Langattomien laitteiden suosion kasvaessa datapalvelut ovat siirtyneet uuteen nopean kehityksen aikakauteen, joka tunnetaan myös datapalveluiden räjähdysmäisenä kasvuna. Tällä hetkellä suuri määrä sovelluksia siirtyy vähitellen tietokoneista langattomiin laitteisiin, kuten matkapuhelimiin, joita on helppo kantaa mukana ja käyttää reaaliajassa, mutta tämä tilanne on johtanut myös dataliikenteen nopeaan kasvuun ja kaistanleveysresurssien puutteeseen. Tilastojen mukaan markkinoiden datanopeus voi nousta Gbps:ään tai jopa Tbps:ään seuraavien 10–15 vuoden aikana. Tällä hetkellä THz-tiedonsiirto on saavuttanut Gbps:n datanopeuden, kun taas Tbps:n datanopeus on vielä kehityksen alkuvaiheessa. Aiheeseen liittyvässä artikkelissa luetellaan uusimmat edistysaskeleet Gbps:n datanopeuksissa THz-kaistan perusteella ja ennustetaan, että Tbps voidaan saavuttaa polarisaatiomultipleksoinnilla. Siksi datansiirtonopeuden lisäämiseksi mahdollinen ratkaisu on kehittää uusi taajuuskaista, terahertsikaista, joka sijaitsee mikroaaltojen ja infrapunavalon välisellä "tyhjällä alueella". Vuonna 2019 pidetyssä ITU:n maailman radioviestintäkonferenssissa (WRC-19) käytettiin 275–450 GHz:n taajuusaluetta kiinteissä ja maapohjaisissa mobiilipalveluissa. Voidaan nähdä, että terahertsin langattomat viestintäjärjestelmät ovat herättäneet monien tutkijoiden huomion.
Terahertsiaaltotaajuusalue on 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) ja aallonpituus 0,03–3 mm. IEEE-standardin mukaan terahertsiaaltotaajuusalue on 0,3–10 THz. Kuva 1 osoittaa, että terahertsitaajuusalue sijaitsee mikroaaltojen ja infrapunavalon välissä.
Kuva 1. THz-taajuuskaistan kaaviokuva.
Terahertsiantennien kehitys
Vaikka terahertsitutkimus alkoi 1800-luvulla, sitä ei tuolloin tutkittu itsenäisenä alueena. Terahertsisäteilyn tutkimus keskittyi pääasiassa kaukoinfrapuna-alueelle. Vasta 1900-luvun puolivälissä ja loppupuolella tutkijat alkoivat viedä millimetriaaltotutkimusta terahertsialueelle ja tehdä erikoistunutta terahertsiteknologiatutkimusta.
1980-luvulla terahertsisäteilylähteiden ilmaantuminen mahdollisti terahertsiaaltojen soveltamisen käytännön järjestelmissä. 2000-luvulta lähtien langaton viestintätekniikka on kehittynyt nopeasti, ja ihmisten tiedontarve sekä viestintälaitteiden määrän kasvu ovat asettaneet tiukempia vaatimuksia viestintädatan siirtonopeudelle. Siksi yksi tulevaisuuden viestintätekniikan haasteista on toimia suurella gigabitin sekunnissa tiedonsiirtonopeudella yhdessä paikassa. Nykyisen talouskehityksen myötä taajuusresurssit ovat käyneet yhä niukemmiksi. Ihmisten vaatimukset viestintäkapasiteetille ja -nopeudelle ovat kuitenkin rajattomat. Taajuuksien ruuhkautumisen ongelman ratkaisemiseksi monet yritykset käyttävät MIMO-tekniikkaa (multi-input multiple-output) parantaakseen taajuustehokkuutta ja järjestelmän kapasiteettia spatiaalisen multipleksoinnin avulla. 5G-verkkojen kehittyessä kunkin käyttäjän datayhteysnopeus ylittää Gbps:n, ja myös tukiasemien dataliikenne kasvaa merkittävästi. Perinteisissä millimetriaaltotietoliikennejärjestelmissä mikroaaltolinkit eivät pysty käsittelemään näitä valtavia datavirtoja. Lisäksi näköyhteyden vaikutuksesta infrapunaviestinnän lähetysetäisyys on lyhyt ja viestintälaitteiden sijainti kiinteä. Siksi THz-aaltoja, jotka sijaitsevat mikroaaltojen ja infrapunan välissä, voidaan käyttää nopeiden viestintäjärjestelmien rakentamiseen ja tiedonsiirtonopeuksien lisäämiseen THz-yhteyksien avulla.
