Mit der zunehmenden Verbreitung drahtloser Geräte befinden sich auch Datendienste in einer Phase rasanter Entwicklung, die auch als explosionsartiges Wachstum der Datendienste bezeichnet wird. Zahlreiche Anwendungen wandern derzeit sukzessive von Computern auf drahtlose Geräte wie Mobiltelefone ab, die leicht zu transportieren und in Echtzeit zu bedienen sind. Dies führt jedoch auch zu einem rasanten Anstieg des Datenverkehrs und einer Verknappung der Bandbreitenressourcen. Statistiken zufolge könnte die Datenübertragungsrate am Markt in den nächsten 10 bis 15 Jahren Gbit/s oder sogar Tbit/s erreichen. Die THz-Kommunikation erreicht derzeit eine Datenrate von Gbit/s, während sich die Datenrate von Tbit/s noch in der frühen Entwicklungsphase befindet. Eine entsprechende Veröffentlichung listet die neuesten Fortschritte bei Gbit/s-Datenraten im THz-Band auf und prognostiziert, dass durch Polarisationsmultiplexverfahren Tbit/s erreicht werden können. Eine mögliche Lösung zur Erhöhung der Datenübertragungsrate ist daher die Entwicklung eines neuen Frequenzbandes, des Terahertz-Bandes, im „freien Bereich“ zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht. Auf der ITU-Weltfunkkonferenz (WRC-19) 2019 wurde der Frequenzbereich von 275 bis 450 GHz für Festnetz- und Mobilfunkdienste genutzt. Es ist ersichtlich, dass drahtlose Terahertz-Kommunikationssysteme die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen haben.
Elektromagnetische Terahertz-Wellen werden allgemein als Frequenzband von 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) mit einer Wellenlänge von 0,03–3 mm definiert. Gemäß IEEE-Standard werden Terahertz-Wellen als 0,3–10 THz definiert. Abbildung 1 zeigt, dass das Terahertz-Frequenzband zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt.
Abb. 1 Schematische Darstellung des THz-Frequenzbandes.
Entwicklung von Terahertz-Antennen
Obwohl die Terahertz-Forschung bereits im 19. Jahrhundert begann, wurde sie damals noch nicht als eigenständiges Forschungsgebiet untersucht. Die Forschung zur Terahertz-Strahlung konzentrierte sich hauptsächlich auf den fernen Infrarotbereich. Erst Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts begannen Forscher, die Millimeterwellenforschung auf den Terahertz-Bereich auszuweiten und spezialisierte Forschung zur Terahertz-Technologie zu betreiben.
In den 1980er Jahren ermöglichte das Aufkommen von Terahertz-Strahlungsquellen die Anwendung von Terahertz-Wellen in praktischen Systemen. Seit dem 21. Jahrhundert hat sich die drahtlose Kommunikationstechnologie rasant weiterentwickelt, und der Informationsbedarf der Menschen sowie die zunehmende Verfügbarkeit von Kommunikationsgeräten stellen höhere Anforderungen an die Datenübertragungsrate. Eine der Herausforderungen zukünftiger Kommunikationstechnologien besteht daher darin, an einem Standort eine hohe Datenrate von Gigabit pro Sekunde zu erreichen. Angesichts der aktuellen wirtschaftlichen Entwicklung werden Frequenzressourcen immer knapper. Die Anforderungen der Menschheit an Kommunikationskapazität und -geschwindigkeit sind jedoch unbegrenzt. Um das Problem der Frequenzüberlastung zu lösen, setzen viele Unternehmen auf MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output), um die Spektrumeffizienz und die Systemkapazität durch räumliches Multiplexing zu verbessern. Mit der Weiterentwicklung der 5G-Netze wird die Datenverbindungsgeschwindigkeit pro Nutzer Gbit/s überschreiten, und auch der Datenverkehr der Basisstationen wird deutlich zunehmen. Herkömmliche Millimeterwellen-Kommunikationssysteme werden mit Mikrowellenverbindungen diese enormen Datenströme nicht bewältigen können. Darüber hinaus ist die Übertragungsdistanz bei der Infrarotkommunikation aufgrund der Sichtverbindung kurz und der Standort der Kommunikationsgeräte fest. Daher können THz-Wellen, die zwischen Mikrowellen und Infrarot liegen, zum Aufbau von Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen und zur Erhöhung der Datenübertragungsraten durch die Nutzung von THz-Verbindungen genutzt werden.
