ด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ไร้สาย บริการข้อมูลได้เข้าสู่ช่วงใหม่ของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าการเติบโตแบบก้าวกระโดดของบริการข้อมูล ในปัจจุบัน แอปพลิเคชั่นจำนวนมากค่อยๆ ย้ายจากคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์ไร้สาย เช่น โทรศัพท์มือถือ ซึ่งพกพาสะดวกและใช้งานได้แบบเรียลไทม์ แต่สถานการณ์นี้ยังส่งผลให้ปริมาณการรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและทรัพยากรแบนด์วิดท์ขาดแคลน ตามสถิติ อัตราข้อมูลในตลาดอาจถึง Gbps หรืออาจถึง Tbps ในอีก 10 ถึง 15 ปีข้างหน้า ในปัจจุบัน การสื่อสาร THz ได้ไปถึงอัตราข้อมูล Gbps แล้ว ในขณะที่อัตราข้อมูล Tbps ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา เอกสารที่เกี่ยวข้องแสดงรายการความคืบหน้าล่าสุดในอัตราข้อมูล Gbps ตามแบนด์ THz และคาดการณ์ว่าสามารถรับ Tbps ได้ผ่านการมัลติเพล็กซ์โพลาไรเซชัน ดังนั้น เพื่อเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือการพัฒนาแบนด์ความถี่ใหม่ ซึ่งก็คือแบนด์เทราเฮิรตซ์ ซึ่งอยู่ใน "พื้นที่ว่าง" ระหว่างไมโครเวฟและแสงอินฟราเรด ในการประชุมวิทยุสื่อสารโลกของ ITU (WRC-19) ในปี 2019 ช่วงความถี่ 275-450GHz ถูกนำมาใช้สำหรับบริการโทรศัพท์เคลื่อนที่แบบคงที่และแบบภาคพื้นดิน จะเห็นได้ว่าระบบสื่อสารไร้สายเทราเฮิร์ตซ์ดึงดูดความสนใจของนักวิจัยจำนวนมาก
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเทราเฮิรตซ์โดยทั่วไปถูกกำหนดให้เป็นย่านความถี่ 0.1-10THz (1THz=1012Hz) โดยมีความยาวคลื่น 0.03-3 มม. ตามมาตรฐาน IEEE คลื่นเทราเฮิรตซ์ถูกกำหนดให้เป็น 0.3-10THz รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าย่านความถี่เทราเฮิรตซ์อยู่ระหว่างคลื่นไมโครเวฟและแสงอินฟราเรด
รูปที่ 1 แผนผังของย่านความถี่ THz
การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
แม้ว่าการวิจัยเทราเฮิรตซ์จะเริ่มต้นขึ้นในศตวรรษที่ 19 แต่ในขณะนั้นยังไม่มีการศึกษาวิจัยเรื่องนี้ในฐานะสาขาอิสระ การวิจัยเกี่ยวกับรังสีเทราเฮิรตซ์มุ่งเน้นไปที่ย่านอินฟราเรดไกลเป็นหลัก จนกระทั่งในช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 นักวิจัยจึงเริ่มพัฒนาการวิจัยคลื่นมิลลิเมตรให้ก้าวไปสู่ย่านเทราเฮิรตซ์และดำเนินการวิจัยเทคโนโลยีเทราเฮิรตซ์เฉพาะทาง
ในช่วงทศวรรษ 1980 แหล่งกำเนิดคลื่นเทราเฮิรตซ์ได้เกิดขึ้น ทำให้การนำคลื่นเทราเฮิรตซ์ไปใช้ในระบบจริงเป็นไปได้ ตั้งแต่ศตวรรษที่ 21 เป็นต้นมา เทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และความต้องการข้อมูลของผู้คน รวมถึงอุปกรณ์สื่อสารที่เพิ่มมากขึ้นได้กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับอัตราการส่งข้อมูลการสื่อสาร ดังนั้น ความท้าทายประการหนึ่งของเทคโนโลยีการสื่อสารในอนาคตคือการทำงานด้วยอัตราข้อมูลสูงถึงกิกะบิตต่อวินาทีในสถานที่เดียว ภายใต้การพัฒนาเศรษฐกิจในปัจจุบัน ทรัพยากรสเปกตรัมมีน้อยลงเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม ความต้องการของมนุษย์สำหรับความสามารถในการสื่อสารและความเร็วนั้นไม่มีที่สิ้นสุด