مع تزايد شعبية الأجهزة اللاسلكية، دخلت خدمات البيانات فترة جديدة من التطور السريع، والمعروفة أيضًا بالنمو الهائل لخدمات البيانات. في الوقت الحاضر، ينتقل عدد كبير من التطبيقات تدريجيًا من أجهزة الكمبيوتر إلى الأجهزة اللاسلكية مثل الهواتف المحمولة التي يسهل حملها وتشغيلها في الوقت الفعلي، ولكن هذا الوضع أدى أيضًا إلى زيادة سريعة في حركة البيانات ونقص في موارد النطاق الترددي . وفقًا للإحصاءات، قد يصل معدل البيانات في السوق إلى جيجابت في الثانية أو حتى تيرابت في الثانية خلال الـ 10 إلى 15 عامًا القادمة. في الوقت الحاضر، وصل اتصال T هرتز إلى معدل بيانات جيجابت في الثانية، في حين أن معدل بيانات Tbps لا يزال في المراحل الأولى من التطوير. تسرد ورقة ذات صلة أحدث التقدم في معدلات بيانات جيجابت في الثانية استنادًا إلى نطاق THz وتتوقع أنه يمكن الحصول على Tbps من خلال تعدد إرسال الاستقطاب. ولذلك، لزيادة معدل نقل البيانات، فإن الحل الممكن هو تطوير نطاق تردد جديد، وهو نطاق تيراهيرتز، الموجود في "المنطقة الفارغة" بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء. وفي المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية للاتحاد الدولي للاتصالات (WRC-19) في عام 2019، تم استخدام نطاق الترددات 450-275 جيجا هرتز للخدمات الثابتة والمتنقلة البرية. ويمكن ملاحظة أن أنظمة الاتصالات اللاسلكية تيراهيرتز قد جذبت انتباه العديد من الباحثين.
يتم تعريف موجات تيراهيرتز الكهرومغناطيسية بشكل عام على أنها نطاق تردد يتراوح من 0.1 إلى 10 تيراهيرتز (1 تيراهيرتز = 1012 هرتز) وطول موجي يتراوح بين 0.03 إلى 3 ملم. وفقًا لمعيار IEEE، يتم تعريف موجات تيراهيرتز على أنها 0.3-10 هرتز. يوضح الشكل 1 أن نطاق تردد تيراهيرتز يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء.
الشكل 1: رسم تخطيطي لنطاق التردد T هرتز.
تطوير هوائيات تيراهيرتز
على الرغم من أن أبحاث تيراهيرتز بدأت في القرن التاسع عشر، إلا أنها لم تتم دراستها كمجال مستقل في ذلك الوقت. ركز البحث على إشعاع تيراهيرتز بشكل أساسي على نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة. لم يكن الأمر كذلك حتى منتصف القرن العشرين وأواخره حيث بدأ الباحثون في تطوير أبحاث الموجات المليمترية إلى نطاق تيراهيرتز وإجراء أبحاث متخصصة في تكنولوجيا تيراهيرتز.
في الثمانينيات، أدى ظهور مصادر إشعاع تيراهيرتز إلى جعل تطبيق موجات تيراهيرتز في الأنظمة العملية ممكنًا. منذ القرن الحادي والعشرين، تطورت تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية بسرعة، وقد أدى طلب الناس على المعلومات وزيادة معدات الاتصالات إلى فرض متطلبات أكثر صرامة على معدل نقل بيانات الاتصال. ولذلك، فإن أحد تحديات تكنولوجيا الاتصالات المستقبلية هو العمل بمعدل بيانات مرتفع يبلغ جيجابت في الثانية في مكان واحد. وفي ظل التنمية الاقتصادية الحالية، أصبحت موارد الطيف شحيحة بشكل متزايد. ومع ذلك، فإن المتطلبات البشرية لقدرة الاتصال وسرعته لا حصر لها. بالنسبة لمشكلة ازدحام الطيف، تستخدم العديد من الشركات تقنية المدخلات والمخرجات المتعددة (MIMO) لتحسين كفاءة الطيف وقدرة النظام من خلال تعدد الإرسال المكاني. ومع تقدم شبكات الجيل الخامس، ستتجاوز سرعة اتصال البيانات لكل مستخدم جيجابت في الثانية، كما ستزداد حركة البيانات للمحطات الأساسية بشكل كبير. بالنسبة لأنظمة الاتصالات ذات الموجات الملليمترية التقليدية، لن تتمكن وصلات الموجات الدقيقة من التعامل مع تدفقات البيانات الضخمة هذه. بالإضافة إلى ذلك، بسبب تأثير خط الرؤية، تكون مسافة إرسال الاتصالات بالأشعة تحت الحمراء قصيرة ويتم تحديد موقع معدات الاتصال الخاصة بها. ولذلك، يمكن استخدام موجات T هرتز، التي تقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء، لبناء أنظمة اتصالات عالية السرعة وزيادة معدلات نقل البيانات باستخدام وصلات T هرتز.
