Անլար սարքերի աճող ժողովրդականության հետ մեկտեղ, տվյալների ծառայությունները մտել են արագ զարգացման նոր շրջան, որը հայտնի է նաև որպես տվյալների ծառայությունների պայթյունային աճ: Ներկայումս մեծ թվով ծրագրեր աստիճանաբար համակարգիչներից անցնում են անլար սարքերի, ինչպիսիք են բջջային հեռախոսները, որոնք հեշտ են տեղափոխել և գործարկել իրական ժամանակում, բայց այս իրավիճակը նաև հանգեցրել է տվյալների երթևեկության արագ աճի և թողունակության ռեսուրսների պակասի: Վիճակագրության համաձայն, շուկայում տվյալների փոխանցման արագությունը կարող է հասնել Գբիթ/վրկ կամ նույնիսկ Տբիթ/վրկ հաջորդ 10-15 տարիների ընթացքում: Ներկայումս ՏՀց կապը հասել է Գբիթ/վրկ տվյալների փոխանցման արագության, մինչդեռ Տբիթ/վրկ տվյալների փոխանցման արագությունը դեռևս զարգացման վաղ փուլում է: Առնչվող հոդվածում թվարկված են ՏՀց տիրույթի վրա հիմնված Գբիթ/վրկ տվյալների փոխանցման արագության վերջին առաջընթացները և կանխատեսվում է, որ Տբիթ/վրկ կարելի է ստանալ բևեռացման մուլտիպլեքսավորման միջոցով: Հետևաբար, տվյալների փոխանցման արագությունը մեծացնելու համար իրագործելի լուծում է նոր հաճախականության տիրույթի մշակումը, որը տերահերցային տիրույթն է, որը գտնվում է միկրոալիքային ճառագայթման և ինֆրակարմիր լույսի միջև գտնվող «դատարկ տարածքում»: 2019 թվականին ՀՄՄ-ի համաշխարհային ռադիոկապի համաժողովում (WRC-19) 275-450 ԳՀց հաճախականության տիրույթն օգտագործվել է ֆիքսված և ցամաքային շարժական ծառայությունների համար: Կարելի է տեսնել, որ տերահերցային անլար կապի համակարգերը գրավել են բազմաթիվ հետազոտողների ուշադրությունը:
Թերահերցային էլեկտրամագնիսական ալիքները սովորաբար սահմանվում են որպես 0.1-10 ՏՀց (1 ՏՀց=1012 Հց) հաճախականության գոտի՝ 0.03-3 մմ ալիքի երկարությամբ: IEEE ստանդարտի համաձայն, թերահերցային ալիքները սահմանվում են որպես 0.3-10 ՏՀց: Նկար 1-ը ցույց է տալիս, որ թերահերցային հաճախականության գոտին գտնվում է միկրոալիքային ճառագայթման և ինֆրակարմիր լույսի միջև:
Նկ. 1. ՏՀց հաճախականության տիրույթի սխեմատիկ դիագրամ։
Տերահերցային անտենաների մշակում
Չնայած տերահերցային ճառագայթման հետազոտությունները սկսվել են 19-րդ դարում, այդ ժամանակ դրանք որպես անկախ ոլորտ չէին ուսումնասիրվում: Թերահերցային ճառագայթման հետազոտությունները հիմնականում կենտրոնացած էին հեռավոր ինֆրակարմիր տիրույթի վրա: Միայն 20-րդ դարի կեսերից մինչև վերջ հետազոտողները սկսեցին միլիմետրային ալիքային հետազոտությունները առաջ մղել դեպի տերահերցային տիրույթ և անցկացնել տերահերցային տեխնոլոգիական մասնագիտացված հետազոտություններ:
1980-ականներին տերահերցային ճառագայթման աղբյուրների ի հայտ գալը հնարավոր դարձրեց տերահերցային ալիքների կիրառումը գործնական համակարգերում: 21-րդ դարից ի վեր անլար կապի տեխնոլոգիաները արագ զարգացել են, և մարդկանց տեղեկատվության պահանջարկը և կապի սարքավորումների աճը առաջ են քաշել ավելի խիստ պահանջներ կապի տվյալների փոխանցման արագության վերաբերյալ: Հետևաբար, ապագա կապի տեխնոլոգիաների մարտահրավերներից մեկը մեկ վայրում գիգաբիթ վայրկյանում տվյալների փոխանցման բարձր արագությամբ գործելն է: Ներկայիս տնտեսական