ด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ไร้สาย บริการข้อมูลได้เข้าสู่ยุคใหม่ของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว หรือที่เรียกว่าการเติบโตอย่างรวดเร็วของบริการข้อมูล ปัจจุบันแอปพลิเคชั่นจำนวนมากกำลังค่อยๆ ย้ายจากคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์ไร้สาย เช่น โทรศัพท์มือถือ ซึ่งง่ายต่อการพกพาและใช้งานแบบเรียลไทม์ แต่สถานการณ์นี้ยังส่งผลให้การรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการขาดแคลนทรัพยากรแบนด์วิธ . ตามสถิติ อัตราข้อมูลในตลาดอาจถึง Gbps หรือแม้แต่ Tbps ในอีก 10 ถึง 15 ปีข้างหน้า ปัจจุบัน การสื่อสาร THz มีอัตราข้อมูลถึง Gbps แล้ว ในขณะที่อัตราข้อมูล Tbps ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา เอกสารที่เกี่ยวข้องแสดงรายการความคืบหน้าล่าสุดในอัตราข้อมูล Gbps โดยอิงตามแถบ THz และคาดการณ์ว่าสามารถรับ Tbps ได้จากโพลาไรเซชันมัลติเพล็กซ์ ดังนั้น ในการเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล แนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้คือการพัฒนาย่านความถี่ใหม่ ซึ่งก็คือย่านเทราเฮิร์ตซ์ ซึ่งอยู่ใน "พื้นที่ว่าง" ระหว่างไมโครเวฟและแสงอินฟราเรด ในการประชุม ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) ในปี 2019 ช่วงความถี่ 275-450GHz ได้ถูกนำมาใช้สำหรับบริการโทรศัพท์พื้นฐานและโทรศัพท์เคลื่อนที่ภาคพื้นดิน จะเห็นได้ว่าระบบสื่อสารไร้สายแบบเทราเฮิร์ตซ์ดึงดูดความสนใจของนักวิจัยจำนวนมาก
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเทราเฮิร์ตซ์โดยทั่วไปถูกกำหนดให้เป็นย่านความถี่ 0.1-10THz (1THz=1012Hz) ที่มีความยาวคลื่น 0.03-3 มม. ตามมาตรฐาน IEEE คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ถูกกำหนดเป็น 0.3-10THz รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์อยู่ระหว่างไมโครเวฟกับแสงอินฟราเรด
รูปที่ 1 แผนผังของย่านความถี่ THz
การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
แม้ว่าการวิจัยเทราเฮิร์ตซ์จะเริ่มขึ้นในศตวรรษที่ 19 แต่ในขณะนั้นยังไม่มีการศึกษาเป็นสาขาอิสระ การวิจัยเกี่ยวกับรังสีเทราเฮิร์ตซ์มุ่งเน้นไปที่แถบอินฟราเรดไกลเป็นหลัก จนกระทั่งช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 นักวิจัยเริ่มพัฒนาการวิจัยคลื่นมิลลิเมตรไปยังแถบเทราเฮิร์ตซ์ และดำเนินการวิจัยเทคโนโลยีเทราเฮิร์ตซ์แบบพิเศษ
ในคริสต์ทศวรรษ 1980 การเกิดขึ้นของแหล่งกำเนิดรังสีเทราเฮิร์ตซ์ทำให้การประยุกต์ใช้คลื่นเทระเฮิร์ตซ์ในระบบในทางปฏิบัติเป็นไปได้ ตั้งแต่ศตวรรษที่ 21 เทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และความต้องการของผู้คนสำหรับข้อมูลและการเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์สื่อสารได้ก่อให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับอัตราการส่งข้อมูลการสื่อสาร ดังนั้นหนึ่งในความท้าทายของเทคโนโลยีการสื่อสารในอนาคตคือการทำงานที่อัตราข้อมูลสูงระดับกิกะบิตต่อวินาทีในที่เดียว ภายใต้การพัฒนาเศรษฐกิจในปัจจุบัน ทรัพยากรคลื่นความถี่เริ่มขาดแคลนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ความต้องการของมนุษย์ในด้านความสามารถและความเร็วในการสื่อสารนั้นมีไม่สิ้นสุด