يمكن لموجات تيراهيرتز توفير نطاق ترددي أوسع للاتصالات، ويبلغ نطاق ترددها حوالي 1000 مرة نطاق الاتصالات المحمولة. لذلك، يعد استخدام T هرتز لبناء أنظمة اتصالات لاسلكية فائقة السرعة حلاً واعدًا لتحدي معدلات البيانات المرتفعة، والذي جذب اهتمام العديد من فرق البحث والصناعات. في سبتمبر 2017، تم إصدار أول معيار للاتصالات اللاسلكية T هرتز IEEE 802.15.3d-2017، والذي يحدد تبادل البيانات من نقطة إلى نقطة في نطاق التردد الأدنى T هرتز البالغ 252-325 جيجا هرتز. يمكن للطبقة المادية البديلة (PHY) للارتباط تحقيق معدلات بيانات تصل إلى 100 جيجابت في الثانية بعروض نطاق مختلفة.
تم إنشاء أول نظام اتصالات ناجح بتردد 0.12 تيراهيرتز في عام 2004، وتم تحقيق نظام اتصالات تيراهيرتز بتردد 0.3 تيراهيرتز في عام 2013. ويسرد الجدول 1 التقدم البحثي لأنظمة اتصالات تيراهيرتز في اليابان من عام 2004 إلى عام 2013.
الجدول بالحجم الكامل: التقدم البحثي لأنظمة اتصالات تيراهيرتز في اليابان من عام 2004 إلى عام 2013
تم وصف هيكل الهوائي لنظام الاتصالات الذي تم تطويره في عام 2004 بالتفصيل من قبل شركة Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) في عام 2005. وقد تم تقديم تكوين الهوائي في حالتين، كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2: رسم تخطيطي لنظام الاتصالات اللاسلكية NTT 120 جيجا هرتز في اليابان
يدمج النظام التحويل الكهروضوئي والهوائي ويعتمد وضعين للعمل:
1. في بيئة داخلية قريبة المدى، يتكون جهاز إرسال الهوائي المستوي المستخدم في الداخل من شريحة ثنائي ضوئي حامل أحادي الخط (UTC-PD)، وهوائي ذو فتحة مستوية وعدسة سيليكون، كما هو موضح في الشكل 2 (أ).
2. في البيئة الخارجية طويلة المدى، من أجل تحسين تأثير فقدان الإرسال الكبير والحساسية المنخفضة للكاشف، يجب أن يتمتع هوائي الإرسال بكسب مرتفع. يستخدم هوائي تيراهيرتز الحالي عدسة بصرية غاوسية مع كسب يزيد عن 50 ديسيبل. يظهر الشكل 2 (ب) مجموعة بوق التغذية والعدسة العازلة.
بالإضافة إلى تطوير نظام اتصالات بتردد 0.12 تيرا هرتز، قامت شركة NTT أيضًا بتطوير نظام اتصالات بتردد 0.3 تيرا هرتز في عام 2012. ومن خلال التحسين المستمر، يمكن أن يصل معدل النقل إلى 100 جيجابت في الثانية. وكما يتبين من الجدول 1، فقد ساهم بشكل كبير في تطوير اتصالات تيراهيرتز. ومع ذلك، فإن العمل البحثي الحالي له عيوب تتمثل في انخفاض وتيرة التشغيل والحجم الكبير والتكلفة العالية.
