Անլար սարքերի աճող ժողովրդականության հետ մեկտեղ տվյալների ծառայությունները թեւակոխել են արագ զարգացման նոր շրջան, որը նաև հայտնի է որպես տվյալների ծառայությունների պայթյունավտանգ աճ: Ներկայումս մեծ թվով հավելվածներ համակարգչից աստիճանաբար տեղափոխվում են անլար սարքեր, ինչպիսիք են բջջային հեռախոսները, որոնք հեշտ է տեղափոխել և գործել իրական ժամանակում, սակայն այս իրավիճակը նաև հանգեցրել է տվյալների տրաֆիկի արագ աճի և թողունակության ռեսուրսների պակասի։ . Վիճակագրության համաձայն՝ շուկայում տվյալների փոխանցման արագությունը կարող է հասնել Gbps կամ նույնիսկ Tbps առաջիկա 10-15 տարիների ընթացքում: Ներկայումս THz հաղորդակցությունը հասել է Gbps տվյալների արագության, մինչդեռ Tbps տվյալների արագությունը դեռ զարգացման սկզբնական փուլում է: Հարակից փաստաթուղթը թվարկում է Gbps տվյալների արագության վերջին առաջընթացը՝ հիմնված THz տիրույթի վրա և կանխատեսում է, որ Tbps-ը կարելի է ստանալ բևեռացման մուլտիպլեքսավորման միջոցով: Հետևաբար, տվյալների փոխանցման արագությունը մեծացնելու համար իրագործելի լուծում է նոր հաճախականության գոտի մշակել, որը տերահերցի գոտին է, որը գտնվում է միկրոալիքների և ինֆրակարմիր լույսի միջև «դատարկ տարածքում»: 2019 թվականին ITU ռադիոկապի համաշխարհային համաժողովում (WRC-19) 275-450 ԳՀց հաճախականության միջակայքն օգտագործվել է ֆիքսված և ցամաքային շարժական ծառայությունների համար։ Կարելի է տեսնել, որ տերահերց անլար կապի համակարգերը գրավել են բազմաթիվ հետազոտողների ուշադրությունը։
Տերահերց էլեկտրամագնիսական ալիքները սովորաբար սահմանվում են որպես 0,1-10ԹՀց (1ԹՀց=1012Հց) հաճախականության գոտի՝ 0,03-3 մմ ալիքի երկարությամբ: Ըստ IEEE ստանդարտի, տերահերց ալիքները սահմանվում են որպես 0,3-10THz: Նկար 1-ը ցույց է տալիս, որ տերահերց հաճախականության գոտին գտնվում է միկրոալիքային վառարանների և ինֆրակարմիր լույսի միջև:
Նկ. 1 THz հաճախականության գոտու սխեմատիկ դիագրամ:
Terahertz ալեհավաքների մշակում
Թեև տերահերցի հետազոտությունները սկսվել են 19-րդ դարում, այն ժամանակ այն որպես ինքնուրույն ոլորտ չի ուսումնասիրվել։ Տերահերց ճառագայթման հետազոտությունը հիմնականում կենտրոնացած էր հեռավոր ինֆրակարմիր գոտու վրա: Միայն 20-րդ դարի կեսերից մինչև վերջ, հետազոտողները սկսեցին միլիմետրային ալիքային հետազոտություն կատարել մինչև տերահերցային գոտի և կատարել մասնագիտացված տերահերց տեխնոլոգիական հետազոտություն:
1980-ականներին տերահերց ճառագայթման աղբյուրների առաջացումը հնարավոր դարձրեց տերահերցային ալիքների կիրառումը գործնական համակարգերում։ 21-րդ դարից ի վեր անլար կապի տեխնոլոգիան արագորեն զարգանում է, և մարդկանց տեղեկատվության պահանջարկը և կապի սարքավորումների ավելացումը ավելի խիստ պահանջներ են առաջադրում կապի տվյալների փոխանցման արագության վերաբերյալ: Հետևաբար, կապի ապագա տեխնոլոգիայի մարտահրավերներից մեկը մեկ վայրում