Crescente popularitate instrumentorum sine filo, officia datorum novum tempus celeris progressionis ingressi sunt, quod etiam "incrementum explosivum officiorum datorum" appellatur. Hodie, magna copia applicationum gradatim a computatris ad instrumenta sine filo, ut telephona mobilia, quae facile portari et in tempore reali operari possunt, migrat, sed haec res etiam ad celerem augmentum in commeatu datorum et inopiam opum transmissionis latitudinis duxit. Secundum statisticas, celeritas datorum in foro Gbps vel etiam Tbps in proximis 10 ad 15 annis attingere potest. Hodie, communicatio THz celeritatem datorum Gbps attigit, dum celeritas datorum Tbps adhuc in primis stadiis progressionis est. Charta conexa progressum recentissimum in celeritatibus datorum Gbps secundum bandam THz enumerat et praedicit Tbps per multiplexationem polarizationis obtineri posse. Ergo, ad celeritatem transmissionis datorum augendam, solutio possibilis est novam bandam frequentiae, quae est banda terahertz, evolvere, quae in "area vacua" inter microundas et lucem infrarubram sita est. In Conventu Radiocommunicationis Mundano ITU (WRC-19) anno 2019, frequentiae spatium 275-450GHz pro officiis fixis et mobilibus terrestribus adhibitum est. Patet systemata communicationis sine filo terahertz attentionem multorum investigatorum attraxisse.
Undae electromagneticae terahertz plerumque definiuntur ut frequentia 0.1-10THz (1THz = 1012Hz) cum longitudine undae 0.03-3 mm. Secundum normam IEEE, undae terahertz definiuntur ut 0.3-10THz. Figura 1 ostendit frequentiam terahertz inter microundas et lucem infrarubram esse.
Fig. 1 Schema frequentiae THz.
Progressus Antennarum Terahertz
Quamquam investigatio terahertz saeculo XIX coepta est, eo tempore non ut campus sui iuris investigata est. Investigatio radiationis terahertz praecipue in banda infrarubra remota intenta erat. Non ante medium vel finem saeculi XX investigatores investigationem undarum millimetricarum ad bandam terahertz promovere et investigationem specialem technologiae terahertz perficere coeperunt.
Decennio octogesimo saeculi vicesimi, ortus fontium radiationis terahertz applicationem undarum terahertz in systematibus practicis possibilem reddidit. Ab saeculo XXI, technologia communicationis sine filo celeriter evoluta est, et desiderium informationis hominum et incrementum instrumentorum communicationis requisita severiora de celeritate transmissionis datorum communicationis imposuerunt. Ergo, una ex provocationibus futurae technologiae communicationis est operari cum celeritate datorum alta gigabit per secundum in uno loco. Sub progressu oeconomico hodierno, opes spectri magis magisque rarae factae sunt. Attamen, requisita humana pro capacitate et celeritate communicationis infinita sunt. Ob problema congestionis spectri, multae societates technologiam MIMO (multiple-input-multiple-output) utuntur ad efficientiam spectri et capacitatem systematis per multiplexationem spatialem emendandam. Cum progressu retium 5G, celeritas connexionis datorum cuiusque usoris Gbps excedet, et commeatus datorum stationum basium etiam significanter augebitur. Pro systematibus communicationis undarum millimetricarum traditionalibus, nexus microfluctuum non poterunt hos ingentes fluxus datorum tractare. Praeterea, propter vim lineae visus, distantia transmissionis communicationis infrarubrae brevis est et locus instrumentorum communicationis eius fixus est. Ergo, undae THz, quae inter microundas et infrarubrum sunt, ad systemata communicationis celerrima construenda et celeritates transmissionis datorum augendas per nexus THz adhiberi possunt.
Undae terahertz latiorem latitudinem communicationis praebere possunt, et frequentiae eorum ambitu circiter millecuplo maior est quam communicationum mobilium. Ergo, usus THz ad systemata communicationis sine filo celeritatis ultra-altae construendae solutio promittens est provocationi altarum velocitatum datorum, quae multarum turmarum investigationis et industriarum attentionem attraxit. Mense Septembri anni 2017, prima norma communicationis sine filo THz IEEE 802.15.3d-2017 edita est, quae commutationem datorum inter puncta et puncta in inferiore ambitu frequentiae THz 252-325 GHz definit. Stratum physicum alternativum (PHY) nexus velocitates datorum usque ad 100 Gbps in variis latitudinibus datorum consequi potest.