معظم هوائيات تيراهيرتز المستخدمة حاليًا معدلة من هوائيات الموجات المليمترية، وهناك القليل من الابتكار في هوائيات تيراهيرتز. لذلك، من أجل تحسين أداء أنظمة اتصالات تيراهيرتز، هناك مهمة مهمة تتمثل في تحسين هوائيات تيراهيرتز. يسرد الجدول 2 التقدم البحثي في مجال اتصالات T هرتز الألمانية. يوضح الشكل 3 (أ) نظام اتصالات لاسلكي تمثيلي T هرتز يجمع بين الضوئيات والإلكترونيات. ويبين الشكل 3 (ب) مشهد اختبار نفق الرياح. انطلاقًا من الوضع البحثي الحالي في ألمانيا، فإن البحث والتطوير له أيضًا عيوب مثل تردد التشغيل المنخفض والتكلفة العالية وانخفاض الكفاءة.
الجدول بالحجم الكامل
الشكل 3: مشهد اختبار نفق الرياح
بدأ مركز CSIRO لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات أيضًا إجراء بحث حول أنظمة الاتصالات اللاسلكية الداخلية التي تعمل بنظام T هرتز. قام المركز بدراسة العلاقة بين السنة وتردد الاتصالات، كما هو موضح في الشكل 4. وكما يتبين من الشكل 4، بحلول عام 2020، ستتجه الأبحاث المتعلقة بالاتصالات اللاسلكية إلى نطاق T هرتز. ويزداد الحد الأقصى لتردد الاتصالات باستخدام الطيف الراديوي حوالي عشر مرات كل عشرين عامًا. وقد قدم المركز توصيات بشأن متطلبات هوائيات التيرا هرتز والهوائيات التقليدية المقترحة مثل الأبواق والعدسات لأنظمة الاتصالات التيرا هرتز. كما هو موضح في الشكل 5، يعمل هوائيان بوقيان بتردد 0.84 تيراهيرتز و1.7 تيراهيرتز على التوالي، مع بنية بسيطة وأداء جيد لشعاع غاوسي.
الشكل 4: العلاقة بين السنة والتكرار
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
الشكل 5: نوعان من هوائيات البوق
أجرت الولايات المتحدة بحثًا مكثفًا حول انبعاث موجات تيراهيرتز والكشف عنها. تشمل مختبرات أبحاث تيراهيرتز الشهيرة مختبر الدفع النفاث (JPL)، ومركز ستانفورد الخطي للمسرع (SLAC)، والمختبر الوطني الأمريكي (LLNL)، والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA)، والمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF)، وما إلى ذلك. وقد تم تصميم هوائيات تيراهيرتز جديدة لتطبيقات تيراهيرتز، مثل هوائيات ربطة العنق وهوائيات توجيه شعاع التردد. وفقا لتطور هوائيات تيراهيرتز، يمكننا الحصول على ثلاثة أفكار تصميمية أساسية لهوائيات تيراهيرتز في الوقت الحاضر، كما هو مبين في الشكل 6.
الشكل 6: ثلاث أفكار تصميمية أساسية لهوائيات تيراهيرتز
يوضح التحليل أعلاه أنه على الرغم من أن العديد من البلدان قد أولت اهتمامًا كبيرًا بهوائيات تيراهيرتز، إلا أنها لا تزال في مرحلة الاستكشاف والتطوير الأولية. نظرًا لارتفاع خسارة الانتشار والامتصاص الجزيئي، عادةً ما تكون هوائيات T هرتز محدودة بمسافة الإرسال والتغطية. تركز بعض الدراسات على ترددات التشغيل المنخفضة في نطاق T هرتز. تركز أبحاث هوائي تيراهيرتز الحالية بشكل أساسي على تحسين الكسب باستخدام هوائيات العدسات العازلة، وما إلى ذلك، وتحسين كفاءة الاتصال باستخدام الخوارزميات المناسبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن كيفية تحسين كفاءة تغليف هوائي تيراهيرتز هي أيضًا مسألة ملحة للغاية.
