Avec la popularité croissante des appareils sans fil, les services de données sont entrés dans une nouvelle période de développement rapide, également connue sous le nom de croissance explosive des services de données. À l'heure actuelle, un grand nombre d'applications migrent progressivement des ordinateurs vers des appareils sans fil tels que les téléphones mobiles, faciles à transporter et à utiliser en temps réel, mais cette situation a également conduit à une augmentation rapide du trafic de données et à une pénurie de ressources en bande passante. . Selon les statistiques, le débit de données sur le marché pourrait atteindre Gbps, voire Tbps, dans les 10 à 15 prochaines années. À l’heure actuelle, la communication THz a atteint un débit de données Gbps, alors que le débit de données Tbps en est encore aux premiers stades de développement. Un article connexe répertorie les derniers progrès en matière de débits de données Gbps basés sur la bande THz et prédit que Tbps peut être obtenu grâce au multiplexage de polarisation. Par conséquent, pour augmenter le débit de transmission des données, une solution réalisable consiste à développer une nouvelle bande de fréquences, la bande térahertz, qui se situe dans la « zone vide » entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Lors de la Conférence mondiale des radiocommunications de l'UIT (CMR-19) en 2019, la gamme de fréquences de 275 à 450 GHz a été utilisée pour les services fixes et mobiles terrestres. On constate que les systèmes de communication sans fil térahertz ont attiré l’attention de nombreux chercheurs.
Les ondes électromagnétiques térahertz sont généralement définies comme une bande de fréquences de 0,1 à 10 THz (1THz = 1 012 Hz) avec une longueur d'onde de 0,03 à 3 mm. Selon la norme IEEE, les ondes térahertz sont définies comme étant de 0,3 à 10 THz. La figure 1 montre que la bande de fréquences térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge.
Fig. 1 Diagramme schématique de la bande de fréquence THz.
Développement d'antennes Térahertz
Bien que la recherche sur le térahertz ait commencé au 19ème siècle, elle n’était pas étudiée en tant que domaine indépendant à cette époque. Les recherches sur le rayonnement térahertz se sont principalement concentrées sur la bande infrarouge lointain. Ce n’est qu’au milieu et à la fin du 20e siècle que les chercheurs ont commencé à faire progresser la recherche sur les ondes millimétriques jusqu’à la bande térahertz et à mener des recherches spécialisées sur la technologie térahertz.
Dans les années 1980, l’émergence des sources de rayonnement térahertz a rendu possible l’application des ondes térahertz dans des systèmes pratiques. Depuis le 21e siècle, la technologie de communication sans fil s'est développée rapidement, et la demande d'informations de la population ainsi que l'augmentation du nombre d'équipements de communication ont imposé des exigences plus strictes en matière de débit de transmission des données de communication. Par conséquent, l’un des défis des futures technologies de communication est de fonctionner à un débit de données élevé de l’ordre de gigabits par seconde en un seul endroit. Dans le contexte du développement économique actuel, les ressources spectrales sont devenues de plus en plus rares. Cependant, les besoins humains en matière de capacité et de vitesse de communication sont infinis. Pour résoudre le problème de la congestion du spectre, de nombreuses entreprises utilisent la technologie MIMO (entrées multiples, sorties multiples) pour améliorer l'efficacité du spectre et la capacité du système grâce au multiplexage spatial. Avec l'avancement des réseaux 5G, la vitesse de connexion des données de chaque utilisateur dépassera le Gbps et le trafic de données des stations de base augmentera également considérablement. Pour les systèmes de communication à ondes millimétriques traditionnels, les liaisons micro-ondes ne seront pas en mesure de gérer ces énormes flux de données. De plus, en raison de l'influence de la ligne de mire, la distance de transmission de la communication infrarouge est courte et l'emplacement de son équipement de communication est fixe. Par conséquent, les ondes THz, qui se situent 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 en utilisant des liaisons THz.
Les ondes térahertz peuvent fournir une bande passante de communication plus large et leur plage de fréquences est environ 1 000 fois supérieure à celle des communications mobiles. Par conséquent, l’utilisation du THz pour construire des systèmes de communication sans fil à très haut débit constitue une solution prometteuse au défi des débits de données élevés, qui a suscité l’intérêt de nombreuses équipes de recherche et industries. En septembre 2017, la première norme de communication sans fil THz, IEEE 802.15.3d-2017, a été publiée, qui définit l'échange de données point à point dans la plage de fréquences THz inférieure de 252 à 325 GHz. La couche physique alternative (PHY) du lien peut atteindre des débits de données allant jusqu'à 100 Gbit/s sur différentes bandes passantes.