գիգաբիթ/վրկ տվյալների բարձր արագությամբ աշխատելն է: Ներկայիս տնտեսական զարգացման պայմաններում սպեկտրի ռեսուրսներն ավելի ու ավելի սակավ են դառնում: Այնուամենայնիվ, հաղորդակցության կարողությունների և արագության համար մարդկային պահանջներն անսահման են: Սպեկտրի գերբեռնվածության խնդրի համար շատ ընկերություններ օգտագործում են բազմակի մուտքային բազմակի ելքային (MIMO) տեխնոլոգիա՝ տարածական մուլտիպլեքսավորման միջոցով սպեկտրի արդյունավետությունը և համակարգի հզորությունը բարելավելու համար: 5G ցանցերի առաջխաղացման հետ մեկտեղ յուրաքանչյուր օգտատիրոջ տվյալների միացման արագությունը կգերազանցի Գբիթ/վրկ-ն, ինչպես նաև զգալիորեն կաճի բազային կայանների տվյալների տրաֆիկը։ Ավանդական միլիմետր ալիքային հաղորդակցման համակարգերի համար միկրոալիքային կապերը չեն կարողանա կարգավորել այս հսկայական տվյալների հոսքերը: Բացի այդ, տեսադաշտի ազդեցության պատճառով ինֆրակարմիր կապի հաղորդման հեռավորությունը կարճ է և ֆիքսված է նրա կապի սարքավորումների գտնվելու վայրը։ Հետևաբար, THz ալիքները, որոնք գտնվում են միկրոալիքային և ինֆրակարմիր ալիքների միջև, կարող են օգտագործվել բարձր արագությամբ հաղորդակցման համակարգեր կառուցելու և տվյալների փոխանցման արագությունը բարձրացնելու համար՝ օգտագործելով THz հղումներ:
Terahertz-ի ալիքները կարող են ապահովել հաղորդակցության ավելի լայն թողունակություն, և դրա հաճախականության տիրույթը մոտ 1000 անգամ գերազանցում է բջջային կապին: Հետևաբար, գերարագ անլար կապի համակարգեր կառուցելու համար THz-ի օգտագործումը խոստումնալից լուծում է տվյալների բարձր արագության մարտահրավերին, որը գրավել է բազմաթիվ հետազոտական թիմերի և ոլորտների հետաքրքրությունը: 2017 թվականի սեպտեմբերին թողարկվեց առաջին THz անլար կապի ստանդարտ IEEE 802.15.3d-2017, որը սահմանում է կետ առ կետ տվյալների փոխանակում 252-325 ԳՀց ցածր հաճախականության տիրույթում: Հղման այլընտրանքային ֆիզիկական շերտը (PHY) կարող է հասնել տվյալների մինչև 100 Գբիտ/վ արագության տարբեր թողունակություններում:
Առաջին հաջողակ THz 0,12 THz կապի համակարգը ստեղծվել է 2004 թվականին, իսկ THz 0,3 THz կապի համակարգը իրականացվել է 2013 թվականին: Աղյուսակ 1-ում ներկայացված են տերահերց կապի համակարգերի հետազոտության առաջընթացը Ճապոնիայում 2004-ից 2013 թվականներին:
Աղյուսակ 1 Ճապոնիայում տերահերց կապի համակարգերի հետազոտության առաջընթացը 2004-2013թթ.
2004 թվականին մշակված կապի համակարգի ալեհավաքի կառուցվածքը մանրամասն նկարագրվել է Nippon Telegraph and Telephone Corporation-ի (NTT) կողմից 2005 թվականին: Անթենային կոնֆիգուրացիան ներկայացվել է երկու դեպքում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2-ում:
Նկար 2 Ճապոնիայի NTT 120 ԳՀց անլար կապի համակարգի սխեմատիկ դիագրամ
Համակարգը միավորում է ֆոտոէլեկտրական փոխակերպումը և ալեհավաքը և ընդունում երկու աշխատանքային ռեժիմ.