هوائيات T هرتز العامة
هناك أنواع عديدة من هوائيات T هرتز المتاحة: هوائيات ثنائية القطب ذات تجاويف مخروطية، ومصفوفات عاكسة زاوية، وثنائيات أقطاب ربطة عنق، وهوائيات مستوية للعدسة العازلة، وهوائيات موصلة للضوء لتوليد مصادر إشعاع مصدر T هرتز، وهوائيات قرنية، وهوائيات T هرتز تعتمد على مواد الجرافين، وما إلى ذلك. المواد المستخدمة في صنع هوائيات T هرتز، يمكن تقسيمها تقريبًا إلى هوائيات معدنية (هوائيات قرنية بشكل أساسي)، وهوائيات عازلة (هوائيات العدسة)، وهوائيات مادية جديدة. يقدم هذا القسم أولاً تحليلاً أوليًا لهذه الهوائيات، ثم في القسم التالي، يتم تقديم خمسة هوائيات نموذجية T هرتز بالتفصيل وتحليلها بعمق.
1. هوائيات معدنية
هوائي البوق هو هوائي معدني نموذجي مصمم للعمل في نطاق T هرتز. هوائي جهاز استقبال الموجات المليمترية الكلاسيكي هو قرن مخروطي الشكل. تتمتع الهوائيات المموجة والثنائية الوضع بالعديد من المزايا، بما في ذلك أنماط الإشعاع المتناظرة دورانيًا، والكسب العالي من 20 إلى 30 ديسيبل ومستوى الاستقطاب المتقاطع المنخفض الذي يصل إلى -30 ديسيبل، وكفاءة الاقتران من 97% إلى 98%. عرض النطاق الترددي المتاح لهوائيات البوق هو 30%-40% و6%-8% على التوالي.
وبما أن تردد موجات تيراهيرتز مرتفع جدًا، فإن حجم هوائي البوق صغير جدًا، مما يجعل معالجة البوق صعبة للغاية، خاصة في تصميم مصفوفات الهوائي، كما أن تعقيد تقنية المعالجة يؤدي إلى التكلفة الباهظة و إنتاج محدود. نظرًا لصعوبة تصنيع الجزء السفلي من تصميم البوق المعقد، عادةً ما يتم استخدام هوائي بوق بسيط على شكل بوق مخروطي أو مخروطي، مما يمكن أن يقلل من التكلفة وتعقيد العملية، ويمكن الحفاظ على الأداء الإشعاعي للهوائي حسنًا.
هوائي معدني آخر هو هوائي هرمي موجة متنقل، يتكون من هوائي موجة متنقلة مدمج في طبقة عازلة 1.2 ميكرون ومعلق في تجويف طولي محفور على رقاقة سيليكون، كما هو موضح في الشكل 7. هذا الهوائي عبارة عن هيكل مفتوح متوافق مع الثنائيات شوتكي. نظرًا لبنيته البسيطة نسبيًا ومتطلبات التصنيع المنخفضة، يمكن استخدامه بشكل عام في نطاقات التردد التي تزيد عن 0.6 هرتز. ومع ذلك، فإن مستوى الفص الجانبي ومستوى الاستقطاب المتقاطع للهوائي مرتفعان، ربما بسبب بنيته المفتوحة. ولذلك، فإن كفاءة اقترانها منخفضة نسبيًا (حوالي 50%).
الشكل 7: هوائي هرمي ذو موجة متنقلة
2. هوائي عازل
الهوائي العازل عبارة عن مزيج من الركيزة العازلة ومبرد الهوائي. من خلال التصميم المناسب، يمكن للهوائي العازل تحقيق مطابقة المعاوقة مع الكاشف، وله مزايا العملية البسيطة، والتكامل السهل، والتكلفة المنخفضة. في السنوات الأخيرة، صمم الباحثون عدة هوائيات جانبية ضيقة النطاق وعريضة النطاق يمكن أن تتطابق مع كاشفات المقاومة المنخفضة لهوائيات تيراهيرتز العازلة: هوائي الفراشة، وهوائي مزدوج على شكل حرف U، وهوائي لوغاريتمي دوري، وهوائي جيبي لوغاريتمي دوري، كما هو مبين في الشكل 8. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تصميم هندسة هوائيات أكثر تعقيدا من خلال الخوارزميات الجينية.