զարգացման պայմաններում սպեկտրի ռեսուրսները գնալով պակասում են: Այնուամենայնիվ, կապի հզորության և արագության մարդկային պահանջները անվերջ են: Սպեկտրի գերբնակվածության խնդրի համար շատ ընկերություններ օգտագործում են բազմակի մուտքային բազմակի ելքային (MIMO) տեխնոլոգիա՝ տարածական մուլտիպլեքսավորման միջոցով սպեկտրի արդյունավետությունը և համակարգի հզորությունը բարելավելու համար: 5G ցանցերի զարգացման հետ մեկտեղ յուրաքանչյուր օգտատիրոջ տվյալների միացման արագությունը կգերազանցի Գբ/վ-ը, և բազային կայանների տվյալների երթևեկությունը նույնպես զգալիորեն կաճի: Ավանդական միլիմետրային ալիքային կապի համակարգերի համար միկրոալիքային կապերը չեն կարողանա կարգավորել այս հսկայական տվյալների հոսքերը: Բացի այդ, տեսողության գծի ազդեցության պատճառով, ինֆրակարմիր կապի փոխանցման հեռավորությունը կարճ է, և դրա կապի սարքավորումների տեղադրությունը ֆիքսված է։ Հետևաբար, THz ալիքները, որոնք գտնվում են միկրոալիքային ալիքների և ինֆրակարմիրի միջև, կարող են օգտագործվել բարձր արագությամբ կապի համակարգեր կառուցելու և տվյալների փոխանցման արագությունը մեծացնելու համար՝ օգտագործելով THz կապեր։
Թերահերցային ալիքները կարող են ապահովել ավելի լայն կապի թողունակություն, և դրանց հաճախականության դիապազոնը մոտ 1000 անգամ ավելի մեծ է, քան բջջային կապի դիապազոնը։ Հետևաբար, գերբարձր արագությամբ անլար կապի համակարգեր կառուցելու համար ՏՀց-ի օգտագործումը խոստումնալից լուծում է բարձր տվյալների փոխանցման արագության մարտահրավերի համար, որը գրավել է բազմաթիվ հետազոտական խմբերի և ոլորտների ուշադրությունը։ 2017 թվականի սեպտեմբերին թողարկվեց առաջին ՏՀց անլար կապի ստանդարտը՝ IEEE 802.15.3d-2017-ը, որը սահմանում է կետից կետ տվյալների փոխանակումը 252-325 ԳՀց ցածր ՏՀց հաճախականության դիապազոնում։ Կապի այլընտրանքային ֆիզիկական շերտը (PHY) կարող է հասնել մինչև 100 Գբ/վ տվյալների փոխանցման արագության տարբեր թողունակություններում։
Առաջին հաջողակ 0.12 ՏՀց հաճախականությամբ կապի համակարգը ստեղծվել է 2004 թվականին, իսկ 0.3 ՏՀց հաճախականությամբ կապի համակարգը՝ 2013 թվականին։ Աղյուսակ 1-ում ներկայացված է տերահերցային կապի համակարգերի հետազոտության առաջընթացը Ճապոնիայում 2004-ից 2013 թվականներին։
Աղյուսակ 1. Թերահերցային կապի համակարգերի հետազոտության առաջընթացը Ճապոնիայում 2004-ից 2013 թվականներին
2004 թվականին մշակված կապի համակարգի անտենայի կառուցվածքը մանրամասն նկարագրվել է Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ընկերության կողմից 2005 թվականին: Անտենայի կոնֆիգուրացիան ներկայացվել է երկու դեպքում, ինչպես ցույց է տրված նկար 2-ում:
Նկար 2. Ճապոնիայի NTT 120 GHz անլար կապի համակարգի սխեմատիկ դիագրամ
Համակարգը ինտեգրում է ֆոտոէլեկտրական փոխակերպումը և անտենան և ընդունում է երկու աշխատանքային ռեժիմ՝
1. Մոտ հեռավորության փակ միջավայրում, փակ տարածքում օգտագործվող պլանարային անտենայի հաղորդիչը բաղկացած է միագիծ կրող ֆոտոդիոդից (UTC-PD) չիպից, պլանարային ճեղքով անտենայից և սիլիկոնային ոսպնյակից, ինչպես ցույց է տրված նկար 2(ա)-ում:
2. Հեռավորության վրա գտնվող բացօթյա միջավայրում, դետեկտորի մեծ փոխանցման կորստի և ցածր զգայունության ազդեցությունը բարելավելու համար, հաղորդիչ անտենան պետք է ունենա բարձր ուժեղացում: Գոյություն ունեցող տերահերցային անտենան օգտագործում է գաուսյան օպտիկական ոսպնյակ՝ ավելի քան 50 դԲի ուժեղացմամբ: Սնուցող եղջյուրի և դիէլեկտրիկ ոսպնյակի համադրությունը ցույց է տրված նկար 2(բ)-ում:
Բացի 0.12 ՏՀց կապի համակարգ մշակելուց, NTT-ն 2012 թվականին մշակել է նաև 0.3 ՏՀց կապի համակարգ: Շարունակական օպտիմալացման միջոցով փոխանցման արագությունը կարող է հասնել մինչև 100 Գբ/վրկ: Ինչպես երևում է աղյուսակ 1-ից, այն մեծ ներդրում է ունեցել տերահերցային կապի զարգացման գործում: Այնուամենայնիվ, ներկայիս հետազոտական աշխատանքն ունի թերություններ՝ ցածր աշխատանքային հաճախականություն, մեծ չափսեր և բարձր արժեք:
Ներկայումս օգտագործվող թերահերցային անտենաների մեծ մասը միլիմետրային ալիքային անտենաներից մոդիֆիկացված են, և թերահերցային անտենաներում քիչ նորարարություններ կան: Հետևաբար, թերահերցային կապի համակարգերի աշխատանքը բարելավելու համար կարևոր խնդիր է թերահերցային անտենաների օպտիմալացումը: Աղյուսակ 2-ում ներկայացված է գերմանական ՏՀցային կապի հետազոտության առաջընթացը: Նկար 3 (ա)-ն ցույց է տալիս ֆոտոնիկան և էլեկտրոնիկան համատեղող ներկայացուցչական ՏՀցային անլար կապի համակարգ: Նկար 3 (բ)-ն ցույց է տալիս աերոդինամիկ թունելի փորձարկման տեսարանը: Դատելով Գերմանիայում առկա հետազոտական իրավիճակից՝ դրա հետազոտություններն ու մշակումները նույնպես ունեն թերություններ, ինչպիսիք են ցածր շահագործման հաճախականությունը, բարձր արժեքը և ցածր արդյունավետությունը:
Աղյուսակ 2. Գերմանիայում THz հաղորդակցության հետազոտության առաջընթացը
Նկար 3 Աերոդինամիկ թունելի փորձարկման տեսարան
CSIRO ՏՀՏ կենտրոնը նաև սկսել է հետազոտություններ փակ տարածքներում անլար կապի համակարգերի վերաբերյալ՝ ՏՀց հաճախականությամբ։ Կենտրոնն ուսումնասիրել է տարվա և կապի հաճախականության միջև եղած կապը, ինչպես ցույց է տրված նկար 4-ում։ Ինչպես երևում է նկար 4-ից, մինչև 2020 թվականը անլար կապի հետազոտությունները հակված են ՏՀց տիրույթին։ Ռադիոսպեկտրի միջոցով առավելագույն կապի հաճախականությունը քսան տարին մեկ ավելանում է մոտ տասն անգամ։ Կենտրոնը առաջարկություններ է արել ՏՀց անտենաների պահանջների վերաբերյալ և առաջարկել է ավանդական անտենաներ, ինչպիսիք են՝ եղջյուրները և ոսպնյակները ՏՀց կապի համակարգերի համար։ Ինչպես ցույց է տրված նկար 5-ում, երկու եղջյուրային անտենաներ աշխատում են համապատասխանաբար 0.84 ՏՀց և 1.7 ՏՀց հաճախականություններում՝ պարզ կառուցվածքով և լավ գաուսյան ճառագայթային կատարողականությամբ։
Նկար 4. Տարվա և հաճախականության միջև կապը
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Նկար 5. Երկու տեսակի եղջյուրային անտենաներ
