مع تزايد شعبية الأجهزة اللاسلكية، دخلت خدمات البيانات مرحلة جديدة من التطور السريع، تُعرف أيضًا بالنمو الهائل لخدمات البيانات. في الوقت الحالي، ينتقل عدد كبير من التطبيقات تدريجيًا من أجهزة الكمبيوتر إلى الأجهزة اللاسلكية، مثل الهواتف المحمولة سهلة الحمل والتشغيل الفوري. إلا أن هذا الوضع أدى أيضًا إلى زيادة سريعة في حركة البيانات ونقص في موارد النطاق الترددي. ووفقًا للإحصاءات، قد يصل معدل البيانات في السوق إلى جيجابت في الثانية أو حتى تيرابت في الثانية خلال السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة. في الوقت الحالي، وصل معدل نقل البيانات في الاتصالات بتردد تيراهيرتز إلى جيجابت في الثانية، بينما لا يزال معدل تيراهيرتز في مراحله الأولى من التطوير. تسرد ورقة بحثية ذات صلة أحدث التطورات في معدلات نقل البيانات بتردد تيراهيرتز استنادًا إلى نطاق تيراهيرتز، وتتوقع إمكانية الحصول على تيرابت في الثانية من خلال الإرسال المتعدد الاستقطابي. لذلك، لزيادة معدل نقل البيانات، يتمثل أحد الحلول الممكنة في تطوير نطاق تردد جديد، وهو نطاق تيراهيرتز، الذي يقع في "المنطقة الفارغة" بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء. في المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية (WRC-19) الذي عقده الاتحاد الدولي للاتصالات عام 2019، استُخدم نطاق التردد 275-450 جيجاهرتز للخدمات الثابتة والمتنقلة البرية. ويُلاحظ أن أنظمة الاتصالات اللاسلكية بتردد تيراهرتز قد جذبت اهتمام العديد من الباحثين.
تُعرَّف موجات تيراهرتز الكهرومغناطيسية عمومًا بأنها نطاق تردد يتراوح بين 0.1 و10 تيراهرتز (1 تيراهرتز = 1012 هرتز) بطول موجي يتراوح بين 0.03 و3 مم. ووفقًا لمعيار معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، تُعرَّف موجات تيراهرتز بأنها نطاق تردد يتراوح بين 0.3 و10 تيراهرتز. يوضح الشكل 1 أن نطاق تردد تيراهرتز يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء.
الشكل 1 رسم تخطيطي لنطاق التردد THz.
تطوير هوائيات تيراهرتز
على الرغم من أن أبحاث تيراهرتز بدأت في القرن التاسع عشر، إلا أنها لم تُدرَس كمجال مستقل آنذاك. ركزت أبحاث إشعاع تيراهرتز بشكل رئيسي على نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة. ولم يبدأ الباحثون بتطوير أبحاث موجات المليمتر إلى نطاق تيراهرتز وإجراء أبحاث متخصصة في تكنولوجيا تيراهرتز إلا في منتصف وأواخر القرن العشرين.
في ثمانينيات القرن الماضي، أتاح ظهور مصادر إشعاع التيراهرتز تطبيق موجات التيراهرتز في الأنظمة العملية. ومنذ القرن الحادي والعشرين، تطورت تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية بسرعة، وأدى طلب الناس على المعلومات وزيادة معدات الاتصالات إلى فرض متطلبات أكثر صرامة على معدل نقل بيانات الاتصالات. لذلك، يتمثل أحد تحديات تكنولوجيا الاتصالات المستقبلية في العمل بمعدل بيانات مرتفع يصل إلى جيجابت في الثانية في مكان واحد. في ظل التطور الاقتصادي الحالي، أصبحت موارد الطيف الترددي شحيحة بشكل متزايد. ومع ذلك، فإن الاحتياجات البشرية لسعة وسرعة الاتصالات لا حصر لها. ولحل مشكلة ازدحام الطيف، تستخدم العديد من الشركات تقنية المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة (MIMO) لتحسين كفاءة الطيف وسعة النظام من خلال الإرسال المتعدد المكاني. ومع تطور شبكات الجيل الخامس، ستتجاوز سرعة اتصال البيانات لكل مستخدم جيجابت في الثانية، كما ستزداد حركة بيانات محطات القاعدة بشكل كبير. بالنسبة لأنظمة الاتصالات التقليدية بالموجات المليمترية، لن تتمكن وصلات الميكروويف من التعامل مع تدفقات البيانات الضخمة هذه. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب تأثير خط الرؤية، تكون مسافة نقل الاتصالات بالأشعة تحت الحمراء قصيرة، وموقع معدات الاتصال ثابتًا. لذلك، يمكن استخدام موجات تيرا هرتز، التي تنتقل بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء، لبناء أنظمة اتصالات عالية السرعة وزيادة معدلات نقل البيانات باستخدام وصلات تيرا هرتز.
