مع تزايد شعبية الأجهزة اللاسلكية، دخلت خدمات البيانات مرحلة جديدة من التطور السريع، تُعرف أيضًا بالنمو الهائل لخدمات البيانات. في الوقت الراهن، ينتقل عدد كبير من التطبيقات تدريجيًا من أجهزة الكمبيوتر إلى الأجهزة اللاسلكية كالهواتف المحمولة، التي تتميز بسهولة حملها وتشغيلها الفوري، إلا أن هذا الوضع أدى أيضًا إلى زيادة سريعة في حركة البيانات ونقص في موارد النطاق الترددي. تشير الإحصائيات إلى أن معدل نقل البيانات في السوق قد يصل إلى جيجابت في الثانية أو حتى تيرابت في الثانية خلال السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة. حاليًا، وصل معدل نقل البيانات بتقنية تيراهيرتز إلى جيجابت في الثانية، بينما لا يزال معدل نقل البيانات بتقنية تيرابت في الثانية في مراحله الأولى. تستعرض ورقة بحثية ذات صلة أحدث التطورات في معدلات نقل البيانات بتقنية جيجابت في الثانية باستخدام نطاق تيراهيرتز، وتتوقع إمكانية الوصول إلى تيرابت في الثانية من خلال تقنية تعدد الإرسال بالاستقطاب. لذا، ولزيادة معدل نقل البيانات، يُعد تطوير نطاق ترددي جديد، وهو نطاق تيراهيرتز، الذي يقع في "المنطقة الفارغة" بين الموجات الميكروية والأشعة تحت الحمراء، حلاً عمليًا. في المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية (WRC-19) الذي عقده الاتحاد الدولي للاتصالات عام 2019، استُخدم نطاق التردد 275-450 جيجاهرتز لخدمات الاتصالات الثابتة والمتنقلة الأرضية. ويتضح أن أنظمة الاتصالات اللاسلكية التي تعمل بترددات تيراهيرتز قد حظيت باهتمام العديد من الباحثين.
تُعرَّف الموجات الكهرومغناطيسية تيراهيرتز عمومًا بأنها نطاق التردد من 0.1 إلى 10 تيراهيرتز (1 تيراهيرتز = 10¹² هرتز) بطول موجي يتراوح بين 0.03 و3 ملم. ووفقًا لمعيار IEEE، تُعرَّف موجات تيراهيرتز بأنها من 0.3 إلى 10 تيراهيرتز. يوضح الشكل 1 أن نطاق تردد تيراهيرتز يقع بين نطاقي الموجات الميكروية والأشعة تحت الحمراء.
الشكل 1: رسم تخطيطي لنطاق تردد تيراهيرتز.
تطوير هوائيات تيراهيرتز
على الرغم من أن أبحاث التيراهيرتز بدأت في القرن التاسع عشر، إلا أنها لم تُدرس كمجال مستقل آنذاك. فقد ركزت الأبحاث على إشعاع التيراهيرتز بشكل أساسي على نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة. ولم يبدأ الباحثون بتطوير أبحاث الموجات المليمترية لتشمل نطاق التيراهيرتز وإجراء أبحاث متخصصة في تكنولوجيا التيراهيرتز إلا في منتصف القرن العشرين أو أواخره.
في ثمانينيات القرن الماضي، أتاح ظهور مصادر إشعاع التيراهيرتز إمكانية استخدام موجات التيراهيرتز في الأنظمة العملية. ومنذ بداية القرن الحادي والعشرين، شهدت تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية تطورًا سريعًا، وزاد الطلب على المعلومات وتزايد أجهزة الاتصالات من متطلبات سرعة نقل البيانات. لذا، يتمثل أحد تحديات تكنولوجيا الاتصالات المستقبلية في العمل بمعدل بيانات عالٍ يصل إلى جيجابت في الثانية في موقع واحد. في ظل التطور الاقتصادي الحالي، أصبحت موارد الطيف الترددي نادرة بشكل متزايد، بينما لا تزال احتياجات المستخدمين من حيث سعة وسرعة الاتصالات غير محدودة. ولمعالجة مشكلة ازدحام الطيف الترددي، تستخدم العديد من الشركات تقنية MIMO (مدخلات ومخرجات متعددة) لتحسين كفاءة الطيف وسعة النظام من خلال تعدد الإرسال المكاني. ومع تقدم شبكات الجيل الخامس، ستتجاوز سرعة اتصال البيانات لكل مستخدم جيجابت في الثانية، وسيزداد حجم البيانات في المحطات الأساسية بشكل ملحوظ. بالنسبة لأنظمة الاتصالات التقليدية التي تعمل بموجات المليمتر، لن تتمكن وصلات الميكروويف من التعامل مع هذه التدفقات الهائلة من البيانات. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لتأثير خط البصر، فإن مسافة إرسال الاتصالات بالأشعة تحت الحمراء قصيرة وموقع أجهزة الاتصال فيها ثابت. لذا، يمكن استخدام موجات تيراهيرتز، التي تقع بين الموجات الميكروية والأشعة تحت الحمراء، لبناء أنظمة اتصالات عالية السرعة وزيادة معدلات نقل البيانات باستخدام وصلات تيراهيرتز.