Միացյալ Նահանգները լայնածավալ հետազոտություններ է անցկացրել տերահերցային ալիքների ճառագայթման և հայտնաբերման վերաբերյալ: Հայտնի տերահերցային հետազոտական լաբորատորիաների թվում են Ռեակտիվ Շարժման Լաբորատորիան (JPL), Սթենֆորդի գծային արագացուցիչների կենտրոնը (SLAC), ԱՄՆ Ազգային լաբորատորիան (LLNL), Ազգային աերոնավտիկայի և տիեզերական տարածության վարչությունը (NASA), Ազգային գիտական հիմնադրամը (NSF) և այլն: Նախագծվել են տերահերցային կիրառությունների համար նոր տերահերցային անտենաներ, ինչպիսիք են թիթեռնիկավոր անտենաները և հաճախականության ճառագայթի ղեկային անտենաները: Թերահերցային անտենաների մշակման համաձայն՝ մենք կարող ենք ստանալ տերահերցային անտենաների համար ներկայումս երեք հիմնական նախագծային գաղափարներ, ինչպես ցույց է տրված նկար 6-ում:
Նկար 6. Թերահերցային անտենաների երեք հիմնական նախագծային գաղափարներ
Վերոնշյալ վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ չնայած շատ երկրներ մեծ ուշադրություն են դարձրել տերահերցային անտենաներին, դրանք դեռևս գտնվում են նախնական ուսումնասիրության և մշակման փուլում: Բարձր տարածման կորստի և մոլեկուլային կլանման պատճառով, ՏՀց անտենաները սովորաբար սահմանափակվում են փոխանցման հեռավորությամբ և ծածկույթով: Որոշ ուսումնասիրություններ կենտրոնանում են ՏՀց տիրույթում ցածր աշխատանքային հաճախականությունների վրա: Գոյություն ունեցող տերահերցային անտենաների հետազոտությունները հիմնականում կենտրոնանում են ուժեղացման բարելավման վրա՝ օգտագործելով դիէլեկտրիկ ոսպնյակային անտենաներ և այլն, և հաղորդակցման արդյունավետության բարելավման վրա՝ օգտագործելով համապատասխան ալգորիթմներ: Բացի այդ, թե ինչպես բարելավել տերահերցային անտենաների փաթեթավորման արդյունավետությունը, նույնպես շատ հրատապ հարց է:
Ընդհանուր THz անտենաներ
Գոյություն ունեն THz անտենաների բազմաթիվ տեսակներ՝ կոնաձև խոռոչներով դիպոլային անտենաներ, անկյունային անդրադարձիչային զանգվածներ, թիթեռնիկավոր դիպոլներ, դիէլեկտրիկ ոսպնյակային հարթ անտենաներ, THz աղբյուրի ճառագայթման աղբյուրներ ստեղծելու համար նախատեսված լուսահաղորդիչ անտենաներ, եղջյուրային անտենաներ, գրաֆենային նյութերի վրա հիմնված THz անտենաներ և այլն: THz անտենաների պատրաստման համար օգտագործվող նյութերի համաձայն՝ դրանք կարելի է մոտավորապես բաժանել մետաղական անտենաների (հիմնականում եղջյուրային անտենաներ), դիէլեկտրիկ անտենաների (ոսպնյակային անտենաներ) և նոր նյութից պատրաստված անտենաների: Այս բաժնում նախ տրվում է այս անտենաների նախնական վերլուծություն, ապա հաջորդ բաժնում մանրամասն ներկայացվում և խորությամբ վերլուծվում են հինգ տիպիկ THz անտենաներ:
1. Մետաղական անտենաներ
Շնչափողային անտենան տիպիկ մետաղական անտենա է, որը նախատեսված է THz հաճախականության տիրույթում աշխատելու համար: Դասական միլիմետրային ալիքի ընդունիչի անտենան կոնաձև շնչափող է: Ծալքավոր և երկռեժիմային անտենաներն ունեն բազմաթիվ առավելություններ, այդ թվում՝ պտտականորեն սիմետրիկ ճառագայթման պատկերներ, 20-ից 30 դԲի բարձր ուժեղացում և -30 դԲ ցածր խաչաձև բևեռացման մակարդակ, ինչպես նաև 97%-ից 98% միացման արդյունավետություն: Երկու շնչափողային անտենաների հասանելի թողունակությունները համապատասխանաբար 30%-40% և 6%-8% են:
Քանի որ տերահերցային ալիքների հաճախականությունը շատ բարձր է, եղջյուրային անտենայի չափը շատ փոքր է, ինչը եղջյուրի մշակումը շատ դժվարացնում է, հատկապես անտենային զանգվածների նախագծման ժամանակ, իսկ մշակման տեխնոլոգիայի բարդությունը հանգեցնում է չափազանց մեծ ծախսերի և սահմանափակ արտադրության: Բարդ եղջյուրային կառուցվածքի ստորին մասի արտադրության դժվարության պատճառով սովորաբար օգտագործվում է կոնաձև կամ կոնաձև եղջյուրի տեսքով պարզ եղջյուրային անտենա, որը կարող է նվազեցնել ծախսը և գործընթացի բարդությունը, և անտենայի ճառագայթման կատարողականը կարող է լավ պահպանվել:
Մեկ այլ մետաղական անտենա է շարժվող ալիքային բուրգաձև անտենա, որը բաղկացած է շարժվող ալիքային անտենայից, որը ինտեգրված է 1.2 միկրոնանոց դիէլեկտրիկ թաղանթի վրա և կախված է սիլիկոնային վաֆլիի վրա փորագրված երկայնական խոռոչում, ինչպես ցույց է տրված նկար 7-ում: Այս անտենաները բաց կառուցվածք ունեն, որը համատեղելի է Շոտկիի դիոդների հետ: Իր համեմատաբար պարզ կառուցվածքի և ցածր արտադրական պահանջների շնորհիվ այն ընդհանուր առմամբ կարող է օգտագործվել 0.6 ՏՀց-ից բարձր հաճախականության տիրույթներում: Այնուամենայնիվ, անտենայի կողային բլթակների մակարդակը և խաչաձև բևեռացման մակարդակը բարձր են, հավանաբար իր բաց կառուցվածքի պատճառով: Հետևաբար, դրա միացման արդյունավետությունը համեմատաբար ցածր է (մոտ 50%):
Նկար 7՝ շարժվող ալիքային բուրգաձև անտենա
2. Դիէլեկտրիկ անտենա
Դիէլեկտրիկ անտենան դիէլեկտրիկ հիմքի և անտենայի ռադիատորի համադրություն է: Ճիշտ նախագծման միջոցով դիէլեկտրիկ անտենան կարող է հասնել իմպեդանսի համապատասխանեցման դետեկտորի հետ և ունի պարզ գործընթացի, հեշտ ինտեգրման և ցածր գնի առավելություններ: Վերջին տարիներին հետազոտողները նախագծել են մի քանի նեղաշերտ և լայնաշերտ կողային կրակի անտենաներ, որոնք կարող են համապատասխանել տերահերցային դիէլեկտրիկ անտենաների ցածր իմպեդանսային դետեկտորներին՝ թիթեռի անտենա, կրկնակի U-աձև անտենա, լոգարիթմական պարբերական անտենա և լոգարիթմական պարբերական սինուսոիդալ անտենա, ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում: Բացի այդ, ավելի բարդ անտենայի երկրաչափություններ կարող են նախագծվել գենետիկական ալգորիթմների միջոցով:
Նկար 8. Չորս տեսակի հարթ անտենաներ
Սակայն, քանի որ դիէլեկտրիկ անտենան միացված է դիէլեկտրիկ հիմքի հետ, երբ հաճախականությունը թեքվում է դեպի ՏՀց տիրույթը, առաջանում է մակերեսային ալիքի էֆեկտ։ Այս ճակատագրական թերությունը կհանգեցնի անտենայի մեծ էներգիայի կորստին աշխատանքի ընթացքում և կհանգեցնի անտենայի ճառագայթման արդյունավետության զգալի նվազմանը։ Ինչպես ցույց է տրված նկար 9-ում, երբ անտենայի ճառագայթման անկյունը մեծ է կտրման անկյունից, դրա էներգիան սահմանափակվում է դիէլեկտրիկ հիմքում և միացված է հիմքի ռեժիմին։
Նկար 9 Անտենայի մակերեսային ալիքի էֆեկտ
Հիմքի հաստության մեծացմանը զուգընթաց, բարձր կարգի ռեժիմների քանակը մեծանում է, և անտենայի ու հիմքի միջև կապը մեծանում է, ինչը հանգեցնում է էներգիայի կորստի: Մակերեսային ալիքի էֆեկտը թուլացնելու համար կան օպտիմալացման երեք սխեմաներ՝
1) Անտենայի վրա տեղադրեք ոսպնյակ՝ էլեկտրամագնիսական ալիքների ճառագայթաձևավորման բնութագրերն օգտագործելով ուժեղացումը մեծացնելու համար։
2) Նվազեցրեք հիմքի հաստությունը՝ էլեկտրամագնիսական ալիքների բարձր կարգի ռեժիմների առաջացումը ճնշելու համար։
