ด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ไร้สาย บริการข้อมูลจึงเข้าสู่ช่วงการพัฒนาอย่างรวดเร็ว หรือที่เรียกว่าการเติบโตแบบก้าวกระโดดของบริการข้อมูล ในปัจจุบัน แอปพลิเคชันจำนวนมากกำลังค่อยๆ ย้ายจากคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์ไร้สาย เช่น โทรศัพท์มือถือ ซึ่งพกพาสะดวกและใช้งานได้แบบเรียลไทม์ แต่สถานการณ์นี้ก็ส่งผลให้ปริมาณการรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและเกิดปัญหาการขาดแคลนทรัพยากรแบนด์วิดท์ จากสถิติ อัตราการส่งข้อมูลในตลาดอาจสูงถึงระดับ Gbps หรือแม้แต่ Tbps ในอีก 10-15 ปีข้างหน้า ในปัจจุบัน การสื่อสารด้วยคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ (THz) มีอัตราการส่งข้อมูลถึงระดับ Gbps แล้ว ในขณะที่อัตราการส่งข้อมูลระดับ Tbps ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา บทความที่เกี่ยวข้องได้รวบรวมความคืบหน้าล่าสุดในอัตราการส่งข้อมูลระดับ Gbps บนพื้นฐานของย่านความถี่ THz และคาดการณ์ว่าอาจสามารถได้อัตราการส่งข้อมูลระดับ Tbps ผ่านการมัลติเพล็กซ์แบบโพลาไรเซชัน ดังนั้น เพื่อเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือการพัฒนาย่านความถี่ใหม่ ซึ่งก็คือย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ ซึ่งอยู่ใน "พื้นที่ว่าง" ระหว่างคลื่นไมโครเวฟและแสงอินฟราเรด ในการประชุม ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) ปี 2019 ช่วงความถี่ 275-450 GHz ได้ถูกนำมาใช้สำหรับบริการวิทยุสื่อสารแบบประจำที่และแบบเคลื่อนที่ภาคพื้นดิน จะเห็นได้ว่าระบบสื่อสารไร้สายในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ดึงดูดความสนใจจากนักวิจัยจำนวนมาก
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเทราเฮิร์ตซ์โดยทั่วไปนิยามว่าเป็นแถบความถี่ 0.1-10 THz (1 THz = 10¹² Hz) ที่มีความยาวคลื่น 0.03-3 มม. ตามมาตรฐาน IEEE คลื่นเทราเฮิร์ตซ์นิยามไว้ที่ 0.3-10 THz รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าแถบความถี่เทราเฮิร์ตซ์อยู่ระหว่างคลื่นไมโครเวฟและแสงอินฟราเรด
รูปที่ 1 แผนภาพแสดงแถบความถี่เทราเฮิรตซ์ (THz)
การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
แม้ว่าการวิจัยเกี่ยวกับคลื่นเทราเฮิร์ตซ์จะเริ่มต้นขึ้นในศตวรรษที่ 19 แต่ก็ยังไม่มีการศึกษาในฐานะสาขาอิสระในเวลานั้น การวิจัยเกี่ยวกับรังสีเทราเฮิร์ตซ์ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ย่านอินฟราเรดไกล จนกระทั่งช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 นักวิจัยจึงเริ่มพัฒนาการวิจัยคลื่นมิลลิเมตรไปสู่ย่านเทราเฮิร์ตซ์และทำการวิจัยเทคโนโลยีเทราเฮิร์ตซ์โดยเฉพาะ
ในทศวรรษ 1980 การเกิดขึ้นของแหล่งกำเนิดรังสีเทราเฮิร์ตซ์ทำให้สามารถนำคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ไปประยุกต์ใช้ในระบบต่างๆ ได้จริง นับตั้งแต่ศตวรรษที่ 21 เทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และความต้องการข้อมูลของผู้คนและการเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์สื่อสารได้ทำให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับอัตราการส่งข้อมูล ดังนั้น หนึ่งในความท้าทายของเทคโนโลยีการสื่อสารในอนาคตคือการทำงานที่อัตราการส่งข้อมูลสูงถึงระดับกิกะบิตต่อวินาทีในสถานที่เดียว ภายใต้การพัฒนาทางเศรษฐกิจในปัจจุบัน