Mit der zunehmenden Verbreitung drahtloser Geräte erleben Datendienste eine neue Phase rasanter Entwicklung, die auch als explosionsartiges Wachstum bekannt ist. Zahlreiche Anwendungen wandern derzeit von Computern auf mobile Endgeräte wie Mobiltelefone ab, die handlich sind und in Echtzeit bedient werden können. Dies führt jedoch zu einem rapiden Anstieg des Datenverkehrs und einer Verknappung der Bandbreitenressourcen. Statistiken zufolge könnten die Datenraten auf dem Markt in den nächsten 10 bis 15 Jahren Gbit/s oder sogar Terabit/s erreichen. Die Terahertz-Kommunikation hat bereits Datenraten im Gbit/s-Bereich erreicht, während die Entwicklung von Terabit/s noch in den Anfängen steckt. Eine Fachpublikation beschreibt die jüngsten Fortschritte bei Gbit/s-Datenraten im Terahertz-Band und prognostiziert, dass Terabit/s durch Polarisationsmultiplexing erzielt werden können. Um die Datenübertragungsrate weiter zu steigern, bietet sich daher die Entwicklung eines neuen Frequenzbandes an: des Terahertz-Bandes, das sich im Übergangsbereich zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht befindet. Auf der ITU-Weltfunkkonferenz (WRC-19) 2019 wurde der Frequenzbereich von 275–450 GHz für Festnetz- und Mobilfunkdienste genutzt. Es zeigt sich, dass Terahertz-Funkkommunikationssysteme das Interesse vieler Forscher geweckt haben.
Terahertz-Wellen werden allgemein als Frequenzbereich von 0,1–10 THz (1 THz = 1012 Hz) mit einer Wellenlänge von 0,03–3 mm definiert. Gemäß IEEE-Standard liegt der Frequenzbereich von Terahertz bei 0,3–10 THz. Abbildung 1 zeigt, dass der Terahertz-Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt.
Abb. 1 Schematische Darstellung des THz-Frequenzbandes.
Entwicklung von Terahertz-Antennen
Obwohl die Terahertzforschung bereits im 19. Jahrhundert begann, wurde sie damals nicht als eigenständiges Forschungsgebiet betrachtet. Die Forschung zur Terahertzstrahlung konzentrierte sich hauptsächlich auf den Ferninfrarotbereich. Erst Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts begannen Forscher, die Millimeterwellenforschung auf den Terahertzbereich auszudehnen und spezialisierte Terahertz-Technologieforschung zu betreiben.
In den 1980er Jahren ermöglichte die Entwicklung von Terahertz-Strahlungsquellen den praktischen Einsatz von Terahertz-Wellen. Seit dem 21. Jahrhundert hat sich die drahtlose Kommunikationstechnologie rasant weiterentwickelt. Der steigende Informationsbedarf und die zunehmende Verbreitung von Kommunikationsgeräten stellen höhere Anforderungen an die Übertragungsrate von Datenübertragungen. Eine der Herausforderungen zukünftiger Kommunikationstechnologien besteht daher darin, an einem Ort Datenraten im Gigabit-Bereich zu ermöglichen. Angesichts der aktuellen wirtschaftlichen Entwicklung werden Spektrumressourcen immer knapper. Gleichzeitig sind die Anforderungen an Kommunikationskapazität und -geschwindigkeit enorm. Um die Spektrumüberlastung zu bewältigen, setzen viele Unternehmen auf die MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output), um die Spektrumeffizienz und Systemkapazität durch räumliches Multiplexing zu verbessern. Mit dem Ausbau von 5G-Netzen wird die Datenverbindungsgeschwindigkeit jedes Nutzers Gigabit pro Sekunde überschreiten, und auch der Datenverkehr der Basisstationen wird deutlich ansteigen. Herkömmliche Millimeterwellen-Kommunikationssysteme mit Mikrowellenverbindungen sind für diese enormen Datenströme nicht mehr geeignet. Aufgrund der Sichtverbindung ist die Übertragungsdistanz bei Infrarotkommunikation gering und der Standort der Kommunikationsgeräte fixiert. Daher können Terahertz-Wellen, die zwischen Mikrowellen und Infrarot liegen, zum Aufbau von Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen und zur Steigerung der Datenübertragungsraten mittels Terahertz-Verbindungen genutzt werden.