Terahertsiaallot voivat tarjota laajemman tiedonsiirtokaistanleveyden, ja niiden taajuusalue on noin 1000 kertaa suurempi kuin mobiiliviestinnän. Siksi THz-aaltojen käyttö erittäin nopeiden langattomien viestintäjärjestelmien rakentamiseen on lupaava ratkaisu suurten tiedonsiirtonopeuksien haasteeseen, mikä on herättänyt monien tutkimusryhmien ja teollisuudenalojen kiinnostuksen. Syyskuussa 2017 julkaistiin ensimmäinen THz-langattoman tiedonsiirron standardi IEEE 802.15.3d-2017, joka määrittelee pisteestä pisteeseen -tiedonsiirron alemmalla THz-taajuusalueella 252–325 GHz. Linkin vaihtoehtoinen fyysinen kerros (PHY) voi saavuttaa jopa 100 Gbps:n tiedonsiirtonopeudet eri kaistanleveyksillä.
Ensimmäinen onnistunut 0,12 THz:n THz-tietoliikennejärjestelmä perustettiin vuonna 2004, ja 0,3 THz:n THz-tietoliikennejärjestelmä toteutettiin vuonna 2013. Taulukossa 1 on lueteltu terahertsitietoliikennejärjestelmien tutkimuksen edistyminen Japanissa vuosina 2004–2013.
Taulukko 1 Terahertsitaajuisten tietoliikennejärjestelmien tutkimuksen edistyminen Japanissa vuosina 2004–2013
Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) kuvasi vuonna 2005 yksityiskohtaisesti vuonna 2004 kehitetyn tietoliikennejärjestelmän antennirakenteen. Antennikokoonpano esiteltiin kahdessa tapauksessa, kuten kuvassa 2 on esitetty.
Kuva 2. Kaaviokuva Japanin NTT 120 GHz:n langattomasta tietoliikennejärjestelmästä
Järjestelmä integroi valosähköisen muunnoksen ja antennin ja siinä on kaksi toimintatilaa:
1. Lähietäisyyden sisäympäristössä sisätiloissa käytettävä tasoantennilähetin koostuu yksilinjaisesta kantoaaltovalodiodista (UTC-PD), tasomaisesta rakoantennista ja piilinssistä, kuten kuvassa 2(a) on esitetty.
2. Pitkän kantaman ulkoympäristössä lähetinantennin vahvistuksen on oltava suuri, jotta ilmaisimen suurten lähetyshäviöiden ja alhaisen herkkyyden vaikutusta voidaan parantaa. Nykyinen terahertsiantenni käyttää Gaussin optista linssiä, jonka vahvistus on yli 50 dBi. Syöttötorven ja dielektrisen linssin yhdistelmä on esitetty kuvassa 2(b).
0,12 THz:n tietoliikennejärjestelmän kehittämisen lisäksi NTT kehitti vuonna 2012 myös 0,3 THz:n tietoliikennejärjestelmän. Jatkuvan optimoinnin ansiosta siirtonopeus voi olla jopa 100 Gbps. Kuten taulukosta 1 voidaan nähdä, se on antanut suuren panoksen terahertsitiedonsiirron kehitykseen. Nykyisellä tutkimustyöllä on kuitenkin haittoja, kuten alhainen toimintataajuus, suuri koko ja korkeat kustannukset.