ทรัพยากรคลื่นความถี่เริ่มขาดแคลนมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม ความต้องการด้านความจุและความเร็วในการสื่อสารของมนุษย์นั้นไม่มีที่สิ้นสุด เพื่อแก้ปัญหาความแออัดของคลื่นความถี่ บริษัทหลายแห่งจึงใช้เทคโนโลยี MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของคลื่นความถี่และความจุของระบบผ่านการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ ด้วยความก้าวหน้าของเครือข่าย 5G ความเร็วในการเชื่อมต่อข้อมูลของผู้ใช้แต่ละคนจะเกินระดับกิกะบิตต่อวินาที และปริมาณการรับส่งข้อมูลของสถานีฐานก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน สำหรับระบบการสื่อสารคลื่นมิลลิเมตรแบบดั้งเดิม ลิงก์ไมโครเวฟจะไม่สามารถรองรับกระแสข้อมูลจำนวนมหาศาลเหล่านี้ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากอิทธิพลของเส้นสายตา ระยะการส่งสัญญาณของระบบสื่อสารอินฟราเรดจึงสั้น และตำแหน่งของอุปกรณ์สื่อสารก็คงที่ ดังนั้น คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ (THz) ซึ่งอยู่ระหว่างคลื่นไมโครเวฟและอินฟราเรด จึงสามารถนำมาใช้สร้างระบบสื่อสารความเร็วสูงและเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลโดยใช้ลิงก์เทราเฮิร์ตซ์ได้
คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ (THz) สามารถให้แบนด์วิดธ์การสื่อสารที่กว้างกว่า และช่วงความถี่ของมันกว้างกว่าการสื่อสารเคลื่อนที่ประมาณ 1000 เท่า ดังนั้น การใช้ THz ในการสร้างระบบสื่อสารไร้สายความเร็วสูงพิเศษจึงเป็นแนวทางแก้ปัญหาที่น่าสนใจสำหรับความท้าทายด้านอัตราการส่งข้อมูลสูง ซึ่งดึงดูดความสนใจจากทีมวิจัยและอุตสาหกรรมจำนวนมาก ในเดือนกันยายน 2017 มาตรฐานการสื่อสารไร้สาย THz ฉบับแรก IEEE 802.15.3d-2017 ได้ถูกเผยแพร่ ซึ่งกำหนดการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบจุดต่อจุดในช่วงความถี่ THz ต่ำที่ 252-325 GHz เลเยอร์ทางกายภาพ (PHY) ทางเลือกของลิงก์สามารถบรรลุอัตราการส่งข้อมูลได้สูงถึง 100 Gbps ที่แบนด์วิดธ์ต่างๆ
ระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกที่ความถี่ 0.12 เทราเฮิร์ตซ์ถูกสร้างขึ้นในปี 2547 และระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ที่ความถี่ 0.3 เทราเฮิร์ตซ์ได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 2556 ตารางที่ 1 แสดงความคืบหน้าของการวิจัยระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ในประเทศญี่ปุ่นตั้งแต่ปี 2547 ถึง 2556
ตารางที่ 1 ความก้าวหน้าในการวิจัยระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ในประเทศญี่ปุ่น ตั้งแต่ปี 2547 ถึง 2556
โครงสร้างเสาอากาศของระบบสื่อสารที่พัฒนาขึ้นในปี 2547 ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดโดยบริษัท Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ในปี 2548 โดยได้นำเสนอการกำหนดค่าเสาอากาศในสองกรณี ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 แผนภาพแสดงโครงสร้างระบบสื่อสารไร้สาย NTT 120 GHz ของญี่ปุ่น
ระบบนี้ผสานรวมการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าและเสาอากาศ และใช้โหมดการทำงานสองโหมด:
1. ในสภาพแวดล้อมภายในอาคารระยะใกล้ เครื่องส่งสัญญาณเสาอากาศระนาบที่ใช้ภายในอาคารประกอบด้วยชิปโฟโตไดโอดตัวนำเส้นเดียว (UTC-PD) เสาอากาศช่องระนาบ และเลนส์ซิลิคอน ดังแสดงในรูปที่ 2(a)
2. ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งระยะไกล เพื่อปรับปรุงผลกระทบของการสูญเสียการส่งสัญญาณสูงและความไวต่ำของตัวตรวจจับ เสาอากาศส่งสัญญาณต้องมีอัตราขยายสูง เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่มีอยู่ใช้เลนส์ออปติคอลแบบเกาส์เซียนที่มีอัตราขยายมากกว่า 50 dBi การรวมกันของฮอร์นป้อนสัญญาณและเลนส์ไดอิเล็กทริกแสดงในรูปที่ 2(b)
นอกจากการพัฒนาระบบสื่อสาร 0.12 THz แล้ว NTT ยังได้พัฒนาระบบสื่อสาร 0.3 THz ในปี 2012 อีกด้วย จากการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง อัตราการส่งข้อมูลสามารถสูงถึง 100 Gbps ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 1 การพัฒนานี้ได้มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาการสื่อสารในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยในปัจจุบันยังมีข้อเสียคือ ความถี่ในการทำงานต่ำ ขนาดใหญ่ และต้นทุนสูง
เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่ใช้ในปัจจุบันส่วนใหญ่ดัดแปลงมาจากเสาอากาศคลื่นมิลลิเมตร และมีการพัฒนานวัตกรรมในด้านเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์น้อยมาก ดังนั้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ งานที่สำคัญคือการเพิ่มประสิทธิภาพเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ ตารางที่ 2 แสดงความคืบหน้าของการวิจัยด้านการสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ในเยอรมนี รูปที่ 3 (ก) แสดงระบบสื่อสารไร้สายเทราเฮิร์ตซ์ที่เป็นตัวอย่างซึ่งผสมผสานโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 3 (ข) แสดงฉากการทดสอบในอุโมงค์ลม เมื่อพิจารณาจากสถานการณ์การวิจัยในปัจจุบันในเยอรมนี การวิจัยและพัฒนาในด้านนี้ก็ยังมีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ความถี่ในการทำงานต่ำ ต้นทุนสูง และประสิทธิภาพต่ำ
ตารางที่ 2 ความคืบหน้าการวิจัยด้านการสื่อสารเทราเฮิรตซ์ในประเทศเยอรมนี
รูปที่ 3 ฉากทดสอบในอุโมงค์ลม
ศูนย์ ICT ของ CSIRO ได้ริเริ่มการวิจัยเกี่ยวกับระบบสื่อสารไร้สายภายในอาคารในย่านความถี่ THz ด้วยเช่นกัน ศูนย์ฯ ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปีและความถี่ในการสื่อสาร ดังแสดงในรูปที่ 4 จากรูปที่ 4 จะเห็นได้ว่าภายในปี 2020 การวิจัยด้านการสื่อสารไร้สายมีแนวโน้มไปสู่ย่านความถี่ THz ความถี่ในการสื่อสารสูงสุดที่ใช้คลื่นความถี่วิทยุเพิ่มขึ้นประมาณสิบเท่าทุกๆ ยี่สิบปี ศูนย์ฯ ได้ให้คำแนะนำเกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับเสาอากาศ THz และเสนอเสาอากาศแบบดั้งเดิม เช่น เสาอากาศแบบฮอร์นและเลนส์ สำหรับระบบสื่อสาร THz ดังแสดงในรูปที่ 5 เสาอากาศแบบฮอร์นสองตัวทำงานที่ความถี่ 0.84 THz และ 1.7 THz ตามลำดับ โดยมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและประสิทธิภาพการกระจายลำแสงแบบเกาส์เซียนที่ดี
รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างปีและความถี่
อาร์เอ็ม-บีดีเอชเอ818-20เอ
RM-DCPHA105145-20
รูปที่ 5 เสาอากาศแบบฮอร์นสองประเภท
