Avec la popularité croissante des appareils sans fil, les services de données sont entrés dans une nouvelle ère de développement rapide, également connue sous le nom de croissance explosive des services de données. Actuellement, un grand nombre d'applications migrent progressivement des ordinateurs vers des appareils sans fil tels que les téléphones portables, faciles à transporter et à utiliser en temps réel. Cependant, cette situation a également entraîné une augmentation rapide du trafic de données et une pénurie de ressources en bande passante. Selon les statistiques, le débit de données sur le marché pourrait atteindre le Gbit/s, voire le Tbit/s, d'ici 10 à 15 ans. Actuellement, la communication THz a atteint un débit de Gbit/s, tandis que le Tbit/s en est encore à ses débuts. Un article connexe présente les dernières avancées en matière de débits de données Gbit/s basés sur la bande THz et prédit que le Tbit/s pourrait être atteint grâce au multiplexage par 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 vierge entre les micro-ondes et l'infrarouge. Lors de la Conférence mondiale des radiocommunications de l'UIT (CMR-19) de 2019, la gamme de fréquences 275-450 GHz a été utilisée pour les services fixes et mobiles terrestres. On constate que les systèmes de communication sans fil térahertz ont retenu l'attention 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 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 Schéma de principe de la bande de fréquence THz.
Développement d'antennes térahertz
Bien que la recherche sur le rayonnement térahertz ait débuté au XIXe siècle, elle n'était pas encore étudiée comme un domaine d'étude indépendant à cette époque. La recherche sur le rayonnement térahertz se concentrait principalement sur la bande infrarouge lointaine. Ce n'est qu'au milieu ou à la fin du XXe siècle que les chercheurs ont commencé à étendre la recherche sur les ondes millimétriques 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 XXIe siècle, les technologies de communication sans fil se sont développées rapidement. La demande d'information et la multiplication des équipements de communication ont imposé des exigences plus strictes en matière de débit de transmission des données. Par conséquent, l'un des défis des technologies de communication futures est de fonctionner à un débit élevé de l'ordre du gigabit par seconde en un seul endroit. Dans le contexte économique actuel, les ressources spectrales se raréfient. Cependant, les besoins humains en capacité et en débit de communication sont infinis. Pour résoudre le problème de congestion du spectre, de nombreuses entreprises utilisent la technologie MIMO (entrées multiples, sorties multiples) afin d'améliorer l'efficacité du spectre et la capacité du système grâce au multiplexage spatial. Avec l'essor des réseaux 5G, le débit de connexion de chaque utilisateur dépassera le Gbit/s, et le trafic de données des stations de base augmentera également de manière significative. Pour les systèmes de communication à ondes millimétriques traditionnels, les liaisons micro-ondes ne pourront pas gérer ces flux de données massifs. De plus, grâce à l'influence de la visibilité directe, la distance de transmission des communications infrarouges est courte et l'emplacement des équipements de communication est fixe. Par conséquent, les ondes THz, situées 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 aux liaisons THz.
Les ondes térahertz offrent une bande passante de communication plus large, et leur gamme de fréquences est environ 1 000 fois supérieure à celle des communications mobiles. Par conséquent, l'utilisation des ondes térahertz pour la construction de systèmes de communication sans fil à très haut débit constitue une solution prometteuse aux défis des débits élevés, suscitant l'intérêt de nombreuses équipes de recherche et industries. 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 inférieure, comprise entre 252 et 325 GHz. La couche physique alternative (PHY) de la liaison peut atteindre des débits allant jusqu'à 100 Gbit/s à différentes largeurs de bande.
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 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 illustré dans 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 se compose 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 dans la figure 2(a).
2. Dans un environnement extérieur longue portée, afin d'atténuer l'impact des pertes de transmission importantes et de 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 cornet d'alimentation et lentille diélectrique est illustrée à la figure 2(b).
Outre le développement d'un système de communication à 0,12 THz, NTT a également développé en 2012 un système à 0,3 THz. Grâce à une optimisation continue, le débit de transmission peut atteindre 100 Gbit/s. Comme le montre le tableau 1, ce système 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 taille importante et d'un coût élevé.