الشكل 8: أربعة أنواع من الهوائيات المستوية
ومع ذلك، نظرًا لدمج الهوائي العازل مع ركيزة عازلة، سيحدث تأثير موجة سطحية عندما يميل التردد إلى نطاق T هرتز. سيؤدي هذا العيب القاتل إلى فقدان الهوائي للكثير من الطاقة أثناء التشغيل ويؤدي إلى انخفاض كبير في كفاءة إشعاع الهوائي. كما هو مبين في الشكل 9، عندما تكون زاوية إشعاع الهوائي أكبر من زاوية القطع، فإن طاقته تقتصر على الركيزة العازلة وتقترن بوضع الركيزة.
الشكل 9: تأثير الموجة السطحية للهوائي
ومع زيادة سمك الركيزة، يزداد عدد الأوضاع عالية الترتيب، ويزداد الاقتران بين الهوائي والركيزة، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة. من أجل إضعاف تأثير الموجة السطحية، هناك ثلاثة مخططات للتحسين:
1) قم بتحميل عدسة على الهوائي لزيادة الكسب باستخدام خصائص تكوين الشعاع للموجات الكهرومغناطيسية.
2) تقليل سمك الركيزة لقمع توليد أنماط عالية الترتيب من الموجات الكهرومغناطيسية.
3) استبدل المادة العازلة الركيزة بفجوة النطاق الكهرومغناطيسي (EBG). يمكن لخصائص التصفية المكانية لـ EBG منع الأوضاع عالية الترتيب.
3. هوائيات المواد الجديدة
وبالإضافة إلى الهوائيين المذكورين أعلاه، يوجد أيضًا هوائي تيراهيرتز مصنوع من مواد جديدة. على سبيل المثال، في عام 2006، جين هاو وآخرون. اقترح هوائي ثنائي القطب من الأنابيب النانوية الكربونية. وكما هو مبين في الشكل 10 (أ)، يتكون ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية بدلاً من المواد المعدنية. لقد درس بعناية خصائص الأشعة تحت الحمراء والبصرية لهوائي ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية وناقش الخصائص العامة لهوائي ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية ذات الطول المحدود، مثل مقاومة الإدخال، وتوزيع التيار، والكسب، والكفاءة، ونمط الإشعاع. يوضح الشكل 10 (ب) العلاقة بين مقاومة الإدخال وتردد هوائي ثنائي القطب من الأنابيب النانوية الكربونية. كما يتبين في الشكل 10(ب)، فإن الجزء التخيلي من ممانعة الدخل له أصفار متعددة عند الترددات الأعلى. يشير هذا إلى أن الهوائي يمكنه تحقيق رنينات متعددة بترددات مختلفة. من الواضح أن هوائي الأنابيب النانوية الكربونية يُظهر رنينًا ضمن نطاق تردد معين (ترددات T هرتز أقل)، لكنه غير قادر تمامًا على الصدى خارج هذا النطاق.
الشكل 10: (أ) هوائي ثنائي القطب من الأنابيب النانوية الكربونية. (ب) منحنى مقاومة التردد المدخلات
في عام 2012، اقترح سمير محمود وعايض ر. العجمي هيكلًا جديدًا لهوائي تيراهيرتز يعتمد على أنابيب الكربون النانوية، والذي يتكون من حزمة من أنابيب الكربون النانوية ملفوفة في طبقتين عازلتين. الطبقة العازلة الداخلية عبارة عن طبقة رغوية عازلة، والطبقة العازلة الخارجية عبارة عن طبقة من المواد الخارقة. يظهر الهيكل المحدد في الشكل 11. ومن خلال الاختبار، تم تحسين الأداء الإشعاعي للهوائي مقارنة بأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار.