สหรัฐอเมริกาได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการปล่อยและการตรวจจับคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ ห้องปฏิบัติการวิจัยเทราเฮิร์ตซ์ที่มีชื่อเสียง ได้แก่ ห้องปฏิบัติการเจ็ทโพรพัลชัน (JPL), ศูนย์เร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด (SLAC), ห้องปฏิบัติการแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (LLNL), องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA), มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) เป็นต้น เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์แบบใหม่สำหรับการใช้งานเทราเฮิร์ตซ์ได้รับการออกแบบขึ้น เช่น เสาอากาศรูปโบว์ไทและเสาอากาศควบคุมทิศทางลำแสงความถี่ จากการพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ เราสามารถได้แนวคิดการออกแบบพื้นฐานสามประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ในปัจจุบัน ดังแสดงในรูปที่ 6
รูปที่ 6 แนวคิดการออกแบบพื้นฐานสามประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
จากการวิเคราะห์ข้างต้นแสดงให้เห็นว่า แม้หลายประเทศจะให้ความสนใจอย่างมากกับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ แต่ก็ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการสำรวจและพัฒนา เนื่องจากมีการสูญเสียการแพร่กระจายสูงและการดูดซับของโมเลกุล เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์จึงมักมีข้อจำกัดด้านระยะการส่งสัญญาณและการครอบคลุมพื้นที่ งานวิจัยบางส่วนมุ่งเน้นไปที่ความถี่ในการทำงานที่ต่ำกว่าในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ งานวิจัยเกี่ยวกับเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงอัตราขยายโดยใช้เสาอากาศเลนส์ไดอิเล็กทริก เป็นต้น และการปรับปรุงประสิทธิภาพการสื่อสารโดยใช้อัลกอริทึมที่เหมาะสม นอกจากนี้ วิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพของบรรจุภัณฑ์เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ก็เป็นประเด็นเร่งด่วนมากเช่นกัน
เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ทั่วไป
เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ (THz) มีหลายประเภท เช่น เสาอากาศไดโพลที่มีโพรงรูปกรวย อาร์เรย์สะท้อนมุม ไดโพลรูปโบว์ไท เสาอากาศระนาบเลนส์ไดอิเล็กทริก เสาอากาศโฟโตคอนดักทีฟสำหรับสร้างแหล่งกำเนิดรังสีเทราเฮิรตซ์ เสาอากาศฮอร์น เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่ใช้กราฟีนเป็นวัสดุ เป็นต้น โดยสามารถแบ่งเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ตามวัสดุที่ใช้ได้เป็น เสาอากาศโลหะ (ส่วนใหญ่เป็นเสาอากาศฮอร์น) เสาอากาศไดอิเล็กทริก (เสาอากาศเลนส์) และเสาอากาศวัสดุใหม่ ในส่วนนี้จะเริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์เบื้องต้นเกี่ยวกับเสาอากาศเหล่านี้ จากนั้นในส่วนถัดไปจะแนะนำและวิเคราะห์เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ทั่วไป 5 ชนิดโดยละเอียด
1. เสาอากาศโลหะ
เสาอากาศแบบฮอร์นเป็นเสาอากาศโลหะทั่วไปที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานในย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ (THz) เสาอากาศของเครื่องรับคลื่นมิลลิเมตรแบบคลาสสิกมีรูปทรงกรวย เสาอากาศแบบลูกคลื่นและแบบสองโหมดมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ รูปแบบการแผ่รังสีสมมาตรแบบหมุนได้ อัตราขยายสูง 20 ถึง 30 dBi ระดับการโพลาไรซ์ไขว้ต่ำที่ -30 dB และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ 97% ถึง 98% แบนด์วิดท์ที่ใช้งานได้ของเสาอากาศแบบฮอร์นทั้งสองแบบคือ 30%-40% และ 6%-8% ตามลำดับ
