנטענעס, דיעלעקטרישע אַנטענעס און נייַ־מאַטעריאַל אַנטענעס, און אַנאַליזירט זייערע אונטערשיידן און מעלות און חסרונות.
1. מעטאַל אַנטענע: די געאָמעטריע איז פּשוט, גרינג צו פּראָצעסירן, רעלאַטיוו ביליק, און נידעריקע באדערפענישן פֿאַר סאַבסטראַט מאַטעריאַלן. אָבער, מעטאַל אַנטענעס נוצן אַ מעכאַנישע מעטאָדע צו סטרויערן די פּאָזיציע פון דער אַנטענע, וואָס איז פּראָנע צו ערראָרס. אויב די אַדזשאַסטמאַנט איז נישט ריכטיק, וועט די פאָרשטעלונג פון דער אַנטענע זיין שטאַרק רידוסט. כאָטש די מעטאַל אַנטענע איז קליין אין גרייס, איז עס שווער צו אַסעמבאַל מיט אַ פּלאַנאַר קרייַז.
2. דיעלעקטרישע אַנטענע: די דיעלעקטרישע אַנטענע האט אַ נידעריקע אינפוט אימפּעדאַנס, איז גרינג צו צופּאַסן מיט אַ נידעריק אימפּעדאַנס דעטעקטאָר, און איז לעפיערעך פּשוט צו פאַרבינדן מיט אַ פּלאַנאַר קרייַז. די געאָמעטרישע פֿאָרמען פון דיעלעקטרישע אַנטענעס אַרייַננעמען באַטערפליי פֿאָרעם, טאָפּל U פֿאָרעם, קאַנווענשאַנאַל לאָגאַריטמיש פֿאָרעם און לאָגאַריטמיש פּעריאָדיש סינוס פֿאָרעם. אָבער, דיעלעקטרישע אַנטענעס האָבן אויך אַ פאַטאַל חסרון, נעמלעך די ייבערפלאַך כוואַליע ווירקונג געפֿירט דורך די דיק סאַבסטראַט. די לייזונג איז צו לאָדן אַ לינז און פאַרבייַטן די דיעלעקטרישע סאַבסטראַט מיט אַ EBG סטרוקטור. ביידע לייזונגען דאַרפן כידעש און קעסיידערדיק פֿאַרבעסערונג פון פּראָצעס טעכנאָלאָגיע און מאַטעריאַלס, אָבער זייער ויסגעצייכנט פאָרשטעלונג (אַזאַ ווי אָמנידירעקשאַנאַליטי און ייבערפלאַך כוואַליע סאַפּרעשאַן) קענען צושטעלן נייַע געדאנקען פֿאַר די פאָרשונג פון טעראַהערץ אַנטענעס.
3. נייע מאַטעריאַל אַנטענעס: איצט זענען ארויסגעקומען נייע דיפּאָל אַנטענעס געמאַכט פון קאַרבאָן נאַנאָטובעס און נייע אַנטענע סטרוקטורן געמאַכט פון מעטאַמאַטעריאַלן. נייע מאַטעריאַלן קענען ברענגען נייע פאָרשטעלונג דורכברוכן, אָבער די פּרעמיסע איז די כידעש פון מאַטעריאַל וויסנשאַפֿט. איצט איז די פאָרשונג אויף נייע מאַטעריאַל אַנטענעס נאָך אין דער עקספּלאָראַטאָרישער בינע, און פילע שליסל טעכנאָלאָגיעס זענען נישט גענוג דערוואַקסן.
אין קורצן, קענען פארשידענע טיפן טעראהערץ אנטענעס אויסגעקליבן ווערן לויט דיזיין רעקווייערמענץ:
1) אויב מען דארף א פשוטע פלאן און נידריגע פראדוקציע קאסטן, קען מען אויסקלויבן מעטאלענע אנטענעס.
2) אויב הויכע אינטעגראַציע און נידעריקע אינפוט אימפּעדאַנס זענען פארלאנגט, קענען דיעלעקטרישע אַנטענעס אויסגעקליבן ווערן.
3) אויב אַ דורכברוך אין פאָרשטעלונג איז פארלאנגט, קענען נייע מאַטעריאַל אַנטענעס אויסגעקליבן ווערן.
די אויבנדערמאנטע דיזיינס קענען אויך ווערן צוגעפאסט לויט ספעציפישע באדערפענישן. למשל, צוויי טיפן אנטענעס קענען ווערן קאמבינירט צו באקומען מער מעלות, אבער די אסעמבלי מעטאד און דיזיין טעכנאלאגיע מוזן טרעפן שטרענגערע באדערפענישן.
צו לערנען מער וועגן אַנטענעס, ביטע באַזוכט:
פּאָסט צייט: אויגוסט-02-2024
