ด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ไร้สาย บริการข้อมูลจึงได้ก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว หรือที่เรียกว่าการเติบโตอย่างก้าวกระโดดของบริการข้อมูล ปัจจุบัน แอปพลิเคชันจำนวนมากกำลังค่อยๆ ย้ายจากคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์ไร้สาย เช่น โทรศัพท์มือถือ ซึ่งใช้งานง่ายและใช้งานได้แบบเรียลไทม์ แต่สถานการณ์เช่นนี้ก็นำไปสู่ปริมาณการรับส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการขาดแคลนทรัพยากรแบนด์วิดท์ จากสถิติ อัตราข้อมูลในตลาดอาจสูงถึง Gbps หรือแม้กระทั่ง Tbps ในอีก 10 ถึง 15 ปีข้างหน้า ปัจจุบันการสื่อสาร THz มีอัตราข้อมูลถึง Gbps แล้ว ขณะที่อัตราข้อมูล Tbps ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา บทความที่เกี่ยวข้องได้แสดงความคืบหน้าล่าสุดเกี่ยวกับอัตราข้อมูล Gbps ที่อิงกับย่านความถี่ THz และคาดการณ์ว่า Tbps สามารถทำได้ผ่านการทำโพลาไรเซชันมัลติเพล็กซ์ ดังนั้น เพื่อเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือการพัฒนาย่านความถี่ใหม่ ซึ่งก็คือย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ ซึ่งอยู่ใน "พื้นที่ว่าง" ระหว่างไมโครเวฟและแสงอินฟราเรด ในการประชุมวิทยุสื่อสารโลก ITU (WRC-19) ในปี พ.ศ. 2562 ช่วงความถี่ 275-450 GHz ถูกนำมาใช้สำหรับบริการโทรศัพท์เคลื่อนที่ทั้งแบบประจำที่และแบบภาคพื้นดิน จะเห็นได้ว่าระบบสื่อสารไร้สายเทราเฮิร์ตซ์ได้ดึงดูดความสนใจจากนักวิจัยจำนวนมาก
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเทราเฮิรตซ์โดยทั่วไปถูกกำหนดให้เป็นย่านความถี่ 0.1-10 เทระเฮิรตซ์ (1 เทระเฮิรตซ์ = 1012 เฮิรตซ์) โดยมีความยาวคลื่น 0.03-3 มิลลิเมตร ตามมาตรฐาน IEEE คลื่นเทราเฮิรตซ์ถูกกำหนดให้เป็น 0.3-10 เทระเฮิรตซ์ รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าย่านความถี่เทราเฮิรตซ์อยู่ระหว่างคลื่นไมโครเวฟและคลื่นอินฟราเรด
รูปที่ 1 แผนผังของย่านความถี่ THz
การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
แม้ว่าการวิจัยเทราเฮิรตซ์จะเริ่มต้นขึ้นในศตวรรษที่ 19 แต่ในขณะนั้นยังไม่มีการศึกษาวิจัยในฐานะสาขาอิสระ การวิจัยเกี่ยวกับรังสีเทราเฮิรตซ์มุ่งเน้นไปที่ย่านความถี่อินฟราเรดไกลเป็นหลัก จนกระทั่งกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 นักวิจัยจึงเริ่มพัฒนางานวิจัยคลื่นมิลลิเมตรไปสู่ย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ และดำเนินการวิจัยเทคโนโลยีเทราเฮิรตซ์เฉพาะทาง
ในช่วงทศวรรษ 1980 การเกิดขึ้นของแหล่งกำเนิดรังสีเทราเฮิรตซ์ทำให้การประยุกต์ใช้คลื่นเทราเฮิรตซ์ในระบบที่ใช้งานได้จริงเป็นไปได้ นับตั้งแต่ศตวรรษที่ 21 เทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว ความต้องการข้อมูลของผู้คนและการเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์สื่อสารได้เพิ่มข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับอัตราการส่งข้อมูลการสื่อสาร ดังนั้น หนึ่งในความท้าทายของเทคโนโลยีการสื่อสารในอนาคตคือการทำงานที่อัตราข้อมูลสูงถึงกิกะบิตต่อวินาทีในที่เดียว ภายใต้การพัฒนาทางเศรษฐกิจในปัจจุบัน ทรัพยากรคลื่นความถี่มีน้อยลงเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม ความต้องการของมนุษย์ในด้านความจุและความเร็วในการสื่อสารนั้นไม่มีที่สิ้นสุด สำหรับปัญหาความแออัดของคลื่นความถี่ หลายบริษัทใช้เทคโนโลยี MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพคลื่นความถี่และความจุของระบบผ่านการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ ด้วยความก้าวหน้าของเครือข่าย 5G ความเร็วในการเชื่อมต่อข้อมูลของผู้ใช้แต่ละรายจะสูงกว่ากิกะบิตต่อวินาที และปริมาณการรับส่งข้อมูลของสถานีฐานก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน สำหรับระบบการสื่อสารด้วยคลื่นมิลลิเมตรแบบดั้งเดิม การเชื่อมต่อด้วยไมโครเวฟจะไม่สามารถรองรับสตรีมข้อมูลขนาดใหญ่เหล่านี้ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากอิทธิพลของเส้นสายตา ระยะการส่งสัญญาณของการสื่อสารด้วยอินฟราเรดจึงสั้น และตำแหน่งของอุปกรณ์สื่อสารก็ถูกกำหนดไว้ตายตัว ดังนั้น คลื่นเทระเฮิรตซ์ซึ่งอยู่ระหว่างไมโครเวฟและอินฟราเรด จึงสามารถนำมาใช้สร้างระบบสื่อสารความเร็วสูงและเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลโดยใช้การเชื่อมต่อเทระเฮิรตซ์
คลื่นเทราเฮิรตซ์สามารถให้แบนด์วิดท์การสื่อสารที่กว้างขึ้น และมีช่วงความถี่ประมาณ 1,000 เท่าของการสื่อสารเคลื่อนที่ ดังนั้น การใช้คลื่นเทราเฮิรตซ์เพื่อสร้างระบบสื่อสารไร้สายความเร็วสูงพิเศษจึงเป็นทางออกที่น่าสนใจสำหรับความท้าทายด้านอัตราข้อมูลสูง ซึ่งดึงดูดความสนใจจากทีมวิจัยและภาคอุตสาหกรรมมากมาย ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2560 มาตรฐานการสื่อสารไร้สายเทราเฮิรตซ์มาตรฐานแรก IEEE 802.15.3d-2017 ได้เปิดตัว ซึ่งกำหนดการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบจุดต่อจุดในช่วงความถี่เทราเฮิรตซ์ที่ต่ำกว่าที่ 252-325 GHz ชั้นฟิสิคัลทางเลือก (PHY) ของลิงก์สามารถให้อัตราข้อมูลสูงสุด 100 Gbps ที่แบนด์วิดท์ที่แตกต่างกัน
ระบบการสื่อสาร THz ที่ประสบความสำเร็จระบบแรกที่มีความถี่ 0.12 THz ก่อตั้งขึ้นในปี 2004 และระบบการสื่อสาร THz ที่มีความถี่ 0.3 THz ถูกสร้างขึ้นในปี 2013 ตารางที่ 1 แสดงรายการความคืบหน้าในการวิจัยระบบการสื่อสารเทราเฮิรตซ์ในญี่ปุ่นตั้งแต่ปี 2004 ถึงปี 2013
ตารางที่ 1 ความก้าวหน้าการวิจัยระบบสื่อสารเทราเฮิรตซ์ในญี่ปุ่นตั้งแต่ปี 2547 ถึง 2556
โครงสร้างเสาอากาศของระบบการสื่อสารที่พัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2547 ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดโดย Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ในปี พ.ศ. 2548 การกำหนดค่าเสาอากาศได้รับการแนะนำในสองกรณี ดังที่แสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 แผนผังระบบสื่อสารไร้สาย NTT 120 GHz ของญี่ปุ่น
ระบบนี้ผสานการแปลงไฟฟ้าและเสาอากาศเข้าด้วยกันและมีโหมดการทำงาน 2 โหมด:
1. ในสภาพแวดล้อมภายในอาคารระยะใกล้ เครื่องส่งสัญญาณเสาอากาศแบบระนาบที่ใช้ในอาคารประกอบด้วยชิปโฟโตไดโอดพาหะแบบเส้นเดียว (UTC-PD) เสาอากาศแบบช่องระนาบ และเลนส์ซิลิกอน ดังที่แสดงในรูปที่ 2(a)
2. ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งระยะไกล เพื่อปรับปรุงอิทธิพลของการสูญเสียสัญญาณสูงและความไวต่ำของตัวตรวจจับ เสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณต้องมีอัตราขยายสูง เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่มีอยู่ใช้เลนส์ออปติคัลแบบเกาส์เซียนที่มีอัตราขยายมากกว่า 50 dBi การรวมกันของฮอร์นฟีดและเลนส์ไดอิเล็กทริกแสดงในรูปที่ 2(b)
นอกจากการพัฒนาระบบสื่อสารความถี่ 0.12 เฮิรตซ์แล้ว NTT ยังได้พัฒนาระบบสื่อสารความถี่ 0.3 เฮิรตซ์ในปี พ.ศ. 2555 อีกด้วย ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง อัตราการส่งข้อมูลสามารถสูงถึง 100 กิกะบิตต่อวินาที ดังจะเห็นได้จากตารางที่ 1 ระบบนี้มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาระบบสื่อสารความถี่เทราเฮิรตซ์ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยในปัจจุบันมีข้อเสียคือความถี่ในการทำงานต่ำ ขนาดใหญ่ และต้นทุนสูง
เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันได้รับการดัดแปลงมาจากเสาอากาศคลื่นมิลลิเมตร และแทบไม่มีนวัตกรรมใหม่ๆ ในเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ ดังนั้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบสื่อสารเทราเฮิรตซ์ ภารกิจสำคัญคือการเพิ่มประสิทธิภาพเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ ตารางที่ 2 แสดงความคืบหน้าการวิจัยการสื่อสารเทราเฮิรตซ์ของเยอรมนี รูปที่ 3 (ก) แสดงตัวอย่างระบบสื่อสารไร้สายเทราเฮิรตซ์ที่ผสมผสานโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 3 (ข) แสดงภาพการทดสอบในอุโมงค์ลม จากสถานการณ์การวิจัยปัจจุบันในเยอรมนี การวิจัยและพัฒนายังมีข้อเสีย เช่น ความถี่ในการทำงานต่ำ ต้นทุนสูง และประสิทธิภาพต่ำ
ตารางที่ 2 ความก้าวหน้าการวิจัยการสื่อสาร THz ในประเทศเยอรมนี
รูปที่ 3 ฉากทดสอบอุโมงค์ลม
ศูนย์ ICT ของ CSIRO ยังได้ริเริ่มการวิจัยเกี่ยวกับระบบสื่อสารไร้สายภายในอาคาร THz โดยศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปีและความถี่ในการสื่อสาร ดังแสดงในรูปที่ 4 ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 4 ภายในปี พ.ศ. 2563 การวิจัยเกี่ยวกับการสื่อสารไร้สายมีแนวโน้มไปที่ย่านความถี่ THz โดยความถี่การสื่อสารสูงสุดที่ใช้คลื่นวิทยุจะเพิ่มขึ้นประมาณสิบเท่าทุกๆ ยี่สิบปี ศูนย์ฯ ได้ให้คำแนะนำเกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับเสาอากาศ THz และเสาอากาศแบบดั้งเดิมที่เสนอ เช่น ฮอร์นและเลนส์สำหรับระบบสื่อสาร THz ดังแสดงในรูปที่ 5 เสาอากาศฮอร์นสองเสาทำงานที่ความถี่ 0.84 THz และ 1.7 THz ตามลำดับ โดยมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพลำแสงแบบเกาส์เซียนที่ดี
รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างปีและความถี่
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
รูปที่ 5 เสาอากาศฮอร์นมี 2 ประเภท