Terahertz-Wellen bieten eine deutlich größere Kommunikationsbandbreite und ihr Frequenzbereich ist etwa 1000-mal so groß wie der von Mobilkommunikationssystemen. Daher stellt die Nutzung von Terahertz-Technologie für den Aufbau ultraschneller drahtloser Kommunikationssysteme eine vielversprechende Lösung für die Herausforderung hoher Datenraten dar und hat das Interesse zahlreicher Forschungsteams und Unternehmen geweckt. Im September 2017 wurde der erste Standard für drahtlose Terahertz-Kommunikation, IEEE 802.15.3d-2017, veröffentlicht. Dieser definiert den Punkt-zu-Punkt-Datenaustausch im unteren Terahertz-Frequenzbereich von 252–325 GHz. Die alternative physikalische Schicht (PHY) der Verbindung ermöglicht Datenraten von bis zu 100 Gbit/s bei unterschiedlichen Bandbreiten.
Das erste erfolgreiche THz-Kommunikationssystem mit 0,12 THz wurde 2004 eingerichtet, das THz-Kommunikationssystem mit 0,3 THz wurde 2013 realisiert. Tabelle 1 listet die Forschungsfortschritte bei Terahertz-Kommunikationssystemen in Japan von 2004 bis 2013 auf.
Tabelle 1 Forschungsfortschritte bei Terahertz-Kommunikationssystemen in Japan von 2004 bis 2013
Die Antennenstruktur eines im Jahr 2004 entwickelten Kommunikationssystems wurde 2005 von der Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) detailliert beschrieben. Die Antennenkonfiguration wurde in zwei Fällen vorgestellt, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Schematische Darstellung des japanischen NTT 120-GHz-Funkkommunikationssystems
Das System integriert photoelektrische Wandlung und Antenne und verfügt über zwei Betriebsmodi:
1. In einer Nahfeldumgebung in Innenräumen besteht der für Innenräume verwendete planare Antennensender aus einem Single-Line Carrier Photodiode (UTC-PD)-Chip, einer planaren Schlitzantenne und einer Siliziumlinse, wie in Abbildung 2(a) dargestellt.
2. Um in einer Umgebung mit großer Reichweite im Freien die Auswirkungen hoher Übertragungsverluste und geringer Detektorempfindlichkeit zu minimieren, muss die Sendeantenne eine hohe Verstärkung aufweisen. Die derzeitige Terahertz-Antenne verwendet eine Gaußsche optische 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 konnte die Übertragungsrate auf bis zu 100 Gbit/s gesteigert werden. Wie Tabelle 1 zeigt, leistete dies einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Terahertz-Kommunikation. Die aktuelle Forschung weist jedoch Nachteile wie niedrige Betriebsfrequenz, große Abmessungen und hohe Kosten auf.
Die meisten der aktuell verwendeten Terahertz-Antennen basieren auf Millimeterwellenantennen, und es gibt nur wenige Innovationen im Terahertz-Antennenbereich. Um die Leistung von Terahertz-Kommunikationssystemen zu verbessern, ist daher die Optimierung von Terahertz-Antennen eine wichtige Aufgabe. Tabelle 2 zeigt den Forschungsstand der deutschen Terahertz-Kommunikation. Abbildung 3 (a) zeigt ein repräsentatives drahtloses Terahertz-Kommunikationssystem, das Photonik und Elektronik kombiniert. Abbildung 3 (b) zeigt die Testumgebung im Windkanal. Betrachtet man den aktuellen Forschungsstand in Deutschland, so weist die Forschung und Entwicklung auch Nachteile wie niedrige Betriebsfrequenz, hohe Kosten und geringe Effizienz auf.