1. Մոտ հեռավորության վրա փակ միջավայրում ներսում օգտագործվող հարթ ալեհավաք հաղորդիչը բաղկացած է մեկ տողով կրող ֆոտոդիոդից (UTC-PD) չիպից, հարթ բնիկ ալեհավաքից և սիլիկոնային ոսպնյակից, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2(ա)-ում:
2. Հեռավոր բացօթյա միջավայրում, հաղորդման մեծ կորստի և դետեկտորի ցածր զգայունության ազդեցությունը բարելավելու համար, հաղորդիչի ալեհավաքը պետք է ունենա բարձր շահույթ: Գոյություն ունեցող տերահերց ալեհավաքն օգտագործում է Գաուսի օպտիկական ոսպնյակ՝ ավելի քան 50 դԲի հզորությամբ: Սնուցող եղջյուրի և դիէլեկտրիկ ոսպնյակների համադրությունը ներկայացված է Նկար 2(բ)-ում:
Ի լրումն 0,12 ՏՀց կապի համակարգի մշակման, NTT-ը նաև մշակել է 0,3 ԹՀց կապի համակարգ 2012 թվականին: Շարունակական օպտիմալացման միջոցով փոխանցման արագությունը կարող է հասնել մինչև 100 Գբիտ/վրկ: Ինչպես երևում է Աղյուսակ 1-ից, այն մեծ ներդրում է ունեցել տերահերցային հաղորդակցության զարգացման գործում: Այնուամենայնիվ, ընթացիկ հետազոտական աշխատանքն ունի ցածր գործառնական հաճախականության, մեծ չափի և բարձր գնի թերությունները:
Ներկայում օգտագործվող տերահերց ալեհավաքների մեծ մասը փոփոխված է միլիմետր ալիքային ալեհավաքներից, և տերահերց ալեհավաքներում քիչ նորարարություն կա: Հետևաբար, տերահերցային կապի համակարգերի աշխատանքը բարելավելու համար կարևոր խնդիր է տերահերցային ալեհավաքների օպտիմալացումը: Աղյուսակ 2-ում ներկայացված են գերմանական THz հաղորդակցության հետազոտության առաջընթացը: Նկար 3 (ա) ցույց է տալիս ներկայացուցչական THz անլար կապի համակարգ, որը համատեղում է ֆոտոնիկան և էլեկտրոնիկան: Նկար 3 (բ) ցույց է տալիս քամու թունելի փորձարկման տեսարանը: Դատելով Գերմանիայում առկա հետազոտական իրավիճակից՝ դրա հետազոտությունն ու մշակումն ունի նաև թերություններ, ինչպիսիք են ցածր գործառնական հաճախականությունը, բարձր արժեքը և ցածր արդյունավետությունը:
Աղյուսակ 2 Գերմանիայում THz կապի հետազոտության առաջընթացը
Նկար 3 Քամու թունելի փորձարկման տեսարան
CSIRO ՏՀՏ կենտրոնը նաև նախաձեռնել է հետազոտություն THz ներքին անլար կապի համակարգերի վերաբերյալ: Կենտրոնը ուսումնասիրել է կապը տարվա և կապի հաճախականության միջև, ինչպես ցույց է տրված Նկար 4-ում: Ինչպես երևում է Նկար 4-ից, մինչև 2020 թվականը անլար կապի հետազոտությունները հակված են THz տիրույթին: Ռադիոսպեկտրի օգտագործմամբ կապի առավելագույն հաճախականությունը քսան տարին մեկ ավելանում է մոտ տասը անգամ: Կենտրոնը առաջարկություններ է արել THz ալեհավաքների պահանջների վերաբերյալ և առաջարկել է ավանդական ալեհավաքներ, ինչպիսիք են շչակներն ու ոսպնյակները THz կապի համակարգերի համար: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 5-ում, երկու շչակ ալեհավաքներ աշխատում են համապատասխանաբար 0.84THz և 1.7THz հաճախականությամբ՝ պարզ կառուցվածքով և գաուսյան ճառագայթի լավ կատարմամբ:
Գծապատկեր 4 Տարվա և հաճախականության միջև կապը
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Նկար 5 Երկու տեսակի շչակ ալեհավաքներ