สหรัฐอเมริกาได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการแผ่คลื่นและการตรวจจับคลื่นเทราเฮิรตซ์ ห้องปฏิบัติการวิจัยเทราเฮิรตซ์ที่มีชื่อเสียง ได้แก่ ห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนไอพ่น (JPL), ศูนย์เร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด (SLAC), ห้องปฏิบัติการแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (LLNL), องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA), มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) เป็นต้น เสาอากาศเทราเฮิรตซ์แบบใหม่สำหรับการใช้งานเทราเฮิรตซ์ได้รับการออกแบบ เช่น เสาอากาศโบว์ไท และเสาอากาศควบคุมลำแสงความถี่ จากการพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ เราสามารถสรุปแนวคิดการออกแบบพื้นฐานสำหรับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ได้สามแบบ ดังแสดงในรูปที่ 6
รูปที่ 6 แนวคิดการออกแบบพื้นฐานสามประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
จากการวิเคราะห์ข้างต้นแสดงให้เห็นว่าแม้หลายประเทศจะให้ความสำคัญกับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์เป็นอย่างมาก แต่เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการสำรวจและพัฒนา เนื่องจากการสูญเสียสัญญาณและการดูดซับโมเลกุลที่สูง เสาอากาศเทราเฮิรตซ์จึงมักถูกจำกัดด้วยระยะทางและการครอบคลุมของสัญญาณ การศึกษาบางชิ้นมุ่งเน้นไปที่ความถี่การทำงานที่ต่ำกว่าในย่านเทราเฮิรตซ์ งานวิจัยเกี่ยวกับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่มีอยู่ในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงอัตราขยายสัญญาณโดยใช้เสาอากาศเลนส์ไดอิเล็กทริก ฯลฯ และการปรับปรุงประสิทธิภาพการสื่อสารโดยใช้อัลกอริทึมที่เหมาะสม นอกจากนี้ การปรับปรุงประสิทธิภาพของบรรจุภัณฑ์เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ยังเป็นประเด็นเร่งด่วนอย่างยิ่ง
เสาอากาศ THz ทั่วไป
เสาอากาศ THz มีหลายประเภท ได้แก่ เสาอากาศไดโพลแบบมีโพรงรูปกรวย, อาร์เรย์ตัวสะท้อนแสงแบบมุม, เสาอากาศไดโพลแบบโบว์ไท, เสาอากาศระนาบเลนส์ไดอิเล็กทริก, เสาอากาศโฟโตคอนดักเตอร์สำหรับสร้างแหล่งกำเนิดรังสี THz, เสาอากาศฮอร์น, เสาอากาศ THz ที่ทำจากวัสดุกราฟีน เป็นต้น เสาอากาศ THz สามารถแบ่งตามวัสดุที่ใช้ผลิตได้คร่าวๆ เป็นเสาอากาศโลหะ (ส่วนใหญ่เป็นเสาอากาศฮอร์น), เสาอากาศไดอิเล็กทริก (เสาอากาศเลนส์) และเสาอากาศวัสดุใหม่ ในส่วนนี้จะวิเคราะห์เบื้องต้นเกี่ยวกับเสาอากาศเหล่านี้ก่อน จากนั้นในส่วนถัดไปจะอธิบายรายละเอียดและวิเคราะห์เสาอากาศ THz ทั่วไป 5 แบบอย่างละเอียด
1. เสาอากาศโลหะ
เสาอากาศแบบฮอร์นเป็นเสาอากาศโลหะทั่วไปที่ออกแบบมาเพื่อทำงานในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ เสาอากาศของเครื่องรับคลื่นมิลลิเมตรแบบคลาสสิกมีลักษณะเป็นฮอร์นทรงกรวย เสาอากาศแบบลูกฟูกและแบบดูอัลโหมดมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ รูปแบบการแผ่รังสีแบบสมมาตรเชิงหมุน อัตราขยายสูง 20 ถึง 30 dBi และระดับโพลาไรเซชันแบบไขว้ต่ำ -30 dB และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ 97% ถึง 98% แบนด์วิดท์ที่ใช้ได้ของเสาอากาศแบบฮอร์นทั้งสองแบบอยู่ที่ 30%-40% และ 6%-8% ตามลำดับ
เนื่องจากความถี่ของคลื่นเทราเฮิรตซ์สูงมาก ขนาดของเสาอากาศฮอร์นจึงเล็กมาก ทำให้การประมวลผลฮอร์นเป็นเรื่องยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศ ความซับซ้อนของเทคโนโลยีการประมวลผลทำให้ต้นทุนสูงและมีการผลิตที่จำกัด เนื่องจากความยากลำบากในการผลิตส่วนล่างของการออกแบบฮอร์นที่ซับซ้อน จึงมักใช้เสาอากาศฮอร์นแบบเรียบง่ายในรูปแบบฮอร์นทรงกรวยหรือทรงกรวย ซึ่งช่วยลดต้นทุนและความซับซ้อนของกระบวนการ อีกทั้งยังสามารถรักษาประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้ดี