تُوفر موجات التيراهرتز نطاقًا تردديًا أوسع للاتصالات، ويصل نطاق ترددها إلى حوالي 1000 ضعف نطاق الاتصالات المتنقلة. لذلك، يُعد استخدام التيراهرتز لبناء أنظمة اتصالات لاسلكية فائقة السرعة حلاً واعدًا لتحدي معدلات البيانات العالية، وهو ما جذب اهتمام العديد من فرق البحث والقطاعات. في سبتمبر 2017، صدر أول معيار للاتصالات اللاسلكية التيراهرتز، وهو IEEE 802.15.3d-2017، والذي يُعرّف تبادل البيانات من نقطة إلى نقطة في نطاق الترددات المنخفضة التيراهرتز (252-325 جيجاهرتز). ويمكن للطبقة الفيزيائية البديلة (PHY) للوصلة تحقيق معدلات بيانات تصل إلى 100 جيجابت في الثانية عند نطاقات ترددية مختلفة.
تم إنشاء أول نظام اتصالات ناجح يعمل بتردد 0.12 تيراهرتز في عام 2004، وتم إنشاء نظام الاتصالات بتردد 0.3 تيراهرتز في عام 2013. يوضح الجدول 1 التقدم البحثي في أنظمة الاتصالات التيراهيرتز في اليابان من عام 2004 إلى عام 2013.
الجدول 1 التقدم البحثي في أنظمة الاتصالات التيراهيرتز 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. تم تقديم تكوين الهوائي في حالتين، كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2 مخطط تخطيطي لنظام الاتصالات اللاسلكية NTT 120 جيجاهرتز في اليابان
يدمج النظام التحويل الضوئي الكهربائي والهوائي ويعتمد وضعي عمل:
1. في بيئة داخلية قريبة المدى، يتكون جهاز إرسال الهوائي المستوي المستخدم في الداخل من شريحة ثنائي ضوئي حامل أحادي الخط (UTC-PD)، وهوائي فتحة مستوية وعدسة سيليكون، كما هو موضح في الشكل 2(أ).
٢. في البيئات الخارجية بعيدة المدى، لتحسين تأثير فقدان الإرسال الكبير وانخفاض حساسية الكاشف، يجب أن يتمتع هوائي الإرسال بكسب عالٍ. يستخدم هوائي التيراهيرتز الحالي عدسة بصرية غاوسية بكسب يزيد عن ٥٠ ديسيبل. يظهر في الشكل ٢(ب) مزيج بوق التغذية والعدسة العازلة.
بالإضافة إلى تطوير نظام اتصالات بتردد 0.12 تيراهيرتز، طورت شركة NTT أيضًا نظام اتصالات بتردد 0.3 تيراهيرتز في عام 2012. ومن خلال التحسين المستمر، يمكن أن يصل معدل الإرسال إلى 100 جيجابت في الثانية. وكما يتضح من الجدول 1، فقد ساهم هذا النظام مساهمة كبيرة في تطوير اتصالات التيراهيرتز. ومع ذلك، فإن العمل البحثي الحالي يعاني من عيوب تتمثل في انخفاض تردد التشغيل، والحجم الكبير، والتكلفة المرتفعة.