Le premier système de communication THz réussi de 0,12 THz a été créé 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 de l'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 une conversion photoélectrique et une antenne et adopte deux modes de fonctionnement :
1. Dans un environnement intérieur à courte portée, l'émetteur d'antenne planaire utilisé à l'intérieur se compose d'une puce de photodiode à support monoligne (UTC-PD), d'une antenne planaire à fente et d'une lentille en silicium, comme le montre la figure 2(a).
2. Dans un environnement extérieur à longue portée, afin d'améliorer l'influence d'une perte de transmission importante et d'une faible sensibilité du détecteur, l'antenne émettrice doit avoir un gain élevé. L'antenne térahertz existante utilise une lentille optique gaussienne avec un gain supérieur à 50 dBi. La combinaison cornet d'alimentation et lentille diélectrique est illustrée à la figure 2 (b).
En plus de développer un système de communication à 0,12 THz, NTT a également développé un système de communication 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, il a grandement contribué au développement de la communication térahertz. Cependant, les travaux de recherche actuels présentent les inconvénients d’une faible fréquence de fonctionnement, d’une grande taille et d’un coût élevé.
La plupart des antennes térahertz actuellement utilisées sont modifiées à partir des antennes à ondes millimétriques, et il y a peu d'innovation dans les antennes térahertz. Par conséquent, afin d’améliorer les performances des systèmes de communication térahertz, une tâche importante consiste à optimiser les antennes térahertz. Le tableau 2 répertorie les progrès de la recherche sur la communication THz allemande. La figure 3 (a) montre un système de communication sans fil THz représentatif combinant photonique et électronique. La figure 3 (b) montre la scène du test en soufflerie. À en juger par la situation actuelle de la recherche en Allemagne, sa recherche et son développement présentent également des inconvénients tels qu'une faible fréquence de fonctionnement, un coût élevé et une faible efficacité.
Tableau 2 Progrès de la recherche sur la communication THz en Allemagne
Figure 3 Scène de test en soufflerie
Le CSIRO ICT Center a également lancé des recherches sur les systèmes de communication sans fil intérieurs THz. Le centre a étudié la relation entre l'année et la fréquence de communication, comme le montre la figure 4. Comme le montre la figure 4, d'ici 2020, la recherche sur les communications sans fil s'orientera vers la bande THz. La fréquence maximale de communication utilisant le spectre radioélectrique augmente environ dix fois tous les vingt ans. Le centre a formulé des recommandations sur les exigences relatives aux antennes THz et a proposé des antennes traditionnelles telles que des cornes et des 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 de bonnes performances de faisceau gaussien.
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. Les laboratoires de recherche térahertz célèbres incluent le Jet Propulsion Laboratory (JPL), le Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), le US National Laboratory (LLNL), la National Aeronautics and Space Administration (NASA), la National Science Foundation (NSF), etc. De nouvelles antennes térahertz pour les applications térahertz ont été conçues, telles que des antennes nœud papillon et des antennes de direction de faisceau de fréquence. Selon le développement des antennes térahertz, nous pouvons actuellement obtenir trois idées de conception de base pour les antennes térahertz, comme le montre la figure 6.
Figure 6 Trois idées de conception de base pour les antennes térahertz
L'analyse ci-dessus montre que, bien que de nombreux pays aient accordé une grande attention aux antennes térahertz, celles-ci en sont encore au stade initial d'exploration et de développement. En raison de la perte de propagation et de l'absorption moléculaire élevées, les antennes THz sont généralement limitées par la distance de transmission et la couverture. Certaines études se concentrent sur les fréquences de fonctionnement inférieures dans la bande THz. Les recherches existantes sur les antennes térahertz se concentrent principalement sur l'amélioration du gain en utilisant des antennes à lentille diélectrique, etc., et sur l'amélioration de l'efficacité de la communication en utilisant des algorithmes appropriés. En outre, la manière d’améliorer l’efficacité du conditionnement des antennes térahertz est également une question très urgente.