تُتيح موجات التيراهيرتز نطاقًا تردديًا أوسع للاتصالات، ويبلغ نطاق ترددها حوالي ألف ضعف نطاق تردد الاتصالات المتنقلة. لذا، يُعدّ استخدام التيراهيرتز لبناء أنظمة اتصالات لاسلكية فائقة السرعة حلاً واعدًا لتحدي معدلات نقل البيانات العالية، ما استقطب اهتمام العديد من فرق البحث والقطاعات الصناعية. في سبتمبر 2017، صدر أول معيار للاتصالات اللاسلكية بتقنية التيراهيرتز، وهو IEEE 802.15.3d-2017، الذي يُحدد تبادل البيانات من نقطة إلى نقطة في نطاق تردد التيراهيرتز المنخفض (252-325 جيجاهرتز). ويمكن للطبقة الفيزيائية البديلة (PHY) للوصلة تحقيق معدلات نقل بيانات تصل إلى 100 جيجابت في الثانية عند نطاقات تردد مختلفة.
تم إنشاء أول نظام اتصالات ناجح بتردد تيراهيرتز يبلغ 0.12 تيراهيرتز في عام 2004، وتم تحقيق نظام اتصالات بتردد تيراهيرتز يبلغ 0.3 تيراهيرتز في عام 2013. يوضح الجدول 1 التقدم البحثي لأنظمة الاتصالات بتردد تيراهيرتز في اليابان من عام 2004 إلى عام 2013.
الجدول 1: التقدم البحثي لأنظمة الاتصالات التيراهيرتزية في اليابان من عام 2004 إلى عام 2013
تم وصف بنية الهوائي لنظام اتصالات تم تطويره في عام 2004 بالتفصيل من قبل شركة نيبون للتلغراف والهاتف (NTT) في عام 2005. تم تقديم تكوين الهوائي في حالتين، كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2: رسم تخطيطي لنظام الاتصالات اللاسلكية الياباني NTT بتردد 120 جيجاهرتز
يدمج النظام التحويل الكهروضوئي والهوائي، ويعتمد وضعين للتشغيل:
1. في بيئة داخلية قريبة المدى، يتكون جهاز إرسال الهوائي المستوي المستخدم في الداخل من شريحة ثنائية ضوئية أحادية الخط (UTC-PD) وهوائي شق مستوي وعدسة سيليكون، كما هو موضح في الشكل 2 (أ).
٢. في بيئة خارجية بعيدة المدى، ولتحسين 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. يوضح الشكل ٢(ب) تركيبة بوق التغذية والعدسة العازلة.
إضافةً إلى تطوير نظام اتصالات بتردد 0.12 تيراهيرتز، طورت شركة NTT أيضًا نظام اتصالات بتردد 0.3 تيراهيرتز في عام 2012. وبفضل التحسين المستمر، يمكن أن تصل سرعة نقل البيانات إلى 100 جيجابت في الثانية. وكما هو موضح في الجدول 1، فقد أسهم هذا النظام إسهامًا كبيرًا في تطوير اتصالات التيراهيرتز. مع ذلك، يعاني هذا البحث من عيوب تتمثل في انخفاض تردد التشغيل، وكبر الحجم، وارتفاع التكلفة.