معظم هوائيات التيراهرتز المستخدمة حاليًا مُعدّلة من هوائيات الموجات المليمترية، ولا تزال هذه الهوائيات قليلة الابتكارات. لذلك، لتحسين أداء أنظمة اتصالات التيراهرتز، يُعدّ تحسين هوائيات التيراهرتز مهمةً بالغة الأهمية. يسرد الجدول 2 التقدم البحثي في مجال اتصالات التيراهرتز الألمانية. يُظهر الشكل 3 (أ) نظام اتصالات لاسلكي تيراهيرتز تمثيليًا يجمع بين الفوتونيات والإلكترونيات. يُظهر الشكل 3 (ب) موقع اختبار نفق الرياح. بالنظر إلى الوضع البحثي الحالي في ألمانيا، فإن للبحث والتطوير فيها أيضًا عيوبًا مثل انخفاض تردد التشغيل، وارتفاع التكلفة، وانخفاض الكفاءة.
الجدول 2 التقدم البحثي في مجال الاتصالات بتردد تيرا هرتز في ألمانيا
الشكل 3 مشهد اختبار نفق الرياح
بدأ مركز تكنولوجيا المعلومات والاتصالات التابع لمنظمة البحوث العلمية والصناعية الكومنولثية (CSIRO) أيضًا أبحاثًا حول أنظمة الاتصالات اللاسلكية الداخلية بتردد تيراهيرتز. درس المركز العلاقة بين السنة وتردد الاتصال، كما هو موضح في الشكل 4. وكما يتضح من الشكل 4، بحلول عام 2020، ستتجه أبحاث الاتصالات اللاسلكية نحو نطاق تيراهيرتز. يزداد أقصى تردد اتصال باستخدام الطيف الراديوي حوالي عشر مرات كل عشرين عامًا. وقد قدم المركز توصيات بشأن متطلبات هوائيات تيراهيرتز، واقترح هوائيات تقليدية مثل الهوائيات الأبواق والعدسات لأنظمة الاتصالات تيراهيرتز. كما هو موضح في الشكل 5، يعمل هوائيان بوقيان عند تردد 0.84 تيراهيرتز و1.7 تيراهيرتز على التوالي، بهيكل بسيط وأداء شعاع غاوسي جيد.
الشكل 4 العلاقة بين السنة والتردد
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
الشكل 5 نوعان من هوائيات البوق
أجرت الولايات المتحدة الأمريكية أبحاثًا مكثفة حول انبعاث موجات التيراهرتز ورصدها. ومن أبرز مختبرات أبحاث التيراهرتز: مختبر الدفع النفاث (JPL)، ومركز ستانفورد للمسرعات الخطية (SLAC)، والمختبر الوطني الأمريكي (LLNL)، والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا)، والمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF)، وغيرها. وقد صُممت هوائيات جديدة لتطبيقات التيراهرتز، مثل هوائيات ربطة العنق وهوائيات توجيه حزمة التردد. واستنادًا إلى تطور هوائيات التيراهرتز، يمكننا استخلاص ثلاث أفكار تصميمية أساسية لهوائيات التيراهرتز حاليًا، كما هو موضح في الشكل 6.
الشكل 6 ثلاث أفكار أساسية لتصميم هوائيات التيراهيرتز
يُظهر التحليل السابق أنه على الرغم من الاهتمام الكبير الذي أولته العديد من الدول لهوائيات التيراهرتز، إلا أنها لا تزال في مراحل الاستكشاف والتطوير الأولية. ونظرًا لارتفاع فقدان الانتشار والامتصاص الجزيئي، عادةً ما تكون هوائيات التيراهرتز محدودة بمسافة الإرسال والتغطية. تُركز بعض الدراسات على ترددات التشغيل المنخفضة في نطاق التيراهرتز. وتُركز أبحاث هوائيات التيراهرتز الحالية بشكل رئيسي على تحسين الكسب باستخدام هوائيات العدسات العازلة، وغيرها، وتحسين كفاءة الاتصالات باستخدام خوارزميات مناسبة. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ كيفية تحسين كفاءة تغليف هوائيات التيراهرتز مسألةً مُلحة للغاية.
