無線デバイスの人気の高まりに伴い、データ サービスは、データ サービスの爆発的な成長とも呼ばれる、新たな急速な発展期に入りました。現在、多くのアプリケーションがコンピュータから、持ち運びが容易でリアルタイムで動作する携帯電話などの無線デバイスに徐々に移行していますが、この状況はデータトラフィックの急増と帯域幅リソースの不足にもつながっています。 。統計によると、市場のデータ速度は今後 10 ～ 15 年で Gbps、さらには Tbps に達する可能性があります。現在、THz 通信は Gbps データ レートに達していますが、Tbps データ レートはまだ開発の初期段階にあります。関連する論文では、THz 帯域に基づく Gbps データ レートの最新の進歩を列挙し、偏波多重化によって Tbps が得られると予測しています。したがって、データ伝送速度を高めるための実現可能な解決策は、マイクロ波と赤外光の間の「空白領域」にある新しい周波数帯域であるテラヘルツ帯域を開発することです。 2019 年の ITU 世界無線通信会議 (WRC-19) では、275 ～ 450 GHz の周波数範囲が固定および陸上移動サービスに使用されています。テラヘルツ無線通信システムが多くの研究者の注目を集めていることが分かります。
テラヘルツ電磁波は、一般的に0.1～10THz（1THz=1012Hz）の周波数帯域、波長0.03～3mmと定義されています。 IEEE規格によれば、テラヘルツ波は0.3～10THzと定義されています。図1は、テラヘルツ周波数帯域がマイクロ波と赤外光の間にあることを示しています。
図1 テラヘルツ周波数帯の模式図。
テラヘルツアンテナの開発
テラヘルツの研究は19世紀に始まりましたが、当時は独立した分野として研究されていませんでした。テラヘルツ放射線の研究は主に遠赤外線帯域に焦点が当てられていました。研究者がミリ波の研究をテラヘルツ帯に進め、専門的なテラヘルツ技術の研究を行うようになったのは、20世紀半ばから後半になってからです。
1980年代、テラヘルツ放射線源の出現により、実用的なシステムへのテラヘルツ波の応用が可能になりました。 21世紀以降、無線通信技術は急速に発展し、人々の情報需要や通信機器の増加に伴い、通信データの伝送速度に対する要求はますます厳しくなってきています。したがって、将来の通信テクノロジーの課題の 1 つは、1 つの場所で毎秒ギガビットの高いデータ レートで動作することです。現在の経済発展の下では、周波数リソースはますます不足しています。しかし、通信容量と速度に対する人間の要求は無限です。スペクトル輻輳の問題に対して、多くの企業は多入力多出力 (MIMO) テクノロジーを使用して、空間多重化を通じてスペクトル効率とシステム容量を向上させています。 5Gネットワークの発展に伴い、各ユーザーのデータ接続速度はGbpsを超え、基地局のデータトラフィックも大幅に増加します。従来のミリ波通信システムの場合、マイクロ波リンクはこれらの巨大なデータ ストリームを処理できません。また、赤外線通信は視線の影響で通信距離が短く、通信機器の設置場所も固定されます。したがって、マイクロ波と赤外線の間にあるテラヘルツ波は、テラヘルツリンクを使用して高速通信システムを構築し、データ伝送速度を向上させるために使用できます。
テラヘルツ波はより広い通信帯域幅を提供でき、その周波数範囲は移動体通信の約1000倍です。したがって、THz を使用して超高速無線通信システムを構築することは、高速データ レートの課題に対する有望な解決策であり、多くの研究チームや業界の関心を集めています。 2017 年 9 月に、最初の THz 無線通信規格 IEEE 802.15.3d-2017 がリリースされました。これは、252 ～ 325 GHz の低い THz 周波数範囲でのポイントツーポイント データ交換を定義しています。リンクの代替物理層 (PHY) は、さまざまな帯域幅で最大 100 Gbps のデータ レートを達成できます。
