Avec la popularité croissante des appareils sans fil, les services de données connaissent une nouvelle phase de développement rapide, également appelée croissance exponentielle. Actuellement, de nombreuses applications migrent progressivement des ordinateurs vers des appareils sans fil tels que les téléphones mobiles, faciles à transporter et à utiliser en temps réel. Cette situation a également entraîné une augmentation rapide du trafic de données et une pénurie de bande passante. Selon les statistiques, le débit de données sur le marché pourrait atteindre le Gbps, voire le Tbps, dans les 10 à 15 prochaines années. À l'heure actuelle, la communication THz a atteint un débit de données de l'ordre du Gbps, tandis que le débit du Tbps est encore à ses débuts. Un article recense les dernières avancées en matière de débits de données Gbps basés sur la bande THz et prévoit que le Tbps pourra être atteint grâce au multiplexage de polarisation. Par conséquent, pour augmenter le débit de transmission de données, une solution envisageable consiste à développer une nouvelle bande de fréquences : la bande térahertz, située dans la zone intermédiaire entre les micro-ondes et l'infrarouge. Lors de la Conférence mondiale des radiocommunications (CMR-19) de l'UIT en 2019, la bande de fréquences 275-450 GHz a été utilisée pour les services fixes et mobiles terrestres. On constate ainsi que les systèmes de communication sans fil térahertz ont suscité un vif intérêt chez de nombreux chercheurs.
Les ondes électromagnétiques térahertz sont généralement définies comme la bande de fréquences de 0,1 à 10 THz (1 THz = 10¹² Hz) avec une longueur d'onde de 0,03 à 3 mm. Selon la norme IEEE, les ondes térahertz sont définies comme la bande de fréquences de 0,3 à 10 THz. La figure 1 montre que la bande de fréquences térahertz se situe entre les micro-ondes et l'infrarouge.
Fig. 1 Schéma de la bande de fréquence THz.
Développement des antennes térahertz
Bien que les recherches sur les térahertz aient débuté au XIXe siècle, elles n'étaient pas alors considérées comme un domaine d'étude indépendant. Les recherches sur le rayonnement térahertz se concentraient principalement sur la bande de l'infrarouge lointain. Ce n'est qu'au milieu du XXe siècle que les chercheurs ont commencé à étendre leurs recherches sur les ondes millimétriques à la bande térahertz et à mener des recherches spécialisées sur les technologies térahertz.
Dans les années 1980, l'apparition des sources de rayonnement térahertz a rendu possible l'application des ondes térahertz dans des systèmes concrets. Depuis le début du XXIe siècle, les technologies de communication sans fil se sont rapidement développées, et la demande croissante d'informations ainsi que la multiplication des équipements de communication ont imposé des exigences toujours plus strictes en matière de débit de transmission des données. Par conséquent, l'un des défis des technologies de communication futures est d'atteindre un débit de données élevé, de l'ordre du gigabit par seconde, en un seul lieu. Dans le contexte actuel de développement économique, les ressources spectrales se raréfient. Or, les besoins humains en matière de capacité et de vitesse de communication sont illimités. Face au problème de la congestion du spectre, de nombreuses entreprises utilisent la technologie MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) pour améliorer l'efficacité spectrale et la capacité du système grâce au multiplexage spatial. Avec le déploiement des réseaux 5G, le débit de connexion de chaque utilisateur dépassera le gigabit par seconde, et le trafic de données des stations de base augmentera considérablement. Les systèmes de communication traditionnels par ondes millimétriques, utilisant des liaisons micro-ondes, ne pourront pas gérer ces flux de données massifs. De plus, en raison de la limitation de la portée visuelle, la distance de transmission des communications infrarouges est courte et l'emplacement des équipements de communication est fixe. Par conséquent, les ondes térahertz (THz), intermédiaires entre les micro-ondes et l'infrarouge, peuvent être utilisées pour construire des systèmes de communication à haut débit et augmenter les débits de transmission de données grâce à des liaisons THz.