สำหรับปัญหาความแออัดของสเปกตรัม บริษัทต่างๆ จำนวนมากใช้เทคโนโลยีมัลติเพิลอินพุทมัลติเพิลเอาท์พุต (MIMO) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของสเปกตรัมและความจุของระบบผ่านการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ ด้วยความก้าวหน้าของเครือข่าย 5G ความเร็วในการเชื่อมต่อข้อมูลของผู้ใช้แต่ละคนจะเกินกิกะบิตต่อวินาที และปริมาณการรับส่งข้อมูลของสถานีฐานก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน สำหรับระบบสื่อสารคลื่นมิลลิเมตรแบบดั้งเดิม ลิงก์ไมโครเวฟจะไม่สามารถจัดการกับสตรีมข้อมูลขนาดใหญ่เหล่านี้ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากอิทธิพลของเส้นสายตา ระยะการส่งสัญญาณของการสื่อสารอินฟราเรดจึงสั้น และตำแหน่งของอุปกรณ์สื่อสารก็คงที่ ดังนั้น คลื่น THz ซึ่งอยู่ระหว่างไมโครเวฟและอินฟราเรด จึงสามารถใช้สร้างระบบสื่อสารความเร็วสูงและเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลโดยใช้ลิงก์ THz ได้
คลื่นเทราเฮิรตซ์สามารถให้แบนด์วิดท์การสื่อสารที่กว้างขึ้น และช่วงความถี่ของคลื่นดังกล่าวมีมากกว่าการสื่อสารแบบเคลื่อนที่ประมาณ 1,000 เท่า ดังนั้น การใช้เทราเฮิรตซ์ในการสร้างระบบสื่อสารไร้สายความเร็วสูงพิเศษจึงเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีแนวโน้มดีสำหรับความท้าทายของอัตราข้อมูลสูง ซึ่งดึงดูดความสนใจของทีมวิจัยและอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย ในเดือนกันยายน 2017 มาตรฐานการสื่อสารไร้สายเทราเฮิรตซ์มาตรฐานแรก IEEE 802.15.3d-2017 ได้เปิดตัว ซึ่งกำหนดการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบจุดต่อจุดในช่วงความถี่เทราเฮิรตซ์ที่ต่ำกว่าที่ 252-325 GHz เลเยอร์ทางกายภาพทางเลือก (PHY) ของลิงก์สามารถบรรลุอัตราข้อมูลสูงถึง 100 Gbps ที่แบนด์วิดท์ที่แตกต่างกัน
ระบบการสื่อสาร THz ที่ประสบความสำเร็จระบบแรกที่มีความถี่ 0.12 THz ก่อตั้งขึ้นในปีพ.ศ. 2547 และระบบการสื่อสาร THz ที่ความถี่ 0.3 THz ถูกสร้างขึ้นจริงในปีพ.ศ. 2556 ตารางที่ 1 แสดงรายการความคืบหน้าในการวิจัยระบบการสื่อสารเทราเฮิรตซ์ในญี่ปุ่นตั้งแต่ปีพ.ศ. 2547 ถึงปีพ.ศ. 2556
ตารางที่ 1 ความก้าวหน้าในการวิจัยระบบสื่อสารเทราเฮิรตซ์ในญี่ปุ่น ตั้งแต่ปี 2547 ถึง 2556
โครงสร้างเสาอากาศของระบบสื่อสารที่พัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2547 ได้รับการอธิบายโดยละเอียดโดย Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ในปีพ.ศ. 2548 การกำหนดค่าเสาอากาศได้รับการแนะนำในสองกรณี ดังที่แสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 แผนผังระบบสื่อสารไร้สาย NTT 120 GHz ของญี่ปุ่น
ระบบนี้ผสานการแปลงไฟฟ้าจากแสงและเสาอากาศเข้าด้วยกัน และใช้โหมดการทำงาน 2 โหมด:
1. ในสภาพแวดล้อมภายในอาคารระยะใกล้ เครื่องส่งสัญญาณเสาอากาศแบบระนาบที่ใช้ในอาคารประกอบด้วยชิปโฟโตไดโอดพาหะเส้นเดียว (UTC-PD) เสาอากาศแบบช่องระนาบ และเลนส์ซิลิกอน ดังที่แสดงในรูปที่ 2(a)
2. ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งระยะไกล เพื่อปรับปรุงอิทธิพลของการสูญเสียการส่งสัญญาณจำนวนมากและความไวต่ำของตัวตรวจจับ เสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณจะต้องมีอัตราขยายสูง เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่มีอยู่ใช้เลนส์ออปติกแบบเกาส์เซียนที่มีอัตราขยายมากกว่า 50 dBi การรวมกันของฮอร์นฟีดและเลนส์ไดอิเล็กตริกแสดงอยู่ในรูปที่ 2(b)
นอกจากการพัฒนาระบบสื่อสารความถี่ 0.12 THz แล้ว NTT ยังได้พัฒนาระบบสื่อสารความถี่ 0.3 THz ในปี 2012 อีกด้วย โดยผ่านการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง อัตราการส่งข้อมูลสามารถสูงถึง 100Gbps ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 1 ระบบดังกล่าวมีส่วนสนับสนุนอย่างมากต่อการพัฒนาระบบสื่อสารความถี่เทราเฮิรตซ์ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยปัจจุบันมีข้อเสียคือความถี่ในการทำงานต่ำ ขนาดใหญ่ และต้นทุนสูง
เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันได้รับการดัดแปลงมาจากเสาอากาศคลื่นมิลลิเมตร และเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ก็มีนวัตกรรมใหม่ๆ น้อยมาก ดังนั้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบสื่อสารเทราเฮิรตซ์ งานที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการปรับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ให้เหมาะสม ตารางที่ 2 แสดงรายการความคืบหน้าในการวิจัยระบบสื่อสารเทราเฮิรตซ์ของเยอรมนี รูปที่ 3 (ก) แสดงระบบสื่อสารไร้สายเทราเฮิรตซ์ตัวอย่างที่ผสมผสานระหว่างโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 3 (ข) แสดงฉากการทดสอบในอุโมงค์ลม จากสถานการณ์การวิจัยปัจจุบันในเยอรมนี การวิจัยและพัฒนายังมีข้อเสีย เช่น ความถี่ในการทำงานต่ำ ต้นทุนสูง และประสิทธิภาพต่ำ
ตารางที่ 2 ความก้าวหน้าการวิจัยการสื่อสาร THz ในประเทศเยอรมนี
รูปที่ 3 ฉากทดสอบอุโมงค์ลม
ศูนย์ ICT ของ CSIRO ยังได้ริเริ่มการวิจัยเกี่ยวกับระบบสื่อสารไร้สายภายในอาคาร THz โดยศูนย์ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปีและความถี่การสื่อสารดังที่แสดงในรูปที่ 4 ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 4 ภายในปี 2020 การวิจัยเกี่ยวกับการสื่อสารไร้สายจะมุ่งเน้นไปที่ย่านความถี่ THz ความถี่การสื่อสารสูงสุดที่ใช้คลื่นวิทยุจะเพิ่มขึ้นประมาณสิบเท่าทุกๆ ยี่สิบปี ศูนย์ได้เสนอคำแนะนำเกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับเสาอากาศ THz และเสนอเสาอากาศแบบดั้งเดิม เช่น ฮอร์นและเลนส์สำหรับระบบสื่อสาร THz ตามที่แสดงในรูปที่ 5 เสาอากาศฮอร์นสองอันทำงานที่ความถี่ 0.84 THz และ 1.7 THz ตามลำดับ โดยมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและประสิทธิภาพลำแสงแบบเกาส์เซียนที่ดี
รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างปีและความถี่
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
รูปที่ 5 เสาอากาศฮอร์นมี 2 ประเภท