Միացյալ Նահանգները լայնածավալ հետազոտություն է անցկացրել տերահերց ալիքների արտանետման և հայտնաբերման վերաբերյալ: Հայտնի տերահերցի հետազոտական լաբորատորիաները ներառում են Ռեակտիվ Շարժման Լաբորատորիան (JPL), Ստենֆորդի գծային արագացուցչի կենտրոնը (SLAC), ԱՄՆ ազգային լաբորատորիան (LLNL), Ազգային օդագնացության և տիեզերական վարչությունը (NASA), Ազգային գիտական հիմնադրամը (NSF) և այլն: Նախագծվել են տերահերցային նոր ալեհավաքներ տերահերցի կիրառման համար, ինչպիսիք են աղեղնավոր ալեհավաքները և հաճախականության ճառագայթների ղեկային ալեհավաքները: Համաձայն տերահերցային ալեհավաքների զարգացման, մենք կարող ենք ներկայումս ստանալ տերահերց ալեհավաքների երեք հիմնական նախագծային գաղափարներ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6-ում:
Նկար 6 Երեք հիմնական նախագծային գաղափարներ տերահերց ալեհավաքների համար
Վերոնշյալ վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ չնայած շատ երկրներ մեծ ուշադրություն են դարձրել տերահերցային ալեհավաքներին, այն դեռ գտնվում է նախնական հետազոտման և զարգացման փուլում: Բարձր տարածման կորստի և մոլեկուլային կլանման պատճառով THz ալեհավաքները սովորաբար սահմանափակվում են փոխանցման հեռավորությամբ և ծածկույթով: Որոշ ուսումնասիրություններ կենտրոնանում են THz տիրույթում գործող ավելի ցածր հաճախականությունների վրա: Գոյություն ունեցող տերահերց ալեհավաքի հետազոտությունը հիմնականում կենտրոնանում է շահույթի բարելավման վրա՝ օգտագործելով դիէլեկտրական ոսպնյակների ալեհավաքներ և այլն, և բարելավել կապի արդյունավետությունը՝ օգտագործելով համապատասխան ալգորիթմներ: Բացի այդ, թե ինչպես կարելի է բարելավել տերահերց ալեհավաքի փաթեթավորման արդյունավետությունը, նույնպես շատ հրատապ խնդիր է:
Ընդհանուր THz ալեհավաքներ
Գոյություն ունեն THz ալեհավաքների բազմաթիվ տեսակներ՝ դիպոլային ալեհավաքներ կոնաձև խոռոչներով, անկյունային ռեֆլեկտորային զանգվածներ, աղեղնավոր դիպոլներ, դիէլեկտրական ոսպնյակների հարթ ալեհավաքներ, ֆոտոհաղորդիչ ալեհավաքներ THz աղբյուրների ճառագայթման աղբյուրների ստեղծման համար, եղջյուրային ալեհավաքներ, THz ալեհավաքներ՝ հիմնված գրաֆենի նյութերի վրա և այլն: THz ալեհավաքների պատրաստման համար օգտագործվող նյութերը, դրանք կարելի է մոտավորապես բաժանել մետաղական ալեհավաքների (հիմնականում եղջյուրային ալեհավաքների), դիէլեկտրական ալեհավաքների (ոսպնյակային ալեհավաքներ) և նոր նյութական ալեհավաքների: Այս բաժինը նախ տալիս է այս ալեհավաքների նախնական վերլուծությունը, իսկ հետո հաջորդ բաժնում մանրամասն ներկայացվում և խորը վերլուծվում են հինգ բնորոշ THz ալեհավաքներ:
1. Մետաղական ալեհավաքներ
Հորն ալեհավաքը տիպիկ մետաղական ալեհավաք է, որը նախատեսված է THz տիրույթում աշխատելու համար: Դասական միլիմետր ալիքի ընդունիչի ալեհավաքը կոնաձև եղջյուր է: Ծալքավոր և երկռեժիմ ալեհավաքներն ունեն բազմաթիվ առավելություններ, այդ թվում՝ ռոտացիոն սիմետրիկ ճառագայթման օրինաչափություններ, 20-ից 30 դԲի բարձր շահույթ և -30 դԲ խաչաձև բևեռացման ցածր մակարդակ և միացման արդյունավետությունը 97%-ից 98%: Երկու շչակ ալեհավաքների հասանելի թողունակությունը համապատասխանաբար կազմում է 30%-40% և 6%-8%:
Քանի որ տերահերց ալիքների հաճախականությունը շատ բարձր է, եղջյուրի ալեհավաքի չափը շատ փոքր է, ինչը դժվարացնում է եղջյուրի մշակումը, հատկապես ալեհավաքների նախագծման մեջ, իսկ մշակման տեխնոլոգիայի բարդությունը հանգեցնում է ավելորդ ծախսերի և սահմանափակ արտադրություն. Բարդ եղջյուրի ձևավորման ներքևի մասի արտադրության դժվարության պատճառով սովորաբար օգտագործվում է պարզ եղջյուրի ալեհավաք՝ կոնաձև կամ կոնաձև եղջյուրի տեսքով, ինչը կարող է նվազեցնել ծախսերը և գործընթացի բարդությունը, և կարող է պահպանվել ալեհավաքի ճառագայթման կատարումը: լավ.