Terahertzwellen ermöglichen eine größere Kommunikationsbandbreite, und ihr Frequenzbereich ist etwa 1000-mal höher als der der Mobilfunkkommunikation. Daher ist die Nutzung von THz zum Aufbau ultraschneller drahtloser Kommunikationssysteme eine vielversprechende Lösung für die Herausforderung hoher Datenraten und hat das Interesse vieler Forschungsteams und Branchen geweckt. Im September 2017 wurde der erste THz-Standard für drahtlose Kommunikation IEEE 802.15.3d-2017 veröffentlicht, der den Punkt-zu-Punkt-Datenaustausch im unteren THz-Frequenzbereich von 252–325 GHz definiert. Die alternative physikalische Schicht (PHY) der Verbindung kann Datenraten von bis zu 100 Gbit/s bei unterschiedlichen Bandbreiten erreichen.
Das erste erfolgreiche THz-Kommunikationssystem mit 0,12 THz wurde 2004 eingerichtet und das THz-Kommunikationssystem mit 0,3 THz wurde 2013 realisiert. Tabelle 1 listet den Forschungsfortschritt bei Terahertz-Kommunikationssystemen in Japan von 2004 bis 2013 auf.
Tabelle 1 Forschungsfortschritt bei Terahertz-Kommunikationssystemen in Japan von 2004 bis 2013
Die Antennenstruktur eines 2004 entwickelten Kommunikationssystems wurde 2005 von der Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) detailliert beschrieben. Die Antennenkonfiguration wurde in zwei Fällen eingeführt, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Schematische Darstellung des japanischen drahtlosen 120-GHz-Kommunikationssystems NTT
Das System integriert eine fotoelektrische Umwandlung und eine Antenne und verfügt über zwei Arbeitsmodi:
1. In einer Innenumgebung mit geringer Reichweite besteht der in Innenräumen verwendete Planarantennensender aus einem Single-Line-Carrier-Photodiodenchip (UTC-PD), einer Planarschlitzantenne und einer Siliziumlinse, wie in Abbildung 2 (a) dargestellt.
2. Um im Außenbereich mit großer Reichweite den Einfluss großer Übertragungsverluste und geringer Detektorempfindlichkeit zu minimieren, muss die Sendeantenne eine hohe Verstärkung aufweisen. Die bestehende Terahertz-Antenne verwendet eine optische Gauß-Linse mit einer Verstärkung von über 50 dBi. Die Kombination aus Speisehorn und dielektrischer Linse ist in Abbildung 2(b) dargestellt.
Neben der Entwicklung eines 0,12-THz-Kommunikationssystems entwickelte NTT 2012 auch ein 0,3-THz-Kommunikationssystem. Durch kontinuierliche Optimierung kann die Übertragungsrate bis zu 100 Gbit/s erreichen. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, hat dies einen großen Beitrag zur Entwicklung der Terahertz-Kommunikation geleistet. Die aktuellen Forschungsarbeiten weisen jedoch die Nachteile einer niedrigen Betriebsfrequenz, großer Abmessungen und hoher Kosten auf.
Die meisten der derzeit verwendeten Terahertz-Antennen sind modifizierte Millimeterwellenantennen, und es gibt kaum Innovationen im Bereich der Terahertz-Antennen. Um die Leistungsfähigkeit von Terahertz-Kommunikationssystemen zu verbessern, ist daher deren Optimierung eine wichtige Aufgabe. Tabelle 2 zeigt den Forschungsstand der deutschen THz-Kommunikation. Abbildung 3 (a) zeigt ein repräsentatives drahtloses THz-Kommunikationssystem, das Photonik und Elektronik kombiniert. Abbildung 3 (b) zeigt die Testumgebung im Windkanal. Ausgehend vom aktuellen Forschungsstand in Deutschland weisen Forschung und Entwicklung auch Nachteile wie niedrige Betriebsfrequenzen, hohe Kosten und geringe Effizienz auf.