2004年に最初に成功した0.12THzのテラヘルツ通信システムが確立され、2013年に0.3THzのテラヘルツ通信システムが実現されました。表1は、2004年から2013年までの日本におけるテラヘルツ通信システムの研究進捗を示しています。
表1 2004年から2013年までの日本におけるテラヘルツ通信システムの研究進捗状況
2004 年に開発された通信システムのアンテナ構造は、2005 年に日本電信電話株式会社 (NTT) によって詳細に説明されました。アンテナ構成は、図 2 に示す 2 つのケースで紹介されています。
図2 日本のNTT 120GHz無線通信システムの概略図
このシステムは光電変換とアンテナを統合しており、次の 2 つの動作モードを採用しています。
1. 近距離の屋内環境では、屋内で使用される平面アンテナ送信機は、図 2(a) に示すように、シングル ライン キャリア フォトダイオード (UTC-PD) チップ、平面スロット アンテナ、およびシリコン レンズで構成されます。
2. 長距離の屋外環境では、大きな伝送損失と検出器の低い感度の影響を改善するために、送信アンテナは高い利得を持たなければなりません。既存のテラヘルツアンテナは利得が50dBi以上のガウス光学レンズを使用している。フィードホーンと誘電体レンズの組み合わせを図 2(b) に示します。
NTTは0.12THz通信システムの開発に加え、2012年に0.3THz通信システムも開発しました。継続的な最適化により、伝送速度は100Gbpsにも達します。表1からわかるように、テラヘルツ通信の発展に大きく貢献しています。しかし、現在の研究作業には、動作周波数が低く、サイズが大きく、コストが高いという欠点があります。
現在使用されているテラヘルツアンテナの多くはミリ波アンテナを改造したものであり、テラヘルツアンテナには革新性が少ない。したがって、テラヘルツ通信システムの性能を向上させるためには、テラヘルツアンテナを最適化することが重要な課題となる。表 2 は、ドイツのテラヘルツ通信の研究の進捗状況を示しています。図3(a)は、フォトニクスとエレクトロニクスを組み合わせた代表的なTHz無線通信システムを示しています。図3(b)に風洞試験風景を示す。現在のドイツの研究状況から判断すると、その研究開発には動作周波数が低く、コストが高く、効率が低いという欠点もあります。
表2 ドイツにおけるテラヘルツ通信の研究進捗状況
図3 風洞実験風景
CSIRO ICT センターは、THz 屋内無線通信システムの研究も開始しました。同センターは、図4に示すように、年と通信周波数の関係を調査しました。図4からわかるように、2020年までに、無線通信の研究はTHz帯域に向かう傾向にあります。電波スペクトルを利用した最大通信周波数は20年ごとに約10倍に増加します。同センターは、THzアンテナの要件に関する推奨事項を作成し、THz通信システム用のホーンやレンズなどの従来のアンテナを提案している。図 5 に示すように、2 つのホーン アンテナはそれぞれ 0.84THz と 1.7THz で動作し、構造が単純でガウス ビーム性能が優れています。
図4 年と頻度の関係
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
図5 2種類のホーンアンテナ
米国では、テラヘルツ波の放射と検出について広範な研究が行われてきました。有名なテラヘルツ研究機関には、ジェット推進研究所 (JPL)、スタンフォード線形加速器センター (SLAC)、米国国立研究所 (LLNL)、米国航空宇宙局 (NASA)、米国科学財団 (NSF) などが含まれます。ボウタイ アンテナや周波数ビーム ステアリング アンテナなど、テラヘルツ アプリケーション向けの新しいテラヘルツ アンテナが設計されています。テラヘルツアンテナの開発によれば、図6に示すように、現在、テラヘルツアンテナの3つの基本的な設計アイデアが得られます。
図6 テラヘルツアンテナの3つの基本設計アイデア