معظم هوائيات التيراهيرتز المستخدمة حاليًا مُعدّلة من هوائيات الموجات المليمترية، ولا تشهد هوائيات التيراهيرتز ابتكارات تُذكر. لذا، يُعدّ تحسين هوائيات التيراهيرتز مهمةً أساسيةً لتحسين أداء أنظمة اتصالات التيراهيرتز. يُبيّن الجدول 2 التقدم البحثي في مجال اتصالات التيراهيرتز في ألمانيا. يُظهر الشكل 3 (أ) نظام اتصالات لاسلكية نموذجي يعمل بتقنية التيراهيرتز، ويجمع بين الفوتونيات والإلكترونيات. بينما يُظهر الشكل 3 (ب) مشهد اختبار نفق الرياح. وبالنظر إلى الوضع البحثي الحالي في ألمانيا، نجد أن البحث والتطوير فيها يعانيان من بعض العيوب، مثل انخفاض تردد التشغيل، وارتفاع التكلفة، وانخفاض الكفاءة.
الجدول 2: التقدم البحثي في مجال الاتصالات بترددات تيراهيرتز في ألمانيا
الشكل 3: مشهد اختبار نفق الرياح
بدأ مركز تكنولوجيا المعلومات والاتصالات التابع لمنظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) أبحاثًا حول أنظمة الاتصالات اللاسلكية الداخلية في نطاق الترددات تيراهيرتز. درس المركز العلاقة بين السنة وتردد الاتصال، كما هو موضح في الشكل 4. وكما يتضح من الشكل 4، بحلول عام 2020، اتجهت أبحاث الاتصالات اللاسلكية نحو نطاق الترددات تيراهيرتز. ويزداد الحد الأقصى لتردد الاتصال باستخدام الطيف الراديوي حوالي عشرة أضعاف كل عشرين عامًا. وقدّم المركز توصيات بشأن متطلبات هوائيات تيراهيرتز، واقترح هوائيات تقليدية مثل الهوائيات القرنية والعدسات لأنظمة اتصالات تيراهيرتز. وكما هو موضح في الشكل 5، يعمل هوائيان قرنيان بتردد 0.84 تيراهيرتز و1.7 تيراهيرتز على التوالي، ويتميزان ببنية بسيطة وأداء جيد لحزمة غاوسية.
الشكل 4: العلاقة بين السنة والتكرار
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
الشكل 5: نوعان من الهوائيات القرنية
أجرت الولايات المتحدة أبحاثًا مكثفة حول انبعاث موجات التيراهيرتز وكشفها. ومن أبرز مختبرات أبحاث التيراهيرتز مختبر الدفع النفاث (JPL)، ومركز ستانفورد للمسرع الخطي (SLAC)، والمختبر الوطني الأمريكي (LLNL)، والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA)، والمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF)، وغيرها. وقد صُممت هوائيات جديدة لتطبيقات التيراهيرتز، مثل هوائيات ربطة العنق وهوائيات توجيه حزمة التردد. وبناءً على تطور هوائيات التيراهيرتز، يمكننا استخلاص ثلاثة أفكار تصميمية أساسية لها حاليًا، كما هو موضح في الشكل 6.
الشكل 6: ثلاث أفكار تصميم أساسية لهوائيات تيراهيرتز
يُظهر التحليل السابق أنه على الرغم من اهتمام العديد من الدول بهوائيات التيراهيرتز، إلا أنها لا تزال في مراحلها الاستكشافية والتطويرية الأولية. ونظرًا لفقدان الإشارة العالي وامتصاص الجزيئات، فإن هوائيات التيراهيرتز عادةً ما تكون محدودة بمسافة الإرسال والتغطية. وتركز بعض الدراسات على ترددات التشغيل المنخفضة في نطاق التيراهيرتز. وينصبّ التركيز الحالي لأبحاث هوائيات التيراهيرتز بشكل أساسي على تحسين الكسب باستخدام هوائيات العدسات العازلة، وتحسين كفاءة الاتصال باستخدام خوارزميات مناسبة. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ تحسين كفاءة تغليف هوائيات التيراهيرتز مسألةً ملحةً للغاية.