เสาอากาศโลหะอีกประเภทหนึ่งคือเสาอากาศพีระมิดคลื่นเคลื่อนที่ ซึ่งประกอบด้วยเสาอากาศคลื่นเคลื่อนที่ที่ฝังอยู่บนฟิล์มไดอิเล็กทริกขนาด 1.2 ไมครอน และแขวนอยู่ในโพรงตามยาวที่กัดกร่อนบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ดังแสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศนี้มีโครงสร้างแบบเปิดที่เข้ากันได้กับไดโอดชอตต์กี เนื่องจากโครงสร้างที่ค่อนข้างเรียบง่ายและมีข้อกำหนดในการผลิตต่ำ จึงสามารถใช้งานในย่านความถี่ที่สูงกว่า 0.6 เฮิรตซ์ได้โดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม ระดับไซโลบและระดับโพลาไรเซชันไขว้ของเสาอากาศนั้นสูง ซึ่งอาจเป็นเพราะโครงสร้างแบบเปิด ดังนั้น ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อจึงค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 50%)
รูปที่ 7 เสาอากาศพีระมิดคลื่นเคลื่อนที่
2. เสาอากาศไดอิเล็กทริก
เสาอากาศไดอิเล็กทริกประกอบด้วยแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกและตัวกระจายสัญญาณเสาอากาศ ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม เสาอากาศไดอิเล็กทริกสามารถจับคู่อิมพีแดนซ์กับตัวตรวจจับได้ และมีข้อดีคือกระบวนการทำงานที่เรียบง่าย การผสานรวมที่ง่ายดาย และต้นทุนต่ำ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ออกแบบเสาอากาศแบบ side-fire แบนด์แคบและแบนด์กว้างหลายแบบที่สามารถจับคู่กับตัวตรวจจับอิมพีแดนซ์ต่ำของเสาอากาศไดอิเล็กทริกเทราเฮิรตซ์ได้ ได้แก่ เสาอากาศแบบปีกผีเสื้อ เสาอากาศรูปตัวยูคู่ เสาอากาศแบบล็อกคาบ และเสาอากาศแบบไซน์แบบล็อกคาบ ดังแสดงในรูปที่ 8 นอกจากนี้ ยังสามารถออกแบบรูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้โดยใช้อัลกอริทึมเชิงพันธุกรรม
รูปที่ 8 เสาอากาศแบบระนาบ 4 ประเภท
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเสาอากาศไดอิเล็กทริกถูกรวมเข้ากับแผ่นรองรับไดอิเล็กทริก จึงเกิดปรากฏการณ์คลื่นผิวเมื่อความถี่หันไปทางย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ ข้อเสียร้ายแรงนี้จะทำให้เสาอากาศสูญเสียพลังงานจำนวนมากระหว่างการทำงาน และส่งผลให้ประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศลดลงอย่างมาก ดังแสดงในรูปที่ 9 เมื่อมุมการแผ่รังสีของเสาอากาศมากกว่ามุมตัด พลังงานของเสาอากาศจะถูกจำกัดไว้ในแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกและเชื่อมต่อกับโหมดแผ่นรองรับ
รูปที่ 9 เอฟเฟกต์คลื่นพื้นผิวเสาอากาศ
เมื่อความหนาของแผ่นรองรับเพิ่มขึ้น จำนวนโหมดลำดับสูงก็จะเพิ่มขึ้น และการเชื่อมต่อระหว่างเสาอากาศและแผ่นรองรับก็จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้สูญเสียพลังงาน เพื่อลดผลกระทบของคลื่นพื้นผิว จึงมีวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพสามวิธี ดังนี้
1) โหลดเลนส์บนเสาอากาศเพื่อเพิ่มค่าเกนโดยใช้คุณลักษณะการสร้างลำแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2) ลดความหนาของพื้นผิวเพื่อระงับการเกิดโหมดลำดับสูงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