هوائيات THz العامة
تتوفر أنواع عديدة من هوائيات THz: هوائيات ثنائية القطب ذات تجاويف مخروطية، ومصفوفات عاكسات الزوايا، وثنائيات القطب على شكل ربطة عنق، وهوائيات مستوية بعدسات عازلة، وهوائيات موصلة ضوئيًا لتوليد مصادر إشعاع THz، وهوائيات قرنية، وهوائيات THz مصنوعة من مواد الجرافين، وغيرها. وفقًا للمواد المستخدمة في تصنيع هوائيات THz، يمكن تقسيمها تقريبًا إلى هوائيات معدنية (خاصةً هوائيات القرن)، وهوائيات عازلة (هوائيات عدسات)، وهوائيات مصنوعة من مواد جديدة. يقدم هذا القسم تحليلًا أوليًا لهذه الهوائيات، ثم في القسم التالي، يتم تقديم خمسة هوائيات THz نموذجية بالتفصيل وتحليلها بعمق.
1. هوائيات معدنية
هوائي البوق هو هوائي معدني نموذجي مصمم للعمل في نطاق تيرا هرتز. هوائي جهاز استقبال الموجات المليمترية التقليدي هو هوائي بوق مخروطي. تتميز الهوائيات المموجة والثنائية الوضع بالعديد من المزايا، بما في ذلك أنماط الإشعاع المتماثلة دورانيًا، وكسب عالٍ يتراوح بين 20 و30 ديسيبل، ومستوى استقطاب متقاطع منخفض يبلغ -30 ديسيبل، وكفاءة اقتران تتراوح بين 97% و98%. تتراوح عرضات النطاق الترددي المتاحة لهوائيي البوق بين 30% و40% و6% و8% على التوالي.
نظراً لارتفاع ترددات موجات التيراهيرتز، فإن حجم هوائي البوق صغير جداً، مما يُصعّب عملية تصنيعه، وخاصةً في تصميم مصفوفات الهوائيات، كما أن تعقيد تقنية المعالجة يؤدي إلى تكلفة باهظة ومحدودية الإنتاج. ونظراً لصعوبة تصنيع الجزء السفلي من تصميم البوق المعقد، يُستخدم عادةً هوائي بوق بسيط على شكل مخروطي أو مخروطي، مما يُقلل التكلفة ويزيد من تعقيد العملية، ويُحافظ على أداء إشعاع الهوائي بشكل جيد.
هوائي معدني آخر هو هوائي هرمي ذو موجة متنقلة، يتكون من هوائي موجة متنقلة مدمج على غشاء عازل بسمك 1.2 ميكرون، ومعلق في تجويف طولي محفور على رقاقة سيليكون، كما هو موضح في الشكل 7. يتميز هذا الهوائي بهيكل مفتوح متوافق مع ثنائيات شوتكي. ونظرًا لبنيته البسيطة نسبيًا ومتطلبات تصنيعه المنخفضة، يُمكن استخدامه عمومًا في نطاقات تردد أعلى من 0.6 تيراهيرتز. ومع ذلك، فإن مستوى الفص الجانبي ومستوى الاستقطاب المتقاطع للهوائي مرتفعان، ربما بسبب بنيته المفتوحة. لذلك، فإن كفاءة اقترانه منخفضة نسبيًا (حوالي 50%).
الشكل 7 هوائي هرمي ذو موجة متنقلة
2. هوائي عازل
الهوائي العازل هو مزيج من ركيزة عازلة ومشع هوائي. بفضل التصميم المناسب، يمكن للهوائي العازل تحقيق مطابقة معاوقة مع الكاشف، ويتميز بمزايا بساطة العملية وسهولة التكامل والتكلفة المنخفضة. في السنوات الأخيرة، صمم الباحثون العديد من هوائيات الإطلاق الجانبي ضيقة وعريضة النطاق، والتي تضاهي كواشف هوائيات تيراهرتز العازلة منخفضة المعاوقة: هوائي الفراشة، وهوائي مزدوج على شكل حرف U، وهوائي لوغاريتمي دوري، وهوائي لوغاريتمي دوري جيبي، كما هو موضح في الشكل 8. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصميم أشكال هندسية أكثر تعقيدًا للهوائيات باستخدام الخوارزميات الجينية.