เนื่องจากคลื่นเทราเฮิร์ตซ์มีความถี่สูงมาก ขนาดของเสาอากาศแบบฮอร์นจึงมีขนาดเล็กมาก ทำให้การผลิตฮอร์นทำได้ยากมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบเสาอากาศแบบอาร์เรย์ และความซับซ้อนของเทคโนโลยีการผลิตทำให้ต้นทุนสูงเกินไปและมีข้อจำกัดในการผลิต เนื่องจากความยากลำบากในการผลิตฐานของฮอร์นที่มีการออกแบบที่ซับซ้อน จึงมักใช้เสาอากาศแบบฮอร์นอย่างง่ายในรูปทรงกรวยหรือทรงกรวย ซึ่งสามารถลดต้นทุนและความซับซ้อนของกระบวนการ และยังคงรักษาประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้ดี
เสาอากาศโลหะอีกชนิดหนึ่งคือเสาอากาศแบบพีระมิดคลื่นเดินทาง ซึ่งประกอบด้วยเสาอากาศคลื่นเดินทางที่รวมเข้ากับฟิล์มไดอิเล็กทริกขนาด 1.2 ไมครอน และแขวนอยู่ในโพรงตามยาวที่สลักไว้บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ดังแสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศนี้มีโครงสร้างแบบเปิดที่เข้ากันได้กับไดโอด Schottky เนื่องจากโครงสร้างที่ค่อนข้างเรียบง่ายและข้อกำหนดในการผลิตต่ำ จึงสามารถใช้งานได้ทั่วไปในย่านความถี่สูงกว่า 0.6 THz อย่างไรก็ตาม ระดับไซด์โลบและระดับครอสโพลาไรเซชันของเสาอากาศนั้นสูง อาจเป็นเพราะโครงสร้างแบบเปิด ดังนั้นประสิทธิภาพการเชื่อมต่อจึงค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 50%)
รูปที่ 7 เสาอากาศพีระมิดคลื่นเดินทาง
2. เสาอากาศไดอิเล็กทริก
เสาอากาศไดอิเล็กทริกเป็นการรวมกันของวัสดุรองรับไดอิเล็กทริกและตัวแผ่รังสีเสาอากาศ ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม เสาอากาศไดอิเล็กทริกสามารถจับคู่ความต้านทานกับตัวตรวจจับได้ และมีข้อดีคือกระบวนการผลิตที่เรียบง่าย การรวมเข้ากับระบบได้ง่าย และต้นทุนต่ำ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ออกแบบเสาอากาศแบบไซด์ไฟร์แบบแถบความถี่แคบและแถบความถี่กว้างหลายแบบที่สามารถจับคู่กับตัวตรวจจับความต้านทานต่ำของเสาอากาศไดอิเล็กทริกเทราเฮิร์ตซ์ได้ เช่น เสาอากาศรูปผีเสื้อ เสาอากาศรูปตัวยูคู่ เสาอากาศแบบลอการิทึมเป็นคาบ และเสาอากาศแบบลอการิทึมเป็นคาบรูปคลื่นไซน์ ดังแสดงในรูปที่ 8 นอกจากนี้ ยังสามารถออกแบบรูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศที่ซับซ้อนมากขึ้นได้โดยใช้อัลกอริธึมทางพันธุกรรม
รูปที่ 8 เสาอากาศแบบระนาบสี่ประเภท
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเสาอากาศไดอิเล็กทริกถูกรวมเข้ากับวัสดุรองรับไดอิเล็กทริก จึงจะเกิดปรากฏการณ์คลื่นผิวเมื่อความถี่มีแนวโน้มเข้าสู่ย่านเทราเฮิร์ตซ์ ข้อเสียร้ายแรงนี้จะทำให้เสาอากาศสูญเสียพลังงานจำนวนมากในระหว่างการทำงานและนำไปสู่การลดประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศอย่างมาก ดังแสดงในรูปที่ 9 เมื่อมุมการแผ่รังสีของเสาอากาศมากกว่ามุมตัด พลังงานของมันจะถูกจำกัดอยู่ในวัสดุรองรับไดอิเล็กทริกและเกิดการเชื่อมต่อกับโหมดของวัสดุรองรับ
รูปที่ 9 ผลกระทบของคลื่นพื้นผิวเสาอากาศ
เมื่อความหนาของวัสดุรองรับเพิ่มขึ้น จำนวนโหมดลำดับสูงก็จะเพิ่มขึ้น และการเชื่อมต่อระหว่างเสาอากาศกับวัสดุรองรับก็จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงาน เพื่อลดผลกระทบของคลื่นพื้นผิว จึงมีแผนการเพิ่มประสิทธิภาพสามวิธีดังนี้:
1) ติดตั้งเลนส์บนเสาอากาศเพื่อเพิ่มกำลังขยายโดยใช้คุณสมบัติการสร้างลำแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2) ลดความหนาของวัสดุรองรับเพื่อยับยั้งการเกิดโหมดลำดับสูงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