هوائيات تيراهيرتز العامة
تتوفر أنواع عديدة من هوائيات الترددات تيراهيرتزية: هوائيات ثنائية القطب ذات تجاويف مخروطية، ومصفوفات عاكسة زاوية، وهوائيات ثنائية القطب على شكل فراشة، وهوائيات مستوية بعدسات عازلة، وهوائيات موصلة ضوئياً لتوليد مصادر إشعاع تيراهيرتزية، وهوائيات بوقية، وهوائيات تيراهيرتزية مصنوعة من مواد الجرافين، وغيرها. وبحسب المواد المستخدمة في تصنيعها، يمكن تقسيمها تقريباً إلى هوائيات معدنية (وهي في الغالب هوائيات بوقية)، وهوائيات عازلة (مثل الهوائيات العدسية)، وهوائيات مصنوعة من مواد جديدة. يقدم هذا القسم تحليلاً أولياً لهذه الهوائيات، ثم يتناول القسم التالي خمسة أنواع نموذجية منها بالتفصيل ويحللها بعمق.
1. هوائيات معدنية
الهوائي البوقي هو هوائي معدني نموذجي مصمم للعمل في نطاق الترددات تيراهيرتز. هوائي جهاز استقبال الموجات المليمترية التقليدي هو هوائي بوق مخروطي. تتميز الهوائيات المموجة والهوائيات ثنائية النمط بالعديد من المزايا، بما في ذلك أنماط الإشعاع المتناظرة دورانيًا، وكسب عالٍ يتراوح بين 20 و30 ديسيبل، ومستوى استقطاب متقاطع منخفض يصل إلى -30 ديسيبل، وكفاءة اقتران تتراوح بين 97% و98%. يبلغ عرض النطاق الترددي المتاح لهوائيي البوق 30%-40% و6%-8% على التوالي.
نظراً لتردد موجات التيراهيرتز العالي جداً، فإن حجم هوائي البوق صغير جداً، مما يجعل تصنيعه بالغ الصعوبة، لا سيما في تصميم مصفوفات الهوائيات. ويؤدي تعقيد تقنية التصنيع إلى ارتفاع التكلفة ومحدودية الإنتاج. ونظراً لصعوبة تصنيع الجزء السفلي من تصميم البوق المعقد، يُستخدم عادةً هوائي بوق بسيط على شكل مخروطي أو مخروطي الشكل، مما يقلل التكلفة وتعقيد التصنيع، ويحافظ على أداء إشعاع الهوائي بشكل جيد.
يُعدّ هوائي هرمي الموجة المتنقلة نوعًا آخر من الهوائيات المعدنية، ويتكون من هوائي موجة متنقلة مُدمج على طبقة عازلة بسمك 1.2 ميكرون، ومُعلق في تجويف طولي محفور على رقاقة سيليكون، كما هو موضح في الشكل 7. يتميز هذا الهوائي ببنية مفتوحة متوافقة مع ثنائيات شوتكي. وبفضل بنيته البسيطة نسبيًا ومتطلبات تصنيعه المنخفضة، يُمكن استخدامه عمومًا في نطاقات تردد أعلى من 0.6 تيراهيرتز. مع ذلك، فإن مستوى الفصوص الجانبية ومستوى الاستقطاب المتقاطع للهوائي مرتفعان، ربما بسبب بنيته المفتوحة. لذا، فإن كفاءة اقترانه منخفضة نسبيًا (حوالي 50%).
الشكل 7: هوائي هرمي للموجة المتنقلة
2. هوائي عازل
الهوائي العازل هو مزيج من ركيزة عازلة ومشع هوائي. من خلال التصميم الأمثل، يمكن للهوائي العازل تحقيق مطابقة المعاوقة مع الكاشف، ويتميز ببساطة التصنيع وسهولة التكامل وانخفاض التكلفة. في السنوات الأخيرة، صمم الباحثون العديد من هوائيات الإطلاق الجانبي ضيقة النطاق وعريضة النطاق التي تتوافق مع كواشف المعاوقة المنخفضة لهوائيات تيراهيرتز العازلة، مثل هوائي الفراشة، والهوائي المزدوج على شكل حرف U، والهوائي اللوغاريتمي الدوري، والهوائي اللوغاريتمي الدوري الجيبي، كما هو موضح في الشكل 8. إضافةً إلى ذلك، يمكن تصميم أشكال هندسية أكثر تعقيدًا للهوائيات باستخدام الخوارزميات الجينية.