Tabelle 2 Forschungsstand der THz-Kommunikation in Deutschland
Abbildung 3 Windkanal-Testszene
Das CSIRO ICT Center hat zudem Forschungen zu drahtlosen THz-Kommunikationssystemen für den Innenbereich initiiert. Das Zentrum untersuchte den Zusammenhang zwischen Jahr und Kommunikationsfrequenz (siehe Abbildung 4). Wie aus Abbildung 4 ersichtlich, konzentriert sich die Forschung zur drahtlosen Kommunikation bis 2020 auf das THz-Band. Die maximale Kommunikationsfrequenz im Funkspektrum steigt etwa alle zwanzig Jahre um das Zehnfache. Das Zentrum hat Empfehlungen zu den Anforderungen an THz-Antennen herausgegeben und traditionelle Antennen wie Hornantennen und Linsen für THz-Kommunikationssysteme vorgeschlagen. Wie Abbildung 5 zeigt, arbeiten zwei Hornantennen bei 0,84 THz bzw. 1,7 THz und zeichnen sich durch eine einfache Struktur und eine gute Gauß-Strahlleistung aus.
Abbildung 4 Zusammenhang zwischen Jahr und Häufigkeit
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Abbildung 5 Zwei Arten von Hornantennen
Die Vereinigten Staaten haben umfangreiche Forschungen zur Emission und Detektion von Terahertzwellen durchgeführt. Zu den bekanntesten Terahertz-Forschungslaboren zählen das Jet Propulsion Laboratory (JPL), das Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), das US National Laboratory (LLNL), die National Aeronautics and Space Administration (NASA) und die National Science Foundation (NSF). Es wurden neue Terahertz-Antennen für Terahertz-Anwendungen entwickelt, wie beispielsweise Bowtie-Antennen und Frequenzstrahl-Steuerantennen. Ausgehend von der Entwicklung von Terahertz-Antennen ergeben sich derzeit drei grundlegende Designideen für Terahertz-Antennen, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 6 Drei grundlegende Designideen für Terahertz-Antennen
Die obige Analyse zeigt, dass Terahertz-Antennen zwar in vielen Ländern große Aufmerksamkeit erhalten, sich aber noch in der frühen Forschungs- und Entwicklungsphase befinden. Aufgrund hoher Ausbreitungsverluste und molekularer Absorption sind THz-Antennen in der Regel hinsichtlich Übertragungsdistanz und Reichweite begrenzt. Einige Studien konzentrieren sich auf niedrigere Betriebsfrequenzen im THz-Band. Die Forschung zu Terahertz-Antennen konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Verstärkung durch dielektrische Linsenantennen und die Verbesserung der Kommunikationseffizienz durch den Einsatz geeigneter Algorithmen. Darüber hinaus ist die Frage, wie die Effizienz der Verpackung von Terahertz-Antennen verbessert werden kann, ein dringendes Problem.
Allgemeine THz-Antennen
Es gibt viele Arten von THz-Antennen: Dipolantennen mit konischen Hohlräumen, Corner-Reflektor-Arrays, Bowtie-Dipole, dielektrische Linsen-Planarantennen, photoleitende Antennen zur Erzeugung von THz-Strahlungsquellen, Hornantennen, THz-Antennen auf Graphenbasis usw. Je nach den verwendeten Materialien lassen sich THz-Antennen grob in Metallantennen (hauptsächlich Hornantennen), dielektrische Antennen (Linsenantennen) und Antennen aus neuen Materialien unterteilen. Dieser Abschnitt bietet zunächst eine vorläufige Analyse dieser Antennen. Im nächsten Abschnitt werden fünf typische THz-Antennen detailliert vorgestellt und eingehend analysiert.
1. Metallantennen
Die Hornantenne ist eine typische Metallantenne, die für den Betrieb im THz-Band ausgelegt ist. Die Antenne eines klassischen Millimeterwellenempfängers ist ein konisches Horn. Well- und Dualmode-Antennen bieten viele Vorteile, darunter rotationssymmetrische Strahlungsdiagramme, einen hohen Gewinn von 20 bis 30 dBi, einen niedrigen Kreuzpolarisationsgrad von -30 dB sowie eine Kopplungseffizienz von 97 % bis 98 %. Die verfügbaren Bandbreiten der beiden Hornantennen betragen 30–40 % bzw. 6–8 %.
Da die Frequenz von Terahertzwellen sehr hoch ist, ist die Größe der Hornantenne sehr klein, was die Verarbeitung des Horns, insbesondere beim Entwurf von Antennenarrays, sehr schwierig macht, und die Komplexität der Verarbeitungstechnologie führt zu übermäßigen Kosten und eingeschränkter Produktion. Aufgrund der Schwierigkeit, den Boden des komplexen Horndesigns herzustellen, wird üblicherweise eine einfache Hornantenne in Form eines konischen oder kegelförmigen Horns verwendet, was die Kosten und die Prozesskomplexität reduzieren und die Strahlungsleistung der Antenne gut aufrechterhalten kann.