Primum systema communicationis THz 0.12 THz prosperum anno 2004 institutum est, et systema communicationis THz 0.3 THz anno 2013 perfectum est. Tabula 1 progressum investigationis systematum communicationis terahertz in Iaponia ab anno 2004 ad 2013 enumerat.
Tabula 1 Progressus investigationis systematum communicationis terahertz in Iaponia ab anno 2004 ad 2013
Structura antennae systematis communicationis anno 2004 elaborati a Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) anno 2005 accurate descripta est. Configuratio antennae in duobus casibus introducta est, ut in Figura 2 demonstratur.
Figura 2 Schema systematis communicationis sine filo NTT 120 GHz Iaponiae
Systema conversionem photoelectricam et antennam integrat et duos modos operandi adhibet:
1. In ambitu interiori prope distantiam, transmissor antennae planaris intra aedes adhibitus constat ex fragmento photodiodi vectoris linearis singularis (UTC-PD), antenna planari sulcata et lente siliconis, ut in Figura 2(a) demonstratur.
2. In ambitu externo longinquo, ut effectus magnae damni transmissionis et sensibilitatis parvae detectoris augeatur, antenna transmittentis magnum amplificationem habere debet. Antenna terahertz exstans lente optica Gaussiana cum amplificatione plus quam 50 dBi utitur. Combinatio cornu alimentationis et lentis dielectricae in Figura 2(b) ostenditur.
Praeter evolutionem systematis communicationis 0.12 THz, NTT etiam systema communicationis 0.3 THz anno 2012 elaboravit. Per optimizationem continuam, celeritas transmissionis ad 100 Gbps pervenire potest. Ut ex Tabula 1 videri potest, magnum contulit ad evolutionem communicationis terahertz. Attamen, opus investigationis hodiernum incommoda habet frequentiae operationis humilis, magnitudinis magnae et sumptus alti.
Pleraeque antennae terahertz quae nunc in usu sunt ex antennis undarum millimetricarum modificatae sunt, et parva innovatio in antennis terahertz est. Ergo, ad efficaciam systematum communicationis terahertz emendandam, magnum momentum est antennas terahertz optimizare. Tabula 2 progressum investigationis communicationis Germanicae THz enumerat. Figura 3 (a) systema communicationis sine filo THz repraesentativum photonicam et electronicam coniungens ostendit. Figura 3 (b) scaenam probationis in cuniculo venti ostendit. Iudicando ex statu investigationis hodierno in Germania, investigatio et progressus eius etiam incommoda habet, ut frequentiam operationis humilem, sumptum altum et efficientiam humilem.
Tabula II Progressus investigationis communicationis THz in Germania
Figura 3 Scena probationis in cuniculo ventoso
Centrum CSIRO ICT etiam investigationem de systematibus communicationis sine filo intra aedes THz incepit. Centrum relationem inter annum et frequentiam communicationis investigavit, ut in Figura 4 demonstratur. Ut ex Figura 4 videri potest, anno 2020, investigatio de communicationibus sine filo ad bandam THz tendit. Maxima frequentia communicationis spectro radiophonico utens decies fere singulis viginti annis augetur. Centrum commendationes de requisitis pro antennis THz proposuit et antennas traditionales, ut cornua et lentes, pro systematibus communicationis THz proposuit. Ut in Figura 5 demonstratur, duae antennae cornuae ad 0.84THz et 1.7THz respective operantur, cum structura simplici et bona effectu fasciculi Gaussiani.
Figura 4 Relatio inter annum et frequentiam
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figura 5 Duo genera antennarum cornuum
Civitates Foederatae Americae investigationes amplas de emissione et detectione undarum terahertz perfecerunt. Inter laboratorio investigationis terahertz praeclaro sunt Laboratorium Propulsionis Iactae (JPL), Centrum Acceleratoris Linearis Stanfordiense (SLAC), Laboratorium Nationale Civitatum Foederatarum (LLNL), Administratio Nationalis Aeronauticae et Spatii (NASA), Fundatio Nationalis Scientiae (NSF), et cetera. Novae antennae terahertz ad usus terahertz designatae sunt, ut antennae bowtie et antennae frequentiae dirigentes. Secundum evolutionem antennarum terahertz, tres notiones designandi fundamentales pro antennis terahertz hodie adipisci possumus, ut in Figura 6 demonstratur.