上記の分析は、多くの国がテラヘルツ アンテナに大きな注目を集めているものの、まだ初期の探査と開発段階にあることを示しています。高い伝播損失と分子吸収のため、THz アンテナは通常、伝送距離とカバレージによって制限されます。一部の研究では、THz 帯域のより低い動作周波数に焦点を当てています。これまでのテラヘルツアンテナの研究は、誘電体レンズアンテナなどを用いて利得を向上させたり、適切なアルゴリズムを用いて通信効率を向上させたりすることが主でした。また、テラヘルツアンテナの実装効率をいかに向上させるかも緊急の課題となっている。
一般的なTHzアンテナ
利用可能な THz アンテナには多くの種類があります。コニカル キャビティを備えたダイポール アンテナ、コーナーリフレクター アレイ、ボウタイ ダイポール、誘電体レンズ平面アンテナ、THz ソース放射源を生成するための光伝導アンテナ、ホーン アンテナ、グラフェン材料をベースとした THz アンテナなどです。 THzアンテナの材料は金属アンテナ（主にホーンアンテナ）、誘電体アンテナ（レンズアンテナ）、新素材アンテナに大別されます。このセクションでは、最初にこれらのアンテナの予備的な分析を示し、次に次のセクションで 5 つの典型的な THz アンテナを詳細に紹介し、詳しく分析します。
1. 金属アンテナ
ホーン アンテナは、THz 帯域で動作するように設計された典型的な金属アンテナです。古典的なミリ波受信機のアンテナは円錐形のホーンです。波形デュアルモード アンテナには、回転対称の放射パターン、20 ～ 30 dBi の高ゲイン、-30 dB の低い交差偏波レベル、97% ～ 98% の結合効率など、多くの利点があります。 2 つのホーン アンテナの利用可能な帯域幅は、それぞれ 30% ～ 40% と 6% ～ 8% です。
テラヘルツ波の周波数は非常に高いため、ホーンアンテナのサイズは非常に小さく、特にアンテナアレイの設計においてホーンの加工が非常に困難になり、加工技術の複雑さにより過度のコストとコストが発生します。限定生産。複雑なホーン設計の底部を製造するのは難しいため、通常は円錐形またはコニカルホーンの形の単純なホーンアンテナが使用されます。これにより、コストとプロセスの複雑さを削減でき、アンテナの放射性能を維持できます。良い。
もう 1 つの金属アンテナは進行波ピラミッド アンテナです。これは、図 7 に示すように、1.2 ミクロンの誘電体フィルム上に集積され、シリコン ウェーハ上にエッチングされた縦方向のキャビティ内に吊り下げられた進行波アンテナで構成されます。このアンテナは、開放構造です。ショットキーダイオードと互換性があります。構造が比較的単純で製造要件が低いため、一般に 0.6 THz を超える周波数帯域で使用できます。ただし、アンテナのサイドローブレベルと交差偏波レベルは、おそらくオープン構造のため高いです。したがって、結合効率は比較的低くなります (約 50%)。
図 7 進行波ピラミッド型アンテナ
2. 誘電体アンテナ
誘電体アンテナは、誘電体基板とアンテナ放射器を組み合わせたものです。適切な設計により、誘電体アンテナは検出器とのインピーダンス整合を実現でき、プロセスが簡単、統合が容易、低コストという利点があります。近年、研究者らは、テラヘルツ誘電体アンテナの低インピーダンス検出器に適合する狭帯域および広帯域のサイドファイア アンテナをいくつか設計しました。バタフライ アンテナ、ダブル U 字型アンテナ、対数周期アンテナ、対数周期正弦波アンテナなどです。図 8 に示します。さらに、遺伝的アルゴリズムを使用して、より複雑なアンテナ形状を設計できます。
図8 4種類の平面アンテナ
ただし、誘電体アンテナは誘電体基板と組み合わせているため、周波数がTHz帯付近になると表面波効果が発生します。この致命的な欠点により、アンテナは動作中に多くのエネルギーを失い、アンテナの放射効率の大幅な低下につながります。図 9 に示すように、アンテナの放射角がカットオフ角よりも大きい場合、そのエネルギーは誘電体基板内に閉じ込められ、基板モードと結合します。
図 9 アンテナ表面波の影響