Les ondes térahertz offrent une bande passante de communication plus large, leur gamme de fréquences étant environ 1 000 fois supérieure à celle des communications mobiles. Par conséquent, l’utilisation des ondes térahertz pour la conception de systèmes de communication sans fil ultra-rapides constitue une solution prometteuse au défi des débits de données élevés, ce qui a suscité l’intérêt de nombreux groupes de recherche et industriels. En septembre 2017, la première norme de communication sans fil térahertz, IEEE 802.15.3d-2017, a été publiée. Elle définit l’échange de données point à point dans la gamme de fréquences térahertz inférieures (252-325 GHz). La couche physique (PHY) alternative de la liaison permet d’atteindre des débits de données allant jusqu’à 100 Gbit/s à différentes bandes passantes.
Le premier système de communication THz réussi de 0,12 THz a été établi en 2004, et le système de communication THz de 0,3 THz a été réalisé en 2013. Le tableau 1 répertorie les progrès de la recherche sur les systèmes de communication térahertz au Japon de 2004 à 2013.
Tableau 1 Progrès de la recherche sur les systèmes de communication térahertz au Japon de 2004 à 2013
La structure d'antenne d'un système de communication développé en 2004 a été décrite en détail par Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) en 2005. La configuration de l'antenne a été introduite dans deux cas, comme le montre la figure 2.
Figure 2 Schéma du système de communication sans fil NTT 120 GHz du Japon
Le système intègre la conversion photoélectrique et l'antenne et adopte deux modes de fonctionnement :
1. Dans un environnement intérieur à courte portée, l'émetteur d'antenne planaire utilisé à l'intérieur est constitué d'une puce de photodiode porteuse à ligne unique (UTC-PD), d'une antenne à fente planaire et d'une lentille en silicium, comme illustré sur la figure 2(a).
2. En extérieur, sur de longues distances, afin de compenser les pertes de transmission importantes et la faible sensibilité du détecteur, l'antenne émettrice doit présenter un gain élevé. L'antenne térahertz existante utilise une lentille optique gaussienne avec un gain supérieur à 50 dBi. La combinaison du cornet d'alimentation et de la lentille diélectrique est illustrée sur la figure 2(b).
Outre le développement d'un système de communication à 0,12 THz, NTT a également mis au point un système à 0,3 THz en 2012. Grâce à une optimisation continue, le débit de transmission peut atteindre 100 Gbit/s. Comme le montre le tableau 1, ce système a largement contribué au développement des communications térahertz. Cependant, les travaux de recherche actuels présentent les inconvénients suivants : faible fréquence de fonctionnement, taille importante et coût élevé.
La plupart des antennes térahertz actuellement utilisées sont des versions modifiées d'antennes à ondes millimétriques, et l'innovation dans le domaine des antennes térahertz reste limitée. Par conséquent, l'optimisation des antennes térahertz est essentielle pour améliorer les performances des systèmes de communication térahertz. Le tableau 2 présente l'état d'avancement de la recherche en communication THz en Allemagne. La figure 3 (a) illustre un système de communication sans fil THz représentatif, combinant photonique et électronique. La figure 3 (b) montre le dispositif de test en soufflerie. Au vu de l'état actuel de la recherche en Allemagne, les activités de recherche et développement présentent des inconvénients tels qu'une faible fréquence de fonctionnement, un coût élevé et un faible rendement.