Useimmat nykyisin käytetyistä terahertsiantenneista on muunneltu millimetriaaltoantenneista, ja terahertsiantenneissa on vähän innovaatioita. Siksi terahertsitietoliikennejärjestelmien suorituskyvyn parantamiseksi tärkeä tehtävä on optimoida terahertsiantennit. Taulukossa 2 on lueteltu Saksan THz-tietoliikenteen tutkimuksen edistyminen. Kuva 3 (a) esittää edustavan THz-langattoman tietoliikennejärjestelmän, joka yhdistää fotoniikan ja elektroniikan. Kuva 3 (b) esittää tuulitunnelikoetilanteen. Saksan nykyisen tutkimustilanteen perusteella sen tutkimuksella ja kehityksellä on myös haittoja, kuten alhainen toimintataajuus, korkeat kustannukset ja alhainen hyötysuhde.
Taulukko 2 THz-tiedonsiirron tutkimuksen edistyminen Saksassa
Kuva 3 Tuulitunnelin testikohtaus
CSIRO ICT Center on myös käynnistänyt tutkimuksen THz-sisätilojen langattomista tietoliikennejärjestelmistä. Keskus tutki vuoden ja tietoliikennetaajuuden välistä suhdetta, kuten kuvasta 4 käy ilmi. Kuten kuvasta 4 voidaan nähdä, vuoteen 2020 mennessä langattoman tietoliikenteen tutkimus keskittyy THz-kaistalle. Radiospektrin käyttämä suurin tietoliikennetaajuus kasvaa noin kymmenkertaiseksi 20 vuoden välein. Keskus on antanut suosituksia THz-antennien vaatimuksista ja ehdottanut perinteisiä antenneja, kuten torvia ja linssejä, THz-tietoliikennejärjestelmiin. Kuten kuvasta 5 käy ilmi, kaksi torviantennia toimii vastaavasti 0,84 THz:n ja 1,7 THz:n taajuuksilla, ja niillä on yksinkertainen rakenne ja hyvä Gaussin säteen suorituskyky.
Kuva 4 Vuoden ja frekvenssin välinen suhde
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Kuva 5 Kaksi torviantennityyppiä
Yhdysvalloissa on tehty laajaa tutkimusta terahertsiaaltojen säteilystä ja havaitsemisesta. Tunnettuja terahertsitutkimuslaboratorioita ovat Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA) ja National Science Foundation (NSF). Terahertsisovelluksiin on suunniteltu uusia terahertsiantenneja, kuten bowtie-antenneja ja taajuuskeilan ohjausantenneja. Terahertsiantennien kehityksen perusteella voimme esittää kolme perussuunnitteluideaa terahertsiantenneille tällä hetkellä, kuten kuvassa 6 on esitetty.
Kuva 6 Kolme terahertsiantennien perussuunnitteluideaa
Yllä oleva analyysi osoittaa, että vaikka monet maat ovat kiinnittäneet paljon huomiota terahertsiantenneihin, ne ovat vielä alkuvaiheessa tutkimus- ja kehitysvaiheessa. Suuren etenemishäviön ja molekyyliabsorption vuoksi THz-antenneja rajoittavat yleensä lähetysetäisyys ja peittoalue. Jotkut tutkimukset keskittyvät THz-kaistan alemmille toimintataajuuksille. Nykyinen terahertsiantennitutkimus keskittyy pääasiassa vahvistuksen parantamiseen käyttämällä dielektrisiä linssiantenneja jne. sekä tiedonsiirron tehokkuuden parantamiseen sopivia algoritmeja käyttämällä. Lisäksi terahertsiantennien pakkauksen tehokkuuden parantaminen on erittäin kiireellinen kysymys.