Tabelle 2: Forschungsfortschritte der THz-Kommunikation in Deutschland
Abbildung 3 Windkanaltestszene
Das CSIRO ICT Center hat ebenfalls Forschungsarbeiten zu THz-basierten drahtlosen Indoor-Kommunikationssystemen initiiert. Das Zentrum untersuchte den Zusammenhang zwischen dem Jahr und der Kommunikationsfrequenz (siehe Abbildung 4). Wie aus Abbildung 4 ersichtlich, verlagerte sich der Forschungsschwerpunkt im Bereich der drahtlosen Kommunikation bis 2020 auf den THz-Bereich. Die maximale Kommunikationsfrequenz im Funkspektrum stieg etwa alle zwanzig Jahre um das Zehnfache. Das Zentrum gab Empfehlungen zu den Anforderungen an THz-Antennen und schlug traditionelle Antennen wie Horn- und Linsenantennen für THz-Kommunikationssysteme vor. Abbildung 5 zeigt zwei Hornantennen, die bei 0,84 THz bzw. 1,7 THz arbeiten und sich durch eine einfache Struktur und eine gute Gaußsche Strahlcharakteristik auszeichnen.
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 zum Nachweis von Terahertz-Wellen durchgeführt. Zu den renommierten Terahertz-Forschungseinrichtungen zählen 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) und weitere. Neue Terahertz-Antennen für Terahertz-Anwendungen wurden entwickelt, darunter Bowtie-Antennen und Frequenzstrahl-Steuerungsantennen. Aus der Entwicklung von Terahertz-Antennen lassen sich derzeit drei grundlegende Designansätze ableiten (siehe Abbildung 6).
Abbildung 6 Drei grundlegende Designideen für Terahertz-Antennen
Die obige Analyse zeigt, dass Terahertz-Antennen zwar in vielen Ländern große Beachtung finden, sich aber noch in der frühen Erforschungs- und Entwicklungsphase befinden. Aufgrund hoher Ausbreitungsverluste und molekularer Absorption sind THz-Antennen üblicherweise in ihrer Übertragungsdistanz und Reichweite begrenzt. Einige Studien konzentrieren sich auf niedrigere Betriebsfrequenzen im THz-Band. Die bestehende Terahertz-Antennenforschung zielt hauptsächlich darauf ab, die Verstärkung durch dielektrische Linsenantennen etc. zu verbessern und die Kommunikationseffizienz mithilfe geeigneter Algorithmen zu steigern. Darüber hinaus ist die Verbesserung der Effizienz von Terahertz-Antennengehäusen ein dringendes Problem.
Allgemeine THz-Antennen
Es gibt zahlreiche Arten von Terahertz-Antennen: Dipolantennen mit konischen Hohlräumen, Eckreflektor-Arrays, Bowtie-Dipole, dielektrische Linsenantennen, fotoleitende Antennen zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung, Hornantennen, Terahertz-Antennen auf Graphenbasis usw. Je nach verwendetem Material lassen sich Terahertz-Antennen grob in Metallantennen (hauptsächlich Hornantennen), dielektrische Antennen (Linsenantennen) und Antennen aus neuen Materialien unterteilen. Dieser Abschnitt bietet zunächst eine erste Analyse dieser Antennen. Im nächsten Abschnitt werden fünf typische Terahertz-Antennen detailliert vorgestellt und eingehend analysiert.
1. Metallantennen
Die Hornantenne ist eine typische Metallantenne, die für den Terahertz-Bereich ausgelegt ist. Die Antenne eines klassischen Millimeterwellenempfängers ist ein konisches Horn. Korrugierte und Dual-Mode-Antennen bieten zahlreiche Vorteile, darunter rotationssymmetrische Strahlungsmuster, eine hohe Verstärkung von 20 bis 30 dBi, einen niedrigen Kreuzpolarisationspegel von -30 dB und einen Kopplungswirkungsgrad von 97 % bis 98 %. Die verfügbaren Bandbreiten der beiden Hornantennen betragen 30 %–40 % bzw. 6 %–8 %.
Da Terahertz-Wellen sehr hohe Frequenzen aufweisen, ist die Größe von Hornantennen sehr gering. Dies erschwert die Herstellung der Hornantennen erheblich, insbesondere bei der Entwicklung von Antennenarrays. Die komplexe Fertigungstechnologie führt zu hohen Kosten und begrenzt die Produktion. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung des unteren Teils komplexer Hornkonstruktionen werden üblicherweise einfache Hornantennen in Form eines Kegels oder konischen Horns verwendet. Dadurch lassen sich Kosten und Fertigungsaufwand reduzieren, ohne die Strahlungseigenschaften der Antenne zu beeinträchtigen.