Մեկ այլ մետաղական ալեհավաք շրջող ալիքային բրգաձև ալեհավաք է, որը բաղկացած է շրջող ալիքային ալեհավաքից, որը ինտեգրված է 1,2 մկմ դիէլեկտրական թաղանթի վրա և կախված է սիլիկոնային վաֆլի վրա փորագրված երկայնական խոռոչում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 7-ում: Այս ալեհավաքը բաց կառուցվածք է, որը համատեղելի Schottky դիոդների հետ: Իր համեմատաբար պարզ կառուցվածքի և արտադրության ցածր պահանջների պատճառով այն կարող է սովորաբար օգտագործվել 0,6 THz-ից բարձր հաճախականությունների տիրույթներում: Այնուամենայնիվ, ալեհավաքի կողային բլթի մակարդակը և խաչաձև բևեռացման մակարդակը բարձր են, հավանաբար դրա բաց կառուցվածքի պատճառով: Հետեւաբար, դրա միացման արդյունավետությունը համեմատաբար ցածր է (մոտ 50%):
Նկար 7 Շրջիկ ալիքի բրգաձև ալեհավաք
2. Դիէլեկտրիկ ալեհավաք
Դիէլեկտրիկ ալեհավաքը դիէլեկտրական սուբստրատի և ալեհավաքի ռադիատորի համադրություն է: Պատշաճ դիզայնի միջոցով դիէլեկտրական ալեհավաքը կարող է հասնել դետեկտորի հետ դիմադրության համապատասխանության և ունի պարզ գործընթացի, հեշտ ինտեգրման և ցածր գնի առավելությունները: Վերջին տարիներին հետազոտողները նախագծել են մի քանի նեղ և լայնաշերտ կողային ալեհավաքներ, որոնք կարող են համապատասխանել տերահերց դիէլեկտրական ալեհավաքների ցածր դիմադրողականության դետեկտորներին. ցույց է տրված Նկար 8-ում: Բացի այդ, գենետիկ ալգորիթմների միջոցով կարելի է նախագծել ալեհավաքների ավելի բարդ երկրաչափություններ:
Նկար 8 Չորս տեսակի հարթ ալեհավաքներ
Այնուամենայնիվ, քանի որ դիէլեկտրական ալեհավաքը համակցված է դիէլեկտրական սուբստրատի հետ, մակերևութային ալիքի էֆեկտը կառաջանա, երբ հաճախականությունը ձգվում է դեպի THz գոտի: Այս ճակատագրական թերությունը կհանգեցնի նրան, որ ալեհավաքը կկորցնի շատ էներգիա շահագործման ընթացքում և կհանգեցնի ալեհավաքի ճառագայթման արդյունավետության զգալի նվազմանը: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 9-ում, երբ ալեհավաքի ճառագայթման անկյունն ավելի մեծ է, քան անջատման անկյունը, դրա էներգիան սահմանափակվում է դիէլեկտրական ենթաշերտում և զուգակցվում ենթաշերտի ռեժիմի հետ:
Նկար 9 Անտենայի մակերեսային ալիքի էֆեկտ
Քանի որ ենթաշերտի հաստությունը մեծանում է, բարձր կարգի ռեժիմների թիվը մեծանում է, և ալեհավաքի և ենթաշերտի միջև կապը մեծանում է, ինչը հանգեցնում է էներգիայի կորստի: Մակերեւութային ալիքի ազդեցությունը թուլացնելու համար կան երեք օպտիմալացման սխեմաներ.
