Mit der zunehmenden Beliebtheit drahtloser Geräte ist für Datendienste eine neue Phase rasanter Entwicklung eingetreten, die auch als explosionsartiges Wachstum von Datendiensten bezeichnet wird. Gegenwärtig migrieren viele Anwendungen schrittweise von Computern auf drahtlose Geräte wie Mobiltelefone, die leicht zu transportieren und in Echtzeit zu bedienen sind. Diese Situation hat jedoch auch zu einem raschen Anstieg des Datenverkehrs und einer Verknappung der Bandbreitenressourcen geführt . Statistiken zufolge könnte die Datenrate auf dem Markt in den nächsten 10 bis 15 Jahren Gbit/s oder sogar Tbit/s erreichen. Derzeit hat die THz-Kommunikation eine Datenrate von Gbit/s erreicht, während sich die Datenrate von Tbit/s noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. In einem verwandten Artikel werden die neuesten Fortschritte bei den Gbit/s-Datenraten basierend auf dem THz-Band aufgeführt und prognostiziert, dass Tbit/s durch Polarisationsmultiplex erreicht werden können. Um die Datenübertragungsrate zu erhöhen, besteht daher eine praktikable Lösung darin, ein neues Frequenzband zu entwickeln, nämlich das Terahertz-Band, das im „leeren Bereich“ zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt. Auf der ITU World Radiocommunication Conference (WRC-19) im Jahr 2019 wurde der Frequenzbereich von 275–450 GHz für Festnetz- und Landmobilfunkdienste genutzt. Es ist ersichtlich, dass drahtlose Terahertz-Kommunikationssysteme die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen haben.
Elektromagnetische Terahertz-Wellen werden im Allgemeinen als Frequenzband von 0,1–10 THz (1 THz=1012 Hz) mit einer Wellenlänge von 0,03–3 mm definiert. Gemäß dem IEEE-Standard sind Terahertzwellen 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 zu dieser Zeit noch nicht als eigenständiges Gebiet untersucht. Die Forschung zur Terahertz-Strahlung konzentrierte sich hauptsächlich auf das ferne Infrarotband. Erst Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts begannen Forscher, die Millimeterwellenforschung auf das Terahertz-Band auszuweiten und spezielle Forschung im Bereich der Terahertz-Technologie durchzuführen.
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 und die Zunahme der Kommunikationsausrüstung haben strengere Anforderungen an die Übertragungsrate von Kommunikationsdaten gestellt. Daher besteht eine der Herausforderungen der zukünftigen Kommunikationstechnologie darin, an einem Standort mit einer hohen Datenrate von Gigabit pro Sekunde zu arbeiten. Im Zuge der aktuellen wirtschaftlichen Entwicklung sind die Frequenzressourcen immer knapper geworden. Die menschlichen Anforderungen an Kommunikationskapazität und -geschwindigkeit sind jedoch endlos. Um das Problem der Spektrumüberlastung zu lösen, nutzen viele Unternehmen die Multiple-Input-Multiple-Output-Technologie (MIMO), um die Spektrumeffizienz und Systemkapazität durch räumliches Multiplexing zu verbessern. Mit der Weiterentwicklung der 5G-Netze wird die Datenverbindungsgeschwindigkeit jedes Benutzers Gbit/s übersteigen und auch der Datenverkehr von Basisstationen wird deutlich zunehmen. Bei herkömmlichen Millimeterwellen-Kommunikationssystemen sind Mikrowellenverbindungen nicht in der Lage, diese riesigen Datenströme zu verarbeiten. Darüber hinaus ist aufgrund des Einflusses der Sichtlinie die Übertragungsentfernung der Infrarotkommunikation kurz und der Standort ihrer Kommunikationsausrüstung fest. Daher können THz-Wellen, die zwischen Mikrowellen und Infrarot liegen, zum Aufbau von Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen und zur Erhöhung der Datenübertragungsraten durch den Einsatz von THz-Verbindungen genutzt werden.