Eine weitere Metallantenne ist die Wanderwellenpyramidenantenne. Sie besteht aus einer Wanderwellenantenne, die auf einem 1,2 µm dicken dielektrischen Film integriert und in einem länglichen, in einen Siliziumwafer geätzten Hohlraum suspendiert ist (siehe Abbildung 7). Diese Antenne besitzt eine offene Struktur und ist mit Schottky-Dioden kompatibel. Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus und der geringen Fertigungsanforderungen kann sie üblicherweise in Frequenzbändern oberhalb von 0,6 THz eingesetzt werden. Allerdings sind der Nebenkeulenpegel und die Kreuzpolarisation der Antenne hoch, vermutlich aufgrund ihrer offenen Struktur. Daher ist ihr Kopplungswirkungsgrad relativ gering (etwa 50 %).
Abbildung 7: Pyramidenantenne für Wanderwellen
2. Dielektrische Antenne
Die dielektrische Antenne besteht aus einem dielektrischen Substrat und einem Antennenstrahler. Durch geeignete Konstruktion lässt sich die Impedanz der dielektrischen Antenne an den Detektor anpassen. Sie zeichnet sich durch einfache Herstellung, leichte Integration und geringe Kosten aus. In den letzten Jahren haben Forscher verschiedene schmal- und breitbandige Seitenstrahlantennen entwickelt, die zu den niederohmigen Detektoren von Terahertz-Dielektrikumantennen passen: Schmetterlingsantenne, Doppel-U-Antenne, logarithmisch-periodische Antenne und logarithmisch-periodische Sinusantenne (siehe Abbildung 8). Darüber hinaus lassen sich mithilfe genetischer Algorithmen komplexere Antennengeometrien entwerfen.
Abbildung 8 Vier Arten von planaren Antennen
Da die dielektrische Antenne jedoch mit einem dielektrischen Substrat kombiniert ist, tritt bei Frequenzen im Terahertz-Bereich ein Oberflächenwelleneffekt auf. Dieser gravierende Nachteil führt zu erheblichen Energieverlusten während des Betriebs und einer deutlichen Reduzierung des Antennenwirkungsgrades. Wie in Abbildung 9 dargestellt, wird die Energie der Antenne im dielektrischen Substrat eingeschlossen und mit dem Substratmodus gekoppelt, sobald der Abstrahlwinkel den Grenzwinkel überschreitet.
Abbildung 9: Antennenoberflächenwelleneffekt
Mit zunehmender Substratdicke steigt die Anzahl der Moden höherer Ordnung und die Kopplung zwischen Antenne und Substrat, was zu Energieverlusten führt. Um den Einfluss von Oberflächenwellen zu verringern, gibt es drei Optimierungsmethoden:
1) Durch Anbringen einer Linse an der Antenne lässt sich der Gewinn durch Ausnutzung der Strahlformungseigenschaften elektromagnetischer Wellen erhöhen.
2) Die Dicke des Substrats verringern, um die Entstehung von Moden höherer Ordnung elektromagnetischer Wellen zu unterdrücken.
3) Ersetzen Sie das dielektrische Substratmaterial durch ein elektromagnetisches Bandlückenmaterial (EBG). Die räumlichen Filtereigenschaften des EBG können Moden höherer Ordnung unterdrücken.
3. Neue Materialantennen
Neben den beiden oben genannten Antennen existiert auch eine Terahertz-Antenne aus neuartigen Materialien. So schlugen Jin Hao et al. im Jahr 2006 eine Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne vor. Wie in Abbildung 10 (a) dargestellt, besteht der Dipol aus Kohlenstoffnanoröhren anstelle von Metallen. Er untersuchte eingehend die Infrarot- und optischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren-Dipolantenne und diskutierte die allgemeinen Eigenschaften der Antenne mit endlicher Länge, wie Eingangsimpedanz, Stromverteilung, Verstärkung, Wirkungsgrad und Strahlungsdiagramm. Abbildung 10 (b) zeigt den Zusammenhang 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 zeigt die Kohlenstoffnanoröhrenantenne Resonanzen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs (niedrige THz-Frequenzen), ist aber außerhalb dieses Bereichs nicht resonanzfähig.