1) Լիցքավորեք ոսպնյակը ալեհավաքի վրա՝ օգտագործելով էլեկտրամագնիսական ալիքների ճառագայթաձևման բնութագրերը:
2) Կրճատել ենթաշերտի հաստությունը՝ էլեկտրամագնիսական ալիքների բարձր կարգի ռեժիմների առաջացումը ճնշելու համար:
3) Ենթաշերտի դիէլեկտրական նյութը փոխարինեք էլեկտրամագնիսական գոտու բացվածքով (EBG): EBG-ի տարածական զտման բնութագրերը կարող են ճնշել բարձր կարգի ռեժիմները:
3. Նոր նյութական ալեհավաքներ
Բացի վերը նշված երկու ալեհավաքներից, կա նաև նոր նյութերից պատրաստված տերահերց ալեհավաք: Օրինակ, 2006 թվականին Ջին Հաոն և այլք. առաջարկել է ածխածնային նանոխողովակի դիպոլային ալեհավաք: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 10-ում (ա), դիպոլը մետաղական նյութերի փոխարեն պատրաստված է ածխածնային նանոխողովակներից: Նա ուշադիր ուսումնասիրեց ածխածնային նանոխողովակային դիպոլային ալեհավաքի ինֆրակարմիր և օպտիկական հատկությունները և քննարկեց վերջավոր երկարությամբ ածխածնային նանոխողովակների դիպոլային ալեհավաքի ընդհանուր բնութագրերը, ինչպիսիք են մուտքային դիմադրությունը, հոսանքի բաշխումը, ստացումը, արդյունավետությունը և ճառագայթման օրինաչափությունը: Նկար 10 (բ) ցույց է տալիս կապը ածխածնային նանոխողովակի դիպոլային ալեհավաքի մուտքային դիմադրության և հաճախականության միջև: Ինչպես երևում է Նկար 10(բ)-ում, մուտքային դիմադրության երևակայական մասը ունի մի քանի զրո ավելի բարձր հաճախականություններում: Սա ցույց է տալիս, որ ալեհավաքը կարող է հասնել բազմաթիվ ռեզոնանսների տարբեր հաճախականություններում: Ակնհայտ է, որ ածխածնային նանոխողովակային ալեհավաքը ռեզոնանս է ցուցադրում որոշակի հաճախականության տիրույթում (ցածր THz հաճախականություններ), սակայն լիովին ի վիճակի չէ ռեզոնանսվել այս տիրույթից դուրս:
Նկար 10 (ա) Ածխածնային նանոխողովակային երկբևեռ ալեհավաք: բ) Մուտքային դիմադրություն-հաճախականության կորը
2012 թվականին Սամիր Ֆ. Մահմուդը և Այեդ Ռ. ԱլԱջմին առաջարկեցին նոր տերահերց ալեհավաքի կառուցվածք, որը հիմնված է ածխածնային նանոխողովակների վրա, որը բաղկացած է ածխածնային նանոխողովակների մի փաթեթից՝ փաթաթված երկու դիէլեկտրիկ շերտերով: Ներքին դիէլեկտրական շերտը դիէլեկտրական փրփուր շերտ է, իսկ արտաքին դիէլեկտրական շերտը մետանյութային շերտ է։ Հատուկ կառուցվածքը ներկայացված է Նկար 11-ում: Փորձարկման միջոցով ալեհավաքի ճառագայթման արդյունավետությունը բարելավվել է՝ համեմատած միապատի ածխածնային նանոխողովակների հետ:
Նկար 11 Նոր տերահերց ալեհավաք՝ հիմնված ածխածնային նանոխողովակների վրա
Վերևում առաջարկված նոր նյութական տերահերց ալեհավաքները հիմնականում եռաչափ են: Ալեհավաքի թողունակությունը բարելավելու և համընկնող ալեհավաքներ պատրաստելու համար լայնածավալ ուշադրության են արժանացել հարթ գրաֆենի ալեհավաքները։ Գրաֆենն ունի գերազանց դինամիկ շարունակական կառավարման բնութագրեր և կարող է առաջացնել մակերեսային պլազմա՝ կարգավորելով կողմնակալության լարումը: Մակերեւութային պլազմա գոյություն ունի դրական դիէլեկտրիկ հաստատուն ենթաշերտերի (օրինակ՝ Si, SiO2 և այլն) և բացասական դիէլեկտրիկ հաստատուն սուբստրատների (ինչպիսիք են թանկարժեք մետաղները, գրաֆենը և այլն) միջերեսում։ Մեծ թվով «ազատ էլեկտրոններ» կան այնպիսի հաղորդիչներում, ինչպիսիք են թանկարժեք մետաղները