สหรัฐอเมริกาได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการแผ่คลื่นและการตรวจจับคลื่นเทราเฮิรตซ์ ห้องปฏิบัติการวิจัยเทราเฮิรตซ์ที่มีชื่อเสียง ได้แก่ Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF) เป็นต้น เสาอากาศเทราเฮิรตซ์แบบใหม่สำหรับการใช้งานเทราเฮิรตซ์ได้รับการออกแบบมาแล้ว เช่น เสาอากาศโบว์ไทและเสาอากาศควบคุมลำแสงความถี่ จากการพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ เราสามารถได้แนวคิดพื้นฐานสามประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ในปัจจุบัน ดังที่แสดงในรูปที่ 6
รูปที่ 6 แนวคิดการออกแบบพื้นฐาน 3 ประการสำหรับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
จากการวิเคราะห์ข้างต้น พบว่าแม้ว่าหลายประเทศจะให้ความสำคัญกับเสาอากาศเทราเฮิรตซ์เป็นอย่างมาก แต่เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ยังคงอยู่ในระยะเริ่มต้นของการสำรวจและพัฒนา เนื่องจากการสูญเสียการแพร่กระจายและการดูดซับโมเลกุลที่สูง เสาอากาศเทราเฮิรตซ์จึงมักถูกจำกัดด้วยระยะทางในการส่งสัญญาณและการครอบคลุม การศึกษาวิจัยบางกรณีเน้นที่ความถี่การทำงานที่ต่ำกว่าในย่านเทราเฮิรตซ์ การวิจัยเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เน้นที่การปรับปรุงอัตราขยายโดยใช้เสาอากาศเลนส์ไดอิเล็กทริก เป็นต้น และปรับปรุงประสิทธิภาพการสื่อสารโดยใช้อัลกอริทึมที่เหมาะสม นอกจากนี้ วิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพของบรรจุภัณฑ์เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ยังเป็นประเด็นเร่งด่วนอีกด้วย
เสาอากาศ THz ทั่วไป
เสาอากาศ THz มีให้เลือกหลายประเภท เช่น เสาอากาศไดโพลที่มีโพรงรูปกรวย อาร์เรย์รีเฟลกเตอร์มุม เสาอากาศไดโพลโบว์ไท เสาอากาศระนาบเลนส์ไดอิเล็กทริก เสาอากาศโฟโตคอนดักเตอร์สำหรับสร้างแหล่งกำเนิดรังสี THz เสาอากาศฮอร์น เสาอากาศ THz ที่ทำจากวัสดุกราฟีน เป็นต้น เมื่อพิจารณาจากวัสดุที่ใช้ทำเสาอากาศ THz เสาอากาศเหล่านี้สามารถแบ่งได้คร่าวๆ เป็นเสาอากาศโลหะ (ส่วนใหญ่เป็นเสาอากาศฮอร์น) เสาอากาศไดอิเล็กทริก (เสาอากาศเลนส์) และเสาอากาศวัสดุใหม่ ในส่วนนี้จะวิเคราะห์เสาอากาศเหล่านี้เบื้องต้นก่อน จากนั้นในส่วนถัดไปจะแนะนำเสาอากาศ THz ทั่วไป 5 ประเภทอย่างละเอียดและวิเคราะห์อย่างละเอียด
1.เสาอากาศโลหะ
เสาอากาศฮอร์นเป็นเสาอากาศโลหะทั่วไปที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานในย่านความถี่ THz เสาอากาศของเครื่องรับคลื่นมิลลิเมตรแบบคลาสสิกเป็นฮอร์นทรงกรวย เสาอากาศแบบลูกฟูกและแบบดูอัลโหมดมีข้อดีหลายประการ เช่น รูปแบบการแผ่รังสีแบบสมมาตรในการหมุน อัตราขยายสูง 20 ถึง 30 dBi และระดับโพลาไรเซชันแบบไขว้ต่ำ -30 dB และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ 97% ถึง 98% แบนด์วิดท์ที่มีอยู่ของเสาอากาศฮอร์นทั้งสองคือ 30%-40% และ 6%-8% ตามลำดับ
เนื่องจากความถี่ของคลื่นเทราเฮิรตซ์สูงมาก ขนาดของเสาอากาศฮอร์นจึงเล็กมาก ซึ่งทำให้การประมวลผลฮอร์นยากมาก โดยเฉพาะในการออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศ และความซับซ้อนของเทคโนโลยีการประมวลผลทำให้มีต้นทุนสูงเกินไปและการผลิตมีจำกัด เนื่องจากความยากลำบากในการผลิตส่วนล่างของการออกแบบฮอร์นที่ซับซ้อน จึงมักใช้เสาอากาศฮอร์นแบบเรียบง่ายในรูปแบบฮอร์นทรงกรวยหรือทรงกรวย ซึ่งช่วยลดต้นทุนและความซับซ้อนของกระบวนการ และสามารถรักษาประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้ดี