الشكل 8: أربعة أنواع من الهوائيات المستوية
مع ذلك، ونظرًا لدمج الهوائي العازل مع ركيزة عازلة، سيحدث تأثير الموجة السطحية عند اقتراب التردد من نطاق الترددات تيراهيرتز. هذا العيب الجوهري سيؤدي إلى فقدان الهوائي لكمية كبيرة من الطاقة أثناء التشغيل، مما ينتج عنه انخفاض ملحوظ في كفاءة إشعاعه. وكما هو موضح في الشكل 9، عندما تكون زاوية إشعاع الهوائي أكبر من زاوية القطع، تنحصر طاقته في الركيزة العازلة وتتداخل مع نمط الركيزة.
الشكل 9: تأثير الموجة السطحية للهوائي
مع ازدياد سُمك الركيزة، يزداد عدد الأنماط ذات الرتبة العالية، ويزداد الاقتران بين الهوائي والركيزة، مما يؤدي إلى فقد الطاقة. وللحد من تأثير الموجة السطحية، توجد ثلاث خطط تحسينية:
1) قم بتحميل عدسة على الهوائي لزيادة الكسب باستخدام خصائص تشكيل الحزمة للموجات الكهرومغناطيسية.
2) تقليل سمك الركيزة لكبح توليد الأنماط عالية الرتبة للموجات الكهرومغناطيسية.
3) استبدل المادة العازلة للركيزة بمادة ذات فجوة نطاق كهرومغناطيسي (EBG). يمكن لخصائص الترشيح المكاني لـ EBG أن تكبح الأنماط ذات الرتبة العالية.
3. هوائيات مصنوعة من مواد جديدة
إضافةً إلى الهوائيين المذكورين أعلاه، يوجد أيضًا هوائي تيراهيرتز مصنوع من مواد جديدة. على سبيل المثال، في عام 2006، اقترح جين هاو وزملاؤه هوائي ثنائي القطب مصنوع من أنابيب الكربون النانوية. وكما هو موضح في الشكل 10 (أ)، فإن ثنائي القطب مصنوع من أنابيب الكربون النانوية بدلًا من المواد المعدنية. وقد درس هاو خصائص الأشعة تحت الحمراء والبصرية لهوائي ثنائي القطب المصنوع من أنابيب الكربون النانوية بدقة، وناقش الخصائص العامة لهوائي ثنائي القطب ذي الطول المحدود، مثل مقاومة الإدخال، وتوزيع التيار، والكسب، والكفاءة، ونمط الإشعاع. يوضح الشكل 10 (ب) العلاقة بين مقاومة الإدخال وتردد هوائي ثنائي القطب المصنوع من أنابيب الكربون النانوية. وكما هو واضح في الشكل 10 (ب)، فإن الجزء التخيلي من مقاومة الإدخال يحتوي على أصفار متعددة عند الترددات العالية. وهذا يشير إلى أن الهوائي قادر على تحقيق رنينات متعددة عند ترددات مختلفة. من الواضح أن هوائي أنابيب الكربون النانوية يُظهر رنينًا ضمن نطاق تردد معين (ترددات تيراهيرتز المنخفضة)، ولكنه غير قادر تمامًا على الرنين خارج هذا النطاق.
الشكل 10 (أ) هوائي ثنائي القطب من أنابيب الكربون النانوية. (ب) منحنى معاوقة الإدخال مقابل التردد
في عام ٢٠١٢، اقترح سمير ف. محمود وعايد ر. العجمي بنيةً جديدةً لهوائي تيراهيرتز تعتمد على أنابيب الكربون النانوية، وتتألف من حزمة من أنابيب الكربون النانوية مغلفة بطبقتين عازلتين. الطبقة العازلة الداخلية عبارة عن طبقة من رغوة عازلة، بينما الطبقة العازلة الخارجية عبارة عن طبقة من مادة فائقة. يوضح الشكل ١١ البنية المحددة. وقد أظهرت الاختبارات تحسنًا في أداء إشعاع الهوائي مقارنةً بأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار.