Terahertz-Wellen können eine größere Kommunikationsbandbreite bieten und ihr Frequenzbereich beträgt etwa das 1000-fache des Frequenzbereichs der Mobilkommunikation. Daher ist der Einsatz von THz zum Aufbau drahtloser Ultrahochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme eine vielversprechende Lösung für die Herausforderung hoher Datenraten, die das Interesse vieler Forschungsteams und Branchen geweckt hat. Im September 2017 wurde der erste drahtlose THz-Kommunikationsstandard IEEE 802.15.3d-2017 veröffentlicht, der den Punkt-zu-Punkt-Datenaustausch im unteren THz-Frequenzbereich von 252–325 GHz definiert. Der alternative physikalische Layer (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 von Terahertz-Kommunikationssystemen in Japan von 2004 bis 2013 auf.
Tabelle 1 Forschungsfortschritt von Terahertz-Kommunikationssystemen in Japan von 2004 bis 2013
Die Antennenstruktur eines 2004 entwickelten Kommunikationssystems wurde 2005 von der Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) ausführlich beschrieben. Die Antennenkonfiguration wurde in zwei Fällen eingeführt, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Schematische Darstellung des japanischen drahtlosen Kommunikationssystems NTT 120 GHz
Das System integriert eine fotoelektrische Umwandlung und eine Antenne und verfügt über zwei Arbeitsmodi:
1. In Innenräumen 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. In einer Außenumgebung mit großer Reichweite muss die Senderantenne einen hohen Gewinn haben, um den Einfluss großer Übertragungsverluste und geringer Empfindlichkeit des Detektors zu verbessern. Die bestehende Terahertz-Antenne verwendet eine Gaußsche optische Linse mit einem Gewinn von mehr als 50 dBi. Die Kombination aus Speisehorn und dielektrischer Linse ist in Abbildung 2(b) dargestellt.
Zusätzlich zur 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 betragen. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, hat es einen großen Beitrag zur Entwicklung der Terahertz-Kommunikation geleistet. Die aktuellen Forschungsarbeiten weisen jedoch die Nachteile einer niedrigen Betriebsfrequenz, einer großen Größe und hoher Kosten auf.
Die meisten der derzeit verwendeten Terahertz-Antennen sind Abwandlungen von Millimeterwellenantennen, und bei Terahertz-Antennen gibt es kaum Innovationen. Um die Leistung von Terahertz-Kommunikationssystemen zu verbessern, besteht daher eine wichtige Aufgabe darin, Terahertz-Antennen zu optimieren. Tabelle 2 listet den Forschungsfortschritt der deutschen THz-Kommunikation auf. Abbildung 3 (a) zeigt ein repräsentatives drahtloses THz-Kommunikationssystem, das Photonik und Elektronik kombiniert. Abbildung 3 (b) zeigt die Testszene im Windkanal. Gemessen an der aktuellen Forschungslage in Deutschland weist die Forschung und Entwicklung auch Nachteile wie niedrige Betriebsfrequenz, hohe Kosten und geringe Effizienz auf.
Tabelle 2 Forschungsfortschritt der THz-Kommunikation in Deutschland
Abbildung 3 Testszene im Windkanal
Das CSIRO ICT Center hat außerdem Forschungen zu drahtlosen THz-Kommunikationssystemen für den Innenbereich initiiert. Das Zentrum untersuchte den Zusammenhang zwischen dem Jahr und der Kommunikationsfrequenz, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich ist, tendiert die Forschung zur drahtlosen Kommunikation bis 2020 zum THz-Band. Die maximale Kommunikationsfrequenz unter Nutzung des Funkspektrums erhöht sich alle zwanzig Jahre etwa um das Zehnfache. Das Zentrum hat Empfehlungen zu den Anforderungen an THz-Antennen abgegeben und traditionelle Antennen wie Hörner und Linsen für THz-Kommunikationssysteme vorgeschlagen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, arbeiten zwei Hornantennen bei 0,84 THz bzw. 1,7 THz, haben einen einfachen Aufbau und eine gute Gaußsche Strahlleistung.