Tableau 2. État d'avancement de la recherche sur les communications THz en Allemagne
Figure 3 Scène d'essai en soufflerie
Le Centre des TIC du CSIRO a également entrepris des recherches sur les systèmes de communication sans fil d'intérieur en térahertz (THz). Le centre a étudié la relation entre l'année et la fréquence de communication, comme illustré à la figure 4. On constate, d'ici 2020, que la recherche en communications sans fil s'oriente vers la bande THz. La fréquence de communication maximale utilisant le spectre radioélectrique est multipliée par dix environ tous les vingt ans. Le centre a formulé des recommandations concernant les exigences relatives aux antennes THz et a proposé des antennes traditionnelles, telles que les antennes cornet et les lentilles, pour les systèmes de communication THz. Comme le montre la figure 5, deux antennes cornet fonctionnent respectivement à 0,84 THz et 1,7 THz, avec une structure simple et un faisceau gaussien performant.
Figure 4 Relation entre l'année et la fréquence
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Figure 5 Deux types d'antennes cornet
Les États-Unis ont mené des recherches approfondies sur l'émission et la détection des ondes térahertz. Parmi les laboratoires de recherche térahertz les plus réputés figurent le Jet Propulsion Laboratory (JPL), le Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), le Laboratoire national des sciences des États-Unis (LLNL), la NASA et la National Science Foundation (NSF). De nouvelles antennes térahertz, telles que les antennes en forme de nœud papillon et les antennes à faisceau orientable, ont été conçues pour diverses applications. L'évolution des antennes térahertz a permis de dégager trois principes de conception fondamentaux, illustrés à la figure 6.
Figure 6 Trois idées de conception de base pour les antennes térahertz
L'analyse précédente montre que, malgré l'intérêt que portent de nombreux pays aux antennes térahertz, celles-ci n'en sont encore qu'à leurs balbutiements. En raison des fortes pertes de propagation et de l'absorption moléculaire, la portée et la couverture des antennes THz sont généralement limitées. Certaines études se concentrent sur les basses fréquences de fonctionnement dans la bande THz. Les recherches actuelles sur les antennes térahertz visent principalement à améliorer le gain grâce à l'utilisation d'antennes à lentille diélectrique, et à optimiser l'efficacité de la communication par des algorithmes appropriés. Par ailleurs, l'amélioration de l'efficacité du conditionnement des antennes térahertz constitue également un enjeu majeur.
Antennes THz générales
Il existe de nombreux types d'antennes THz : antennes dipôles à cavités coniques, réseaux de réflecteurs d'angle, dipôles en forme de nœud papillon, antennes planaires à lentille diélectrique, antennes photoconductrices pour la génération de rayonnement THz, antennes cornet, antennes THz à base de graphène, etc. Selon les matériaux utilisés, on peut les classer en trois grandes catégories : les antennes métalliques (principalement les antennes cornet), les antennes diélectriques (antennes à lentille) et les antennes en nouveaux matériaux. Cette section présente d'abord une analyse préliminaire de ces antennes, puis la section suivante décrit et analyse en détail cinq antennes THz typiques.
1. Antennes métalliques
L'antenne cornet est une antenne métallique classique conçue pour fonctionner dans la bande térahertz (THz). L'antenne d'un récepteur classique à ondes millimétriques est un cornet conique. Les antennes ondulées et bimodes présentent de nombreux avantages, notamment des diagrammes de rayonnement à symétrie de révolution, un gain élevé de 20 à 30 dBi, un faible niveau de polarisation croisée de -30 dB et un rendement de couplage de 97 % à 98 %. Les bandes passantes disponibles pour les deux types d'antennes cornet sont respectivement de 30 % à 40 % et de 6 % à 8 %.
Du fait de la très haute fréquence des ondes térahertz, la taille des antennes cornet doit être extrêmement réduite, ce qui complexifie considérablement leur fabrication, notamment pour la conception de réseaux d'antennes. Cette complexité engendre des coûts excessifs et limite la production. Compte tenu des difficultés de fabrication de la base des cornets complexes, on privilégie généralement les antennes cornet simples, de forme conique ou allongée, qui permettent de réduire les coûts et la complexité de fabrication tout en préservant de bonnes performances de rayonnement.