3) แทนที่วัสดุไดอิเล็กทริกพื้นฐานด้วยวัสดุที่มีช่องว่างแถบแม่เหล็กไฟฟ้า (EBG) คุณสมบัติการกรองเชิงพื้นที่ของ EBG สามารถยับยั้งโหมดลำดับสูงได้
3. เสาอากาศวัสดุใหม่
นอกจากเสาอากาศสองแบบข้างต้นแล้ว ยังมีเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่ทำจากวัสดุใหม่ด้วย ตัวอย่างเช่น ในปี 2549 Jin Hao และคณะ ได้เสนอเสาอากาศไดโพลที่ทำจากท่อนาโนคาร์บอน ดังแสดงในรูปที่ 10 (ก) ไดโพลนี้ทำจากท่อนาโนคาร์บอนแทนที่จะเป็นวัสดุโลหะ เขาได้ศึกษาคุณสมบัติอินฟราเรดและคุณสมบัติทางแสงของเสาอากาศไดโพลท่อนาโนคาร์บอนอย่างละเอียด และได้อภิปรายลักษณะทั่วไปของเสาอากาศไดโพลท่อนาโนคาร์บอนที่มีความยาวจำกัด เช่น อิมพีแดนซ์อินพุต การกระจายกระแส อัตราขยาย ประสิทธิภาพ และรูปแบบการแผ่รังสี รูปที่ 10 (ข) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์อินพุตและความถี่ของเสาอากาศไดโพลท่อนาโนคาร์บอน ดังที่เห็นได้ในรูปที่ 10 (ข) ส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์อินพุตมีค่าเป็นศูนย์หลายค่าที่ความถี่สูงขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเสาอากาศสามารถสร้างเรโซแนนซ์ได้หลายค่าที่ความถี่ต่างกัน เห็นได้ชัดว่าเสาอากาศนาโนทิวบ์คาร์บอนแสดงการสั่นพ้องภายในช่วงความถี่หนึ่ง (ความถี่ระดับเทราเฮิร์ตซ์ตอนล่าง) แต่ไม่สามารถสั่นพ้องได้เลยนอกช่วงความถี่นี้
รูปที่ 10 (ก) เสาอากาศไดโพลนาโนทิวบ์คาร์บอน (ข) กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์อินพุตกับความถี่
ในปี 2012 Samir F. Mahmoud และ Ayed R. AlAjmi ได้เสนอโครงสร้างเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์แบบใหม่ที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์ ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่ห่อหุ้มด้วยชั้นไดอิเล็กทริกสองชั้น ชั้นไดอิเล็กทริกด้านในเป็นชั้นโฟมไดอิเล็กทริก และชั้นไดอิเล็กทริกด้านนอกเป็นชั้นเมตามาเทเรียล โครงสร้างโดยละเอียดแสดงในรูปที่ 11 จากการทดสอบพบว่าประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศดีขึ้นเมื่อเทียบกับคาร์บอนนาโนทิวบ์แบบผนังเดี่ยว
รูปที่ 11 เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์แบบใหม่ที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์
เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์วัสดุใหม่ที่กล่าวถึงข้างต้นส่วนใหญ่เป็นแบบสามมิติ เพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของเสาอากาศและสร้างเสาอากาศแบบโค้งงอได้ เสาอากาศกราฟีนแบบระนาบจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง กราฟีนมีคุณสมบัติการควบคุมแบบไดนามิกต่อเนื่องที่ยอดเยี่ยมและสามารถสร้างพลาสมาบนพื้นผิวได้โดยการปรับแรงดันไบแอส พลาสมาบนพื้นผิวเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นบวก (เช่น Si, SiO2 เป็นต้น) และวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นลบ (เช่น โลหะมีค่า กราฟีน เป็นต้น) มี "อิเล็กตรอนอิสระ" จำนวนมากในตัวนำเช่นโลหะมีค่าและกราฟีน อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าพลาสมา เนื่องจากสนามศักย์ภายในของตัวนำ พลาสมาเหล่านี้จึงอยู่ในสถานะที่เสถียรและไม่ถูกรบกวนจากโลกภายนอก เมื่อพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบถูกส่งไปยังพลาสมาเหล่านี้ พลาสมาจะเบี่ยงเบนจากสถานะคงที่และสั่น หลังจากแปลงแล้ว