الشكل 11: هوائي تيراهيرتز جديد يعتمد على أنابيب الكربون النانوية
إن هوائيات تيراهيرتز الجديدة المقترحة أعلاه هي في الأساس ثلاثية الأبعاد. من أجل تحسين عرض النطاق الترددي للهوائي وصنع هوائيات متوافقة، حظيت هوائيات الجرافين المستوية باهتمام واسع النطاق. يتمتع الجرافين بخصائص تحكم ديناميكية مستمرة ممتازة ويمكنه توليد بلازما سطحية عن طريق ضبط جهد التحيز. توجد البلازما السطحية على السطح البيني بين الركائز الثابتة العازلة الإيجابية (مثل Si وSiO2 وما إلى ذلك) والركائز الثابتة العازلة السلبية (مثل المعادن الثمينة والجرافين وما إلى ذلك). يوجد عدد كبير من "الإلكترونات الحرة" في الموصلات مثل المعادن الثمينة والجرافين. وتسمى هذه الإلكترونات الحرة أيضًا بالبلازما. ونظرًا للمجال الكامن الكامن في الموصل، تكون هذه البلازما في حالة مستقرة ولا يزعجها العالم الخارجي. عندما تقترن طاقة الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة بهذه البلازما، فإن البلازما تنحرف عن الحالة المستقرة وتهتز. بعد التحويل، يشكل الوضع الكهرومغناطيسي موجة مغناطيسية عرضية في الواجهة. وفقا لوصف علاقة التشتت لبلازما سطح المعدن بواسطة نموذج درود، لا يمكن للمعادن أن تقترن بشكل طبيعي مع الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر وتحول الطاقة. ومن الضروري استخدام مواد أخرى لإثارة موجات البلازما السطحية. تتحلل موجات البلازما السطحية بسرعة في الاتجاه الموازي لواجهة الركيزة المعدنية. عندما يوصل الموصل المعدني في الاتجاه العمودي على السطح، يحدث تأثير جلدي. من الواضح أنه نظرًا لصغر حجم الهوائي، هناك تأثير جلدي في نطاق التردد العالي، مما يتسبب في انخفاض أداء الهوائي بشكل حاد ولا يمكنه تلبية متطلبات هوائيات تيراهيرتز. لا يتمتع البلازمون السطحي للجرافين بقوة ربط أعلى وخسارة أقل فحسب، بل يدعم أيضًا الضبط الكهربائي المستمر. بالإضافة إلى ذلك، يمتلك الجرافين موصلية معقدة في نطاق تيراهيرتز. ولذلك، يرتبط انتشار الموجة البطيئة بوضع البلازما عند ترددات تيراهيرتز. توضح هذه الخصائص بشكل كامل جدوى الجرافين ليحل محل المواد المعدنية في نطاق تيراهيرتز.
استنادًا إلى سلوك استقطاب بلازمونات سطح الجرافين، يُظهر الشكل 12 نوعًا جديدًا من الهوائي الشريطي، ويقترح شكل الشريط لخصائص انتشار موجات البلازما في الجرافين. يوفر تصميم نطاق الهوائي القابل للضبط طريقة جديدة لدراسة خصائص الانتشار لهوائيات تيراهيرتز المادية الجديدة.
الشكل 12: هوائي شريطي جديد
بالإضافة إلى استكشاف عناصر هوائي تيراهيرتز المادية الجديدة للوحدة، يمكن أيضًا تصميم هوائيات تيراهيرتز الجرافين النانوية كمصفوفات لبناء أنظمة اتصالات هوائيات تيراهيرتز متعددة المدخلات والمخرجات. يظهر هيكل الهوائي في الشكل 13. استنادًا إلى الخصائص الفريدة لهوائيات الجرافين النانوية، فإن عناصر الهوائي لها أبعاد بمقياس ميكرون. يقوم ترسيب البخار الكيميائي بتجميع صور الجرافين المختلفة مباشرة على طبقة رقيقة من النيكل ونقلها إلى أي ركيزة. ومن خلال اختيار عدد مناسب من المكونات وتغيير جهد الانحياز الكهروستاتيكي، يمكن تغيير اتجاه الإشعاع بشكل فعال، مما يجعل النظام قابلاً لإعادة التشكيل.