Une autre antenne métallique est l'antenne pyramidale à ondes progressives. Elle est constituée d'une antenne à ondes progressives intégrée sur un film diélectrique de 1,2 µm et suspendue dans une cavité longitudinale gravée sur une plaquette de silicium, comme illustré sur la figure 7. Cette antenne, de structure ouverte, est compatible avec les diodes Schottky. Grâce à sa structure relativement simple et à ses faibles exigences de fabrication, elle peut généralement être utilisée dans les bandes de fréquences supérieures à 0,6 THz. Cependant, le niveau des lobes secondaires et le niveau de polarisation croisée de l'antenne sont élevés, probablement en raison de sa structure ouverte. Par conséquent, son rendement de couplage est relativement faible (environ 50 %).
Figure 7 Antenne pyramidale à onde progressive
2. Antenne diélectrique
L'antenne diélectrique est composée d'un substrat diélectrique et d'un élément rayonnant. Grâce à une conception appropriée, elle permet une adaptation d'impédance avec le détecteur et présente l'avantage d'une fabrication simple, d'une intégration aisée et d'un faible coût. Ces dernières années, des chercheurs ont conçu plusieurs antennes latérales à bande étroite et à large bande, adaptées aux détecteurs à faible impédance des antennes diélectriques térahertz : antenne papillon, antenne en double U, antenne log-périodique et antenne sinusoïdale log-périodique (voir figure 8). Par ailleurs, des géométries d'antennes plus complexes peuvent être conçues grâce à des algorithmes génétiques.
Figure 8 Quatre types d'antennes planaires
Cependant, l'antenne diélectrique étant associée à un substrat diélectrique, un effet d'onde de surface se produit lorsque la fréquence approche la bande THz. Cet inconvénient majeur entraîne une importante perte d'énergie de l'antenne en fonctionnement et une réduction significative de son rendement de rayonnement. Comme illustré sur la figure 9, lorsque l'angle de rayonnement de l'antenne dépasse l'angle de coupure, son énergie est confinée dans le substrat diélectrique et couplée au mode de substrat.
Figure 9 Effet d'onde de surface de l'antenne
Lorsque l'épaisseur du substrat augmente, le nombre de modes d'ordre supérieur augmente également, de même que le couplage entre l'antenne et le substrat, ce qui entraîne des pertes d'énergie. Afin d'atténuer l'effet des ondes de surface, trois méthodes d'optimisation sont possibles :
1) Charger une lentille sur l'antenne pour augmenter le gain en utilisant les caractéristiques de formation de faisceau des ondes électromagnétiques.
2) Réduire l'épaisseur du substrat pour supprimer la génération de modes d'ordre élevé des ondes électromagnétiques.
3) Remplacer le matériau diélectrique du substrat par un matériau à bande interdite électromagnétique (EBG). Les caractéristiques de filtrage spatial de l'EBG permettent de supprimer les modes d'ordre élevé.
3. Antennes en nouveaux matériaux
Outre les deux antennes mentionnées précédemment, il existe également une antenne térahertz fabriquée à partir de nouveaux matériaux. Par exemple, en 2006, Jin Hao et al. ont proposé une antenne dipôle à nanotubes de carbone. Comme illustré sur la figure 10 (a), le dipôle est constitué de nanotubes de carbone et non de matériaux métalliques. Ils ont étudié en détail les propriétés infrarouges et optiques de cette antenne et ont analysé ses caractéristiques générales, telles que l'impédance d'entrée, la distribution du courant, le gain, le rendement et le diagramme de rayonnement. La figure 10 (b) présente la relation entre l'impédance d'entrée et la fréquence de cette antenne. On observe sur cette figure que la partie imaginaire de l'impédance d'entrée présente plusieurs zéros aux hautes fréquences. Ceci indique que l'antenne peut atteindre plusieurs résonances à différentes fréquences. De toute évidence, l'antenne à nanotubes de carbone présente une résonance dans une certaine gamme de fréquences (basses fréquences THz), mais ne résonne pas en dehors de cette gamme.