สำหรับปัญหาความแออัดของสเปกตรัม บริษัทหลายแห่งใช้เทคโนโลยีหลายอินพุตหลายเอาต์พุต (MIMO) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของสเปกตรัมและความจุของระบบผ่านมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ ด้วยความก้าวหน้าของเครือข่าย 5G ความเร็วการเชื่อมต่อข้อมูลของผู้ใช้แต่ละรายจะเกิน Gbps และการรับส่งข้อมูลของสถานีฐานก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน สำหรับระบบสื่อสารด้วยคลื่นมิลลิเมตรแบบดั้งเดิม ลิงก์ไมโครเวฟจะไม่สามารถจัดการกับกระแสข้อมูลขนาดใหญ่เหล่านี้ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากอิทธิพลของแนวสายตา ระยะการส่งข้อมูลของการสื่อสารอินฟราเรดจึงสั้นและตำแหน่งของอุปกรณ์สื่อสารได้รับการแก้ไข ดังนั้นคลื่น THz ซึ่งอยู่ระหว่างไมโครเวฟและอินฟราเรดจึงสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างระบบการสื่อสารความเร็วสูงและเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลโดยใช้ลิงก์ THz
คลื่นเทระเฮิรตซ์สามารถให้แบนด์วิธการสื่อสารที่กว้างขึ้น และช่วงความถี่ของคลื่นนั้นมากกว่าการสื่อสารเคลื่อนที่ประมาณ 1,000 เท่า ดังนั้น การใช้ THz เพื่อสร้างระบบการสื่อสารไร้สายความเร็วสูงพิเศษจึงเป็นโซลูชันที่น่าหวังสำหรับความท้าทายเรื่องอัตราข้อมูลที่สูง ซึ่งดึงดูดความสนใจของทีมวิจัยและอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2560 มาตรฐานการสื่อสารไร้สาย THz ฉบับแรก IEEE 802.15.3d-2017 ได้รับการเผยแพร่ ซึ่งกำหนดการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบจุดต่อจุดในช่วงความถี่ THz ที่ต่ำกว่า 252-325 GHz ฟิสิคัลเลเยอร์ (PHY) ทางเลือกของลิงก์สามารถรับอัตราข้อมูลสูงถึง 100 Gbps ที่แบนด์วิดท์ที่แตกต่างกัน
ระบบการสื่อสาร THz ที่ 0.12 THz ที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกนั้นก่อตั้งขึ้นในปี 2004 และระบบการสื่อสาร THz ที่ 0.3 THz ก็เกิดขึ้นจริงในปี 2013 ตารางที่ 1 แสดงรายการความคืบหน้าการวิจัยของระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ในญี่ปุ่นตั้งแต่ปี 2004 ถึง 2013
ตารางที่ 1 ความคืบหน้าการวิจัยระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ในประเทศญี่ปุ่นระหว่างปี พ.ศ. 2547 ถึง พ.ศ. 2556
โครงสร้างเสาอากาศของระบบสื่อสารที่พัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2547 ได้รับการอธิบายโดยละเอียดโดย Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ในปี พ.ศ. 2548 การกำหนดค่าเสาอากาศถูกนำมาใช้ในสองกรณี ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 แผนผังของระบบสื่อสารไร้สาย NTT 120 GHz ของญี่ปุ่น
ระบบรวมการแปลงโฟโตอิเล็กทริคและเสาอากาศเข้าด้วยกัน และใช้โหมดการทำงานสองโหมด:
1. ในสภาพแวดล้อมภายในอาคารระยะใกล้ เครื่องส่งสัญญาณเสาอากาศระนาบที่ใช้ในอาคารประกอบด้วยชิปโฟโตไดโอดพาหะแบบบรรทัดเดียว (UTC-PD) เสาอากาศสล็อตระนาบ และเลนส์ซิลิคอน ดังแสดงในรูปที่ 2 (a)
2. ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งระยะไกล เพื่อปรับปรุงอิทธิพลของการสูญเสียการส่งสัญญาณขนาดใหญ่และความไวต่ำของเครื่องตรวจจับ เสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณจะต้องมีอัตราขยายสูง เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่มีอยู่ใช้เลนส์ออพติคัลแบบเกาส์เซียนซึ่งมีอัตราขยายมากกว่า 50 dBi การรวมกันของแตรฟีดและเลนส์อิเล็กทริกจะแสดงในรูปที่ 2 (b)
นอกเหนือจากการพัฒนาระบบการสื่อสาร 0.12 THz แล้ว NTT ยังได้พัฒนาระบบการสื่อสาร 0.3THz ในปี 2555 ด้วยการปรับให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง อัตราการส่งข้อมูลอาจสูงถึง 100Gbps ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 1 มันมีส่วนช่วยอย่างมากต่อการพัฒนาการสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ อย่างไรก็ตามงานวิจัยในปัจจุบันมีข้อเสียคือความถี่ในการทำงานต่ำ ขนาดใหญ่ และต้นทุนสูง
เสาอากาศเทระเฮิร์ตซ์ส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้รับการดัดแปลงจากเสาอากาศแบบคลื่นมิลลิเมตร และมีนวัตกรรมเพียงเล็กน้อยในเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ ดังนั้น เพื่อที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ งานสำคัญคือการเพิ่มประสิทธิภาพเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ ตารางที่ 2 แสดงความคืบหน้าการวิจัยการสื่อสาร THz ของเยอรมัน รูปที่ 3 (a) แสดงระบบสื่อสารไร้สาย THz ที่เป็นตัวแทนซึ่งรวมโฟโตนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 3 (b) แสดงฉากทดสอบอุโมงค์ลม เมื่อพิจารณาจากสถานการณ์การวิจัยในปัจจุบันในเยอรมนี การวิจัยและพัฒนายังมีข้อเสีย เช่น ความถี่ในการทำงานต่ำ ต้นทุนสูง และประสิทธิภาพต่ำ
ตารางที่ 2 ความคืบหน้าการวิจัยการสื่อสาร THz ในประเทศเยอรมนี
รูปที่ 3 ฉากทดสอบอุโมงค์ลม
CSIRO ICT Center ยังได้ริเริ่มการวิจัยเกี่ยวกับระบบสื่อสารไร้สายภายในอาคาร THz ศูนย์ฯ ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปีกับความถี่ในการสื่อสาร ดังแสดงในรูปที่ 4 ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 4 ภายในปี 2563 การวิจัยเกี่ยวกับการสื่อสารไร้สายมีแนวโน้มที่จะใช้ย่านความถี่ THz ความถี่การสื่อสารสูงสุดโดยใช้คลื่นความถี่วิทยุจะเพิ่มขึ้นประมาณสิบครั้งทุกๆ ยี่สิบปี ศูนย์ได้ให้คำแนะนำเกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับเสาอากาศ THz และเสาอากาศแบบดั้งเดิมที่เสนอ เช่น แตรและเลนส์สำหรับระบบสื่อสาร THz ดังแสดงในรูปที่ 5 เสาอากาศแตรสองตัวทำงานที่ 0.84THz และ 1.7THz ตามลำดับ โดยมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและประสิทธิภาพของลำแสงแบบเกาส์เซียนที่ดี
รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างปีกับความถี่
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
รูปที่ 5 เสาอากาศแตรสองประเภท