基板の厚さが増加すると、高次モードの数が増加し、アンテナと基板間の結合が増加し、エネルギー損失が発生します。表面波の影響を弱めるには、次の 3 つの最適化スキームがあります。
1) アンテナにレンズを搭載し、電磁波のビームフォーミング特性を利用して利得を高めます。
２）基板の厚みを薄くし、電磁波の高次モードの発生を抑制する。
3) 基板の誘電体材料を電磁バンドギャップ (EBG) に置き換えます。 EBG の空間フィルタリング特性により、高次モードを抑制できます。
3. 新素材アンテナ
上記2つのアンテナに加え、新素材を使用したテラヘルツアンテナもございます。たとえば、2006 年に、Jin Hao らは、カーボンナノチューブダイポールアンテナを提案した。図10(a)に示すように、ダイポールは金属材料の代わりにカーボンナノチューブで作られています。彼は、カーボン ナノチューブ ダイポール アンテナの赤外線特性と光学特性を注意深く研究し、入力インピーダンス、電流分布、利得、効率、放射パターンなど、有限長カーボン ナノチューブ ダイポール アンテナの一般的な特性について議論しました。図10(b)にカーボンナノチューブダイポールアンテナの入力インピーダンスと周波数の関係を示します。図 10(b) からわかるように、入力インピーダンスの虚数部は、より高い周波数で複数のゼロを持ちます。これは、アンテナが異なる周波数で複数の共振を達成できることを示しています。明らかに、カーボン ナノチューブ アンテナは特定の周波数範囲 (より低い THz 周波数) 内で共振を示しますが、この範囲外では完全に共振できません。
図 10 (a) カーボン ナノチューブ ダイポール アンテナ。 (b) 入力インピーダンス-周波数曲線
2012 年、Samir F. Mahmoud と Ayed R. AlAjmi は、カーボン ナノチューブをベースとした新しいテラヘルツ アンテナ構造を提案しました。これは、2 つの誘電体層で包まれたカーボン ナノチューブの束で構成されています。内側の誘電体層は発泡誘電体層であり、外側の誘電体層はメタマテリアル層です。具体的な構造を図 11 に示します。テストを通じて、単層カーボン ナノチューブと比較してアンテナの放射性能が向上しました。
図11 カーボンナノチューブをベースにした新しいテラヘルツアンテナ
上記で提案された新素材テラヘルツアンテナは主に三次元のものである。アンテナの帯域幅を改善し、コンフォーマル アンテナを作成するために、平面グラフェン アンテナが広く注目されています。グラフェンは動的連続制御特性に優れており、バイアス電圧を調整することで表面プラズマを生成できます。表面プラズマは、正の誘電率基板 (Si、SiO2 など) と負の誘電率基板 (貴金属、グラフェンなど) の間の界面に存在します。貴金属やグラフェンなどの導体には「自由電子」が大量に存在します。これらの自由電子はプラズマとも呼ばれます。導体に固有の電位場があるため、これらのプラズマは安定した状態にあり、外界によって乱されることはありません。入射電磁波エネルギーがこれらのプラズマに結合すると、プラズマは定常状態から外れて振動します。変換後、電磁モードは界面で横方向の磁気波を形成します。ドルーデモデルによる金属表面プラズマの分散関係の記述によれば、金属は自由空間では自然に電磁波と結合してエネルギーを変換することができない。表面プラズマ波を励起するには他の材料を使用する必要があります。表面プラズマ波は、金属と基板の界面の平行方向に急速に減衰します。金属導体が表面に垂直な方向に伝導すると、表皮効果が発生します。明らかに、アンテナのサイズが小さいため、高周波数帯域には表皮効果があり、アンテナの性能が急激に低下し、テラヘルツ アンテナの要件を満たすことができません。グラフェンの表面プラズモンは、より高い結合力とより低い損失を備えているだけでなく、連続的な電気的調整もサポートします。さらに、グラフェンはテラヘルツ帯で複雑な導電率を示します。したがって、遅い波の伝播は、テラヘルツ周波数でのプラズマモードに関連しています。これらの特性は、テラヘルツ帯の金属材料をグラフェンが置き換える可能性を十分に示しています。