La plupart des antennes térahertz actuellement utilisées sont des antennes à ondes millimétriques modifiées, et les innovations dans ce domaine sont rares. Par conséquent, pour améliorer les performances des systèmes de communication térahertz, il est important d'optimiser ces antennes. Le tableau 2 présente les progrès de la recherche sur les communications THz allemandes. La figure 3 (a) présente un système de communication sans fil THz représentatif combinant photonique et électronique. La figure 3 (b) illustre la scène d'essai en soufflerie. Compte tenu de la situation actuelle de la recherche en Allemagne, la recherche et le 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 d'essai en soufflerie
Le Centre TIC du CSIRO a également lancé des recherches sur les systèmes de communication sans fil THz intérieurs. Le centre a étudié la relation entre l'année et la fréquence de communication, comme illustré à la figure 4. Comme le montre la figure 4, d'ici 2020, la recherche sur les communications sans fil se concentrera sur la bande THz. La fréquence maximale de communication utilisant le spectre radio est multipliée par dix environ tous les vingt ans. Le centre a formulé des recommandations sur les exigences relatives aux antennes THz et proposé des antennes traditionnelles telles que des cornets et des lentilles pour les systèmes de communication THz. Comme illustré à la figure 5, deux antennes cornets 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. 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 États-Unis (LLNL), la National Aeronautics and Space Administration (NASA) et la National Science Foundation (NSF). De nouvelles antennes térahertz pour des applications térahertz ont été conçues, telles que les antennes papillon et les antennes à direction de faisceau de fréquence. L'évolution des antennes térahertz permet de dégager trois concepts de base, comme illustré à 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 leurs pertes de propagation et de leur 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 plus basses de la bande THz. Les recherches actuelles sur les antennes térahertz portent principalement sur l'amélioration du gain grâce à l'utilisation d'antennes à lentilles diélectriques, etc., et sur l'amélioration de l'efficacité des communications grâce à des algorithmes appropriés. Par ailleurs, l'amélioration de l'efficacité du packaging des antennes térahertz constitue également une question urgente.
Antennes THz générales
Il existe de nombreux types d'antennes THz : antennes dipôles à cavités coniques, réseaux de réflecteurs en coin, dipôles papillon, antennes planaires à lentilles diélectriques, antennes photoconductrices pour la génération de sources de rayonnement THz, antennes cornet, antennes THz à base de graphène, etc. Selon les matériaux utilisés pour fabriquer les antennes THz, on peut les classer en antennes métalliques (principalement à cornet), antennes diélectriques (antennes à lentilles) et antennes à nouveaux matériaux. Cette section présente d'abord une analyse préliminaire de ces antennes, puis cinq antennes THz typiques sont présentées en détail et analysées en profondeur.
1. Antennes métalliques
L'antenne cornet est une antenne métallique classique conçue pour fonctionner dans la bande THz. L'antenne d'un récepteur millimétrique classique 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 des deux antennes cornet sont respectivement de 30 % à 40 % et de 6 % à 8 %.
La fréquence des ondes térahertz étant très élevée, la taille de l'antenne cornet est très réduite, ce qui complique considérablement son usinage, notamment pour la conception de réseaux d'antennes. La complexité de la technologie de traitement entraîne des coûts excessifs et une production limitée. Face à la difficulté de fabrication de la partie inférieure d'un cornet complexe, on utilise généralement une antenne cornet simple, de forme conique ou à cornet conique, ce qui permet de réduire les coûts et la complexité du processus, tout en préservant les performances de rayonnement de l'antenne.
Une autre antenne métallique est une antenne pyramidale à ondes progressives. Elle est constituée d'une antenne à ondes progressives intégrée sur un film diélectrique de 1,2 micron et suspendue dans une cavité longitudinale gravée sur une plaquette de silicium, comme illustré à la figure 7. Cette antenne est une structure ouverte 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 ondes progressives
2. Antenne diélectrique
L'antenne diélectrique est une combinaison d'un substrat diélectrique et d'un radiateur. Grâce à une conception appropriée, l'antenne diélectrique permet une adaptation d'impédance avec le détecteur et présente les avantages d'une simplicité de fabrication, d'une intégration aisée et d'un faible coût. Ces dernières années, les chercheurs ont conçu plusieurs antennes à tir latéral à bande étroite et large bande compatibles avec les détecteurs à faible impédance des antennes diélectriques térahertz : antenne papillon, antenne en double U, antenne log-périodique et antenne sinusoïdale log-périodique, comme illustré à la figure 8. De plus, des géométries d'antenne plus complexes peuvent être conçues grâce à des algorithmes génétiques.
Figure 8 Quatre types d'antennes planes
Cependant, comme l'antenne diélectrique est associée à un substrat diélectrique, un effet d'onde de surface se produit lorsque la fréquence tend vers la bande THz. Cet inconvénient majeur entraîne une perte d'énergie importante de l'antenne en fonctionnement et une réduction significative de son efficacité de rayonnement. 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 d'onde de surface de l'antenne
À mesure que l'épaisseur du substrat augmente, le nombre de modes d'ordre élevé augmente, ainsi que le couplage entre l'antenne et le substrat, ce qui entraîne une perte d'énergie. Afin d'atténuer l'effet d'onde de surface, trois schémas d'optimisation sont possibles :
1) Chargez 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 d'ondes électromagnétiques.
3) Remplacer le matériau diélectrique du substrat par une 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 ci-dessus, 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 en nanotubes de carbone. Comme le montre la figure 10 (a), le dipôle est constitué de nanotubes de carbone plutôt que de matériaux métalliques. Il a étudié attentivement les propriétés infrarouges et optiques de l'antenne dipôle en nanotubes de carbone et a présenté les caractéristiques générales de l'antenne dipôle en nanotubes de carbone de longueur finie, telles que l'impédance d'entrée, la distribution du courant, le gain, le rendement et le diagramme de rayonnement. La figure 10 (b) illustre la relation entre l'impédance d'entrée et la fréquence de l'antenne dipôle en nanotubes de carbone. Comme le montre la figure 10 (b), la partie imaginaire de l'impédance d'entrée présente plusieurs zéros aux fréquences plus élevées. Cela indique que l'antenne peut atteindre plusieurs résonances à différentes fréquences. De toute évidence, l'antenne en 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 à base de nanotubes de carbone. Cette structure est constituée d'un faisceau de nanotubes de carbone enveloppés 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. Des tests ont montré que les performances de rayonnement de l'antenne ont été améliorées par rapport aux nanotubes de carbone monoparoi.