สหรัฐอเมริกาได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการแผ่รังสีและการตรวจจับคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ ห้องปฏิบัติการวิจัยเทราเฮิร์ตซ์ที่มีชื่อเสียง ได้แก่ Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (LLNL), องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA), มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) เป็นต้น เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ใหม่สำหรับการใช้งานเทราเฮิร์ตซ์ได้รับการออกแบบ เช่น เสาอากาศแบบหูกระต่าย และเสาอากาศบังคับเลี้ยวแบบลำแสงความถี่ จากการพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ เราสามารถรับแนวคิดการออกแบบพื้นฐานสามประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ในปัจจุบัน ดังแสดงในรูปที่ 6
รูปที่ 6 แนวคิดการออกแบบพื้นฐานสามประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
การวิเคราะห์ข้างต้นแสดงให้เห็นว่าแม้ว่าหลายประเทศจะให้ความสนใจอย่างมากกับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ แต่ก็ยังอยู่ในขั้นตอนการสำรวจและพัฒนาเบื้องต้น เนื่องจากการสูญเสียการแพร่กระจายและการดูดซับโมเลกุลสูง เสาอากาศ THz มักถูกจำกัดด้วยระยะการส่งสัญญาณและความครอบคลุม การศึกษาบางชิ้นมุ่งเน้นไปที่ความถี่การทำงานที่ต่ำกว่าในย่านความถี่ THz การวิจัยเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงอัตราขยายโดยใช้เสาอากาศเลนส์ไดอิเล็กทริก ฯลฯ และปรับปรุงประสิทธิภาพการสื่อสารโดยใช้อัลกอริธึมที่เหมาะสม นอกจากนี้การปรับปรุงประสิทธิภาพของบรรจุภัณฑ์เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ก็เป็นปัญหาเร่งด่วนเช่นกัน
เสาอากาศ THz ทั่วไป
เสาอากาศ THz มีหลายประเภท: เสาอากาศไดโพลที่มีโพรงทรงกรวย, อาร์เรย์ตัวสะท้อนแสงมุม, ไดโพลแบบโบว์, เสาอากาศระนาบเลนส์ไดอิเล็กทริก, เสาอากาศโฟโตคอนดักทีฟสำหรับสร้างแหล่งกำเนิดรังสีจากแหล่ง THz, เสาอากาศแตร, เสาอากาศ THz ที่ใช้วัสดุกราฟีน ฯลฯ ตามข้อมูลของ วัสดุที่ใช้ทำเสาอากาศ THz สามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็น เสาอากาศโลหะ (ส่วนใหญ่เป็นเสาอากาศแบบแตร) เสาอากาศไดอิเล็กทริก (เสาอากาศแบบเลนส์) และเสาอากาศวัสดุใหม่ ส่วนนี้ให้การวิเคราะห์เบื้องต้นของเสาอากาศเหล่านี้ และจากนั้นในส่วนถัดไป จะมีการแนะนำเสาอากาศ THz ทั่วไปห้าแบบโดยละเอียดและวิเคราะห์ในเชิงลึก
1. เสาอากาศโลหะ
เสาอากาศแบบแตรเป็นเสาอากาศโลหะทั่วไปที่ออกแบบมาเพื่อทำงานในย่านความถี่ THz เสาอากาศของตัวรับคลื่นมิลลิเมตรแบบคลาสสิกนั้นมีแตรทรงกรวย เสาอากาศลูกฟูกและเสาอากาศแบบสองโหมดมีข้อดีหลายประการ รวมถึงรูปแบบการแผ่รังสีแบบสมมาตรในการหมุน อัตราขยายสูง 20 ถึง 30 dBi และระดับโพลาไรเซชันข้ามต่ำ -30 dB และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ 97% ถึง 98% แบนด์วิธที่ใช้ได้ของเสาอากาศแตรสองตัวคือ 30%-40% และ 6%-8% ตามลำดับ
เนื่องจากความถี่ของคลื่นเทระเฮิรตซ์สูงมาก ขนาดของเสาอากาศแตรจึงมีขนาดเล็กมาก ซึ่งทำให้การประมวลผลแตรเป็นเรื่องยากมาก โดยเฉพาะในการออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศ และความซับซ้อนของเทคโนโลยีการประมวลผลทำให้เกิดต้นทุนที่มากเกินไปและ การผลิตที่จำกัด เนื่องจากความยากลำบากในการผลิตด้านล่างของการออกแบบแตรที่ซับซ้อน จึงมักจะใช้เสาอากาศแตรแบบธรรมดาในรูปแบบของแตรทรงกรวยหรือทรงกรวย ซึ่งสามารถลดต้นทุนและความซับซ้อนของกระบวนการ และสามารถรักษาประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้ ดี.