Antennes THz générales
Il existe de nombreux types d'antennes THz disponibles : antennes dipôles à cavités coniques, réseaux de réflecteurs d'angle, dipôles nœud papillon, antennes planaires à lentilles diélectriques, antennes photoconductrices pour générer des sources de rayonnement THz, antennes cornet, antennes THz à base de matériaux graphène, etc. Les matériaux utilisés pour fabriquer les antennes THz peuvent être grossièrement divisés en antennes métalliques (principalement des antennes cornet), des antennes diélectriques (antennes à lentille) et des antennes en nouveaux matériaux. Cette section donne d'abord une analyse préliminaire de ces antennes, puis dans la section suivante, cinq antennes THz typiques sont présentées en détail et analysées en profondeur.
1. Antennes métalliques
L'antenne cornet est une antenne métallique typique conçue pour fonctionner dans la bande THz. L'antenne d'un récepteur à ondes millimétriques classique est un cornet conique. Les antennes ondulées et bimodes présentent de nombreux avantages, notamment des diagrammes de rayonnement à symétrie de rotation, un gain élevé de 20 à 30 dBi et un faible niveau de polarisation croisée de -30 dB, ainsi qu'une efficacité de couplage de 97 % à 98 %. Les bandes passantes disponibles des deux antennes cornet sont respectivement de 30 à 40 % et de 6 à 8 %.
Étant donné que la fréquence des ondes térahertz est très élevée, la taille de l'antenne cornet est très petite, ce qui rend le traitement du cornet très difficile, en particulier dans la conception des réseaux d'antennes, et la complexité de la technologie de traitement entraîne des coûts et des coûts excessifs. production limitée. En raison de la difficulté de fabriquer le bas de la conception complexe du cornet, une simple antenne cornet sous la forme d'un cornet conique ou conique est généralement utilisée, ce qui peut réduire le coût et la complexité du processus, et les performances de rayonnement de l'antenne peuvent être maintenues. Bien.
Une autre antenne métallique est une antenne pyramidale à ondes progressives, qui consiste en une antenne à ondes progressives intégrée sur un film diélectrique de 1,2 microns et suspendue dans une cavité longitudinale gravée sur une plaquette de silicium, comme le montre la figure 7. Cette antenne est une structure ouverte qui est compatible avec les diodes Schottky. En raison de sa structure relativement simple et de ses faibles exigences de fabrication, il peut généralement être utilisé dans des bandes de fréquences supérieures à 0,6 THz. Cependant, le niveau des lobes latéraux et le niveau de polarisation croisée de l'antenne sont élevés, probablement en raison de sa structure ouverte. Son efficacité de couplage est donc relativement faible (environ 50 %).
Figure 7 Antenne pyramidale à ondes progressives
2. Antenne diélectrique
L'antenne diélectrique est une combinaison d'un substrat diélectrique et d'un radiateur d'antenne. Grâce à une conception appropriée, l'antenne diélectrique peut réaliser une adaptation d'impédance avec le détecteur et présente les avantages d'un processus simple, d'une intégration facile et d'un faible coût. Ces dernières années, les chercheurs ont conçu plusieurs antennes latérales à bande étroite et large bande qui peuvent correspondre aux détecteurs à faible impédance des antennes diélectriques térahertz : antenne papillon, antenne double en forme de U, antenne log-périodique et antenne sinusoïdale log-périodique, comme illustré à la figure 8. De plus, des géométries d'antennes plus complexes peuvent être conçues grâce à des algorithmes génétiques.
Figure 8 Quatre types d'antennes planaires
Cependant, étant donné que l'antenne diélectrique est combinée à un substrat diélectrique, un effet d'onde de surface se produira lorsque la fréquence tendra vers la bande THz. Cet inconvénient fatal entraînera une perte importante d'énergie de l'antenne pendant le fonctionnement et entraînera une réduction significative de l'efficacité du rayonnement de l'antenne. Comme le montre la figure 9, lorsque l'angle de rayonnement de l'antenne est supérieur à l'angle de coupure, son énergie est confinée dans le substrat diélectrique et couplée au mode du substrat.
Figure 9 Effet des ondes de surface de l'antenne
À mesure que l’épaisseur du substrat augmente, le nombre de modes d’ordre élevé augmente et le couplage entre l’antenne et le substrat augmente, entraînant une perte d’énergie. Afin d'affaiblir l'effet des ondes de surface, il existe trois schémas d'optimisation :
1) Chargez une lentille sur l'antenne pour augmenter le gain en utilisant les caractéristiques de formation de faisceau des ondes électromagnétiques.