և գրաֆենը։ Այս ազատ էլեկտրոնները կոչվում են նաև պլազմա։ Հաղորդավարի բնորոշ պոտենցիալ դաշտի պատճառով այս պլազման գտնվում է կայուն վիճակում և չի խանգարվում արտաքին աշխարհի կողմից: Երբ ընկնող էլեկտրամագնիսական ալիքի էներգիան զուգակցվում է այս պլազմայի հետ, պլազման շեղվում է կայուն վիճակից և թրթռում: Փոխակերպումից հետո էլեկտրամագնիսական ռեժիմը միջերեսում ձևավորում է լայնակի մագնիսական ալիք: Ըստ Drude մոդելի մետաղի մակերևույթի պլազմայի ցրվածության հարաբերության նկարագրության՝ մետաղները բնականաբար չեն կարող ազատ տարածության մեջ միանալ էլեկտրամագնիսական ալիքների հետ և փոխակերպել էներգիան։ Մակերեւութային պլազմայի ալիքները գրգռելու համար անհրաժեշտ է օգտագործել այլ նյութեր։ Մակերեւութային պլազմայի ալիքները արագորեն քայքայվում են մետաղ-սուբստրատի միջերեսի զուգահեռ ուղղությամբ: Երբ մետաղական հաղորդիչը վարում է մակերեսին ուղղահայաց ուղղությամբ, առաջանում է մաշկի էֆեկտ։ Ակնհայտ է, որ ալեհավաքի փոքր չափի պատճառով բարձր հաճախականության գոտում առկա է մաշկի էֆեկտ, ինչը հանգեցնում է ալեհավաքի աշխատանքի կտրուկ անկման և չի կարող բավարարել տերահերց ալեհավաքների պահանջները: Գրաֆենի մակերևութային պլազմոնը ոչ միայն ունի ավելի մեծ կապող ուժ և ավելի քիչ կորուստ, այլև ապահովում է շարունակական էլեկտրական թյունինգ: Բացի այդ, գրաֆենն ունի բարդ հաղորդունակություն տերահերցի գոտում: Հետևաբար, դանդաղ ալիքի տարածումը կապված է պլազմային ռեժիմի հետ տերահերց հաճախականությամբ: Այս բնութագրերը լիովին ցույց են տալիս գրաֆենի իրագործելիությունը տերահերցի գոտում մետաղական նյութերը փոխարինելու համար:
Հիմնվելով գրաֆենի մակերեսային պլազմոնների բևեռացման վարքագծի վրա՝ Նկար 12-ը ցույց է տալիս ժապավենային ալեհավաքի նոր տեսակը և առաջարկում է գրաֆենում պլազմային ալիքների տարածման բնութագրերի ժապավենի ձևը: Կարգավորվող ալեհավաքի ժապավենի ձևավորումը նոր միջոց է տալիս ուսումնասիրելու նոր նյութի տերահերց ալեհավաքների տարածման բնութագրերը:
Նկար 12 Նոր ժապավենային ալեհավաք
Ի հավելումն միավորի նոր նյութի տերահերց ալեհավաքի տարրերի ուսումնասիրմանը, գրաֆենի նանոկարկատային տերահերց ալեհավաքները կարող են նաև նախագծվել որպես զանգվածներ՝ տերահերց բազմամուտքային բազմաելքային ալեհավաքային հաղորդակցման համակարգեր կառուցելու համար: Ալեհավաքի կառուցվածքը ներկայացված է Նկար 13-ում: Ելնելով գրաֆենի նանոկարկատային ալեհավաքների յուրահատուկ հատկություններից՝ ալեհավաքի տարրերն ունեն միկրոն մասշտաբի չափեր: Քիմիական գոլորշիների նստվածքն ուղղակիորեն սինթեզում է գրաֆենի տարբեր պատկերներ բարակ նիկելի շերտի վրա և դրանք տեղափոխում ցանկացած ենթաշերտի: Ընտրելով համապատասխան քանակի բաղադրիչներ և փոխելով էլեկտրաստատիկ կողմնակալության լարումը, ճառագայթման ուղղությունը կարող է արդյունավետորեն փոխվել՝ դարձնելով համակարգը վերակազմավորելի:
Նկար 13 Գրաֆենի նանոկարկատային տերահերց ալեհավաքի զանգված