เสาอากาศโลหะอีกแบบหนึ่งคือเสาอากาศแบบพีระมิดคลื่นเคลื่อนที่ซึ่งประกอบด้วยเสาอากาศแบบเคลื่อนที่บนฟิล์มไดอิเล็กทริกขนาด 1.2 ไมครอน และแขวนอยู่ในช่องตามยาวที่สลักไว้บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ดังแสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศนี้เป็นโครงสร้างแบบเปิดที่ เข้ากันได้กับไดโอด Schottky เนื่องจากโครงสร้างค่อนข้างเรียบง่ายและมีข้อกำหนดในการผลิตต่ำ โดยทั่วไปจึงสามารถใช้ในย่านความถี่ที่สูงกว่า 0.6 THz ได้ อย่างไรก็ตาม ระดับไซด์โลบและระดับโพลาไรเซชันขวางของเสาอากาศอยู่ในระดับสูง อาจเนื่องมาจากโครงสร้างแบบเปิด ดังนั้นประสิทธิภาพการเชื่อมต่อจึงค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 50%)
รูปที่ 7 เสาอากาศเสี้ยมคลื่นเคลื่อนที่
2. เสาอากาศอิเล็กทริก
เสาอากาศอิเล็กทริกคือการรวมกันของสารตั้งต้นอิเล็กทริกและหม้อน้ำเสาอากาศ ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม เสาอากาศอิเล็กทริกสามารถบรรลุอิมพีแดนซ์ที่จับคู่กับเครื่องตรวจจับ และมีข้อดีของกระบวนการที่เรียบง่าย การบูรณาการที่ง่ายดาย และต้นทุนต่ำ ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ นักวิจัยได้ออกแบบเสาอากาศด้านข้างแบบแนร์โรว์แบนด์และบรอดแบนด์หลายตัวที่สามารถจับคู่กับตัวตรวจจับความต้านทานต่ำของเสาอากาศไดอิเล็กทริกแบบเทราเฮิร์ตซ์ ได้แก่ เสาอากาศแบบผีเสื้อ เสาอากาศรูปตัวยูคู่ เสาอากาศแบบ Log-คาบ และเสาอากาศแบบไซนัสซอยด์แบบ Log-คาบ แสดงในรูปที่ 8 นอกจากนี้ เรขาคณิตของเสาอากาศที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นสามารถออกแบบได้ผ่านอัลกอริธึมทางพันธุกรรม
รูปที่ 8 เสาอากาศระนาบสี่ประเภท
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเสาอากาศไดอิเล็กทริกถูกรวมเข้ากับสารตั้งต้นไดอิเล็กทริก ผลกระทบของคลื่นพื้นผิวจะเกิดขึ้นเมื่อความถี่มีแนวโน้มไปที่แถบ THz ข้อเสียร้ายแรงนี้จะทำให้เสาอากาศสูญเสียพลังงานจำนวนมากระหว่างการทำงานและทำให้ประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศลดลงอย่างมาก ดังแสดงในรูปที่ 9 เมื่อมุมการแผ่รังสีของเสาอากาศมากกว่ามุมตัด พลังงานของมันถูกจำกัดอยู่ในซับสเตรตไดอิเล็กทริกและควบคู่กับโหมดซับสเตรต
รูปที่ 9 ผลกระทบของคลื่นพื้นผิวเสาอากาศ
เมื่อความหนาของซับสเตรตเพิ่มขึ้น จำนวนโหมดลำดับสูงจะเพิ่มขึ้น และการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างเสาอากาศกับซับสเตรตจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้สูญเสียพลังงาน เพื่อลดผลกระทบของคลื่นพื้นผิว มีรูปแบบการปรับให้เหมาะสมสามแบบ:
1) วางเลนส์ไว้บนเสาอากาศเพื่อเพิ่มเกนโดยใช้ลักษณะลำแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2) ลดความหนาของพื้นผิวเพื่อยับยั้งการสร้างโหมดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีลำดับสูง
3) เปลี่ยนวัสดุอิเล็กทริกของวัสดุพิมพ์ด้วยช่องว่างแถบแม่เหล็กไฟฟ้า (EBG) ลักษณะการกรองเชิงพื้นที่ของ EBG สามารถระงับโหมดลำดับสูงได้
3. เสาอากาศวัสดุใหม่