3) เปลี่ยนวัสดุไดอิเล็กทริกของพื้นผิวด้วยแถบแก๊ปแม่เหล็กไฟฟ้า (EBG) คุณสมบัติการกรองเชิงพื้นที่ของ EBG สามารถยับยั้งโหมดลำดับสูงได้
3. เสาอากาศวัสดุใหม่
นอกจากเสาอากาศสองแบบข้างต้นแล้ว ยังมีเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่ทำจากวัสดุใหม่ด้วย ตัวอย่างเช่น ในปี 2549 จิน ห่าว และคณะ ได้เสนอเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ ดังแสดงในรูปที่ 10 (a) ไดโพลนี้ทำจากคาร์บอนนาโนทิวบ์แทนวัสดุโลหะ เขาศึกษาคุณสมบัติอินฟราเรดและแสงของเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์อย่างละเอียด และอภิปรายลักษณะทั่วไปของเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่มีความยาวจำกัด เช่น อิมพีแดนซ์อินพุต การกระจายกระแส อัตราขยาย ประสิทธิภาพ และรูปแบบการแผ่รังสี รูปที่ 10 (b) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์อินพุตและความถี่ของเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ ดังที่แสดงในรูปที่ 10 (b) ส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์อินพุตมีค่าศูนย์หลายตัวที่ความถี่สูง ซึ่งบ่งชี้ว่าเสาอากาศสามารถทำให้เกิดการสั่นพ้องได้หลายครั้งที่ความถี่ต่างกัน เห็นได้ชัดว่าเสาอากาศคาร์บอนนาโนทิวบ์แสดงการสั่นพ้องภายในช่วงความถี่หนึ่ง (ความถี่ THz ต่ำกว่า) แต่ไม่สามารถเกิดการสั่นพ้องนอกช่วงนี้ได้เลย
รูปที่ 10 (ก) เสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ (ข) กราฟแสดงค่าอิมพีแดนซ์อินพุต-ความถี่
ในปี พ.ศ. 2555 ซามีร์ เอฟ. มาห์มูด และอายิด อาร์. อัลอัจมี ได้เสนอโครงสร้างเสาอากาศเทราเฮิรตซ์แบบใหม่โดยใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์ ซึ่งประกอบด้วยมัดคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่หุ้มด้วยชั้นไดอิเล็กทริกสองชั้น ชั้นไดอิเล็กทริกด้านในเป็นชั้นโฟมไดอิเล็กทริก และชั้นไดอิเล็กทริกด้านนอกเป็นชั้นเมตาแมทีเรียล โครงสร้างเฉพาะแสดงไว้ในรูปที่ 11 จากการทดสอบพบว่าประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับคาร์บอนนาโนทิวบ์แบบผนังเดี่ยว
รูปที่ 11 เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ใหม่ที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์
เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ชนิดใหม่ที่เสนอข้างต้นส่วนใหญ่เป็นแบบสามมิติ เพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของเสาอากาศและสร้างเสาอากาศแบบคอนฟอร์มัล เสาอากาศกราฟีนแบบระนาบจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง กราฟีนมีคุณสมบัติการควบคุมแบบไดนามิกอย่างต่อเนื่องที่ยอดเยี่ยม และสามารถสร้างพลาสมาบนพื้นผิวได้โดยการปรับแรงดันไบอัส พลาสมาบนพื้นผิวมีอยู่บนส่วนต่อประสานระหว่างซับสเตรตค่าคงที่ไดอิเล็กทริกบวก (เช่น Si, SiO2 เป็นต้น) และซับสเตรตค่าคงที่ไดอิเล็กทริกลบ (เช่น โลหะมีค่า กราฟีน เป็นต้น) มี "อิเล็กตรอนอิสระ" จำนวนมากในตัวนำ เช่น โลหะมีค่าและกราฟีน อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าพลาสมา เนื่องจากสนามศักย์ภายในตัวนำ พลาสมาเหล่านี้จึงอยู่ในสถานะเสถียรและไม่ถูกรบกวนจากโลกภายนอก