Yleiset THz-antennit
Saatavilla on monentyyppisiä THz-antenneja: kartiomaisilla onteloilla varustettuja dipoliantenneja, kulmaheijastinryhmiä, solmudipoleja, dielektrisiä linssejä sisältäviä tasoantenneja, THz-säteilylähteiden tuottamiseen tarkoitettuja fotojohtavia antenneja, torviantenneja, grafeenimateriaaleihin perustuvia THz-antenneja jne. THz-antennien valmistusmateriaalien mukaan ne voidaan karkeasti jakaa metalliantenneihin (pääasiassa torviantenneihin), dielektrisiin antenneihin (linssiantenneihin) ja uusiin materiaaleihin perustuviin antenneihin. Tässä osiossa esitetään ensin alustava analyysi näistä antenneista, ja seuraavassa osiossa esitellään ja analysoidaan yksityiskohtaisesti viisi tyypillistä THz-antennia.
1. Metalliantennit
Torviantenni on tyypillinen metalliantenni, joka on suunniteltu toimimaan THz-kaistalla. Klassisen millimetriaaltovastaanottimen antenni on kartiomainen torviantenni. Aaltopahvi- ja kaksoismoodiantenneilla on monia etuja, kuten pyörähdyssymmetriset säteilykuviot, korkea 20–30 dBi:n vahvistus ja matala ristipolarisaatiotaso, -30 dB, sekä kytkentätehokkuus 97–98 %. Kahden torviantennin käytettävissä olevat kaistanleveydet ovat vastaavasti 30–40 % ja 6–8 %.
Koska terahertsiaaltojen taajuus on erittäin korkea, torviantennin koko on hyvin pieni, mikä tekee torven käsittelystä erittäin vaikeaa, erityisesti antenniryhmien suunnittelussa, ja käsittelytekniikan monimutkaisuus johtaa kohtuuttomiin kustannuksiin ja rajoitettuun tuotantoon. Monimutkaisen torvirakenteen pohjan valmistuksen vaikeuden vuoksi käytetään yleensä yksinkertaista kartiomaista tai kartiomaista torviantennia, mikä voi vähentää kustannuksia ja prosessin monimutkaisuutta, ja antennin säteilyominaisuudet voidaan säilyttää hyvin.
Toinen metalliantenni on kulkevan aallon pyramidiantenni, joka koostuu 1,2 mikronin dielektriselle kalvolle integroidusta ja piikiekolle syövytettyyn pitkittäiseen onteloon ripustetusta kulkevan aallon antennista, kuten kuvassa 7 on esitetty. Tämä antenni on avoin rakenne, joka on yhteensopiva Schottky-diodien kanssa. Suhteellisen yksinkertaisen rakenteensa ja alhaisten valmistusvaatimustensa ansiosta sitä voidaan yleensä käyttää yli 0,6 THz:n taajuusalueilla. Antennin sivukeilataso ja ristipolarisaatiotaso ovat kuitenkin korkeat, luultavasti avoimen rakenteensa ansiosta. Siksi sen kytkentätehokkuus on suhteellisen alhainen (noin 50 %).
Kuva 7 Kulkuaallon pyramidiantenni
2. Dielektrinen antenni
Dielektrinen antenni on yhdistelmä dielektristä alustaa ja antennisäteilijää. Oikein suunnitellulla dielektrisellä antennilla voidaan saavuttaa ilmaisimen impedanssisovitus, ja sen etuna on yksinkertainen prosessi, helppo integrointi ja alhaiset kustannukset. Viime vuosina tutkijat ovat suunnitelleet useita kapeakaistaisia ja laajakaistaisia sivutuleantenneja, jotka voivat vastata terahertsidielektristen antennien matalaimpedanssisia ilmaisimia: perhosantenni, kaksois-U-muotoinen antenni, log-periodinen antenni ja log-periodinen sinimuotoinen antenni, kuten kuvassa 8 on esitetty. Lisäksi monimutkaisempia antennigeometrioita voidaan suunnitella geneettisten algoritmien avulla.