Figure 10 (a) Antenne dipôle en nanotubes de carbone. (b) Courbe d'impédance d'entrée en fonction de la fréquence
En 2012, Samir F. Mahmoud et Ayed R. AlAjmi ont proposé une nouvelle structure d'antenne térahertz à base de nanotubes de carbone. Cette structure est constituée d'un faisceau de nanotubes de carbone enveloppé de deux couches diélectriques : une couche de mousse diélectrique interne et une couche de métamatériau externe. La structure est illustrée figure 11. Les tests ont démontré que les performances de rayonnement de cette antenne sont supérieures à celles des antennes à nanotubes de carbone monocouches.
Figure 11 Nouvelle antenne térahertz à base de nanotubes de carbone
Les antennes térahertz à base de nouveaux matériaux proposées ci-dessus sont principalement tridimensionnelles. Afin d'améliorer la bande passante de l'antenne et de réaliser des antennes conformes, les antennes planaires en graphène ont suscité un vif intérêt. Le graphène possède d'excellentes caractéristiques de contrôle dynamique continu et peut générer un plasma de surface par ajustement de la tension de polarisation. Ce plasma de surface se forme à l'interface entre des substrats à constante diélectrique positive (tels que le silicium, le dioxyde de silicium, etc.) et des substrats à constante diélectrique négative (tels que les métaux précieux, le graphène, etc.). Les conducteurs, comme les métaux précieux et le graphène, contiennent un grand nombre d'électrons libres, également appelés plasmas. Du fait du champ de potentiel inhérent au conducteur, ces plasmas sont dans un état stable et ne sont pas perturbés par l'environnement extérieur. Lorsqu'une onde électromagnétique incidente interagit avec ces plasmas, ces derniers s'écartent de leur état stationnaire et vibrent. Après conversion, le mode électromagnétique génère une onde magnétique transversale à l'interface. D'après le modèle de Drude décrivant la relation de dispersion du plasma de surface métallique, les métaux ne peuvent pas se coupler naturellement aux ondes électromagnétiques dans le vide et convertir leur énergie. Il est donc nécessaire d'utiliser d'autres matériaux pour exciter les ondes de plasma de surface. Ces ondes s'atténuent rapidement parallèlement à l'interface métal-substrat. Lorsque le conducteur métallique conduit perpendiculairement à la surface, un effet de peau apparaît. De toute évidence, la petite taille de l'antenne induit un effet de peau dans la bande des hautes fréquences, ce qui provoque une chute brutale de ses performances et la rend inadaptée aux exigences des antennes térahertz. Le plasmon de surface du graphène présente non seulement une force de liaison plus élevée et des pertes plus faibles, mais permet également un réglage électrique continu. De plus, le graphène possède une conductivité complexe dans la bande térahertz. Par conséquent, la propagation lente des ondes est liée au mode plasma aux fréquences térahertz. Ces caractéristiques démontrent pleinement la faisabilité du graphène pour remplacer les matériaux métalliques dans la bande térahertz.
En s'appuyant sur le comportement de polarisation des plasmons de surface du graphène, la figure 12 présente un nouveau type d'antenne ruban et propose la forme de bande des caractéristiques de propagation des ondes de plasma dans le graphène. La conception d'une antenne à bande accordable offre une nouvelle approche pour étudier les caractéristiques de propagation des antennes térahertz en matériaux innovants.
Figure 12 Nouvelle antenne ruban
Outre l'exploration de nouveaux matériaux pour les éléments d'antennes térahertz, les antennes térahertz à nanopatchs de graphène peuvent également être conçues en réseaux pour réaliser des systèmes de communication à antennes multi-entrées et multi-sorties térahertz. La structure de l'antenne est illustrée à la figure 13. Grâce aux propriétés uniques des antennes à nanopatchs de graphène, les éléments d'antenne présentent des dimensions micrométriques. Le dépôt chimique en phase vapeur permet de synthétiser directement différentes images de graphène sur une fine couche de nickel et de les transférer sur n'importe quel substrat. En sélectionnant un nombre approprié de composants et en modifiant la tension de polarisation électrostatique, la direction de rayonnement peut être efficacement modifiée, rendant ainsi le système reconfigurable.