Figura 6 Tres notiones designandi fundamentales pro antennis terahertz
Supra analysis ostendit, quamquam multae nationes magnam operam antennis terahertz dederint, eas adhuc in stadio explorationis et progressionis initiali esse. Propter magnum damnum propagationis et absorptionem molecularium, antennae THz plerumque a distantia transmissionis et opertione limitantur. Quaedam studia in frequentiis operationis inferioribus in fascia THz intendunt. Investigatio antennarum terahertz exstans praecipue in emendatione amplificationis per usum antennarum lentis dielectricae, etc., et in emendatione efficientiae communicationis per usum algorithmorum idoneorum versatur. Praeterea, quomodo efficientiam involucri antennarum terahertz augere etiam res urgentissima est.
Antennae generales THz
Multae species antennarum THz praesto sunt: antennae dipolares cum cavitatibus conicis, antennae reflectorum angularium, antennae dipolares bowtie, antennae planae lentis dielectricae, antennae photoconductivae ad fontes radiationis THz generandos, antennae cornutae, antennae THz ex materiis graphenis fundatae, et cetera. Secundum materias ad antennas THz fabricandas adhibitas, hae grosse dividi possunt in antennas metallicas (praesertim antennas cornutas), antennas dielectricas (antennas lentis), et antennas novi materialis. Haec sectio primum analysin praeliminarem harum antennarum praebet, deinde in sectione sequenti, quinque antennae THz typicae accurate introducuntur et profunde analyzantur.
1. Antennae metallicae
Antenna cornea est antenna metallica typica quae ad operandum in banda THz designata est. Antenna receptoris undarum millimetricarum classici est cornu conicum. Antennae corrugatae et bimodales multa commoda habent, inter quae sunt exemplaria radiationis rotationaliter symmetrica, amplificatio magna 20 ad 30 dBi et gradus polarizationis transversae humilis -30 dB, et efficientia copulationis 97% ad 98%. Latitudines transmissionis praesto duarum antennarum cornearum sunt 30%-40% et 6%-8% respective.
Cum frequentia undarum terahertz sit altissima, magnitudo antennae cornuae est valde parva, quod processum cornuae difficillimum reddit, praesertim in designio ordinum antennarum, et complexitas technologiae processus ad sumptum excessivum et productionem limitatam ducit. Propter difficultatem in fabricatione fundi designii cornuae complexi, antenna cornua simplex in forma conica vel cornu conicum plerumque adhibetur, quod sumptum et complexitatem processus reducere potest, et efficacia radiationis antennae bene conservari potest.
Alia antenna metallica est antenna pyramidalis undae progressivae, quae constat ex antenna undae progressivae in pellicula dielectrica 1.2 micron integrata et in cavitate longitudinali in lamella silicii incisa suspensa, ut in Figura 7 demonstratur. Haec antenna structuram apertam habet quae cum diodis Schottky compatibilis est. Propter structuram relative simplicem et requisita fabricationis humilia, plerumque in fasciis frequentiae supra 0.6 THz adhiberi potest. Attamen, gradus loborum lateralium et gradus polarizationis transversae antennae alti sunt, probabiliter propter structuram apertam. Ergo, efficientia copulationis eius relative humilis est (circa 50%).
Figura 7 Antenna pyramidalis undae progressivae
2. Antenna dielectrica
Antenna dielectrica est coniunctio substrati dielectrici et radiatoris antennae. Per designum aptum, antenna dielectrica congruentiam impedantiae cum detectore assequi potest, et commoda processus simplicis, integrationis facilis, et sumptus humilis habet. Recentibus annis, investigatores plures antennas laterales angustae et latae bandae designaverunt quae detectoribus humilis impedantiae antennarum dielectricarum terahertz congruere possunt: antennae papilionis, antennae duplicis U-formis, antennae log-periodicae, et antennae sinusoidales log-periodicae, ut in Figura 8 demonstratur. Praeterea, geometriae antennarum complexiores per algorithmos geneticos designari possunt.
Figura VIII Quattuor genera antennarum planarum
Quoniam vero antenna dielectrica cum substrato dielectrico coniungitur, effectus undae superficialis orietur cum frequentia ad zonam THz tendit. Hoc incommodum fatale efficiet ut antenna magnam energiam perdat dum operatur et ad significantem reductionem in efficacia radiationis antennae ducet. Ut in Figura 9 demonstratur, cum angulus radiationis antennae maior est quam angulus abscissionis, energia eius in substrato dielectrico continetur et cum modo substrati coniungitur.