โหมดแม่เหล็กไฟฟ้าจะก่อตัวเป็นคลื่นแม่เหล็กตามขวางที่ส่วนต่อประสาน ตามคำอธิบายความสัมพันธ์การกระจายตัวของพลาสมาบนพื้นผิวโลหะโดยแบบจำลอง Drude โลหะไม่สามารถจับคู่กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในพื้นที่ว่างและแปลงพลังงานได้เองตามธรรมชาติ จำเป็นต้องใช้วัสดุอื่นเพื่อกระตุ้นคลื่นพลาสมาบนพื้นผิว คลื่นพลาสมาบนพื้นผิวจะสลายตัวอย่างรวดเร็วในทิศทางขนานกับส่วนต่อประสานระหว่างโลหะกับพื้นผิว เมื่อตัวนำโลหะนำไฟฟ้าในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิว จะเกิดปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ขึ้น เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากขนาดของเสาอากาศมีขนาดเล็ก จึงเกิดสกินเอฟเฟกต์ในย่านความถี่สูง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเสาอากาศลดลงอย่างมากและไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ได้ พลาสมาบนพื้นผิวของกราฟีนไม่เพียงแต่มีแรงยึดเหนี่ยวสูงกว่าและมีการสูญเสียต่ำกว่าเท่านั้น แต่ยังรองรับการปรับแต่งทางไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องอีกด้วย นอกจากนี้ กราฟีนยังมีค่าการนำไฟฟ้าที่ซับซ้อนในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ ดังนั้นการแพร่กระจายของคลื่นช้าจึงเกี่ยวข้องกับโหมดพลาสมาที่ความถี่เทราเฮิร์ตซ์ คุณลักษณะเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของกราฟีนในการทดแทนวัสดุโลหะในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์อย่างเต็มที่
จากพฤติกรรมการโพลาไรเซชันของพลาสมอนบนพื้นผิวของกราฟีน รูปที่ 12 แสดงให้เห็นถึงเสาอากาศแบบแถบชนิดใหม่ และเสนอรูปทรงแถบของลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นพลาสมาในกราฟีน การออกแบบแถบเสาอากาศที่ปรับได้นี้เป็นแนวทางใหม่ในการศึกษาลักษณะการแพร่กระจายของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ที่ทำจากวัสดุใหม่
รูปที่ 12 เสาอากาศแบบแถบใหม่
นอกจากการสำรวจวัสดุใหม่สำหรับองค์ประกอบเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์แล้ว เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์แบบนาโนแพทช์กราฟีนยังสามารถออกแบบเป็นอาร์เรย์เพื่อสร้างระบบสื่อสารเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์แบบหลายอินพุตหลายเอาต์พุตได้อีกด้วย โครงสร้างเสาอากาศแสดงในรูปที่ 13 ด้วยคุณสมบัติเฉพาะของเสาอากาศนาโนแพทช์กราฟีน องค์ประกอบเสาอากาศจึงมีขนาดระดับไมครอน การตกตะกอนไอสารเคมี (Chemical vapor deposition) สังเคราะห์ภาพกราฟีนที่แตกต่างกันโดยตรงบนชั้นนิกเกิลบางๆ และถ่ายโอนไปยังพื้นผิวใดๆ ก็ได้ โดยการเลือกจำนวนส่วนประกอบที่เหมาะสมและเปลี่ยนแรงดันไบแอสไฟฟ้าสถิต ทิศทางการแผ่รังสีสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระบบสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างได้
รูปที่ 13 อาร์เรย์เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์นาโนแพทช์กราฟีน