Figure 13 Réseau d'antennes térahertz à nanopatchs de graphène
La recherche de nouveaux matériaux est un domaine relativement récent. L'innovation dans ce domaine devrait permettre de dépasser les limitations des antennes traditionnelles et de développer une variété de nouvelles antennes, telles que les métamatériaux reconfigurables, les matériaux bidimensionnels (2D), etc. Cependant, ce type d'antenne repose principalement sur l'innovation en matière de matériaux et les progrès des procédés de fabrication. Quoi qu'il en soit, le développement d'antennes térahertz exige des matériaux innovants, des techniques de fabrication précises et des structures de conception novatrices afin de répondre aux exigences de gain élevé, de faible coût et de large bande passante de ces antennes.
Ce qui suit présente les principes de base de trois types d'antennes térahertz : les antennes métalliques, les antennes diélectriques et les antennes en nouveaux matériaux, et analyse leurs différences, leurs avantages et leurs inconvénients.
1. Antenne métallique : Sa géométrie est simple, sa fabrication aisée, son coût relativement faible et ses exigences en matière de substrat peu contraignantes. Cependant, le réglage de la position de l’antenne métallique s’effectue par une méthode mécanique, sujette aux erreurs. Un réglage incorrect peut fortement dégrader ses performances. De plus, malgré sa petite taille, l’intégration d’une antenne métallique à un circuit planaire s’avère complexe.
2. Antenne diélectrique : L’antenne diélectrique présente une faible impédance d’entrée, s’adapte facilement à un détecteur à faible impédance et se connecte relativement simplement à un circuit planaire. Ses formes géométriques incluent la forme papillon, la forme en double U, la forme logarithmique classique et la forme sinusoïdale périodique logarithmique. Cependant, les antennes diélectriques souffrent d’un défaut majeur : l’effet d’ondes de surface dû à l’épaisseur du substrat. Pour y remédier, on peut utiliser une lentille et remplacer le substrat diélectrique par une structure EBG. Ces deux solutions nécessitent des innovations et une amélioration continue des procédés de fabrication et des matériaux, mais leurs excellentes performances (omnidirectionnalité et suppression des ondes de surface, par exemple) ouvrent de nouvelles perspectives pour la recherche sur les antennes térahertz.
3. Antennes en nouveaux matériaux : Actuellement, de nouvelles antennes dipôles en nanotubes de carbone et de nouvelles structures d’antennes en métamatériaux ont fait leur apparition. Ces nouveaux matériaux peuvent engendrer des progrès considérables en matière de performances, mais cela suppose une innovation dans le domaine des sciences des matériaux. À l’heure actuelle, la recherche sur les antennes en nouveaux matériaux est encore au stade exploratoire et de nombreuses technologies clés ne sont pas encore suffisamment matures.
En résumé, différents types d'antennes térahertz peuvent être sélectionnés en fonction des exigences de conception :
1) Si une conception simple et un faible coût de production sont requis, des antennes métalliques peuvent être sélectionnées.
2) Si une intégration élevée et une faible impédance d'entrée sont requises, des antennes diélectriques peuvent être sélectionnées.
3) Si une percée en matière de performances est nécessaire, de nouvelles antennes en matériaux peuvent être sélectionnées.
Les conceptions décrites ci-dessus peuvent être adaptées à des exigences spécifiques. Par exemple, deux types d'antennes peuvent être combinés pour optimiser leurs performances, mais la méthode d'assemblage et la technologie de conception doivent alors répondre à des exigences plus strictes.
Pour en savoir plus sur les antennes, veuillez consulter :
Date de publication : 2 août 2024