นอกจากเสาอากาศทั้งสองข้างต้นแล้ว ยังมีเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่ทำจากวัสดุใหม่อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในปี 2549 Jin Hao และคณะ เสนอเสาอากาศไดโพลคาร์บอนนาโนทิวบ์ ดังแสดงในรูปที่ 10 (ก) ไดโพลทำจากท่อนาโนคาร์บอนแทนที่จะเป็นวัสดุโลหะ เขาศึกษาคุณสมบัติทางอินฟราเรดและทางแสงของเสาอากาศไดโพลคาร์บอนนาโนทิวบ์อย่างรอบคอบ และอภิปรายถึงลักษณะทั่วไปของเสาอากาศไดโพลคาร์บอนนาโนทิวบ์ความยาวจำกัด เช่น ความต้านทานอินพุต การกระจายกระแส อัตราขยาย ประสิทธิภาพ และรูปแบบการแผ่รังสี รูปที่ 10 (b) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานอินพุตและความถี่ของเสาอากาศไดโพลของท่อนาโนคาร์บอน ดังที่เห็นในรูปที่ 10 (b) ส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์อินพุตจะมีศูนย์หลายตัวที่ความถี่สูงกว่า สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเสาอากาศสามารถบรรลุเสียงสะท้อนหลายครั้งที่ความถี่ที่ต่างกัน แน่นอนว่าเสาอากาศท่อนาโนคาร์บอนแสดงการสะท้อนภายในช่วงความถี่ที่กำหนด (ความถี่ THz ต่ำกว่า) แต่ไม่สามารถสะท้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์นอกช่วงความถี่นี้
รูปที่ 10 (a) เสาอากาศไดโพลคาร์บอนนาโนทิวบ์ (b) กราฟอิมพีแดนซ์-ความถี่อินพุต
ในปี 2012 Samir F. Mahmoud และ Ayed R. AlAjmi เสนอโครงสร้างเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ใหม่โดยใช้ท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งประกอบด้วยท่อนาโนคาร์บอนมัดหนึ่งห่อด้วยชั้นอิเล็กทริกสองชั้น ชั้นอิเล็กทริกด้านในเป็นชั้นโฟมอิเล็กทริก และชั้นอิเล็กทริกด้านนอกเป็นชั้นวัสดุเมตา โครงสร้างเฉพาะแสดงในรูปที่ 11 ผ่านการทดสอบ ประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังชั้นเดียว
รูปที่ 11 เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ใหม่ที่ใช้ท่อนาโนคาร์บอน
เสาอากาศวัสดุใหม่เทอร์เฮิร์ตซ์ที่เสนอข้างต้นส่วนใหญ่เป็นสามมิติ เพื่อที่จะปรับปรุงแบนด์วิธของเสาอากาศและสร้างเสาอากาศที่สอดคล้อง เสาอากาศกราฟีนระนาบจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง กราฟีนมีคุณสมบัติการควบคุมต่อเนื่องแบบไดนามิกที่ยอดเยี่ยม และสามารถสร้างพลาสมาบนพื้นผิวได้โดยการปรับแรงดันไบแอส พลาสมาของพื้นผิวอยู่บนส่วนต่อประสานระหว่างซับสเตรตที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเชิงบวก (เช่น Si, SiO2 เป็นต้น) และซับสเตรตที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเชิงลบ (เช่น โลหะมีค่า กราฟีน ฯลฯ) มี "อิเล็กตรอนอิสระ" จำนวนมากในตัวนำ เช่น โลหะมีค่าและกราฟีน อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าพลาสมา เนื่องจากสนามศักย์ไฟฟ้าที่มีอยู่ในตัวนำ พลาสมาเหล่านี้จึงอยู่ในสถานะคงที่และไม่ถูกรบกวนจากโลกภายนอก เมื่อพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบมารวมกับพลาสมาเหล่านี้ พลาสมาจะเบี่ยงเบนไปจากสภาวะคงตัวและสั่นสะเทือน หลังจากการแปลง โหมดแม่เหล็กไฟฟ้าจะสร้างคลื่นแม่เหล็กตามขวางที่อินเทอร์เฟซ ตามคำอธิบายของความสัมพันธ์การกระจายตัวของพลาสมาพื้นผิวโลหะตามแบบจำลอง