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 berühmten Terahertz-Forschungslabors gehören das Jet Propulsion Laboratory (JPL), das Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), das US National Laboratory (LLNL), die National Aeronautics and Space Administration (NASA), die National Science Foundation (NSF) usw. Es wurden neue Terahertz-Antennen für Terahertz-Anwendungen entwickelt, beispielsweise Bowtie-Antennen und Frequency-Beam-Steering-Antennen. Entsprechend der Entwicklung von Terahertz-Antennen können wir derzeit drei grundlegende Designideen für Terahertz-Antennen erhalten, 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 geschenkt haben, diese sich jedoch noch in der Anfangsphase der Erforschung und Entwicklung befinden. Aufgrund des hohen Ausbreitungsverlusts und der molekularen Absorption sind THz-Antennen normalerweise durch Übertragungsentfernung und Abdeckung begrenzt. Einige Studien konzentrieren sich auf niedrigere Betriebsfrequenzen im THz-Band. Die bestehende Terahertz-Antennenforschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung des Gewinns durch den Einsatz von dielektrischen Linsenantennen usw. und die Verbesserung der Kommunikationseffizienz durch den Einsatz geeigneter Algorithmen. Darüber hinaus ist auch die Frage, wie die Effizienz der Terahertz-Antennenverpackung verbessert werden kann, ein sehr dringendes Thema.
Allgemeine THz-Antennen
Es stehen viele Arten von THz-Antennen zur Verfügung: Dipolantennen mit konischen Hohlräumen, Eckreflektor-Arrays, Bowtie-Dipole, Planarantennen mit dielektrischen Linsen, fotoleitende Antennen zur Erzeugung von THz-Quellenstrahlungsquellen, Hornantennen, THz-Antennen auf Basis von Graphenmaterialien usw. Laut Die zur Herstellung von THz-Antennen verwendeten Materialien lassen sich grob in Metallantennen (hauptsächlich Hornantennen), dielektrische Antennen (Linsenantennen) und neue Materialien einteilen Antennen. In diesem Abschnitt wird zunächst eine vorläufige Analyse dieser Antennen gegeben. Im nächsten Abschnitt werden dann fünf typische THz-Antennen im Detail 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 Strahlungsmuster, einen hohen Gewinn von 20 bis 30 dBi und einen niedrigen Kreuzpolarisationsgrad von -30 dB sowie einen Kopplungswirkungsgrad von 97 % bis 98 %. Die verfügbaren Bandbreiten der beiden Hornantennen betragen 30 %–40 % bzw. 6 %–8 %.
Da die Frequenz von Terahertz-Wellen sehr hoch ist, ist die Größe der Hornantenne sehr klein, was die Verarbeitung des Horns, insbesondere beim Design von Antennenarrays, sehr schwierig macht und die Komplexität der Verarbeitungstechnologie zu übermäßigen Kosten führt begrenzte Produktion. Aufgrund der Schwierigkeit, den Boden des komplexen Horndesigns herzustellen, wird üblicherweise eine einfache Hornantenne in Form eines konischen oder konischen Horns verwendet, wodurch die Kosten und die Prozesskomplexität reduziert werden können und die Strahlungsleistung der Antenne aufrechterhalten werden kann Also.