الشكل 13: صفيف هوائي الجرافين نانوباتش تيراهيرتز
يعد البحث عن مواد جديدة اتجاهًا جديدًا نسبيًا. من المتوقع أن يؤدي ابتكار المواد إلى اختراق قيود الهوائيات التقليدية وتطوير مجموعة متنوعة من الهوائيات الجديدة، مثل المواد الاصطناعية القابلة لإعادة التشكيل، والمواد ثنائية الأبعاد (2D)، وما إلى ذلك. ومع ذلك، يعتمد هذا النوع من الهوائيات بشكل أساسي على ابتكار هوائيات جديدة المواد وتطور تكنولوجيا العمليات. على أية حال، يتطلب تطوير هوائيات تيراهيرتز مواد مبتكرة وتكنولوجيا معالجة دقيقة وهياكل تصميمية جديدة لتلبية متطلبات الكسب العالي والتكلفة المنخفضة وعرض النطاق العريض لهوائيات تيراهيرتز.
فيما يلي نقدم المبادئ الأساسية لثلاثة أنواع من هوائيات تيراهيرتز: الهوائيات المعدنية، والهوائيات العازلة، والهوائيات المادية الجديدة، ويحلل الاختلافات بينها ومزاياها وعيوبها.
1. الهوائي المعدني: الهندسة بسيطة وسهلة المعالجة ومنخفضة التكلفة نسبيًا ومتطلبات منخفضة للمواد الأساسية. ومع ذلك، تستخدم الهوائيات المعدنية طريقة ميكانيكية لضبط موضع الهوائي، وهو عرضة للأخطاء. إذا لم يكن الضبط صحيحًا، فسيتم تقليل أداء الهوائي بشكل كبير. على الرغم من أن الهوائي المعدني صغير الحجم، إلا أنه من الصعب تجميعه بدائرة مستوية.
2. الهوائي العازل: يحتوي الهوائي العازل على مقاومة دخل منخفضة، ومن السهل مطابقته مع كاشف مقاومة منخفضة، كما أنه من السهل نسبيًا توصيله بدائرة مستوية. تشمل الأشكال الهندسية للهوائيات العازلة شكل الفراشة، وشكل U المزدوج، والشكل اللوغاريتمي التقليدي، والشكل الجيبي الدوري اللوغاريتمي. ومع ذلك، فإن الهوائيات العازلة لها أيضًا عيب قاتل، وهو تأثير الموجة السطحية الناتج عن الركيزة السميكة. الحل هو تحميل عدسة واستبدال الركيزة العازلة بهيكل EBG. يتطلب كلا الحلين الابتكار والتحسين المستمر لتكنولوجيا المعالجة والمواد، ولكن أدائها الممتاز (مثل متعددة الاتجاهات وقمع الموجات السطحية) يمكن أن يوفر أفكارًا جديدة لأبحاث هوائيات تيراهيرتز.
3. هوائيات مادية جديدة: في الوقت الحاضر، ظهرت هوائيات ثنائية القطب جديدة مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية وهياكل هوائيات جديدة مصنوعة من مواد خارقة. يمكن للمواد الجديدة أن تحقق إنجازات جديدة في الأداء، ولكن الفرضية هي ابتكار علم المواد. في الوقت الحاضر، لا يزال البحث عن هوائيات المواد الجديدة في مرحلة الاستكشاف، والعديد من التقنيات الرئيسية ليست ناضجة بما فيه الكفاية.
باختصار، يمكن اختيار أنواع مختلفة من هوائيات تيراهيرتز وفقًا لمتطلبات التصميم:
1) إذا كانت هناك حاجة إلى تصميم بسيط وتكلفة إنتاج منخفضة، فيمكن اختيار هوائيات معدنية.
2) إذا كانت هناك حاجة إلى تكامل عالٍ ومعاوقة دخل منخفضة، فيمكن اختيار هوائيات عازلة.
3) إذا كان هناك حاجة إلى تحقيق تقدم كبير في الأداء، فيمكن اختيار هوائيات مادية جديدة.
يمكن أيضًا تعديل التصميمات المذكورة أعلاه وفقًا لمتطلبات محددة. على سبيل المثال، يمكن الجمع بين نوعين من الهوائيات للحصول على المزيد من المزايا، ولكن يجب أن تلبي طريقة التجميع وتكنولوجيا التصميم متطلبات أكثر صرامة.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: 02 أغسطس 2024