الشكل 11: هوائي تيراهيرتز جديد قائم على أنابيب الكربون النانوية
تتميز هوائيات تيراهيرتز المصنوعة من المواد الجديدة والمقترحة أعلاه بأنها ثلاثية الأبعاد في الغالب. ولتحسين عرض نطاق الهوائي وتصنيع هوائيات متوافقة، حظيت هوائيات الجرافين المستوية باهتمام واسع. يتمتع الجرافين بخصائص تحكم ديناميكية مستمرة ممتازة، ويمكنه توليد بلازما سطحية عن طريق ضبط جهد الانحياز. تتواجد البلازما السطحية على السطح الفاصل بين ركائز ذات ثابت عزل كهربائي موجب (مثل السيليكون وثاني أكسيد السيليكون) وركائز ذات ثابت عزل كهربائي سالب (مثل المعادن النفيسة والجرافين). يوجد عدد كبير من "الإلكترونات الحرة" في الموصلات مثل المعادن النفيسة والجرافين، وتُسمى هذه الإلكترونات الحرة أيضًا بالبلازما. نظرًا لوجود مجال جهد كامن في الموصل، تكون هذه البلازما في حالة مستقرة ولا تتأثر بالعوامل الخارجية. عندما تقترن طاقة الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة بهذه البلازما، فإنها تنحرف عن حالة الاستقرار وتتذبذب. بعد التحويل، يشكل النمط الكهرومغناطيسي موجة مغناطيسية مستعرضة عند السطح الفاصل. وفقًا لوصف علاقة التشتت لبلازما سطح المعدن في نموذج درود، لا تستطيع المعادن الاقتران بشكل طبيعي مع الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر وتحويل الطاقة. لذا، من الضروري استخدام مواد أخرى لإثارة موجات بلازما السطح. تتلاشى موجات بلازما السطح بسرعة في الاتجاه الموازي لسطح التماس بين المعدن والركيزة. وعندما يوصل الموصل المعدني التيار في الاتجاه العمودي على السطح، تحدث ظاهرة التغلغل السطحي. ومن الواضح، نظرًا لصغر حجم الهوائي، أن هذه الظاهرة تظهر في نطاق الترددات العالية، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في أداء الهوائي وعدم قدرته على تلبية متطلبات هوائيات التيراهيرتز. يتميز بلازمون سطح الجرافين بقوة ربط أعلى وفقد أقل، كما يدعم الضبط الكهربائي المستمر. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الجرافين بموصلية معقدة في نطاق التيراهيرتز. لذلك، يرتبط انتشار الموجات البطيء بنمط البلازما عند ترددات التيراهيرتز. تُظهر هذه الخصائص بوضوح إمكانية استبدال المواد المعدنية بالجرافين في نطاق التيراهيرتز.
استنادًا إلى سلوك استقطاب بلازمونات سطح الجرافين، يُظهر الشكل 12 نوعًا جديدًا من الهوائيات الشريطية، ويقترح شكل نطاق خصائص انتشار موجات البلازما في الجرافين. يوفر تصميم نطاق الهوائي القابل للضبط طريقة جديدة لدراسة خصائص انتشار هوائيات تيراهيرتز المصنوعة من مواد جديدة.
الشكل 12: هوائي شريطي جديد
إضافةً إلى استكشاف عناصر هوائيات تيراهيرتز المصنوعة من مواد جديدة، يمكن أيضًا تصميم هوائيات تيراهيرتز النانوية المصنوعة من الجرافين على شكل مصفوفات لبناء أنظمة اتصالات هوائية متعددة المدخلات والمخرجات تعمل بتقنية تيراهيرتز. يوضح الشكل 13 بنية الهوائي. وبفضل الخصائص الفريدة لهوائيات الجرافين النانوية، تتميز عناصر الهوائي بأبعاد ميكرونية. يتم ترسيب صور الجرافين المختلفة مباشرةً على طبقة رقيقة من النيكل باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار، ثم تُنقل هذه الصور إلى أي ركيزة. ومن خلال اختيار عدد مناسب من المكونات وتغيير جهد الانحياز الكهروستاتيكي، يمكن تغيير اتجاه الإشعاع بكفاءة، مما يجعل النظام قابلاً لإعادة التشكيل.