3) Փոխարինեք հիմքի դիէլեկտրիկ նյութը էլեկտրամագնիսական արգելակային գոտիով (ԷԱԳ): ԷԱԳ-ի տարածական ֆիլտրման բնութագրերը կարող են ճնշել բարձր կարգի ռեժիմները:
3. Նոր նյութական անտենաներ
Բացի վերը նշված երկու անտենաներից, կա նաև նոր նյութերից պատրաստված տերահերցային անտենա։ Օրինակ, 2006 թվականին Ջին Հաոն և այլք առաջարկել են ածխածնային նանոխողովակային դիպոլային անտենա։ Ինչպես ցույց է տրված նկար 10 (ա)-ում, դիպոլը պատրաստված է ածխածնային նանոխողովակներից, այլ ոչ թե մետաղական նյութերից։ Նա ուշադիր ուսումնասիրել է ածխածնային նանոխողովակային դիպոլային անտենայի ինֆրակարմիր և օպտիկական հատկությունները և քննարկել վերջավոր երկարությամբ ածխածնային նանոխողովակային դիպոլային անտենայի ընդհանուր բնութագրերը, ինչպիսիք են մուտքային իմպեդանսը, հոսանքի բաշխումը, ուժեղացումը, արդյունավետությունը և ճառագայթման պատկերը։ Նկար 10 (բ)-ն ցույց է տալիս ածխածնային նանոխողովակային դիպոլային անտենայի մուտքային իմպեդանսի և հաճախականության միջև եղած կապը։ Ինչպես երևում է նկար 10 (բ)-ում, մուտքային իմպեդանսի կեղծ մասը ունի բազմաթիվ զրոներ բարձր հաճախականություններում։ Սա ցույց է տալիս, որ անտենան կարող է հասնել բազմաթիվ ռեզոնանսների տարբեր հաճախականություններում։ Ակնհայտ է, որ ածխածնային նանոխողովակային անտենաները ռեզոնանս են ցուցաբերում որոշակի հաճախականության տիրույթում (ցածր THz հաճախականություններ), բայց լիովին անկարող է ռեզոնանսել այս տիրույթից դուրս։
Նկար 10 (ա) Ածխածնային նանոխողովակային դիպոլային անտենա։ (բ) Մուտքային իմպեդանս-հաճախականություն կոր
2012 թվականին Սամիր Ֆ. Մահմուդը և Այեդ Ռ. ԱլԱջմին առաջարկեցին ածխածնային նանոխողովակների վրա հիմնված նոր տերահերցային անտենայի կառուցվածք, որը բաղկացած է երկու դիէլեկտրիկ շերտերով փաթաթված ածխածնային նանոխողովակների փնջից: Ներքին դիէլեկտրիկ շերտը դիէլեկտրիկ փրփուրի շերտ է, իսկ արտաքին դիէլեկտրիկ շերտը՝ մետամատերիալային շերտ: Հատուկ կառուցվածքը ներկայացված է նկար 11-ում: Փորձարկումների միջոցով անտենայի ճառագայթման կատարողականը բարելավվել է միաշերտ ածխածնային նանոխողովակների համեմատ:
Նկար 11. Նոր տերահերցային անտենա՝ հիմնված ածխածնային նանոխողովակների վրա
Վերը առաջարկված նոր նյութական տերահերցային անտենաները հիմնականում եռաչափ են: Անտենայի թողունակությունը բարելավելու և կոնֆորմալ անտենաներ պատրաստելու համար, հարթ գրաֆենային անտենաները լայն ուշադրության են արժանացել: Գրաֆենն ունի գերազանց դինամիկ անընդհատ կառավարման բնութագրեր և կարող է ստեղծել մակերեսային պլազմա՝ կարգավորելով շեղման լարումը: Մակերևութային պլազման գոյություն ունի դրական դիէլեկտրիկ հաստատուն հիմքերի (օրինակ՝ Si, SiO2 և այլն) և բացասական դիէլեկտրիկ հաստատուն հիմքերի (օրինակ՝ թանկարժեք մետաղներ, գրաֆեն և այլն) միջև ընկած միջերեսին: Հաղորդիչներում, ինչպիսիք են թանկարժեք մետաղները և գրաֆենը, կան մեծ թվով «ազատ էլեկտրոններ»: Այս ազատ էլեկտրոնները կոչվում են նաև պլազմա: Հաղորդիչում առկա ներքին պոտենցիալ դաշտի պատճառով այս պլազմաները գտնվում են կայուն վիճակում և չեն խախտվում արտաքին աշխարհից: Երբ ընկնող էլեկտրամագնիսական ալիքի էներգիան միանում է այս