Eine weitere Metallantenne ist eine Wanderwellenpyramidenantenne. Sie besteht aus einer Wanderwellenantenne, die auf einem 1,2 µm dicken dielektrischen Film integriert und in einem in einen Siliziumwafer geätzten Längshohlraum aufgehängt ist (siehe Abbildung 7). Diese Antenne hat eine offene Struktur und ist mit Schottky-Dioden kompatibel. Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus und des geringen Fertigungsaufwands kann sie grundsätzlich in Frequenzbändern über 0,6 THz eingesetzt werden. Allerdings sind der Nebenkeulenpegel und der Kreuzpolarisationsgrad der Antenne hoch, vermutlich aufgrund ihrer offenen Struktur. Daher ist ihre Kopplungseffizienz relativ gering (ca. 50 %).
Abbildung 7 Wanderwellen-Pyramidenantenne
2. Dielektrische Antenne
Die dielektrische Antenne ist eine Kombination aus dielektrischem Substrat und Antennenstrahler. Durch geeignetes Design kann die dielektrische Antenne eine Impedanzanpassung an den Detektor erreichen und bietet die Vorteile einer einfachen Verarbeitung, einfachen Integration und geringer Kosten. In den letzten Jahren haben Forscher mehrere schmal- und breitbandige Seitenstrahlantennen entwickelt, die mit den niederohmigen Detektoren dielektrischer Terahertz-Antennen mithalten können: Schmetterlingsantenne, Doppel-U-förmige Antenne, logarithmisch-periodische Antenne und logarithmisch-periodische Sinusantenne, wie in Abbildung 8 dargestellt. Darüber hinaus können komplexere Antennengeometrien mithilfe genetischer Algorithmen entworfen werden.
Abbildung 8 Vier Arten von Planarantennen
Da die dielektrische Antenne jedoch mit einem dielektrischen Substrat kombiniert ist, tritt ein Oberflächenwelleneffekt auf, wenn die Frequenz in den THz-Bereich tendiert. Dieser schwerwiegende Nachteil führt dazu, dass die Antenne im Betrieb viel Energie verliert und die Strahlungseffizienz der Antenne deutlich abnimmt. Wie in Abbildung 9 dargestellt, wird die Energie der Antenne, wenn ihr Strahlungswinkel größer als der Grenzwinkel ist, im dielektrischen Substrat eingeschlossen und mit dem Substratmodus gekoppelt.
Abbildung 9 Antennenoberflächenwelleneffekt
Mit zunehmender Dicke des Substrats steigt die Anzahl der höherwertigen Moden und die Kopplung zwischen Antenne und Substrat nimmt zu, was zu Energieverlusten führt. Um den Oberflächenwelleneffekt abzuschwächen, gibt es drei Optimierungsschemata:
1) Bringen Sie eine Linse an der Antenne an, um die Verstärkung durch Ausnutzung der Strahlformungseigenschaften elektromagnetischer Wellen zu erhöhen.
2) Reduzieren Sie die Dicke des Substrats, um die Entstehung höherwertiger Modi elektromagnetischer Wellen zu unterdrücken.
3) Ersetzen Sie das dielektrische Substratmaterial durch eine elektromagnetische Bandlücke (EBG). Die räumlichen Filtereigenschaften der EBG können Modi höherer Ordnung unterdrücken.
3. Neue Materialantennen
Neben den beiden oben genannten Antennen gibt es auch Terahertz-Antennen aus neuen Materialien. Beispielsweise schlugen Jin Hao et al. 2006 eine Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne vor. Wie in Abbildung 10 (a) dargestellt, besteht der Dipol aus Kohlenstoffnanoröhren statt aus Metall. Hao untersuchte sorgfältig die Infrarot- und optischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne und diskutierte die allgemeinen Merkmale der Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne mit begrenzter Länge wie Eingangsimpedanz, Stromverteilung, Verstärkung, Wirkungsgrad und Strahlungsdiagramm. Abbildung 10 (b) zeigt die Beziehung zwischen Eingangsimpedanz und Frequenz der Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne. Wie in Abbildung 10 (b) zu sehen ist, weist der Imaginärteil der Eingangsimpedanz bei höheren Frequenzen mehrere Nullstellen auf. Dies deutet darauf hin, dass die Antenne mehrere Resonanzen bei unterschiedlichen Frequenzen erreichen kann. Offensichtlich weist die Kohlenstoffnanoröhrenantenne Resonanz innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs (niedrigere THz-Frequenzen) auf, ist jedoch außerhalb dieses Bereichs völlig unfähig zu resonieren.