الشكل 13: مصفوفة هوائيات تيراهيرتز النانوية المصنوعة من الجرافين
يُعدّ البحث في المواد الجديدة اتجاهًا حديثًا نسبيًا. ومن المتوقع أن يُسهم ابتكار المواد في تجاوز قيود الهوائيات التقليدية وتطوير أنواع جديدة منها، مثل المواد الفائقة القابلة لإعادة التشكيل، والمواد ثنائية الأبعاد، وغيرها. ومع ذلك، يعتمد هذا النوع من الهوائيات بشكل أساسي على ابتكار مواد جديدة وتطوير تقنيات التصنيع. وعلى أي حال، يتطلب تطوير هوائيات تيراهيرتز مواد مبتكرة، وتقنيات تصنيع دقيقة، وهياكل تصميم جديدة لتلبية متطلبات الكسب العالي، والتكلفة المنخفضة، وعرض النطاق الترددي الواسع لهوائيات تيراهيرتز.
يقدم ما يلي المبادئ الأساسية لثلاثة أنواع من هوائيات تيراهيرتز: الهوائيات المعدنية، والهوائيات العازلة، والهوائيات المصنوعة من مواد جديدة، ويحلل اختلافاتهم ومزاياهم وعيوبهم.
1. الهوائي المعدني: يتميز بتصميم هندسي بسيط، وسهولة التصنيع، وتكلفة منخفضة نسبيًا، ومتطلبات قليلة من مواد الركيزة. مع ذلك، يعتمد الهوائي المعدني على طريقة ميكانيكية لضبط موضعه، مما يجعله عرضة للأخطاء. فإذا لم يكن الضبط صحيحًا، سينخفض أداء الهوائي بشكل كبير. ورغم صغر حجمه، يصعب تركيب الهوائي المعدني مع الدوائر المسطحة.
2. الهوائي العازل: يتميز الهوائي العازل بمقاومة دخل منخفضة، مما يسهل مطابقته مع كاشف ذي مقاومة منخفضة، كما أنه سهل التوصيل نسبيًا بالدوائر المستوية. تشمل الأشكال الهندسية للهوائيات العازلة شكل الفراشة، وشكل حرف U المزدوج، والشكل اللوغاريتمي التقليدي، والشكل اللوغاريتمي الدوري الجيبي. مع ذلك، تعاني الهوائيات العازلة من عيب جوهري، ألا وهو تأثير الموجة السطحية الناتج عن الركيزة السميكة. يكمن الحل في إضافة عدسة واستبدال الركيزة العازلة ببنية EBG. يتطلب كلا الحلين ابتكارًا وتحسينًا مستمرًا لتقنيات التصنيع والمواد، لكن أداءهما الممتاز (مثل التغطية الشاملة وكبح الموجة السطحية) يمكن أن يوفر أفكارًا جديدة لأبحاث هوائيات التيراهيرتز.
3. هوائيات المواد الجديدة: ظهرت مؤخرًا هوائيات ثنائية القطب مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية، بالإضافة إلى هياكل هوائيات جديدة مصنوعة من مواد فائقة. يمكن للمواد الجديدة أن تُحدث نقلة نوعية في الأداء، ولكن ذلك يتطلب تطويرًا مستمرًا في علم المواد. ولا تزال الأبحاث المتعلقة بهوائيات المواد الجديدة في مراحلها الاستكشافية، والعديد من التقنيات الأساسية لم تنضج بعد.
باختصار، يمكن اختيار أنواع مختلفة من هوائيات التيراهيرتز وفقًا لمتطلبات التصميم:
1) إذا كان التصميم البسيط وتكلفة الإنتاج المنخفضة مطلوبين، فيمكن اختيار الهوائيات المعدنية.
2) إذا كانت هناك حاجة إلى تكامل عالي ومقاومة دخل منخفضة، فيمكن اختيار هوائيات عازلة.
3) إذا كان مطلوبًا تحقيق طفرة في الأداء، فيمكن اختيار هوائيات مصنوعة من مواد جديدة.
يمكن تعديل التصاميم المذكورة أعلاه وفقًا لمتطلبات محددة. على سبيل المثال، يمكن دمج نوعين من الهوائيات لتحقيق مزايا إضافية، ولكن يجب أن تستوفي طريقة التجميع وتقنية التصميم متطلبات أكثر صرامة.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
تاريخ النشر: 2 أغسطس 2024