Abbildung 10 (a) Dipolantenne aus Kohlenstoffnanoröhren. (b) Eingangsimpedanz-Frequenz-Kennlinie
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 von zwei dielektrischen Schichten umhüllt sind. Die innere dielektrische Schicht ist ein dielektrischer Schaum, die äußere eine Metamaterialschicht. Die genaue Struktur ist in Abbildung 11 dargestellt. Tests zeigten eine Verbesserung der Strahlungseigenschaften der Antenne im Vergleich zu einwandigen Kohlenstoffnanoröhren.
Abbildung 11 Neue Terahertz-Antenne auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren
Die oben vorgestellten neuen Terahertz-Antennenmaterialien sind hauptsächlich dreidimensional. Um die Bandbreite der Antennen zu verbessern und konforme Antennen zu realisieren, haben planare Graphenantennen große Beachtung gefunden. Graphen besitzt hervorragende dynamische und kontinuierliche Steuerungseigenschaften und kann durch Anpassen der Vorspannung Oberflächenplasma erzeugen. Oberflächenplasma entsteht 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 als Plasma bezeichnet. Aufgrund des inhärenten Potentialfelds im Leiter befinden sich diese Plasmen in einem stabilen Zustand und werden von der Umgebung nicht gestört. Wenn die Energie einer einfallenden elektromagnetischen Welle auf diese Plasmen trifft, werden diese aus dem stationären Zustand versetzt und beginnen zu vibrieren. Nach der Umwandlung bildet der elektromagnetische Modus an der Grenzfläche eine transversale magnetische Welle. Gemäß der Beschreibung der Dispersionsrelation von Metalloberflächenplasma durch das Drude-Modell können Metalle im freien Raum nicht von Natur aus mit elektromagnetischen Wellen koppeln und Energie umwandeln. Daher ist es notwendig, andere Materialien zur Anregung von Oberflächenplasmawellen zu verwenden. 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 ist dieser Skin-Effekt im Hochfrequenzbereich deutlich spürbar, was zu einem starken Abfall der Antennenleistung führt und die Anforderungen an Terahertz-Antennen nicht erfüllt. Das Oberflächenplasmon von Graphen zeichnet sich nicht nur durch eine höhere Bindungskraft und geringere Verluste aus, sondern ermöglicht auch eine kontinuierliche elektrische Abstimmung. Darüber hinaus weist Graphen im Terahertz-Bereich eine komplexe Leitfähigkeit auf. Daher ist die langsame Wellenausbreitung bei Terahertz-Frequenzen mit dem Plasmamodus verbunden. Diese Eigenschaften belegen eindeutig die Eignung von Graphen als Ersatz für Metalle im Terahertz-Bereich.
Abbildung 12 zeigt, basierend auf dem Polarisationsverhalten von Graphen-Oberflächenplasmonen, eine neuartige Streifenantenne und beschreibt die Bandform der Ausbreitungseigenschaften von Plasmawellen in Graphen. Die Entwicklung einer abstimmbaren Antennenbandbreite eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Ausbreitungseigenschaften von Terahertz-Antennen aus neuartigen Materialien.
Abbildung 12 Neue Streifenantenne
Neben der Erforschung neuartiger Terahertz-Antennenelemente aus einzelnen Materialien können Graphen-Nanopatch-Terahertz-Antennen auch als Arrays für Terahertz-Multi-Input-Multi-Output-Antennenkommunikationssysteme eingesetzt werden. Die Antennenstruktur ist in Abbildung 13 dargestellt. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Graphen-Nanopatch-Antennen weisen die Antennenelemente Abmessungen im Mikrometerbereich auf. Mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) werden verschiedene Graphenstrukturen direkt auf einer dünnen Nickelschicht synthetisiert und auf ein beliebiges Substrat übertragen. Durch die Wahl einer geeigneten Anzahl von Komponenten und die Anpassung der elektrostatischen Vorspannung lässt sich die Abstrahlrichtung effektiv verändern, wodurch das System rekonfigurierbar wird.