Kuva 8 Neljä tasoantennityyppiä
Koska dielektrinen antenni on kuitenkin yhdistetty dielektriseen substraattiin, pinta-aaltoilmiö ilmenee, kun taajuus lähestyy THz-kaistaa. Tämä kohtalokas haitta aiheuttaa antennin suuren energianmenetyksen käytön aikana ja johtaa antennin säteilytehokkuuden merkittävään heikkenemiseen. Kuten kuvassa 9 on esitetty, kun antennin säteilykulma on suurempi kuin katkaisukulma, sen energia rajoittuu dielektriseen substraattiin ja kytkeytyy substraattimoodiin.
Kuva 9 Antennin pinta-aallon vaikutus
Substraatin paksuuden kasvaessa korkeamman kertaluvun moodien määrä kasvaa ja antennin ja substraatin välinen kytkentä kasvaa, mikä johtaa energiahäviöön. Pinta-aaltovaikutuksen heikentämiseksi on olemassa kolme optimointimenetelmää:
1) Lisää antenniin linssi vahvistuksen lisäämiseksi käyttämällä sähkömagneettisten aaltojen säteenmuodostusominaisuuksia.
2) Vähennä substraatin paksuutta sähkömagneettisten aaltojen korkeamman asteen moodien syntymisen estämiseksi.
3) Korvaa alustan dielektrinen materiaali sähkömagneettisella kaistavälillä (EBG). EBG:n spatiaaliset suodatusominaisuudet voivat vaimentaa korkeamman kertaluvun moodia.
3. Uudet materiaaliantennit
Edellä mainittujen kahden antennin lisäksi on olemassa myös uusista materiaaleista valmistettu terahertsiantenni. Esimerkiksi vuonna 2006 Jin Hao ym. ehdottivat hiilinanoputkidipoliantennia. Kuten kuvassa 10 (a) on esitetty, dipoli on valmistettu hiilinanoputkista metallimateriaalien sijaan. Hän tutki huolellisesti hiilinanoputkidipoliantennin infrapuna- ja optisia ominaisuuksia ja keskusteli äärellisen pituisen hiilinanoputkidipoliantennin yleisistä ominaisuuksista, kuten tuloimpedanssista, virranjakaumasta, vahvistuksesta, hyötysuhteesta ja säteilykuviosta. Kuva 10 (b) esittää hiilinanoputkidipoliantennin tuloimpedanssin ja taajuuden välisen suhteen. Kuten kuvasta 10 (b) voidaan nähdä, tuloimpedanssin imaginääriosassa on useita nollia korkeammilla taajuuksilla. Tämä osoittaa, että antenni voi saavuttaa useita resonansseja eri taajuuksilla. On selvää, että hiilinanoputkiantenni osoittaa resonanssia tietyllä taajuusalueella (alhaisemmilla THz-taajuuksilla), mutta se ei pysty resonoimaan tämän alueen ulkopuolella.
Kuva 10 (a) Hiilinanoputkidipoliantenni. (b) Tuloimpedanssi-taajuuskäyrä
Vuonna 2012 Samir F. Mahmoud ja Ayed R. AlAjmi esittivät uuden terahertsiantennirakenteen, joka perustuu hiilinanoputkiin. Se koostuu hiilinanoputkien nipusta, jotka on kääritty kahteen dielektriseen kerrokseen. Sisempi dielektrinen kerros on dielektrinen vaahtokerros ja ulompi dielektrinen kerros on metamateriaalikerros. Spesifinen rakenne on esitetty kuvassa 11. Testien avulla antennin säteilyominaisuuksia on parannettu verrattuna yksiseinäisiin hiilinanoputkiin.