เมื่อพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบถูกเชื่อมต่อกับพลาสมาเหล่านี้ พลาสมาจะเบี่ยงเบนจากสถานะคงที่และสั่นสะเทือน หลังจากการแปลง โหมดแม่เหล็กไฟฟ้าจะสร้างคลื่นแม่เหล็กตามขวางที่ส่วนต่อประสาน ตามคำอธิบายความสัมพันธ์การกระจายตัวของพลาสมาพื้นผิวโลหะโดยแบบจำลองดรูด โลหะไม่สามารถจับคู่กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศว่างและแปลงพลังงานได้ตามธรรมชาติ จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุอื่นเพื่อกระตุ้นคลื่นพลาสมาพื้นผิว คลื่นพลาสมาพื้นผิวสลายตัวอย่างรวดเร็วในทิศทางขนานของส่วนต่อประสานระหว่างโลหะและสารตั้งต้น เมื่อตัวนำโลหะนำไฟฟ้าในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิว จะเกิดปรากฏการณ์สกินเอฟเฟ็กต์ เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากเสาอากาศมีขนาดเล็ก จึงเกิดปรากฏการณ์สกินเอฟเฟ็กต์ในย่านความถี่สูง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเสาอากาศลดลงอย่างรวดเร็วและไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ได้ พลาสมอนพื้นผิวของกราฟีนไม่เพียงแต่มีแรงยึดเกาะที่สูงขึ้นและการสูญเสียพลังงานที่ต่ำลงเท่านั้น แต่ยังรองรับการปรับจูนไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องอีกด้วย นอกจากนี้ กราฟีนยังมีค่าการนำไฟฟ้าที่ซับซ้อนในย่านเทราเฮิรตซ์ ดังนั้น การแพร่กระจายคลื่นช้าจึงสัมพันธ์กับโหมดพลาสมาที่ความถี่เทราเฮิรตซ์ ลักษณะเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของกราฟีนในการแทนที่วัสดุโลหะในย่านเทราเฮิรตซ์
จากพฤติกรรมโพลาไรเซชันของพลาสมอนพื้นผิวกราฟีน รูปที่ 12 แสดงเสาอากาศแบบแถบชนิดใหม่ และเสนอรูปร่างของแถบลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นพลาสมาในกราฟีน การออกแบบแถบเสาอากาศแบบปรับได้นี้เป็นวิธีใหม่ในการศึกษาลักษณะการแพร่กระจายของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ชนิดใหม่
รูปที่ 12 เสาอากาศแบบแถบใหม่
นอกจากการสำรวจส่วนประกอบเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ชนิดใหม่แล้ว เสาอากาศเทราเฮิรตซ์นาโนแพทช์กราฟีนยังสามารถออกแบบเป็นอาร์เรย์เพื่อสร้างระบบสื่อสารเสาอากาศเทราเฮิรตซ์แบบหลายอินพุตและหลายเอาต์พุตได้อีกด้วย โครงสร้างเสาอากาศแสดงในรูปที่ 13 จากคุณสมบัติเฉพาะของเสาอากาศนาโนแพทช์กราฟีน ส่วนประกอบเสาอากาศเหล่านี้มีขนาดระดับไมครอน การสะสมไอเคมีจะสังเคราะห์ภาพกราฟีนต่างๆ บนชั้นนิกเกิลบางๆ โดยตรง และถ่ายโอนไปยังพื้นผิวใดๆ ก็ได้ ด้วยการเลือกจำนวนส่วนประกอบที่เหมาะสมและการเปลี่ยนแปลงแรงดันไบอัสไฟฟ้าสถิต ทิศทางการแผ่รังสีจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระบบสามารถกำหนดค่าใหม่ได้
รูปที่ 13 เสาอากาศอาร์เรย์เทราเฮิรตซ์นาโนแพทช์กราฟีน