الشكل 8 أربعة أنواع من الهوائيات المستوية
مع ذلك، نظرًا لارتباط الهوائي العازل بركيزة عازلة، يحدث تأثير موجة سطحية عندما يميل التردد إلى نطاق تيراهيرتز. سيؤدي هذا العيب الخطير إلى فقدان الهوائي لكمية كبيرة من الطاقة أثناء التشغيل، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في كفاءة إشعاعه. كما هو موضح في الشكل 9، عندما تكون زاوية إشعاع الهوائي أكبر من زاوية القطع، تُحصر طاقته في الركيزة العازلة وتُربط بوضع الركيزة.
الشكل 9 تأثير موجة سطح الهوائي
مع زيادة سُمك الركيزة، يزداد عدد الأنماط عالية الترتيب، ويزداد الاقتران بين الهوائي والركيزة، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة. ولإضعاف تأثير الموجة السطحية، توجد ثلاثة مخططات تحسين:
1) قم بتحميل عدسة على الهوائي لزيادة المكسب باستخدام خصائص تشكيل الحزمة للموجات الكهرومغناطيسية.
2) تقليل سمك الركيزة لقمع توليد أنماط عالية المستوى من الموجات الكهرومغناطيسية.
٣) استبدال المادة العازلة للركيزة بفجوة نطاق كهرومغناطيسية (EBG). خصائص الترشيح المكاني لفجوة النطاق الكهرومغناطيسية (EBG) قادرة على تثبيط الأنماط عالية الترتيب.
3. هوائيات المواد الجديدة
بالإضافة إلى الهوائيين المذكورين أعلاه، يوجد أيضًا هوائي تيراهرتز مصنوع من مواد جديدة. على سبيل المثال، في عام 2006، اقترح جين هاو وآخرون هوائيًا ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية. كما هو موضح في الشكل 10 (أ)، يتكون ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية بدلاً من المواد المعدنية. درس بعناية الخصائص تحت الحمراء والبصرية لهوائي ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية وناقش الخصائص العامة لهوائي ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية ذات الطول المحدود، مثل معاوقة الدخل وتوزيع التيار والكسب والكفاءة ونمط الإشعاع. يوضح الشكل 10 (ب) العلاقة بين معاوقة الدخل وتردد هوائي ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية. كما يمكن رؤيته في الشكل 10 (ب)، فإن الجزء التخيلي من معاوقة الدخل له أصفار متعددة عند الترددات الأعلى. يشير هذا إلى أن الهوائي يمكنه تحقيق رنينات متعددة عند ترددات مختلفة. من الواضح أن هوائي أنبوب الكربون النانوي يظهر الرنين ضمن نطاق تردد معين (ترددات تيراهرتز أقل)، لكنه غير قادر تمامًا على الرنين خارج هذا النطاق.
الشكل 10 (أ) هوائي ثنائي القطب من أنبوب الكربون النانوي. (ب) منحنى تردد معاوقة الإدخال
في عام ٢٠١٢، اقترح سمير ف. محمود وعايد ر. العجمي بنيةً جديدةً لهوائي تيراهرتز، مبنية على أنابيب الكربون النانوية. تتكون هذه البنية من حزمة من أنابيب الكربون النانوية مغلفة بطبقتين عازلتين. الطبقة العازلة الداخلية عبارة عن طبقة رغوية عازلة، والطبقة العازلة الخارجية عبارة عن طبقة ميتاماتيرية. يوضح الشكل ١١ البنية المحددة. ومن خلال الاختبارات، تم تحسين أداء الإشعاع للهوائي مقارنةً بأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار.