Նոր նյութերի հետազոտությունը համեմատաբար նոր ուղղություն է։ Ակնկալվում է, որ նյութերի նորարարությունը կխախտի ավանդական ալեհավաքների սահմանափակումները և կստեղծի մի շարք նոր ալեհավաքներ, ինչպիսիք են վերակազմավորվող մետանյութերը, երկչափ (2D) նյութերը և այլն: Այնուամենայնիվ, այս տեսակի ալեհավաքները հիմնականում կախված են նոր նորարարություններից: նյութերը և գործընթացի տեխնոլոգիայի առաջընթացը: Ամեն դեպքում, տերահերց ալեհավաքների մշակումը պահանջում է նորարարական նյութեր, ճշգրիտ մշակման տեխնոլոգիա և նոր նախագծային կառուցվածքներ՝ տերահերց ալեհավաքների բարձր շահույթի, ցածր գնի և լայն թողունակության պահանջները բավարարելու համար:
Հետևյալը ներկայացնում է երեք տեսակի տերահերց ալեհավաքների հիմնական սկզբունքները՝ մետաղական ալեհավաքներ, դիէլեկտրական ալեհավաքներ և նոր նյութական ալեհավաքներ և վերլուծում դրանց տարբերություններն ու առավելություններն ու թերությունները:
1. Մետաղական ալեհավաք. երկրաչափությունը պարզ է, հեշտ մշակվող, համեմատաբար ցածր գնով և ցածր պահանջներ ենթաշերտի նյութերի համար: Այնուամենայնիվ, մետաղական ալեհավաքները օգտագործում են մեխանիկական մեթոդ ալեհավաքի դիրքը կարգավորելու համար, որը հակված է սխալների: Եթե ճշգրտումը ճիշտ չէ, ապա ալեհավաքի աշխատանքը զգալիորեն կնվազի: Չնայած մետաղական ալեհավաքը փոքր չափի է, այն դժվար է հավաքվել հարթ սխեմայով:
2. Դիէլեկտրիկ ալեհավաք. Դիէլեկտրիկ ալեհավաքն ունի ցածր մուտքային դիմադրություն, հեշտ է համընկնել ցածր դիմադրողականության դետեկտորի հետ և համեմատաբար պարզ է միացնել հարթ սխեմայի հետ: Դիէլեկտրիկ ալեհավաքների երկրաչափական ձևերը ներառում են թիթեռի ձևը, կրկնակի U ձևը, սովորական լոգարիթմական ձևը և լոգարիթմական պարբերական սինուսի ձևը: Այնուամենայնիվ, դիէլեկտրիկ ալեհավաքները նույնպես ունեն ճակատագրական թերություն, այն է, որ մակերեսային ալիքի ազդեցությունը առաջանում է հաստ ենթաշերտի պատճառով: Լուծումը ոսպնյակի բեռնումն ու դիէլեկտրական ենթաշերտը փոխարինելն է EBG կառուցվածքով: Երկու լուծումներն էլ պահանջում են նորարարություն և գործընթացի տեխնոլոգիայի և նյութերի շարունակական կատարելագործում, սակայն դրանց գերազանց կատարումը (ինչպես, օրինակ, բազմակողմանիությունը և մակերեսային ալիքների ճնշումը) կարող են նոր գաղափարներ տալ տերահերց ալեհավաքների հետազոտության համար:
3. Նյութերի նոր ալեհավաքներ. Ներկայումս ի հայտ են եկել ածխածնային նանոխողովակներից պատրաստված նոր դիպոլային ալեհավաքներ և մետանյութերից պատրաստված նոր ալեհավաքային կառուցվածքներ։ Նոր նյութերը կարող են բերել նոր կատարողական առաջընթացի, բայց նախադրյալը նյութագիտության նորարարությունն է: Ներկայումս նոր նյութերի ալեհավաքների հետազոտությունը դեռ հետազոտական փուլում է, և շատ հիմնական տեխնոլոգիաներ բավականաչափ հասուն չեն:
Ամփոփելով, տարբեր տեսակի տերահերց ալեհավաքները կարող են ընտրվել ըստ դիզայնի պահանջների.
1) Եթե պահանջվում է պարզ դիզայն և արտադրության ցածր արժեքը, կարելի է ընտրել մետաղական ալեհավաքներ:
2) Եթե պահանջվում է բարձր ինտեգրացիա և ցածր մուտքային դիմադրություն, կարելի է ընտրել դիէլեկտրական ալեհավաքներ:
3) Եթե պահանջվում է կատարողականի բեկում, կարող են ընտրվել նոր նյութական ալեհավաքներ:
Վերոհիշյալ նմուշները կարող են նաև ճշգրտվել ըստ հատուկ պահանջների: Օրինակ, երկու տեսակի ալեհավաքները կարող են համակցվել ավելի շատ առավելություններ ստանալու համար, սակայն հավաքման մեթոդը և դիզայնի տեխնոլոգիան պետք է համապատասխանեն ավելի խիստ պահանջներին:
Ալեհավաքների մասին ավելին իմանալու համար այցելեք՝
Հրապարակման ժամանակը՝ օգ-02-2024