Kuva 11 Uusi hiilinanoputkiin perustuva terahertsiantenni
Edellä ehdotetut uudet materiaalit, terahertsiantennit, ovat pääasiassa kolmiulotteisia. Antennin kaistanleveyden parantamiseksi ja konformaalisten antennien valmistamiseksi on otettu laajalti huomioon planaariset grafeeniantennit. Grafeenilla on erinomaiset dynaamiset jatkuvat säätöominaisuudet ja se voi tuottaa pintaplasmaa säätämällä esijännitettä. Pintaplasma esiintyy positiivisen dielektrisyysvakion omaavien alustojen (kuten Si, SiO2 jne.) ja negatiivisen dielektrisyysvakion omaavien alustojen (kuten jalometallien, grafeenin jne.) välisellä rajapinnalla. Jalometallien ja grafeenin kaltaisissa johtimissa on suuri määrä "vapaita elektroneja". Näitä vapaita elektroneja kutsutaan myös plasmoiksi. Johtimen luontaisen potentiaalikentän vuoksi nämä plasmat ovat vakaassa tilassa eivätkä ulkomaailma häiritse niitä. Kun tuleva sähkömagneettinen aaltoenergia kytkeytyy näihin plasmoihin, plasmat poikkeavat vakaasta tilasta ja värähtelevät. Muunnoksen jälkeen sähkömagneettinen moodi muodostaa poikittaisen magneettisen aallon rajapinnalle. Drude-mallin kuvaaman metallipintaplasman dispersiosuhteen mukaan metallit eivät voi luonnollisesti kytkeytyä sähkömagneettisiin aaltoihin vapaassa tilassa ja muuntaa energiaa. On tarpeen käyttää muita materiaaleja pintaplasma-aaltojen virittämiseen. Pinnan plasma-aallot vaimenevat nopeasti metalli-substraattirajapinnan suunnassa. Kun metallijohdin johtaa pintaan nähden kohtisuorassa suunnassa, syntyy ihovaikutus. Antennin pienen koon vuoksi korkealla taajuusalueella on luonnollisesti ihovaikutus, joka aiheuttaa antennin suorituskyvyn heikkenemisen jyrkästi eikä pysty täyttämään terahertsiantennien vaatimuksia. Grafeenin pintaplasmonilla on paitsi suurempi sitoutumisvoima ja pienemmät häviöt, myös jatkuva sähköinen viritys. Lisäksi grafeenilla on monimutkainen johtavuus terahertsikaistalla. Siksi hidas aallon eteneminen liittyy plasmamoodiin terahertsitaajuuksilla. Nämä ominaisuudet osoittavat täysin grafeenin soveltuvuuden metallimateriaalien korvaamiseen terahertsikaistalla.
Grafeenipintaplasmonien polarisaatiokäyttäytymiseen perustuen kuvassa 12 on esitetty uudentyyppinen nauha-antenni ja ehdotettu grafeenin plasma-aaltojen etenemisominaisuuksien kaistan muotoa. Viritettävän antennin kaistan suunnittelu tarjoaa uuden tavan tutkia uusien terahertsiantennien materiaalien etenemisominaisuuksia.
Kuva 12 Uusi nauha-antenni
Uusien materiaalien, kuten terahertsiantennien, tutkimisen lisäksi grafeeninanopatch-terahertsiantenneja voidaan suunnitella myös matriiseiksi terahertsimonituloisten ja -lähtöisten antennitietoliikennejärjestelmien rakentamiseksi. Antennin rakenne on esitetty kuvassa 13. Grafeeninanopatch-antennien ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta antennielementeillä on mikroniluokan mitat. Kemiallinen höyrypinnoitus syntetisoi suoraan erilaisia grafeenikuvia ohuelle nikkelikerrokselle ja siirtää ne mille tahansa alustalle. Valitsemalla sopiva määrä komponentteja ja muuttamalla sähköstaattista esijännitettä säteilyn suuntaa voidaan muuttaa tehokkaasti, mikä tekee järjestelmästä uudelleenkonfiguroitavan.