الشكل 11 هوائي تيراهرتز جديد يعتمد على أنابيب الكربون النانوية
هوائيات تيراهرتز الجديدة المقترحة أعلاه هي في الغالب ثلاثية الأبعاد. ولتحسين عرض نطاق الهوائي وإنتاج هوائيات مطابقة، حظيت هوائيات الجرافين المستوية باهتمام واسع. يتميز الجرافين بخصائص تحكم ديناميكي مستمر ممتازة، ويمكنه توليد بلازما سطحية عن طريق ضبط جهد الانحياز. توجد بلازما السطح على السطح البيني بين ركائز ذات ثابت عزل موجب (مثل السيليكون، وثاني أكسيد السيليكون، إلخ) وركائز ذات ثابت عزل سالب (مثل المعادن الثمينة، والجرافين، إلخ). يوجد عدد كبير من "الإلكترونات الحرة" في الموصلات، مثل المعادن الثمينة والجرافين. تُسمى هذه الإلكترونات الحرة أيضًا بالبلازما. ونظرًا لمجال الجهد الكامن في الموصل، تكون هذه البلازما في حالة مستقرة ولا تتأثر بالبيئة الخارجية. عندما تقترن طاقة الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة بهذه البلازما، تنحرف البلازما عن حالة الاستقرار وتهتز. بعد التحويل، يُشكل الوضع الكهرومغناطيسي موجة مغناطيسية عرضية عند السطح البيني. وفقًا لوصف علاقة تشتت بلازما سطح المعدن في نموذج درود، لا تستطيع المعادن الارتباط طبيعيًا بالموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر وتحويل الطاقة. لذا، من الضروري استخدام مواد أخرى لإثارة موجات البلازما السطحية. تتلاشى موجات البلازما السطحية بسرعة في الاتجاه الموازي لواجهة المعدن والركيزة. عندما يوصل الموصل المعدني في الاتجاه العمودي على السطح، يحدث تأثير القشرة. من الواضح أنه نظرًا لصغر حجم الهوائي، يوجد تأثير قشرة في نطاق التردد العالي، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في أداء الهوائي وعدم قدرته على تلبية متطلبات هوائيات التيراهرتز. لا يتميز البلازمون السطحي للجرافين بقوة ربط أعلى وخسارة أقل فحسب، بل يدعم أيضًا الضبط الكهربائي المستمر. بالإضافة إلى ذلك، يتميز الجرافين بموصلية معقدة في نطاق التيراهرتز. لذلك، يرتبط انتشار الموجة البطيئة بنمط البلازما عند ترددات التيراهرتز. تُظهر هذه الخصائص تمامًا جدوى الجرافين في استبدال المواد المعدنية في نطاق التيراهرتز.
استنادًا إلى سلوك استقطاب بلازمونات سطح الجرافين، يُظهر الشكل 12 نوعًا جديدًا من هوائيات الشريط، ويقترح شكل نطاق خصائص انتشار موجات البلازما في الجرافين. يوفر تصميم نطاق الهوائي القابل للضبط طريقة جديدة لدراسة خصائص انتشار هوائيات تيراهرتز المصنوعة من مواد جديدة.
الشكل 12 هوائي شريطي جديد
بالإضافة إلى استكشاف عناصر هوائيات تيراهرتز الجديدة، يمكن أيضًا تصميم هوائيات تيراهرتز النانوية المصنوعة من الجرافين كمصفوفات لبناء أنظمة اتصالات هوائيات تيراهرتز متعددة المداخل والمخارج. يوضح الشكل 13 بنية الهوائي. بناءً على الخصائص الفريدة لهوائيات تيراهرتز النانوية، تتميز عناصر الهوائي بأبعاد ميكرونية. يُنتج الترسيب الكيميائي للبخار صورًا مختلفة من الجرافين مباشرةً على طبقة رقيقة من النيكل، ثم ينقلها إلى أي ركيزة. باختيار عدد مناسب من المكونات وتغيير جهد التحيز الكهروستاتيكي، يمكن تغيير اتجاه الإشعاع بفعالية، مما يجعل النظام قابلًا لإعادة التكوين.