Figura 9 Effectus undae superficialis antennae
Crescente crassitudine substrati, numerus modorum ordinis superioris augetur, et copulatio inter antennam et substratum crescit, unde fit ut energia deficiat. Ad effectum undae superficialis debilitandum, tria consilia optimizationis adhibentur:
1) Lentem antennae impone ut lucrum augeas, proprietatibus formationis fasciculi undarum electromagneticarum utens.
2) Crassitudinem substrati reducere ut generationem modorum altioris ordinis undarum electromagneticarum supprimere.
3) Materiam dielectricam substrati lacuna electromagnetica (EBG) substitue. Proprietates filtrationis spatialis EBG modos ordinis superioris supprimere possunt.
3. Antennae novae materiae
Praeter duas antennas supra dictas, etiam antenna terahertz ex novis materiis facta exstat. Exempli gratia, anno 2006, Jin Hao et al. antennam dipoli nanotubi carbonii proposuerunt. Ut in Figura 10 (a) demonstratur, dipolum ex nanotubis carbonii loco materiarum metallicarum factum est. Proprietates infrarubras et opticas antennae dipoli nanotubi carbonii diligenter investigavit et notas generales antennae dipoli nanotubi carbonii longitudinis finitae, ut impedantiam ingressus, distributionem currentis, amplificationem, efficientiam et figuram radiationis, tractavit. Figura 10 (b) relationem inter impedantiam ingressus et frequentiam antennae dipoli nanotubi carbonii ostendit. Ut in Figura 10 (b) videri potest, pars imaginaria impedantiae ingressus plures zeros in frequentiis altioribus habet. Hoc indicat antennam plures resonantias in diversis frequentiis consequi posse. Manifeste, antenna nanotubi carbonii resonantiam intra certum ambitum frequentiae (frequentias THz inferiores) exhibet, sed extra hoc ambitum resonare omnino non potest.
Figura 10 (a) Antenna dipola e nanotubis carbonis. (b) Curva impedantiae-frequentiae ingressus.
Anno MMXII, Samir F. Mahmoud et Ayed R. AlAjmi novam structuram antennae terahertz in nanotubis carbonis fundatam proposuerunt, quae ex fasciculo nanotuborum carbonis duobus stratis dielectricis involutis constat. Stratum dielectricum interius est stratum spumae dielectricae, et stratum dielectricum exterius est stratum metamateriale. Structura specifica in Figura XI ostenditur. Per probationes, efficacia radiationis antennae comparata cum nanotubis carbonis simplici pariete emendata est.
Figura XI Nova antenna terahertz in nanotubis carbonis fundata.
Antennae terahertz ex novo materia supra propositae plerumque tridimensionales sunt. Ut latitudo antennae augeatur et antennae conformes fiant, antennae graphene planae late diffusa est. Graphenum excellentes proprietates moderationis dynamicae continuae habet et plasmam superficialem generare potest tensionem polarisationis adaptando. Plasma superficiale in interfacie inter substrata constantia dielectrica positiva (ut Si, SiO2, etc.) et substrata constantia dielectrica negativa (ut metalla pretiosa, graphenum, etc.) existit. Magnus numerus "electronum liberorum" in conductoribus ut metallis pretiosis et grapheno invenitur. Haec electrona libera etiam plasmata appellantur. Propter campum potentiale inherentem in conductore, haec plasmata in statu stabili sunt nec a mundo externo perturbantur. Cum energia undae electromagneticae incidentis his plasmis copulatur, plasmata a statu stabili aberrabunt et vibrabunt. Post conversionem, modus electromagneticus undam magneticam transversalem in interfacie format. Secundum descriptionem relationis dispersionis plasmatis superficialis metallici a modello Drude factam, metalla naturaliter cum undis electromagneticis in spatio libero copulari et energiam convertere non possunt. Necesse est alias materias adhibere ad undas plasmatis superficiales excitandas. Undae plasmatis superficiales celeriter decrescunt in directione parallela interfaciei metalli et substrati. Cum conductor metallicus in directione perpendiculari superficiei conducit, effectus cutaneus oritur. Plane, propter parvitatem antennae, effectus cutaneus in banda altae frequentiae existit, qui efficit ut efficacia antennae vehementer decrescat et requisitis antennarum terahertz satisfacere non possit. Plasmon superficialis grapheni non solum maiorem vim ligationis et minorem iacturam habet, sed etiam continuam adaptationem electricam sustinet. Praeterea, graphenum conductivitatem complexam in banda terahertz habet. Ergo, propagatio undarum tarda cum modo plasmatis in frequentiis terahertz coniungitur. Hae proprietates plene demonstrant facultatem grapheni ad materias metallicas in banda terahertz substituendas.