เสาอากาศโลหะอีกประเภทหนึ่งคือเสาอากาศพีระมิดคลื่นเคลื่อนที่ ซึ่งประกอบด้วยเสาอากาศคลื่นเคลื่อนที่ที่รวมอยู่บนฟิล์มไดอิเล็กตริกขนาด 1.2 ไมครอนและแขวนลอยอยู่ในโพรงตามยาวที่แกะสลักบนเวเฟอร์ซิลิกอน ดังที่แสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศนี้เป็นโครงสร้างเปิดที่เข้ากันได้กับไดโอดชอตต์กี เนื่องจากโครงสร้างที่ค่อนข้างเรียบง่ายและข้อกำหนดในการผลิตที่ต่ำ จึงสามารถใช้ในย่านความถี่ที่สูงกว่า 0.6 THz ได้โดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม ระดับไซโลบและระดับโพลาไรเซชันแบบไขว้ของเสาอากาศนั้นสูง ซึ่งอาจเป็นเพราะโครงสร้างแบบเปิด ดังนั้น ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อจึงค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 50%)
รูปที่ 7 เสาอากาศพีระมิดคลื่นเดินทาง
2. เสาอากาศไดอิเล็กทริก
เสาอากาศไดอิเล็กทริกเป็นการผสมผสานระหว่างสารตั้งต้นไดอิเล็กทริกและตัวกระจายสัญญาณเสาอากาศ ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม เสาอากาศไดอิเล็กทริกสามารถจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์กับตัวตรวจจับได้ และมีข้อดีคือมีกระบวนการที่เรียบง่าย บูรณาการได้ง่าย และต้นทุนต่ำ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ออกแบบเสาอากาศแบบไซด์ไฟร์แบนด์แคบและแบนด์กว้างหลายแบบที่สามารถจับคู่กับตัวตรวจจับค่าอิมพีแดนซ์ต่ำของเสาอากาศไดอิเล็กทริกเทราเฮิรตซ์ได้ ได้แก่ เสาอากาศแบบปีกผีเสื้อ เสาอากาศรูปตัว U สองตัว เสาอากาศแบบล็อกคาบ และเสาอากาศไซน์แบบล็อกคาบ ตามที่แสดงในรูปที่ 8 นอกจากนี้ ยังสามารถออกแบบรูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้โดยใช้อัลกอริทึมทางพันธุกรรม
รูปที่ 8 เสาอากาศแบบระนาบ 4 ประเภท
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเสาอากาศไดอิเล็กทริกถูกประกอบเข้ากับซับสเตรตไดอิเล็กทริก จึงเกิดเอฟเฟกต์คลื่นพื้นผิวเมื่อความถี่หันไปทางแบนด์ THz ข้อเสียร้ายแรงนี้จะทำให้เสาอากาศสูญเสียพลังงานจำนวนมากระหว่างการทำงาน และส่งผลให้ประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศลดลงอย่างมาก ดังที่แสดงในรูปที่ 9 เมื่อมุมการแผ่รังสีของเสาอากาศมากกว่ามุมตัด พลังงานของเสาอากาศจะถูกจำกัดไว้ในซับสเตรตไดอิเล็กทริกและจับคู่กับโหมดซับสเตรต
รูปที่ 9 เอฟเฟกต์คลื่นพื้นผิวเสาอากาศ
เมื่อความหนาของพื้นผิวเพิ่มขึ้น จำนวนโหมดลำดับสูงก็จะเพิ่มขึ้น และการจับคู่ระหว่างเสาอากาศและพื้นผิวก็จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้สูญเสียพลังงาน เพื่อลดผลกระทบของคลื่นพื้นผิว จึงมีแผนการเพิ่มประสิทธิภาพสามแบบ:
1) โหลดเลนส์บนเสาอากาศเพื่อเพิ่มค่าเกนโดยใช้ลักษณะการสร้างลำแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2) ลดความหนาของพื้นผิวเพื่อระงับการเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโหมดลำดับสูง
3) เปลี่ยนวัสดุไดอิเล็กตริกของพื้นผิวด้วยแถบแก็ปแม่เหล็กไฟฟ้า (EBG) ลักษณะการกรองเชิงพื้นที่ของ EBG สามารถระงับโหมดลำดับสูงได้