الشكل 13 مجموعة هوائيات تيراهرتز نانوباتش من الجرافين
يُعدّ البحث في المواد الجديدة اتجاهًا جديدًا نسبيًا. ومن المتوقع أن يُسهم ابتكار المواد في تجاوز قيود الهوائيات التقليدية وتطوير مجموعة متنوعة من الهوائيات الجديدة، مثل المواد الخارقة القابلة لإعادة التشكيل، والمواد ثنائية الأبعاد، وغيرها. ومع ذلك، يعتمد هذا النوع من الهوائيات بشكل أساسي على ابتكار مواد جديدة وتطوير تقنيات المعالجة. على أي حال، يتطلب تطوير هوائيات التيراهرتز موادًا مبتكرة، وتقنيات معالجة دقيقة، وهياكل تصميمية مبتكرة لتلبية متطلبات هوائيات التيراهرتز من حيث الكسب العالي والتكلفة المنخفضة والنطاق الترددي الواسع.
يقدم ما يلي المبادئ الأساسية لثلاثة أنواع من هوائيات التيراهيرتز: الهوائيات المعدنية، والهوائيات العازلة، وهوائيات المواد الجديدة، ويحلل الاختلافات والمزايا والعيوب الخاصة بها.
١. هوائي معدني: يتميز بهندسة بسيطة، وسهولة في التصنيع، وتكلفته المنخفضة نسبيًا، ومتطلباته من مواد الركيزة منخفضة. ومع ذلك، تستخدم الهوائيات المعدنية طريقة ميكانيكية لضبط موضعها، مما يجعلها عرضة للأخطاء. في حال عدم دقة الضبط، ينخفض أداء الهوائي بشكل كبير. على الرغم من صغر حجم الهوائي المعدني، إلا أنه يصعب تجميعه باستخدام دائرة مستوية.
٢. هوائي عازل: يتميز الهوائي العازل بمقاومة دخل منخفضة، ويسهل مطابقته مع كاشف ذي مقاومة منخفضة، كما أنه سهل التوصيل نسبيًا بدائرة مستوية. تشمل الأشكال الهندسية للهوائيات العازلة شكل الفراشة، وشكل حرف U المزدوج، والشكل اللوغاريتمي التقليدي، وشكل الجيب الدوري اللوغاريتمي. ومع ذلك، تعاني الهوائيات العازلة أيضًا من عيب خطير، وهو تأثير الموجة السطحية الناتج عن سماكة الطبقة السفلية. يكمن الحل في تحميل عدسة واستبدال الطبقة السفلية العازلة بهيكل EBG. يتطلب كلا الحلين الابتكار والتحسين المستمر لتكنولوجيا العمليات والمواد، إلا أن أداءهما الممتاز (مثل تعدد الاتجاهات وكبت الموجة السطحية) يمكن أن يوفر أفكارًا جديدة لأبحاث هوائيات التيراهيرتز.
٣. هوائيات مواد جديدة: ظهرت حاليًا هوائيات ثنائية القطب جديدة مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية، وهياكل هوائيات جديدة مصنوعة من مواد ميتامائية. يمكن للمواد الجديدة أن تُحدث طفرة في الأداء، لكن الأساس هو الابتكار في علم المواد. في الوقت الحالي، لا يزال البحث في هوائيات المواد الجديدة في مرحلة الاستكشاف، والعديد من التقنيات الرئيسية لم تنضج بما يكفي.
باختصار، يمكن اختيار أنواع مختلفة من هوائيات التيراهيرتز وفقًا لمتطلبات التصميم:
1) إذا كانت هناك حاجة إلى تصميم بسيط وتكلفة إنتاج منخفضة، فيمكن اختيار الهوائيات المعدنية.
2) إذا كانت هناك حاجة إلى تكامل عالي ومقاومة إدخال منخفضة، فيمكن اختيار هوائيات عازلة.
3) إذا كان هناك حاجة إلى تحقيق تقدم كبير في الأداء، فمن الممكن اختيار هوائيات مصنوعة من مواد جديدة.
يمكن تعديل التصاميم المذكورة أعلاه وفقًا لمتطلبات محددة. على سبيل المثال، يمكن دمج نوعين من الهوائيات لتحقيق مزايا أكبر، ولكن يجب أن تلبي طريقة التجميع وتقنية التصميم متطلبات أكثر صرامة.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: 2 أغسطس 2024