պլազմային, պլազման կշեղվի կայուն վիճակից և կթրթռա: Փոխակերպումից հետո էլեկտրամագնիսական ռեժիմը միջերեսում ձևավորում է լայնակի մագնիսական ալիք: Մետաղական մակերեսային պլազմայի ցրման հարաբերության Դրուդեի մոդելով նկարագրության համաձայն՝ մետաղները չեն կարող բնականաբար միանալ էլեկտրամագնիսական ալիքներին ազատ տարածությունում և փոխակերպել էներգիան: Մակերեսային պլազմային ալիքները գրգռելու համար անհրաժեշտ է օգտագործել այլ նյութեր: Մակերեսային պլազմային ալիքները արագորեն քայքայվում են մետաղ-ենթաշերտ միջերեսի զուգահեռ ուղղությամբ: Երբ մետաղական հաղորդիչը հաղորդվում է մակերեսին ուղղահայաց ուղղությամբ, առաջանում է մաշկի էֆեկտ: Ակնհայտ է, որ անտենայի փոքր չափերի պատճառով բարձր հաճախականության տիրույթում կա մաշկի էֆեկտ, ինչը հանգեցնում է անտենայի աշխատանքի կտրուկ անկմանը և չի կարող բավարարել տերահերցային անտենաների պահանջները: Գրաֆենի մակերեսային պլազմոնը ոչ միայն ունի ավելի բարձր կապող ուժ և ավելի քիչ կորուստ, այլև աջակցում է անընդհատ էլեկտրական կարգավորմանը: Բացի այդ, գրաֆենը ունի բարդ հաղորդունակություն տերահերցային տիրույթում: Հետևաբար, դանդաղ ալիքի տարածումը կապված է պլազմային ռեժիմի հետ տերահերցային հաճախություններում: Այս բնութագրերը լիովին ցույց են տալիս գրաֆենի հնարավորությունը տերահերցային տիրույթում մետաղական նյութերը փոխարինելու համար:
Գրաֆենի մակերևութային պլազմոնների բևեռացման վարքագծի հիման վրա, նկար 12-ը ցույց է տալիս շերտավոր անտենայի նոր տեսակ և առաջարկում է գրաֆենում պլազմային ալիքների տարածման բնութագրերի գոտու ձևը: Կարգավորելի անտենայի գոտու նախագծումը նոր եղանակ է ապահովում նոր նյութական տերահերցային անտենաների տարածման բնութագրերը ուսումնասիրելու համար:
Նկար 12 Նոր շերտավոր անտենա
Բացի նոր նյութական տերահերցային անտենայի տարրերի ուսումնասիրությունից, գրաֆենային նանոպաթային տերահերցային անտենաները կարող են նաև նախագծվել որպես զանգվածներ՝ տերահերցային բազմամուտքային բազմաելքային անտենային կապի համակարգեր կառուցելու համար: Անտենայի կառուցվածքը ներկայացված է նկար 13-ում: Գրաֆենային նանոպաթային անտենաների եզակի հատկությունների հիման վրա, անտենայի տարրերն ունեն միկրոնային մասշտաբի չափսեր: Քիմիական գոլորշու նստեցումը անմիջապես սինթեզում է տարբեր գրաֆենային պատկերներ բարակ նիկելի շերտի վրա և փոխանցում դրանք ցանկացած հիմքի վրա: Համապատասխան քանակությամբ բաղադրիչներ ընտրելով և էլեկտրաստատիկ շեղման լարումը փոխելով՝ ճառագայթման ուղղությունը կարող է արդյունավետորեն փոխվել, ինչը համակարգը դարձնում է վերակազմակերպելի:
Նկար 13 Գրաֆենային նանոպաթային տերահերցային անտենայի մատրից
Նոր նյութերի հետազոտությունը համեմատաբար նոր ուղղություն է: Ակնկալվում է, որ նյութերի նորարարությունը կհաղթահարի ավանդական անտենաների սահմանափակումները և կզարգացնի բազմազան նոր անտենաներ, ինչպիսիք են վերակազմակերպվող մետամատերիալները, երկչափ (2D) նյութերը և այլն: Այնուամենայնիվ, այս տեսակի անտենաները հիմնականում կախված են նոր նյութերի նորարարությունից և գործընթացային տեխնոլոգիայի զարգացումից: Ամեն դեպքում, տերահերցային անտենաների մշակումը պահանջում է նորարարական նյութեր, ճշգրիտ մշակման տեխնոլոգիա և նորարարական նախագծային կառուցվածքներ՝ տերահերցային անտենաների բարձր ուժեղացման, ցածր գնի և լայն թողունակության պահանջները բավարարելու համար:
Ստորև ներկայացված են տերահերցային անտենաների երեք տեսակների՝ մետաղական անտենաների, դիէլեկտրիկ անտենաների և նոր նյութից պատրաստված անտենաների հիմնական սկզբունքները, և վերլուծվում են դրանց տարբերությունները, առավելություններն ու թերությունները։
1. Մետաղական անտենա. Երկրաչափությունը պարզ է, հեշտ է մշակել, համեմատաբար ցածր գին ունի և ցածր պահանջներ ունի հիմքի նյութերի նկատմամբ: Այնուամենայնիվ, մետաղական անտենաները օգտագործում են մեխանիկական մեթոդ՝ անտենայի դիրքը կարգավորելու համար, ինչը հակված է սխալների: Եթե կարգավորումը ճիշտ չէ, անտենայի աշխատանքը զգալիորեն կնվազի: Չնայած մետաղական անտենան փոքր չափի է, այն դժվար է հավաքել պլանարային սխեմայով:
2. Դիէլեկտրիկ անտենա. Դիէլեկտրիկ անտենան ունի ցածր մուտքային դիմադրություն, հեշտ է համապատասխանեցնել ցածր դիմադրություն ունեցող դետեկտորի հետ և համեմատաբար պարզ է միացնել հարթ շղթային: Դիէլեկտրիկ անտենաների երկրաչափական ձևերն են՝ թիթեռի ձևը, կրկնակի U-աձևը, ավանդական լոգարիթմական ձևը և լոգարիթմական պարբերական սինուսոիդալ ձևը: Այնուամենայնիվ, դիէլեկտրիկ անտենաներն ունեն նաև մեկ կարևոր թերություն՝ հաստ հիմքի պատճառով առաջացած մակերեսային ալիքի էֆեկտը: Լուծումը ոսպնյակը բեռնելն ու դիէլեկտրիկ հիմքը EBG կառուցվածքով փոխարինելն է: Երկու լուծումներն էլ պահանջում են նորարարություն և գործընթացային տեխնոլոգիայի և նյութերի շարունակական կատարելագործում, բայց դրանց գերազանց կատարողականությունը (օրինակ՝ բազմակողմանիությունը և մակերեսային ալիքի ճնշումը) կարող է նոր գաղափարներ տալ տերահերցային անտենաների հետազոտության համար:
3. Նոր նյութական անտենաներ. Ներկայումս ի հայտ են եկել ածխածնային նանոխողովակներից պատրաստված նոր դիպոլային անտենաներ և մետամատերիալներից պատրաստված նոր անտենաների կառուցվածքներ: Նոր նյութերը կարող են նոր առաջընթացներ բերել կատարողականի ոլորտում, սակայն նախադրյալը նյութագիտության նորարարությունն է: Ներկայումս նոր նյութական անտենաների հետազոտությունները դեռևս գտնվում են ուսումնասիրման փուլում, և շատ հիմնական տեխնոլոգիաներ բավականաչափ հասուն չեն:
Ամփոփելով՝ նախագծման պահանջներին համապատասխան կարելի է ընտրել տարբեր տեսակի տերահերցային անտենաներ՝
1) Եթե պահանջվում է պարզ դիզայն և ցածր արտադրական ծախս, կարելի է ընտրել մետաղական անտենաներ։
2) Եթե պահանջվում է բարձր ինտեգրացիա և ցածր մուտքային դիմադրություն, կարելի է ընտրել դիէլեկտրիկ անտենաներ։
3) Եթե անհրաժեշտ է առաջընթաց կատարողականության մեջ, կարող են ընտրվել նոր նյութական անտենաներ:
Վերոնշյալ նախագծերը կարող են նաև ճշգրտվել՝ համաձայն որոշակի պահանջների: Օրինակ, երկու տեսակի անտենաներ կարող են համակցվել՝ ավելի շատ առավելություններ ստանալու համար, սակայն հավաքման եղանակը և նախագծման տեխնոլոգիան պետք է համապատասխանեն ավելի խիստ պահանջների:
Անտենաների մասին ավելին իմանալու համար այցելեք՝
Հրապարակման ժամանակը. Օգոստոս-02-2024