Drude โลหะไม่สามารถจับคู่กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในพื้นที่ว่างและแปลงพลังงานได้ตามธรรมชาติ จำเป็นต้องใช้วัสดุอื่นเพื่อกระตุ้นคลื่นพลาสมาบนพื้นผิว คลื่นพลาสมาบนพื้นผิวจะสลายตัวอย่างรวดเร็วในทิศทางขนานของส่วนต่อประสานระหว่างโลหะกับสารตั้งต้น เมื่อตัวนำโลหะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิว จะเกิดผลกระทบที่ผิวหนัง เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากเสาอากาศมีขนาดเล็ก จึงมีผลกระทบต่อผิวหนังในย่านความถี่สูง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเสาอากาศลดลงอย่างรวดเร็วและไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ได้ พลาสมอนที่พื้นผิวของกราฟีนไม่เพียงแต่มีแรงยึดเกาะที่สูงขึ้นและการสูญเสียที่น้อยลง แต่ยังรองรับการปรับจูนทางไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องอีกด้วย นอกจากนี้ กราฟีนยังมีค่าการนำไฟฟ้าที่ซับซ้อนในย่านเทราเฮิร์ตซ์ ดังนั้นการแพร่กระจายคลื่นช้าจึงสัมพันธ์กับโหมดพลาสมาที่ความถี่เทราเฮิร์ตซ์ คุณลักษณะเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างเต็มที่ถึงความเป็นไปได้ของกราฟีนที่จะทดแทนวัสดุโลหะในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์
จากพฤติกรรมโพลาไรเซชันของพลาสมอนบนพื้นผิวกราฟีน รูปที่ 12 แสดงเสาอากาศแบบแถบชนิดใหม่และเสนอรูปร่างวงดนตรีของลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นพลาสมาในกราฟีน การออกแบบแถบเสาอากาศแบบปรับได้ถือเป็นวิธีใหม่ในการศึกษาลักษณะการแพร่กระจายของเสาอากาศเทอร์เฮิร์ตซ์วัสดุใหม่
รูปที่ 12 เสาอากาศแบบแถบใหม่
นอกเหนือจากการสำรวจองค์ประกอบเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่เป็นวัสดุใหม่แล้ว เสาอากาศนาโนแพตช์เทอร์เฮิร์ตซ์แบบกราฟีนยังสามารถออกแบบเป็นอาร์เรย์เพื่อสร้างระบบสื่อสารเสาอากาศหลายเอาต์พุตหลายอินพุตเทราเฮิร์ตซ์ได้ โครงสร้างเสาอากาศแสดงในรูปที่ 13 ตามคุณสมบัติเฉพาะของเสาอากาศนาโนแพทช์แบบกราฟีน องค์ประกอบเสาอากาศจะมีขนาดระดับไมครอน การสะสมไอสารเคมีจะสังเคราะห์ภาพกราฟีนต่างๆ โดยตรงบนชั้นนิกเกิลบางๆ และถ่ายโอนไปยังซับสเตรตใดๆ ด้วยการเลือกส่วนประกอบจำนวนที่เหมาะสมและการเปลี่ยนแรงดันไบแอสไฟฟ้าสถิต จะทำให้ทิศทางการแผ่รังสีสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระบบสามารถกำหนดค่าใหม่ได้
รูปที่ 13 อาร์เรย์เสาอากาศกราฟีนนาโนแพทช์เทราเฮิร์ตซ์
การวิจัยวัสดุใหม่ถือเป็นทิศทางที่ค่อนข้างใหม่ นวัตกรรมของวัสดุคาดว่าจะทำลายข้อจำกัดของเสาอากาศแบบเดิม และพัฒนาเสาอากาศใหม่ที่หลากหลาย เช่น metamaterials ที่กำหนดค่าใหม่ได้ วัสดุสองมิติ (2D) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เสาอากาศประเภทนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับนวัตกรรมของวัสดุใหม่ วัสดุและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีกระบวนการ ไม่ว่าในกรณีใด การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ต้องใช้วัสดุที่เป็นนวัตกรรม เทคโนโลยีการประมวลผลที่แม่นยำ และโครงสร้างการออกแบบใหม่ เพื่อตอบสนองความต้องการอัตราขยายสูง ต้นทุนต่ำ และแบนด์วิธที่กว้างของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