Eine weitere Metallantenne ist eine Wanderwellen-Pyramidenantenne, die aus einer Wanderwellenantenne besteht, die auf einem 1,2 Mikrometer dicken dielektrischen Film integriert und in einem in einen Siliziumwafer geätzten Längshohlraum aufgehängt ist, wie in Abbildung 7 dargestellt. Bei dieser Antenne handelt es sich um eine offene Struktur kompatibel mit Schottky-Dioden. Aufgrund seines relativ einfachen Aufbaus und geringen Fertigungsaufwands kann es grundsätzlich in Frequenzbändern über 0,6 THz eingesetzt werden. Der Nebenkeulenpegel und der Kreuzpolarisationspegel der Antenne sind jedoch hoch, wahrscheinlich aufgrund ihrer offenen Struktur. Daher ist seine Kopplungseffizienz relativ gering (ca. 50 %).
Abbildung 7 Wanderwellen-Pyramidenantenne
2. Dielektrische Antenne
Die dielektrische Antenne ist eine Kombination aus einem dielektrischen Substrat und einem Antennenstrahler. Durch geeignetes Design kann die dielektrische Antenne eine Impedanzanpassung an den Detektor erreichen und bietet die Vorteile eines einfachen Prozesses, einer einfachen Integration und geringer Kosten. In den letzten Jahren haben Forscher mehrere schmalbandige und breitbandige Side-Fire-Antennen entwickelt, die mit den Niederimpedanzdetektoren dielektrischer Terahertz-Antennen mithalten können: Butterfly-Antenne, Doppel-U-förmige Antenne, logarithmisch-periodische Antenne und logarithmisch-periodische Sinusantenne dargestellt in Abbildung 8. Darüber hinaus können komplexere Antennengeometrien durch genetische 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 zum THz-Band tendiert. Dieser fatale Nachteil führt dazu, dass die Antenne im Betrieb viel Energie verliert und die Strahlungseffizienz der Antenne deutlich sinkt. Wie in Abbildung 9 dargestellt, ist die Energie der Antenne im dielektrischen Substrat eingeschlossen und mit der Substratmode gekoppelt, wenn der Strahlungswinkel der Antenne größer als der Grenzwinkel ist.
Abbildung 9: Oberflächenwelleneffekt der Antenne
Mit zunehmender Dicke des Substrats steigt die Anzahl der Moden höherer Ordnung und die Kopplung zwischen Antenne und Substrat nimmt zu, was zu Energieverlusten führt. Um den Oberflächenwelleneffekt abzuschwächen, gibt es drei Optimierungsschemata:
1) Befestigen Sie eine Linse an der Antenne, um den Gewinn zu erhöhen, indem Sie die Strahlformungseigenschaften elektromagnetischer Wellen nutzen.
2) Reduzieren Sie die Dicke des Substrats, um die Erzeugung elektromagnetischer Wellen höherer Ordnung zu unterdrücken.
3) Ersetzen Sie das dielektrische Substratmaterial durch eine elektromagnetische Bandlücke (EBG). Die räumlichen Filtereigenschaften von EBG können Moden höherer Ordnung unterdrücken.
3. Neue Materialantennen
Neben den beiden oben genannten Antennen gibt es auch eine Terahertz-Antenne aus neuen Materialien. Im Jahr 2006 stellten beispielsweise Jin Hao et al. schlug eine Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Dipolantenne vor. Wie in Abbildung 10 (a) dargestellt, besteht der Dipol aus Kohlenstoffnanoröhren anstelle von Metallmaterialien. Er untersuchte sorgfältig die Infrarot- und optischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Dipolantenne und diskutierte die allgemeinen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Dipolantenne endlicher Länge, wie Eingangsimpedanz, Stromverteilung, Verstärkung, Effizienz und Strahlungsmuster. Abbildung 10 (b) zeigt die Beziehung zwischen der Eingangsimpedanz und der Frequenz der Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne. Wie in Abbildung 10(b) zu sehen ist, weist der Imaginärteil der Eingangsimpedanz bei höheren Frequenzen mehrere Nullstellen auf. Dies weist darauf hin, dass die Antenne mehrere Resonanzen bei unterschiedlichen Frequenzen erreichen kann. Offensichtlich zeigt die Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Antenne Resonanz innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs (niedrigere THz-Frequenzen), ist jedoch außerhalb dieses Bereichs überhaupt nicht in der Lage, Resonanz zu erzeugen.