Abbildung 10 (a) Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne. (b) Eingangsimpedanz-Frequenz-Kurve
Im Jahr 2012 schlugen Samir F. Mahmoud und Ayed R. AlAjmi eine neue Terahertz-Antennenstruktur auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren vor. Diese besteht aus einem Bündel von Kohlenstoffnanoröhren, die in zwei dielektrische Schichten eingewickelt sind. Die innere dielektrische Schicht ist eine dielektrische Schaumschicht, die äußere dielektrische Schicht eine Metamaterialschicht. Die spezifische Struktur ist in Abbildung 11 dargestellt. Durch Tests konnte die Strahlungsleistung der Antenne im Vergleich zu einwandigen Kohlenstoffnanoröhren verbessert werden.
Abbildung 11 Neue Terahertz-Antenne auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren
Die oben vorgeschlagenen neuen Terahertz-Antennen aus Materialien sind überwiegend dreidimensional. Um die Bandbreite der Antenne zu verbessern und konforme Antennen herzustellen, haben planare Graphenantennen große Aufmerksamkeit erhalten. Graphen verfügt über hervorragende dynamische Regeleigenschaften und kann durch Anpassung der Vorspannung Oberflächenplasma erzeugen. Oberflächenplasma befindet sich an der Grenzfläche zwischen Substraten mit positiver Dielektrizitätskonstante (wie Si, SiO2 usw.) und Substraten mit negativer Dielektrizitätskonstante (wie Edelmetallen, Graphen usw.). Leiter wie Edelmetalle und Graphen enthalten eine große Anzahl freier Elektronen. Diese freien Elektronen werden auch Plasmen genannt. Aufgrund des inhärenten Potentialfelds im Leiter befinden sich diese Plasmen in einem stabilen Zustand und werden von der Außenwelt nicht gestört. Wird die einfallende elektromagnetische Wellenenergie mit diesen Plasmen gekoppelt, weichen diese vom stationären Zustand ab und schwingen. Nach der Umwandlung bildet der elektromagnetische Modus an der Grenzfläche eine transversale magnetische Welle. Gemäß der Beschreibung der Dispersionsrelation von Metalloberflächenplasmen durch das Drude-Modell können Metalle im freien Raum nicht auf natürliche Weise mit elektromagnetischen Wellen koppeln und Energie umwandeln. Daher müssen andere Materialien verwendet werden, um Oberflächenplasmawellen anzuregen. Oberflächenplasmawellen klingen parallel zur Metall-Substrat-Grenzfläche schnell ab. Leitet der Metallleiter senkrecht zur Oberfläche, tritt ein Skin-Effekt auf. Aufgrund der geringen Größe der Antenne tritt im Hochfrequenzbereich offensichtlich ein Skin-Effekt auf, der zu einem starken Leistungsabfall der Antenne führt und die Anforderungen von Terahertz-Antennen nicht erfüllt. Das Oberflächenplasmon von Graphen hat nicht nur eine höhere Bindungskraft und geringere Verluste, sondern ermöglicht auch eine kontinuierliche elektrische Abstimmung. Darüber hinaus weist Graphen im Terahertz-Bereich eine komplexe Leitfähigkeit auf. Daher hängt die langsame Wellenausbreitung mit dem Plasmamodus bei Terahertz-Frequenzen zusammen. Diese Eigenschaften belegen eindeutig, dass Graphen Metallmaterialien im Terahertz-Bereich ersetzen kann.
Abbildung 12 zeigt einen neuen Typ einer Streifenantenne, basierend auf dem Polarisationsverhalten von Graphen-Oberflächenplasmonen, und stellt die Bandform der Ausbreitungseigenschaften von Plasmawellen in Graphen dar. Das Design des abstimmbaren Antennenbands bietet eine neue Möglichkeit, die Ausbreitungseigenschaften von Terahertz-Antennen aus neuen Materialien zu untersuchen.