2) Réduisez l’épaisseur du substrat pour supprimer la génération de modes d’ordre élevé d’ondes électromagnétiques.
3) Remplacez le matériau diélectrique du substrat par une bande interdite électromagnétique (EBG). Les caractéristiques de filtrage spatial de l'EBG peuvent supprimer les modes d'ordre élevé.
3. Nouvelles antennes matérielles
En plus des deux antennes ci-dessus, il existe également une antenne térahertz fabriquée à partir de nouveaux matériaux. Par exemple, en 2006, Jin Hao et al. a proposé une antenne dipôle à nanotubes de carbone. Comme le montre la figure 10 (a), le dipôle est constitué de nanotubes de carbone au lieu de matériaux métalliques. Il a soigneusement étudié les propriétés infrarouges et optiques de l'antenne dipôle à nanotubes de carbone et a discuté des caractéristiques générales de l'antenne dipôle à nanotubes de carbone de longueur finie, telles que l'impédance d'entrée, la distribution du courant, le gain, l'efficacité et le diagramme de rayonnement. La figure 10 (b) montre la relation entre l'impédance d'entrée et la fréquence de l'antenne dipôle à nanotubes de carbone. Comme le montre la figure 10 (b), la partie imaginaire de l'impédance d'entrée comporte plusieurs zéros à des fréquences plus élevées. Cela indique que l'antenne peut atteindre plusieurs résonances à différentes fréquences. Évidemment, l’antenne à nanotubes de carbone présente une résonance dans une certaine plage de fréquences (fréquences THz inférieures), mais est totalement incapable de résonner en dehors de cette plage.
Figure 10 (a) Antenne dipôle en nanotubes de carbone. (b) Courbe impédance-fréquence d'entrée
En 2012, Samir F. Mahmoud et Ayed R. AlAjmi ont proposé une nouvelle structure d'antenne térahertz basée sur des nanotubes de carbone, constituée d'un faisceau de nanotubes de carbone enveloppé dans deux couches diélectriques. La couche diélectrique interne est une couche de mousse diélectrique et la couche diélectrique externe est une couche de métamatériau. La structure spécifique est illustrée à la figure 11. Grâce à des tests, les performances de rayonnement de l'antenne ont été améliorées par rapport aux nanotubes de carbone à paroi unique.
Figure 11 Nouvelle antenne térahertz à base de nanotubes de carbone
Les nouvelles antennes térahertz en matériau proposées ci-dessus sont principalement tridimensionnelles. Afin d'améliorer la bande passante de l'antenne et de fabriquer des antennes conformes, les antennes planaires en graphène ont fait l'objet d'une large attention. Le graphène possède d'excellentes caractéristiques de contrôle dynamique continu et peut générer un plasma de surface en ajustant la tension de polarisation. Le plasma de surface existe à l'interface entre les substrats à constante diélectrique positive (tels que Si, SiO2, etc.) et les substrats à constante diélectrique négative (tels que les métaux précieux, le graphène, etc.). Il existe un grand nombre d'« électrons libres » dans les conducteurs tels que les métaux précieux et le graphène. Ces électrons libres sont aussi appelés plasmas. En raison du champ de potentiel inhérent au conducteur, ces plasmas sont dans un état stable et ne sont pas perturbés par le monde extérieur. Lorsque l’énergie des ondes électromagnétiques incidentes est couplée à ces plasmas, les plasmas s’écartent de l’état stable et vibrent. Après la conversion, le mode électromagnétique forme une onde magnétique transversale à l'interface. Selon la description de la relation de dispersion du plasma à la surface des métaux par le modèle Drude, les métaux ne peuvent pas naturellement se coupler aux ondes électromagnétiques dans l'espace libre et convertir l'énergie. Il est nécessaire d'utiliser d'autres matériaux pour exciter les ondes plasmatiques de surface. Les ondes de plasma de surface décroissent rapidement dans la direction parallèle à l'interface métal-substrat. Lorsque le conducteur métallique conduit dans la direction perpendiculaire à la surface, un effet de peau se produit. Évidemment, en raison de la petite taille de l'antenne, il existe un effet de peau dans la bande haute fréquence, ce qui entraîne une forte baisse des performances de l'antenne et ne peut pas répondre aux exigences des antennes térahertz. Le plasmon de surface du graphène a non seulement une force de liaison plus élevée et une perte plus faible, mais prend également en charge un réglage électrique continu. De plus, le graphène a 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.