Figure 11 Nouvelle antenne térahertz à base de nanotubes de carbone
Les nouvelles antennes térahertz en 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 présente d'excellentes caractéristiques de contrôle dynamique continu et permet de générer un plasma de surface en ajustant la tension de polarisation. Le plasma de surface se forme 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.). Les conducteurs tels que les métaux précieux et le graphène contiennent un grand nombre d'électrons libres. Ces électrons libres sont également appelés plasmas. Grâce au champ de potentiel inhérent au conducteur, ces plasmas sont stables et ne sont pas perturbés par le monde extérieur. Lorsque l'énergie de l'onde électromagnétique incidente est couplée à ces plasmas, ceux-ci s'écartent de l'état stationnaire et vibrent. Après conversion, le mode électromagnétique forme une onde magnétique transversale à l'interface. Selon la description de la relation de dispersion du plasma de surface métallique par le modèle de Drude, les métaux ne peuvent pas se coupler naturellement aux ondes électromagnétiques en espace libre et convertir l'énergie. Il est nécessaire d'utiliser d'autres matériaux pour exciter les ondes de plasma de surface. Ces ondes décroissent rapidement parallèlement à l'interface métal-substrat. Lorsque le conducteur métallique conduit perpendiculairement à la surface, un effet de peau se produit. De toute évidence, en raison de la petite taille de l'antenne, un effet de peau se produit dans la bande des hautes fréquences, ce qui entraîne une forte baisse des performances de l'antenne et ne permet pas de répondre 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 accord électrique continu. De plus, le graphène présente 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 se basant sur le comportement de polarisation des plasmons de surface du graphène, la figure 12 illustre un nouveau type d'antenne ruban et propose la forme de bande des caractéristiques de propagation des ondes plasma dans le graphène. La conception d'une bande d'antenne accordable offre une nouvelle façon d'étudier les caractéristiques de propagation des antennes térahertz à nouveau matériau.
Figure 12 Nouvelle antenne bande
Outre l'exploration de nouveaux éléments d'antenne térahertz en matériaux unitaires, les antennes térahertz en nanopatch de graphène peuvent également être conçues sous forme de réseaux pour construire des systèmes de communication térahertz multi-entrées-multi-sorties. La structure de l'antenne est illustrée à la figure 13. Grâce à leurs propriétés uniques, les antennes nanopatch de graphène ont des dimensions de l'ordre 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 le système reconfigurable.
Figure 13 Réseau d'antennes térahertz en nanopatch de graphène
La recherche de nouveaux matériaux est une voie relativement nouvelle. L'innovation dans ce domaine devrait permettre de dépasser les limites 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 de nouveaux matériaux et les progrès technologiques. Quoi qu'il en soit, 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 à nouveau matériau, et analyse leurs différences, leurs avantages et leurs inconvénients.
1. Antenne métallique : Sa géométrie est simple, facile à usiner, son coût est relativement faible et ses matériaux de substrat sont peu exigeants. Cependant, le réglage mécanique de la position des antennes métalliques est sujet à des erreurs. Un mauvais réglage peut considérablement réduire les performances de l'antenne. Malgré sa petite taille, l'antenne métallique est difficile à assembler avec un circuit planaire.
2. Antenne diélectrique : L'antenne diélectrique présente une faible impédance d'entrée, est facile à adapter à un détecteur basse impédance et est relativement simple à connecter à un circuit planaire. Les formes géométriques des antennes diélectriques incluent 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 majeur : l'effet d'onde de surface dû à l'épaisseur du substrat. La solution consiste à charger une lentille et à remplacer le substrat diélectrique par une structure EBG. Ces deux solutions nécessitent l'innovation et l'amélioration continue des technologies de traitement et des matériaux, mais leurs excellentes performances (notamment l'omnidirectionnalité et la suppression des ondes de surface) peuvent ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche sur les antennes térahertz.
3. Antennes à nouveaux matériaux : De nouvelles antennes dipôles en nanotubes de carbone et de nouvelles structures d'antennes en métamatériaux sont actuellement apparues. Ces nouveaux matériaux peuvent apporter de nouvelles avancées en termes de performances, mais l'innovation repose sur la science des matériaux. La recherche sur les antennes à nouveaux matériaux en 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 avancée en termes de performances est requise, de nouvelles antennes matérielles peuvent être sélectionnées.
Les conceptions ci-dessus peuvent également être adaptées à des besoins 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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Date de publication : 02/08/2024