Figura XII, innixa polarizationis in plasmonibus superficialibus grapheni, novum genus antennae laminaris ostendit et formam zonae propagationis undarum plasmatis in grapheno proponit. Designatio zonae antennae adaptabilis novam viam praebet ad investigandas proprietates propagationis antennarum terahertz ex novo materiale.
Figura 12 Nova antenna striata
Praeter explorationem novorum elementorum antennarum terahertz ex materiis unitariis, antennae terahertz nanoparticulatae grapheni etiam in formam ordinum designari possunt ad systemata communicationis antennarum terahertz multi-input multi-output construenda. Structura antennae in Figura 13 ostenditur. Ob proprietates singulares antennarum nanoparticulatarum grapheni, elementa antennarum dimensiones micronicas habent. Depositio vaporis chemici directe varias imagines grapheni in tenui strato niccoli synthetizat et eas ad quodlibet substratum transfert. Numero apto componentium selecto et tensione polarisationis electrostaticae mutata, directio radiationis efficaciter mutari potest, systema reconfigurabile reddens.
Figura 13 Antennae grapheni nanopatch terahertz ordinatae
Investigatio novarum materiarum est cursus relative novus. Innovatio materiarum exspectatur ut limites antennarum traditarum perrumpat et varietatem novarum antennarum evolvat, ut puta metamateria reconfigurabilia, materia bidimensionalia (2D), et cetera. Attamen, hoc genus antennae maxime pendet ab innovatione novarum materiarum et progressu technologiae processus. Quoquo modo, progressio antennarum terahertz requirit materias innovativas, technologiam processus accuratam et structuras designatas novas ut requisitis magnae amplificationis, pretii humilis et latae latitudinis transmissionis antennarum terahertz satisfaciat.
Sequentia principia fundamentalia trium generum antennarum terahertz, scilicet antennarum metallicarum, antennarum dielectricarum et antennarum novorum materialium, introducunt, atque differentias earum, commoda et incommoda analyzant.
1. Antenna metallica: Geometria simplex est, facile tractanda, sumptus relative humilis, et materiae substrati parvae requiruntur. Antennae autem metallicae modum mechanicum ad positionem antennae adaptandam utuntur, quod erroribus obnoxium est. Nisi adaptatio recta fit, efficacia antennae magnopere minuetur. Quamquam antenna metallica parva est, difficile est eam cum circuitu plano componere.
2. Antenna dielectrica: Antenna dielectrica impedantiam input humilem habet, facile cum detectore impedantiae humilis aptatur, et cum circuitu plano conectitur relative simplex. Formae geometricae antennarum dielectricarum includunt formam papilionis, formam U duplicis, formam logarithmicam conventionalem, et formam sinus periodicam logarithmicam. Attamen antennae dielectricae etiam vitium fatale habent, nempe effectum undae superficialis a substrato crasso causatum. Solutio est lentem onerare et substratum dielectricum structura EBG substituere. Ambae solutiones innovationem et continuam emendationem technologiae processus et materiarum requirunt, sed earum praestans efficacia (ut omnidirectionalitas et suppressio undae superficialis) novas ideas investigationi antennarum terahertz praebere potest.
3. Antennae novae materiae: In praesenti, novae antennae dipolares e nanotubis carbonis factae et novae structurae antennarum e metamateriis factae apparuerunt. Novae materiae novas innovationes in effectu afferre possunt, sed praemissa est innovatio scientiae materialium. In praesenti, investigatio de antennis novis materiis adhuc in stadio exploratorio est, et multae technologiae clavis nondum satis maturae sunt.
Summa summarum, varia genera antennarum terahertz secundum requisita designandi eligi possunt:
1) Si consilium simplex et sumptus productionis humilis requiruntur, antennae metallicae eligi possunt.
2) Si alta integratio et humilis impedantia ingressus requiruntur, antennae dielectricae eligi possunt.
3) Si progressus in efficacia requiritur, antennae ex novo materiale eligi possunt.
Designationes supradictae etiam secundum requisita specifica aptari possunt. Exempli gratia, duo genera antennarum coniungi possunt ut plura commoda consequantur, sed modus compositionis et technologia designationis requisitis severioribus satisfacere debent.
Ut plura de antennis discas, quaeso visita:
Tempus publicationis: II Augusti, MMXXIV