Abbildung 13: Graphen-Nanopatch-Terahertz-Antennenarray
Die Erforschung neuer Materialien ist ein relativ neues Forschungsgebiet. Man erwartet, dass Materialinnovationen die Grenzen traditioneller Antennen überwinden und die Entwicklung einer Vielzahl neuer Antennen ermöglichen, beispielsweise rekonfigurierbare Metamaterialien und zweidimensionale (2D) Materialien. Diese Antennen hängen jedoch maßgeblich von der Entwicklung neuer Materialien und dem Fortschritt der Prozesstechnologie ab. In jedem Fall erfordert die Entwicklung von Terahertz-Antennen innovative Materialien, präzise Verarbeitungstechnologien und neuartige Designstrukturen, um die Anforderungen an hohe Verstärkung, niedrige Kosten und große Bandbreite zu erfüllen.
Im Folgenden werden die Grundprinzipien der drei Arten von Terahertz-Antennen vorgestellt: Metallantennen, dielektrische Antennen und Antennen aus neuen Materialien. Anschließend werden ihre Unterschiede sowie ihre Vor- und Nachteile analysiert.
1. Metallantenne: Die Geometrie ist einfach, die Verarbeitung unkompliziert, die Kosten vergleichsweise niedrig und die Anforderungen an das Substratmaterial gering. Allerdings erfolgt die Positionierung von Metallantennen mechanisch, was fehleranfällig ist. Eine fehlerhafte Justierung kann die Antennenleistung erheblich beeinträchtigen. Obwohl Metallantennen klein sind, gestaltet sich die Integration in planare Schaltungen schwierig.
2. Dielektrische Antenne: Dielektrische Antennen zeichnen sich durch eine niedrige Eingangsimpedanz aus, lassen sich leicht an niederohmige Detektoren anpassen und sind relativ einfach in planare Schaltungen zu integrieren. Zu den geometrischen Formen dielektrischer Antennen gehören Schmetterlings-, Doppel-U-, konventionelle logarithmische und logarithmisch-periodische Sinusformen. Allerdings weisen dielektrische Antennen einen entscheidenden Nachteil auf: den durch das dicke Substrat verursachten Oberflächenwelleneffekt. Eine Lösung besteht darin, eine Linse einzusetzen und das dielektrische Substrat durch eine EBG-Struktur zu ersetzen. Beide Lösungen erfordern Innovationen und die kontinuierliche Verbesserung von Prozesstechnologie und Materialien, doch ihre hervorragenden Eigenschaften (wie Omnidirektionalität und Oberflächenwellenunterdrückung) können neue Ansätze für die Forschung an Terahertz-Antennen liefern.
3. Antennen aus neuen Materialien: Derzeit werden neue Dipolantennen aus Kohlenstoffnanoröhren und neue Antennenstrukturen aus Metamaterialien entwickelt. Neue Materialien bergen das Potenzial für bahnbrechende Leistungsverbesserungen, setzen jedoch Innovationen in der Materialwissenschaft voraus. Die Forschung an Antennen aus neuen Materialien befindet sich aktuell noch im explorativen Stadium, und viele Schlüsseltechnologien sind noch nicht ausgereift.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass je nach Designanforderungen unterschiedliche Arten von Terahertz-Antennen ausgewählt werden können:
1) Wenn ein einfaches Design und niedrige Produktionskosten erforderlich sind, können Metallantennen gewählt werden.
2) Wenn eine hohe Integration und eine niedrige Eingangsimpedanz erforderlich sind, können dielektrische Antennen gewählt werden.
3) Falls ein Durchbruch bei der Leistungsfähigkeit erforderlich ist, können neue Materialantennen ausgewählt werden.
Die oben genannten Konstruktionen lassen sich auch an spezifische Anforderungen anpassen. Beispielsweise können zwei Antennentypen kombiniert werden, um weitere Vorteile zu erzielen, allerdings müssen dann die Montagemethode und die Konstruktionstechnik strengeren Anforderungen genügen.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Veröffentlichungsdatum: 02.08.2024