การวิจัยวัสดุใหม่เป็นทิศทางที่ค่อนข้างใหม่ นวัตกรรมด้านวัสดุคาดว่าจะช่วยก้าวข้ามข้อจำกัดของเสาอากาศแบบดั้งเดิมและพัฒนาเสาอากาศแบบใหม่ๆ ได้หลากหลาย เช่น วัสดุเมตาที่ปรับเปลี่ยนได้ วัสดุสองมิติ (2D) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เสาอากาศประเภทนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับนวัตกรรมด้านวัสดุใหม่และความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการผลิต ไม่ว่าในกรณีใด การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์จำเป็นต้องใช้วัสดุที่เป็นนวัตกรรม เทคโนโลยีการผลิตที่แม่นยำ และโครงสร้างการออกแบบใหม่ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านอัตราขยายสูง ต้นทุนต่ำ และแบนด์วิดท์กว้างของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์
ต่อไปนี้เป็นการแนะนำหลักการพื้นฐานของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์สามประเภท ได้แก่ เสาอากาศโลหะ เสาอากาศไดอิเล็กทริก และเสาอากาศวัสดุใหม่ พร้อมทั้งวิเคราะห์ความแตกต่าง ข้อดี และข้อเสียของแต่ละประเภท
1. เสาอากาศโลหะ: รูปทรงเรียบง่าย ผลิตง่าย ต้นทุนค่อนข้างต่ำ และต้องการวัสดุพื้นผิวไม่มากนัก อย่างไรก็ตาม เสาอากาศโลหะใช้วิธีการปรับตำแหน่งด้วยกลไก ซึ่งมีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดได้ง่าย หากการปรับไม่ถูกต้อง ประสิทธิภาพของเสาอากาศจะลดลงอย่างมาก แม้ว่าเสาอากาศโลหะจะมีขนาดเล็ก แต่ก็ประกอบเข้ากับวงจรระนาบได้ยาก
2. เสาอากาศไดอิเล็กทริก: เสาอากาศไดอิเล็กทริกมีอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ จับคู่กับตัวตรวจจับอิมพีแดนซ์ต่ำได้ง่าย และเชื่อมต่อกับวงจรระนาบได้ค่อนข้างง่าย รูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศไดอิเล็กทริก ได้แก่ รูปทรงผีเสื้อ รูปทรงตัวยูคู่ รูปทรงลอการิทึมทั่วไป และรูปทรงไซน์แบบลอการิทึมเป็นคาบ อย่างไรก็ตาม เสาอากาศไดอิเล็กทริกก็มีข้อเสียร้ายแรง คือ ผลกระทบจากคลื่นผิวที่เกิดจากวัสดุรองรับที่หนา วิธีแก้ปัญหาคือการติดตั้งเลนส์และแทนที่วัสดุรองรับไดอิเล็กทริกด้วยโครงสร้าง EBG ทั้งสองวิธีนี้ต้องอาศัยนวัตกรรมและการปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตและวัสดุอย่างต่อเนื่อง แต่ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม (เช่น การรับส่งสัญญาณรอบทิศทางและการลดผลกระทบจากคลื่นผิว) สามารถให้แนวคิดใหม่สำหรับการวิจัยเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ได้
3. เสาอากาศวัสดุใหม่: ปัจจุบัน เสาอากาศไดโพลแบบใหม่ที่ทำจากท่อนาโนคาร์บอนและโครงสร้างเสาอากาศแบบใหม่ที่ทำจากเมตาวัสดุได้ปรากฏขึ้นแล้ว วัสดุใหม่สามารถนำมาซึ่งความก้าวหน้าด้านประสิทธิภาพใหม่ๆ แต่สิ่งสำคัญคือการพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ ปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับเสาอากาศวัสดุใหม่ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และเทคโนโลยีสำคัญหลายอย่างยังไม่สมบูรณ์เพียงพอ
โดยสรุปแล้ว สามารถเลือกใช้เสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ประเภทต่างๆ ได้ตามข้อกำหนดในการออกแบบ:
1) หากต้องการดีไซน์ที่เรียบง่ายและต้นทุนการผลิตต่ำ สามารถเลือกใช้เสาอากาศโลหะได้
2) หากต้องการการรวมสัญญาณสูงและความต้านทานอินพุตต่ำ สามารถเลือกใช้เสาอากาศแบบไดอิเล็กทริกได้
3) หากต้องการประสิทธิภาพที่เหนือกว่า สามารถเลือกใช้เสาอากาศที่ทำจากวัสดุใหม่ได้
การออกแบบข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการเฉพาะ ตัวอย่างเช่น สามารถนำเสาอากาศสองประเภทมาผสมผสานกันเพื่อให้ได้ประโยชน์มากขึ้น แต่จะต้องปฏิบัติตามวิธีการประกอบและเทคโนโลยีการออกแบบที่เข้มงวดกว่าเดิมด้วย
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
วันที่เผยแพร่: 2 สิงหาคม 2567