3. เสาอากาศวัสดุใหม่
นอกจากเสาอากาศสองอันข้างต้นแล้ว ยังมีเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ที่ทำจากวัสดุใหม่ด้วย ตัวอย่างเช่น ในปี 2006 Jin Hao และคณะได้เสนอเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ ดังแสดงในรูปที่ 10 (a) ไดโพลทำจากคาร์บอนนาโนทิวบ์แทนวัสดุโลหะ เขาศึกษาคุณสมบัติอินฟราเรดและออปติกของเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์อย่างรอบคอบ และได้หารือเกี่ยวกับลักษณะทั่วไปของเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่มีความยาวจำกัด เช่น อิมพีแดนซ์อินพุต การกระจายกระแส อัตราขยาย ประสิทธิภาพ และรูปแบบการแผ่รังสี รูปที่ 10 (b) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์อินพุตและความถี่ของเสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ ดังที่เห็นในรูปที่ 10 (b) ส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์อินพุตมีศูนย์หลายตัวที่ความถี่สูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าเสาอากาศสามารถบรรลุการสั่นพ้องหลายตัวที่ความถี่ต่างกันได้ เห็นได้ชัดว่าเสาอากาศคาร์บอนนาโนทิวบ์แสดงการสั่นพ้องในช่วงความถี่หนึ่ง (ความถี่ THz ต่ำกว่า) แต่ไม่สามารถเกิดการสั่นพ้องนอกช่วงนี้ได้เลย
รูปที่ 10 (ก) เสาอากาศไดโพลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์ (ข) กราฟความต้านทานอินพุต-ความถี่
ในปี 2012 Samir F. Mahmoud และ Ayed R. AlAjmi ได้เสนอโครงสร้างเสาอากาศเทราเฮิรตซ์แบบใหม่โดยใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์เป็นฐาน ซึ่งประกอบด้วยมัดคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่หุ้มด้วยชั้นไดอิเล็กตริกสองชั้น ชั้นไดอิเล็กตริกด้านในเป็นชั้นโฟมไดอิเล็กตริก และชั้นไดอิเล็กตริกด้านนอกเป็นชั้นเมตาแมทีเรียล โครงสร้างเฉพาะดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 11 จากการทดสอบพบว่าประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับคาร์บอนนาโนทิวบ์แบบผนังเดี่ยว
รูปที่ 11 เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ใหม่ที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์
เสาอากาศเทราเฮิรตซ์ชนิดใหม่ที่เสนอข้างต้นส่วนใหญ่เป็นแบบสามมิติ เพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของเสาอากาศและสร้างเสาอากาศแบบคอนฟอร์มัล เสาอากาศกราฟีนแบบระนาบได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง กราฟีนมีลักษณะการควบคุมอย่างต่อเนื่องแบบไดนามิกที่ยอดเยี่ยมและสามารถสร้างพลาสมาพื้นผิวได้โดยการปรับแรงดันไฟฟ้าไบอัส พลาสมาพื้นผิวมีอยู่บนอินเทอร์เฟซระหว่างซับสเตรตคงที่ไดอิเล็กตริกเชิงบวก (เช่น Si, SiO2 เป็นต้น) และซับสเตรตคงที่ไดอิเล็กตริกเชิงลบ (เช่น โลหะมีค่า กราฟีน เป็นต้น) มี "อิเล็กตรอนอิสระ" จำนวนมากในตัวนำ เช่น โลหะมีค่าและกราฟีน อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าพลาสมา เนื่องจากมีสนามศักย์โดยธรรมชาติในตัวนำ พลาสมาเหล่านี้จึงอยู่ในสถานะเสถียรและไม่ถูกรบกวนจากโลกภายนอก