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, die aus einem Bündel von Kohlenstoffnanoröhren besteht, die in zwei dielektrische Schichten eingewickelt sind. Die innere dielektrische Schicht ist eine dielektrische Schaumschicht und die äußere dielektrische Schicht ist eine Metamaterialschicht. Die spezifische Struktur ist in Abbildung 11 dargestellt. Durch Tests wurde die Strahlungsleistung der Antenne im Vergleich zu einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbessert.
Abbildung 11 Neue Terahertz-Antenne auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren
Die oben vorgeschlagenen Terahertz-Antennen aus neuem Material sind hauptsächlich dreidimensional. Um die Bandbreite der Antenne zu verbessern und konforme Antennen herzustellen, haben planare Graphenantennen große Aufmerksamkeit erhalten. Graphen verfügt über ausgezeichnete dynamische kontinuierliche Kontrolleigenschaften und kann durch Anpassen der Vorspannung Oberflächenplasma erzeugen. Oberflächenplasma existiert an der Grenzfläche zwischen Substraten mit positiver Dielektrizitätskonstante (wie Si, SiO2 usw.) und Substraten mit negativer Dielektrizitätskonstante (wie Edelmetalle, Graphen usw.). In Leitern wie Edelmetallen und Graphen gibt es eine große Anzahl „freier Elektronen“. Diese freien Elektronen werden auch Plasmen genannt. Aufgrund des inhärenten Potentialfeldes im Leiter befinden sich diese Plasmen in einem stabilen Zustand und werden nicht durch die Außenwelt gestört. Wenn die einfallende elektromagnetische Wellenenergie an diese Plasmen gekoppelt wird, weichen die Plasmen vom stationären Zustand ab und vibrieren. Nach der Umwandlung bildet der elektromagnetische Modus an der Grenzfläche eine transversale magnetische Welle. Gemäß der Beschreibung der Dispersionsbeziehung von Metalloberflächenplasmen durch das Drude-Modell können Metalle nicht auf natürliche Weise mit elektromagnetischen Wellen im freien Raum koppeln und Energie umwandeln. Um Oberflächenplasmawellen anzuregen, müssen andere Materialien verwendet werden. Oberflächenplasmawellen klingen in paralleler Richtung der Metall-Substrat-Grenzfläche schnell ab. Wenn der Metallleiter senkrecht zur Oberfläche leitet, entsteht ein Skin-Effekt. Aufgrund der geringen Größe der Antenne gibt es offensichtlich einen Skin-Effekt im Hochfrequenzband, der dazu führt, dass die Antennenleistung stark abnimmt und die Anforderungen von Terahertz-Antennen nicht erfüllen kann. Das Oberflächenplasmon von Graphen weist nicht nur eine höhere Bindungskraft und einen geringeren Verlust auf, sondern unterstützt auch eine kontinuierliche elektrische Abstimmung. Darüber hinaus weist Graphen eine komplexe Leitfähigkeit im Terahertz-Band auf. Daher hängt die langsame Wellenausbreitung mit dem Plasmamodus bei Terahertz-Frequenzen zusammen. Diese Eigenschaften belegen voll und ganz die Eignung von Graphen, Metallmaterialien im Terahertz-Band zu ersetzen.
Basierend auf dem Polarisationsverhalten von Graphen-Oberflächenplasmonen zeigt Abbildung 12 einen neuen Typ einer Streifenantenne und schlägt die Bandform der Ausbreitungseigenschaften von Plasmawellen in Graphen vor. Das Design des abstimmbaren Antennenbandes bietet eine neue Möglichkeit, die Ausbreitungseigenschaften von Terahertz-Antennen aus neuen Materialien zu untersuchen.