Basée sur le comportement de polarisation des plasmons de surface du graphène, la figure 12 montre un nouveau type d'antenne bande et propose la forme de bande des caractéristiques de propagation des ondes de plasma dans le graphène. La conception d'une bande d'antenne accordable offre une nouvelle façon d'étudier les caractéristiques de propagation des nouvelles antennes térahertz en matériaux.
Figure 12 Nouvelle antenne ruban
En plus d'explorer de nouveaux éléments d'antenne térahertz en matériaux unitaires, les antennes térahertz nanopatch en graphène peuvent également être conçues sous forme de réseaux pour construire des systèmes de communication d'antennes térahertz multi-entrées et multi-sorties térahertz. La structure de l'antenne est illustrée à la figure 13. Sur la base des propriétés uniques des antennes nanopatch en graphène, les éléments de l'antenne ont des dimensions à l'échelle du micron. Le dépôt chimique en phase vapeur synthétise directement différentes images de graphène sur une fine couche de nickel et les transfère sur n'importe quel substrat. En sélectionnant un nombre approprié de composants et en modifiant la tension de polarisation électrostatique, la direction du rayonnement peut être modifiée efficacement, rendant ainsi le système reconfigurable.
Figure 13 Réseau d'antennes térahertz nanopatch de graphène
La recherche de nouveaux matériaux est une direction relativement nouvelle. L'innovation des matériaux devrait briser les limites des antennes traditionnelles et développer une variété de nouvelles antennes, telles que des métamatériaux reconfigurables, des matériaux bidimensionnels (2D), etc. Cependant, ce type d'antenne dépend principalement de l'innovation de nouveaux matériaux. matériaux et l’avancement de la technologie des procédés. Dans tous les cas, le développement d’antennes térahertz nécessite des matériaux innovants, une technologie de traitement précise et des structures de conception innovantes pour répondre aux exigences de gain élevé, de faible coût et de large bande passante des antennes térahertz.
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 : la géométrie est simple, facile à traiter, son coût est relativement faible et ses exigences en matière de matériaux de substrat sont faibles. Cependant, les antennes métalliques utilisent une méthode mécanique pour ajuster la position de l'antenne, ce qui est sujet aux erreurs. Si le réglage n'est pas correct, les performances de l'antenne seront considérablement réduites. Bien que l’antenne métallique soit de petite taille, elle est difficile à assembler avec un circuit planaire.
2. Antenne diélectrique : l'antenne diélectrique a une faible impédance d'entrée, est facile à assortir avec un détecteur à faible impédance et est relativement simple à connecter à un circuit planaire. Les formes géométriques des antennes diélectriques comprennent la forme papillon, la forme en double U, la forme logarithmique conventionnelle et la forme sinusoïdale périodique logarithmique. Cependant, les antennes diélectriques présentent également un défaut fatal, à savoir l’effet d’onde de surface provoqué par l’épaisseur du substrat. La solution consiste à charger une lentille et à remplacer le substrat diélectrique par une structure EBG. Les deux solutions nécessitent une innovation et une amélioration continue de la technologie des processus et des matériaux, mais leurs excellentes performances (telles que l'omnidirectionnalité et la suppression des ondes de surface) peuvent fournir de nouvelles idées pour la recherche sur les antennes térahertz.
3. Nouvelles antennes matérielles : Actuellement, de nouvelles antennes dipolaires en nanotubes de carbone et de nouvelles structures d'antenne en métamatériaux sont apparues. Les nouveaux matériaux peuvent apporter de nouvelles percées en matière de performances, mais le principe est l'innovation de la science des matériaux. À l’heure actuelle, la recherche sur de nouveaux matériaux pour les antennes en est encore au stade exploratoire et de nombreuses technologies clés ne sont pas 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 termes de performances est requise, de nouvelles antennes matérielles peuvent être sélectionnées.
Les conceptions ci-dessus peuvent également être ajustées en fonction d'exigences spécifiques. Par exemple, deux types d'antennes peuvent être combinés pour obtenir davantage d'avantages, mais la méthode d'assemblage et la technologie de conception doivent répondre à des exigences plus strictes.
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Heure de publication : 02 août 2024