図 12 は、グラフェン表面プラズモンの偏光挙動に基づいて、新しいタイプのストリップ アンテナを示し、グラフェン内のプラズマ波の伝播特性のバンド形状を提案しています。調整可能なアンテナ帯域の設計は、新素材のテラヘルツ アンテナの伝播特性を研究する新しい方法を提供します。
図 12 新しいストリップ アンテナ
新しい材料のテラヘルツ アンテナ素子の探索に加えて、グラフェン ナノパッチ テラヘルツ アンテナをアレイとして設計して、テラヘルツ多入力多出力アンテナ通信システムを構築することもできます。アンテナの構造を図 13 に示します。グラフェン ナノパッチ アンテナの固有の特性に基づいて、アンテナ素子の寸法はミクロン スケールです。化学蒸着では、薄いニッケル層上にさまざまなグラフェン画像を直接合成し、それらを任意の基板に転写します。適切な数のコンポーネントを選択し、静電バイアス電圧を変更することで、放射方向を効果的に変更でき、システムを再構成可能にします。
図13 グラフェンナノパッチテラヘルツアンテナアレイ
新材料の研究は比較的新しい方向です。材料の革新により、従来のアンテナの限界が打ち破られ、再構成可能なメタマテリアルや二次元（2D）材料など、さまざまな新しいアンテナが開発されることが期待されています。ただし、このタイプのアンテナは主に新しいアンテナの革新に依存しています。材料とプロセス技術の進歩。いずれにしても、テラヘルツ アンテナの開発には、テラヘルツ アンテナの高利得、低コスト、広帯域幅の要件を満たす革新的な材料、精密な加工技術、斬新な設計構造が必要です。
金属アンテナ、誘電体アンテナ、新素材アンテナの3種類のテラヘルツアンテナの基本原理を紹介し、それぞれの違いやメリット・デメリットを分析します。
1. 金属アンテナ: 形状はシンプルで、加工が容易で、比較的低コストで、基板材料の要件も低くなります。ただし、金属アンテナはアンテナの位置を調整するために機械的な方法を使用するため、誤差が発生しやすくなります。調整が正しくないと、アンテナの性能が大幅に低下します。金属アンテナはサイズが小さいものの、平面回路で組み立てるのが難しい。
2. 誘電体アンテナ: 誘電体アンテナは入力インピーダンスが低く、低インピーダンス検出器との整合が容易で、平面回路との接続が比較的簡単です。誘電体アンテナの幾何学的形状には、蝶形、ダブル U 形、従来の対数形、対数周期正弦形などがあります。しかし、誘電体アンテナには基板が厚いことによる表面波効果という致命的な欠点もあります。解決策は、レンズを搭載し、誘電体基板をEBG構造に置き換えることです。どちらのソリューションも、プロセス技術と材料の革新と継続的な改善を必要としますが、その優れた性能 (全指向性や表面波抑制など) は、テラヘルツ アンテナの研究に新しいアイデアを提供する可能性があります。
3. 新素材アンテナ：現在、カーボンナノチューブを用いた新しいダイポールアンテナやメタマテリアルを用いた新しいアンテナ構造が登場している。新しい材料は新たな性能のブレークスルーをもたらす可能性がありますが、その前提となるのは材料科学の革新です。現時点では、新素材アンテナの研究はまだ探索段階にあり、多くの主要技術は十分に成熟していません。
要約すると、設計要件に応じてさまざまなタイプのテラヘルツ アンテナを選択できます。
1) シンプルな設計と低コストが要求される場合は、金属アンテナを選択できます。
2) 高集積化と低入力インピーダンスが必要な場合は、誘電体アンテナを選択できます。
3) 画期的な性能が必要な場合は、新しい素材のアンテナを選択できます。
上記の設計は、特定の要件に応じて調整することもできます。たとえば、2 種類のアンテナを組み合わせることで、より多くの利点を得ることができますが、組み立て方法と設計技術はより厳しい要件を満たす必要があります。
アンテナの詳細については、次のサイトをご覧ください。
投稿時刻: 2024 年 8 月 2 日