Abbildung 12 Neue Streifenantenne
Neben der Erforschung von Terahertz-Antennenelementen aus neuen Materialien können Graphen-Nanopatch-Terahertz-Antennen auch als Arrays zum Aufbau von Terahertz-Antennenkommunikationssystemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen konzipiert werden. 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 die Auswahl einer geeigneten Anzahl von Komponenten und die Änderung der elektrostatischen Vorspannung kann die Strahlungsrichtung effektiv geändert werden, wodurch das System rekonfigurierbar wird.
Abbildung 13 Graphen-Nanopatch-Terahertz-Antennenanordnung
Die Erforschung neuer Materialien ist eine relativ neue Richtung. Es wird erwartet, dass die Materialinnovation die Beschränkungen herkömmlicher Antennen durchbricht und eine Vielzahl neuer Antennen entwickelt, wie z. B. rekonfigurierbare Metamaterialien, zweidimensionale (2D) Materialien usw. Dieser Antennentyp hängt jedoch hauptsächlich von der Innovation neuer Antennen ab Materialien und die Weiterentwicklung der Prozesstechnologie. In jedem Fall erfordert die Entwicklung von Terahertz-Antennen innovative Materialien, präzise Verarbeitungstechnologie und neuartige Designstrukturen, um den Anforderungen von Terahertz-Antennen an hohen Gewinn, 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 werden analysiert.
1. Metallantenne: Die Geometrie ist einfach, leicht zu verarbeiten, relativ geringe Kosten und geringe Anforderungen an Substratmaterialien. Metallantennen verwenden jedoch eine mechanische Methode zur Ausrichtung der Antennenposition, was fehleranfällig ist. Wenn die Einstellung nicht korrekt ist, wird die Leistung der Antenne stark reduziert. Obwohl die Metallantenne klein ist, ist es schwierig, sie mit einer planaren Schaltung zusammenzubauen.
2. Dielektrische Antenne: Die dielektrische Antenne hat eine niedrige Eingangsimpedanz, lässt sich leicht an einen Detektor mit niedriger Impedanz anpassen und ist relativ einfach mit einer planaren Schaltung zu verbinden. Zu den geometrischen Formen dielektrischer Antennen gehören die Schmetterlingsform, die Doppel-U-Form, die herkömmliche logarithmische Form und die logarithmische periodische Sinusform. Allerdings haben dielektrische Antennen auch einen fatalen Nachteil, nämlich den Oberflächenwelleneffekt, der durch das dicke Substrat verursacht wird. Die Lösung besteht darin, eine Linse zu laden und das dielektrische Substrat durch eine EBG-Struktur zu ersetzen. Beide Lösungen erfordern Innovation und kontinuierliche Verbesserung der Prozesstechnologie und der Materialien, aber ihre hervorragende Leistung (wie Omnidirektionalität und Oberflächenwellenunterdrückung) kann neue Ideen für die Forschung von Terahertz-Antennen liefern.
3. Neue Materialantennen: Derzeit sind neue Dipolantennen aus Kohlenstoffnanoröhren und neue Antennenstrukturen aus Metamaterialien erschienen. Neue Materialien können zu neuen Leistungsdurchbrüchen führen, aber die Voraussetzung dafür ist die Innovation der Materialwissenschaft. Derzeit befindet sich die Forschung zu neuen Materialantennen noch im Explorationsstadium und viele Schlüsseltechnologien sind noch nicht ausgereift genug.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass je nach Designanforderungen verschiedene Arten von Terahertz-Antennen ausgewählt werden können:
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 Leistungsdurchbruch erforderlich ist, können neue Materialantennen ausgewählt werden.
Die oben genannten Ausführungen können auch nach spezifischen Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise können zwei Antennentypen kombiniert werden, um mehr Vorteile zu erzielen, allerdings müssen die Montagemethode und die Designtechnologie strengere Anforderungen erfüllen.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.08.2024