การวิจัยวัสดุใหม่ถือเป็นทิศทางที่ค่อนข้างใหม่ คาดว่านวัตกรรมวัสดุจะก้าวข้ามข้อจำกัดของเสาอากาศแบบดั้งเดิมและพัฒนาเสาอากาศใหม่ๆ ที่หลากหลาย เช่น เมตาแมทีเรียลที่ปรับเปลี่ยนรูปแบบได้ วัสดุสองมิติ (2D) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เสาอากาศประเภทนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับนวัตกรรมวัสดุใหม่และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีกระบวนการผลิต ไม่ว่าในกรณีใด การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิรตซ์จำเป็นต้องอาศัยวัสดุที่เป็นนวัตกรรม เทคโนโลยีการประมวลผลที่แม่นยำ และโครงสร้างการออกแบบที่แปลกใหม่ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านอัตราขยายสูง ต้นทุนต่ำ และแบนด์วิดท์กว้างของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
ต่อไปนี้เป็นการแนะนำหลักการพื้นฐานของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์สามประเภท ได้แก่ เสาอากาศโลหะ เสาอากาศไดอิเล็กทริก และเสาอากาศวัสดุใหม่ พร้อมทั้งวิเคราะห์ความแตกต่าง ข้อดี และข้อเสียของเสาอากาศเหล่านี้
1. เสาอากาศโลหะ: รูปทรงเรียบง่าย ง่ายต่อการแปรรูป ต้นทุนค่อนข้างต่ำ และใช้วัสดุรองรับน้อย อย่างไรก็ตาม เสาอากาศโลหะใช้กลไกในการปรับตำแหน่งเสาอากาศ ซึ่งมักเกิดข้อผิดพลาด หากปรับไม่ถูกต้อง ประสิทธิภาพของเสาอากาศจะลดลงอย่างมาก แม้ว่าเสาอากาศโลหะจะมีขนาดเล็ก แต่ก็ประกอบด้วยวงจรระนาบได้ยาก
2. เสาอากาศไดอิเล็กทริก: เสาอากาศไดอิเล็กทริกมีค่าอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ จับคู่กับเครื่องตรวจจับอิมพีแดนซ์ต่ำได้ง่าย และเชื่อมต่อกับวงจรระนาบได้ค่อนข้างง่าย รูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศไดอิเล็กทริกประกอบด้วยรูปทรงผีเสื้อ รูปตัวยูคู่ รูปทรงลอการิทึมทั่วไป และรูปทรงไซน์คาบลอการิทึม อย่างไรก็ตาม เสาอากาศไดอิเล็กทริกยังมีข้อบกพร่องร้ายแรง นั่นคือ ผลกระทบจากคลื่นพื้นผิวที่เกิดจากแผ่นรองรับที่มีความหนา วิธีแก้ปัญหาคือการใส่เลนส์และแทนที่แผ่นรองรับไดอิเล็กทริกด้วยโครงสร้าง EBG ทั้งสองวิธีนี้ต้องการนวัตกรรมและการพัฒนาเทคโนโลยีกระบวนการและวัสดุอย่างต่อเนื่อง แต่ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม (เช่น การทำงานแบบรอบทิศทางและการระงับคลื่นพื้นผิว) สามารถนำเสนอแนวคิดใหม่ๆ สำหรับการวิจัยเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
3. เสาอากาศวัสดุใหม่: ปัจจุบันมีเสาอากาศไดโพลแบบใหม่ที่ทำจากคาร์บอนนาโนทิวบ์และโครงสร้างเสาอากาศแบบใหม่ที่ทำจากเมตาแมทีเรียลปรากฏขึ้น วัสดุใหม่สามารถนำมาซึ่งความก้าวหน้าทางประสิทธิภาพใหม่ๆ แต่หลักการสำคัญคือนวัตกรรมทางวัสดุศาสตร์ ปัจจุบันการวิจัยเสาอากาศวัสดุใหม่ยังคงอยู่ในขั้นเริ่มต้น และเทคโนโลยีสำคัญหลายอย่างยังไม่สมบูรณ์เพียงพอ
โดยสรุปแล้ว สามารถเลือกเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ประเภทต่างๆ ได้ตามความต้องการในการออกแบบ:
1) หากต้องการการออกแบบที่เรียบง่ายและต้นทุนการผลิตต่ำ สามารถเลือกเสาอากาศแบบโลหะได้
2) หากต้องการการรวมสูงและความต้านทานอินพุตต่ำ สามารถเลือกเสาอากาศไดอิเล็กทริกได้
3) หากต้องการความก้าวหน้าในด้านประสิทธิภาพ สามารถเลือกเสาอากาศวัสดุใหม่ได้
การออกแบบข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการเฉพาะ ตัวอย่างเช่น เสาอากาศสองประเภทสามารถนำมารวมกันเพื่อให้ได้ประโยชน์มากขึ้น แต่วิธีการประกอบและเทคโนโลยีการออกแบบจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้น
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 02-08-2024