Abbildung 12 Neue Streifenantenne
Neben der Erforschung neuer Terahertz-Antennenelemente aus einzelnen Materialien können Graphen-Nanopatch-Terahertz-Antennen auch als Arrays konzipiert werden, um Terahertz-Multi-Input-Multi-Output-Antennenkommunikationssysteme aufzubauen. Die Antennenstruktur ist in Abbildung 13 dargestellt. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Graphen-Nanopatch-Antennen haben die Antennenelemente Abmessungen im Mikrometerbereich. Durch chemische Gasphasenabscheidung werden verschiedene Graphenbilder direkt auf einer dünnen Nickelschicht synthetisiert und auf ein beliebiges Substrat übertragen. Durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von Komponenten und Änderung der elektrostatischen Vorspannung lässt sich die Strahlungsrichtung effektiv ändern, wodurch das System rekonfigurierbar wird.
Abbildung 13 Graphen-Nanopatch-Terahertz-Antennenarray
Die Erforschung neuer Materialien ist ein relativ neuer Bereich. Innovative Materialien sollen die Grenzen herkömmlicher Antennen überwinden und eine Vielzahl neuer Antennen entwickeln, wie beispielsweise rekonfigurierbare Metamaterialien und zweidimensionale (2D) Materialien. Dieser Antennentyp ist jedoch hauptsächlich auf die Entwicklung neuer Materialien und die Weiterentwicklung der Prozesstechnologie angewiesen. Die Entwicklung von Terahertz-Antennen erfordert innovative Materialien, präzise Verarbeitungstechnologien und neuartige Designstrukturen, um den Anforderungen an hohe Verstärkung, niedrige Kosten und große Bandbreite gerecht zu werden.
Im Folgenden werden die Grundprinzipien von drei Arten von Terahertz-Antennen vorgestellt: Metallantennen, dielektrische Antennen und Antennen aus neuen Materialien, und ihre Unterschiede sowie Vor- und Nachteile analysiert.
1. Metallantenne: Die Geometrie ist einfach, leicht zu verarbeiten, relativ kostengünstig und stellt geringe Anforderungen an das Substratmaterial. Metallantennen verwenden jedoch eine mechanische Methode zur Positionseinstellung, die fehleranfällig ist. Eine fehlerhafte Einstellung verringert die Leistung der Antenne erheblich. Obwohl die Metallantenne klein ist, ist die Montage mit einer planaren Schaltung schwierig.
2. Dielektrische Antenne: Die dielektrische Antenne hat eine niedrige Eingangsimpedanz, lässt sich leicht an einen niederohmigen Detektor anpassen und relativ einfach an eine planare Schaltung anschließen. Zu den geometrischen Formen dielektrischer Antennen gehören Schmetterlingsform, Doppel-U-Form, konventionelle logarithmische Form und logarithmische periodische Sinusform. Dielektrische Antennen haben jedoch auch einen gravierenden Nachteil: den Oberflächenwelleneffekt, der durch das dicke Substrat verursacht wird. Die Lösung besteht darin, eine Linse einzusetzen und das dielektrische Substrat durch eine EBG-Struktur zu ersetzen. Beide Lösungen erfordern Innovation und kontinuierliche Verbesserung der Prozesstechnologie und der Materialien, doch ihre hervorragenden Eigenschaften (wie Omnidirektionalität und Unterdrückung von Oberflächenwellen) können neue Ideen für die Forschung an Terahertz-Antennen liefern.
3. Antennen aus neuen Materialien: Aktuell sind neue Dipolantennen aus Kohlenstoffnanoröhren und neue Antennenstrukturen aus Metamaterialien auf den Markt gekommen. Neue Materialien können zu bahnbrechenden Leistungssteigerungen führen, Voraussetzung hierfür ist jedoch die Innovation der Materialwissenschaft. Die Forschung an Antennen aus neuen Materialien befindet sich derzeit noch in der Sondierungsphase, und viele Schlüsseltechnologien sind noch nicht ausgereift.
Zusammenfassend können je nach Designanforderungen verschiedene Typen von Terahertz-Antennen ausgewählt werden:
1) Wenn ein einfaches Design und niedrige Produktionskosten erforderlich sind, können Metallantennen ausgewählt werden.
2) Wenn eine hohe Integration und eine niedrige Eingangsimpedanz erforderlich sind, können dielektrische Antennen ausgewählt werden.
3) Wenn ein Durchbruch in der Leistung erforderlich ist, können Antennen aus neuem Material ausgewählt werden.
Die oben genannten Designs können auch an spezifische Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise können zwei Antennentypen kombiniert werden, um weitere Vorteile zu erzielen. Allerdings müssen Montagemethode und Designtechnologie strengere Anforderungen erfüllen.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Beitragszeit: 02.08.2024