Kuva 13. Grafeenin nanopatch-terahertsiantenniryhmä
Uusien materiaalien tutkimus on suhteellisen uusi suuntaus. Materiaalien innovaatioiden odotetaan murtavan perinteisten antennien rajoitukset ja kehittävän erilaisia uusia antenneja, kuten uudelleenkonfiguroitavia metamateriaaleja, kaksiulotteisia (2D) materiaaleja jne. Tämän tyyppinen antenni on kuitenkin pääasiassa riippuvainen uusien materiaalien innovaatioista ja prosessiteknologian kehityksestä. Joka tapauksessa terahertsiantennien kehitys vaatii innovatiivisia materiaaleja, tarkkaa prosessointiteknologiaa ja uusia suunnittelurakenteita, jotta terahertsiantennien suuren vahvistuksen, alhaisen kustannustason ja laajan kaistanleveyden vaatimukset voidaan täyttää.
Seuraavassa esitellään kolmen terahertsiantennityypin perusperiaatteet: metalliantennit, dielektriset antennit ja uusista materiaaleista valmistetut antennit, ja analysoidaan niiden eroja, etuja ja haittoja.
1. Metalliantenni: Geometria on yksinkertainen, helppo käsitellä, suhteellisen edullinen ja vaatii vähän alustamateriaaleja. Metalliantenneissa käytetään kuitenkin mekaanista menetelmää antennin asennon säätämiseen, mikä on altis virheille. Jos säätö ei ole oikea, antennin suorituskyky heikkenee huomattavasti. Vaikka metalliantenni on kooltaan pieni, sitä on vaikea koota tasomaiseksi piiriksi.
2. Dielektrinen antenni: Dielektrisellä antennilla on alhainen tuloimpedanssi, se on helppo sovittaa matalaimpedanssiseen ilmaisimeen ja suhteellisen helppo kytkeä tasopiiriin. Dielektristen antennien geometrisia muotoja ovat perhosmuoto, kaksois-U-muoto, tavanomainen logaritminen muoto ja logaritminen periodinen sinimuoto. Dielektrisillä antenneilla on kuitenkin myös kohtalokas haittapuoli, nimittäin paksun substraatin aiheuttama pinta-aaltovaikutus. Ratkaisuna on ladata linssi ja korvata dielektrinen substraatti EBG-rakenteella. Molemmat ratkaisut vaativat innovaatioita ja jatkuvaa prosessitekniikan ja materiaalien parantamista, mutta niiden erinomainen suorituskyky (kuten monisuuntaisuus ja pinta-aaltojen vaimennus) voi tarjota uusia ideoita terahertsiantennien tutkimukseen.
3. Uudet materiaaliantennit: Tällä hetkellä on ilmestynyt uusia hiilinanoputkista valmistettuja dipoliantenneja ja uusia metamateriaaleista valmistettuja antennirakenteita. Uudet materiaalit voivat tuoda uusia suorituskykyläpimurtoja, mutta lähtökohtana on materiaalitieteen innovaatio. Tällä hetkellä uusien materiaaliantennien tutkimus on vielä kokeiluvaiheessa, eivätkä monet keskeiset teknologiat ole riittävän kypsiä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että erityyppisiä terahertsiantenneja voidaan valita suunnitteluvaatimusten mukaan:
1) Jos vaaditaan yksinkertaista suunnittelua ja alhaisia tuotantokustannuksia, voidaan valita metalliantennit.
2) Jos vaaditaan korkeaa integrointia ja matalaa tuloimpedanssia, voidaan valita dielektrisiä antenneja.
3) Jos vaaditaan läpimurtoa suorituskyvyssä, voidaan valita uuden materiaalin antenneja.
Yllä mainittuja malleja voidaan myös mukauttaa erityisvaatimusten mukaan. Esimerkiksi kahden tyyppisiä antenneja voidaan yhdistää useampien etujen saavuttamiseksi, mutta kokoonpanomenetelmän ja suunnittelutekniikan on täytettävä tiukemmat vaatimukset.
Lisätietoja antenneista saat osoitteesta:
Julkaisun aika: 02.08.2024