เมื่อพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบถูกจับคู่กับพลาสมาเหล่านี้ พลาสมาจะเบี่ยงเบนจากสถานะคงที่และสั่นสะเทือน หลังจากการแปลง โหมดแม่เหล็กไฟฟ้าจะสร้างคลื่นแม่เหล็กขวางที่อินเทอร์เฟซ ตามคำอธิบายความสัมพันธ์การกระจายตัวของพลาสมาพื้นผิวโลหะโดยแบบจำลองของ Drude โลหะไม่สามารถจับคู่กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในพื้นที่ว่างและแปลงพลังงานได้ตามธรรมชาติ จำเป็นต้องใช้สารอื่นเพื่อกระตุ้นคลื่นพลาสม่าพื้นผิว คลื่นพลาสม่าพื้นผิวสลายตัวอย่างรวดเร็วในทิศทางขนานของอินเทอร์เฟซโลหะ-พื้นผิว เมื่อตัวนำโลหะนำไฟฟ้าในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิว จะเกิดเอฟเฟกต์ผิว เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากเสาอากาศมีขนาดเล็ก จึงมีเอฟเฟกต์ผิวในย่านความถี่สูง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเสาอากาศลดลงอย่างรวดเร็วและไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ได้ พลาสมอนพื้นผิวของกราฟีนไม่เพียงแต่มีแรงยึดเกาะที่สูงขึ้นและการสูญเสียที่น้อยลงเท่านั้น แต่ยังรองรับการปรับจูนไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องอีกด้วย นอกจากนี้ กราฟีนยังมีสภาพนำไฟฟ้าที่ซับซ้อนในย่านเทราเฮิรตซ์ ดังนั้น การแพร่กระจายคลื่นช้าจึงเกี่ยวข้องกับโหมดพลาสม่าที่ความถี่เทราเฮิรตซ์ ลักษณะเฉพาะเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของกราฟีนในการแทนที่วัสดุโลหะในย่านเทราเฮิรตซ์ได้อย่างเต็มที่
รูปที่ 12 แสดงเสาอากาศแบบแถบชนิดใหม่โดยอิงจากพฤติกรรมการโพลาไรเซชันของพลาสมอนพื้นผิวของกราฟีน และเสนอรูปร่างของแถบของลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นพลาสมาในกราฟีน การออกแบบแถบเสาอากาศแบบปรับได้ให้วิธีใหม่ในการศึกษาลักษณะการแพร่กระจายของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ของวัสดุใหม่
รูปที่ 12 เสาอากาศแถบใหม่
นอกจากการสำรวจองค์ประกอบเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ของวัสดุใหม่แล้ว เสาอากาศเทราเฮิรตซ์นาโนแพทช์กราฟีนยังสามารถออกแบบเป็นอาร์เรย์เพื่อสร้างระบบสื่อสารเสาอากาศเทราเฮิรตซ์หลายอินพุตหลายเอาต์พุตได้อีกด้วย โครงสร้างของเสาอากาศแสดงอยู่ในรูปที่ 13 โดยอิงจากคุณสมบัติเฉพาะตัวของเสาอากาศนาโนแพทช์กราฟีน องค์ประกอบเสาอากาศจะมีขนาดในระดับไมครอน การสะสมไอเคมีจะสังเคราะห์ภาพกราฟีนที่แตกต่างกันบนชั้นนิกเกิลบางๆ โดยตรงและถ่ายโอนไปยังพื้นผิวใดๆ ก็ได้ โดยการเลือกจำนวนส่วนประกอบที่เหมาะสมและการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าไบอัสไฟฟ้าสถิต ทิศทางการแผ่รังสีสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระบบสามารถกำหนดค่าใหม่ได้
รูปที่ 13 เสาอากาศอาร์เรย์เทราเฮิรตซ์นาโนแพทช์กราฟีน