ต่อไปนี้จะแนะนำหลักการพื้นฐานของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์สามประเภท: เสาอากาศโลหะ เสาอากาศไดอิเล็กทริก และเสาอากาศวัสดุใหม่ และวิเคราะห์ความแตกต่าง ข้อดี และข้อเสียของเสาอากาศเหล่านี้
1. เสาอากาศโลหะ: รูปทรงนั้นเรียบง่าย ง่ายต่อการประมวลผล ต้นทุนค่อนข้างต่ำ และความต้องการวัสดุพื้นผิวต่ำ อย่างไรก็ตาม เสาอากาศโลหะใช้วิธีการทางกลในการปรับตำแหน่งของเสาอากาศ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดได้ หากการปรับไม่ถูกต้องประสิทธิภาพของเสาอากาศจะลดลงอย่างมาก แม้ว่าเสาอากาศโลหะจะมีขนาดเล็ก แต่ก็ยากที่จะประกอบกับวงจรระนาบ
2. เสาอากาศอิเล็กทริก: เสาอากาศอิเล็กทริกมีอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ ง่ายต่อการจับคู่กับเครื่องตรวจจับอิมพีแดนซ์ต่ำ และเชื่อมต่อกับวงจรระนาบค่อนข้างง่าย รูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศอิเล็กทริก ได้แก่ รูปร่างผีเสื้อ รูปร่าง U คู่ รูปร่างลอการิทึมทั่วไป และรูปร่างไซน์เป็นระยะลอการิทึม อย่างไรก็ตาม เสาอากาศอิเล็กทริกก็มีข้อบกพร่องร้ายแรงเช่นกัน กล่าวคือ ผลกระทบของคลื่นพื้นผิวที่เกิดจากสารตั้งต้นที่หนา วิธีแก้ไขคือใส่เลนส์และเปลี่ยนซับสเตรตไดอิเล็กทริกด้วยโครงสร้าง EBG โซลูชันทั้งสองต้องการนวัตกรรมและการปรับปรุงเทคโนโลยีและวัสดุกระบวนการอย่างต่อเนื่อง แต่ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม (เช่น การลดทิศทางรอบทิศทางและการปราบปรามคลื่นพื้นผิว) สามารถให้แนวคิดใหม่สำหรับการวิจัยเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
3. เสาอากาศวัสดุใหม่: ปัจจุบันมีเสาอากาศไดโพลใหม่ที่ทำจากท่อนาโนคาร์บอนและโครงสร้างเสาอากาศใหม่ที่ทำจากวัสดุเมตาได้ปรากฏขึ้น วัสดุใหม่สามารถนำมาซึ่งความก้าวหน้าด้านประสิทธิภาพใหม่ ๆ ได้ แต่หลักฐานคือนวัตกรรมของวัสดุศาสตร์ ปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับเสาอากาศวัสดุใหม่ยังอยู่ในขั้นตอนการสำรวจ และเทคโนโลยีสำคัญๆ มากมายยังไม่พัฒนาเพียงพอ
โดยสรุป สามารถเลือกเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ประเภทต่างๆ ได้ตามความต้องการในการออกแบบ:
1) หากต้องการการออกแบบที่เรียบง่ายและต้นทุนการผลิตต่ำ สามารถเลือกเสาอากาศโลหะได้
2) หากต้องการการรวมสูงและอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ สามารถเลือกเสาอากาศไดอิเล็กทริกได้
3) หากต้องการการพัฒนาประสิทธิภาพ สามารถเลือกเสาอากาศวัสดุใหม่ได้
การออกแบบข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการเฉพาะ ตัวอย่างเช่น สามารถรวมเสาอากาศสองประเภทเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ข้อได้เปรียบมากขึ้น แต่วิธีการประกอบและเทคโนโลยีการออกแบบจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้น
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 02 ส.ค.-2024