การวิจัยวัสดุใหม่ถือเป็นแนวทางใหม่ นวัตกรรมของวัสดุคาดว่าจะสามารถทำลายข้อจำกัดของเสาอากาศแบบดั้งเดิมและพัฒนาเสาอากาศใหม่ ๆ ได้หลากหลาย เช่น เมตาแมทีเรียลที่ปรับเปลี่ยนได้ วัสดุสองมิติ (2D) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เสาอากาศประเภทนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับนวัตกรรมของวัสดุใหม่และความก้าวหน้าของเทคโนโลยีกระบวนการ ไม่ว่าในกรณีใด การพัฒนาเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ต้องใช้วัสดุใหม่ เทคโนโลยีการประมวลผลที่แม่นยำ และโครงสร้างการออกแบบใหม่เพื่อตอบสนองความต้องการอัตราขยายสูง ต้นทุนต่ำ และแบนด์วิดท์กว้างของเสาอากาศเทราเฮิรตซ์
ต่อไปนี้เป็นการแนะนำหลักการพื้นฐานของเสาอากาศเทราเฮิร์ตซ์ 3 ประเภท ได้แก่ เสาอากาศโลหะ เสาอากาศไดอิเล็กตริก และเสาอากาศวัสดุใหม่ พร้อมทั้งวิเคราะห์ความแตกต่าง ข้อดี และข้อเสียของเสาอากาศเหล่านี้
1. เสาอากาศโลหะ: รูปทรงเรขาคณิตนั้นเรียบง่าย ง่ายต่อการประมวลผล ต้นทุนค่อนข้างต่ำ และความต้องการวัสดุพื้นผิวต่ำ อย่างไรก็ตาม เสาอากาศโลหะใช้กลไกในการปรับตำแหน่งของเสาอากาศ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด หากการปรับไม่ถูกต้อง ประสิทธิภาพของเสาอากาศจะลดลงอย่างมาก แม้ว่าเสาอากาศโลหะจะมีขนาดเล็ก แต่ก็ยากที่จะประกอบด้วยวงจรแบบระนาบ
2. เสาอากาศไดอิเล็กทริก: เสาอากาศไดอิเล็กทริกมีค่าอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ จับคู่กับเครื่องตรวจจับค่าอิมพีแดนซ์ต่ำได้ง่าย และเชื่อมต่อกับวงจรระนาบได้ค่อนข้างง่าย รูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศไดอิเล็กทริก ได้แก่ รูปทรงผีเสื้อ รูปทรง U สองตัว รูปทรงลอการิทึมแบบธรรมดา และรูปทรงไซน์เป็นระยะแบบลอการิทึม อย่างไรก็ตาม เสาอากาศไดอิเล็กทริกยังมีข้อบกพร่องร้ายแรง นั่นคือ เอฟเฟกต์คลื่นพื้นผิวที่เกิดจากซับสเตรตหนา วิธีแก้ปัญหาคือ โหลดเลนส์และเปลี่ยนซับสเตรตไดอิเล็กทริกด้วยโครงสร้าง EBG ทั้งสองวิธีต้องใช้ความคิดสร้างสรรค์และการปรับปรุงเทคโนโลยีกระบวนการและวัสดุอย่างต่อเนื่อง แต่ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม (เช่น การทำงานรอบทิศทางและการระงับคลื่นพื้นผิว) สามารถให้แนวคิดใหม่ๆ สำหรับการวิจัยเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ได้
3. เสาอากาศวัสดุใหม่: ปัจจุบันเสาอากาศไดโพลใหม่ที่ทำจากคาร์บอนนาโนทิวบ์และโครงสร้างเสาอากาศใหม่ที่ทำจากเมตาแมทีเรียลได้ปรากฏขึ้น วัสดุใหม่สามารถนำมาซึ่งความก้าวหน้าด้านประสิทธิภาพใหม่ แต่หลักการก็คือการคิดค้นวัสดุศาสตร์ ปัจจุบันการวิจัยเสาอากาศวัสดุใหม่ยังคงอยู่ในระยะสำรวจ และเทคโนโลยีสำคัญหลายอย่างยังไม่สมบูรณ์เพียงพอ
โดยสรุป สามารถเลือกเสาอากาศเทราเฮิรตซ์ประเภทต่างๆ ตามความต้องการในการออกแบบได้:
1) หากต้องการการออกแบบที่เรียบง่ายและต้นทุนการผลิตต่ำ สามารถเลือกเสาอากาศแบบโลหะได้
2) หากต้องการการผสานรวมสูงและความต้านทานอินพุตต่ำ สามารถเลือกเสาอากาศไดอิเล็กตริกได้
3) หากต้องการการพัฒนาประสิทธิภาพให้ดีขึ้น อาจเลือกใช้เสาอากาศวัสดุใหม่ได้
การออกแบบดังกล่าวข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการเฉพาะ ตัวอย่างเช่น เสาอากาศสองประเภทสามารถรวมกันเพื่อให้ได้ประโยชน์มากขึ้น แต่จะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวิธีการประกอบและเทคโนโลยีการออกแบบ
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์ : 02-08-2024
