వైర్లెస్ పరికరాల ప్రజాదరణ పెరగడంతో, డేటా సేవలు వేగవంతమైన అభివృద్ధి యొక్క కొత్త దశలోకి ప్రవేశించాయి, దీనిని డేటా సేవల విస్ఫోటనాత్మక వృద్ధి అని కూడా అంటారు. ప్రస్తుతం, పెద్ద సంఖ్యలో అప్లికేషన్లు క్రమంగా కంప్యూటర్ల నుండి మొబైల్ ఫోన్ల వంటి వైర్లెస్ పరికరాలకు మారుతున్నాయి, ఎందుకంటే వాటిని తీసుకువెళ్లడం మరియు నిజ సమయంలో ఆపరేట్ చేయడం సులభం. అయితే, ఈ పరిస్థితి డేటా ట్రాఫిక్లో వేగవంతమైన పెరుగుదలకు మరియు బ్యాండ్విడ్త్ వనరుల కొరతకు కూడా దారితీసింది. గణాంకాల ప్రకారం, రాబోయే 10 నుండి 15 సంవత్సరాలలో మార్కెట్లోని డేటా రేటు Gbps లేదా Tbpsకి కూడా చేరుకోవచ్చు. ప్రస్తుతం, THz కమ్యూనికేషన్ Gbps డేటా రేటును సాధించింది, అయితే Tbps డేటా రేటు ఇంకా అభివృద్ధి యొక్క ప్రారంభ దశలలో ఉంది. ఒక సంబంధిత పత్రం THz బ్యాండ్ ఆధారంగా Gbps డేటా రేట్లలో తాజా పురోగతిని జాబితా చేస్తుంది మరియు పోలరైజేషన్ మల్టీప్లెక్సింగ్ ద్వారా Tbpsని పొందవచ్చని అంచనా వేస్తుంది. అందువల్ల, డేటా ప్రసార రేటును పెంచడానికి, మైక్రోవేవ్లు మరియు ఇన్ఫ్రారెడ్ కాంతి మధ్య ఉన్న "ఖాళీ ప్రాంతం"లో ఉండే టెరాహెర్ట్జ్ బ్యాండ్ అనే కొత్త ఫ్రీక్వెన్సీ బ్యాండ్ను అభివృద్ధి చేయడం ఒక ఆచరణీయ పరిష్కారం. 2019లో జరిగిన ITU ప్రపంచ రేడియో కమ్యూనికేషన్ సదస్సు (WRC-19)లో, స్థిర మరియు ల్యాండ్ మొబైల్ సేవల కోసం 275-450GHz ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిని ఉపయోగించారు. టెరాహెర్ట్జ్ వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థలు చాలా మంది పరిశోధకుల దృష్టిని ఆకర్షించాయని గమనించవచ్చు.
టెరాహెర్ట్జ్ విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను సాధారణంగా 0.03-3 మి.మీ. తరంగదైర్ఘ్యంతో, 0.1-10THz (1THz=10¹²Hz) పౌనఃపున్య శ్రేణిగా నిర్వచిస్తారు. IEEE ప్రమాణం ప్రకారం, టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాలను 0.3-10THz గా నిర్వచించారు. పటం 1 ప్రకారం టెరాహెర్ట్జ్ పౌనఃపున్య శ్రేణి మైక్రోవేవ్లు మరియు పరారుణ కాంతి మధ్య ఉంటుంది.
పటం 1. THz పౌనఃపున్య బ్యాండ్ యొక్క రేఖాచిత్రం.
టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాల అభివృద్ధి
టెరాహెర్ట్జ్ పరిశోధన 19వ శతాబ్దంలో ప్రారంభమైనప్పటికీ, ఆ సమయంలో దానిని ఒక స్వతంత్ర రంగంగా అధ్యయనం చేయలేదు. టెరాహెర్ట్జ్ వికిరణంపై పరిశోధన ప్రధానంగా ఫార్-ఇన్ఫ్రారెడ్ బ్యాండ్పై కేంద్రీకృతమై ఉండేది. 20వ శతాబ్దం మధ్య నుండి చివరి వరకు పరిశోధకులు మిల్లీమీటర్ వేవ్ పరిశోధనను టెరాహెర్ట్జ్ బ్యాండ్కు అభివృద్ధి చేయడం మరియు ప్రత్యేకమైన టెరాహెర్ట్జ్ టెక్నాలజీ పరిశోధనను నిర్వహించడం ప్రారంభించలేదు.
1980వ దశకంలో, టెరాహెర్ట్జ్ రేడియేషన్ మూలాల ఆవిర్భావం, ఆచరణాత్మక వ్యవస్థలలో టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాల అనువర్తనాన్ని సాధ్యం చేసింది. 21వ శతాబ్దం నుండి, వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ టెక్నాలజీ వేగంగా అభివృద్ధి చెందింది, మరియు సమాచారం కోసం ప్రజల డిమాండ్, కమ్యూనికేషన్ పరికరాల పెరుగుదల కమ్యూనికేషన్ డేటా ప్రసార రేటుపై మరింత కఠినమైన అవసరాలను ముందుకు తెచ్చాయి. అందువల్ల, ఒకే ప్రదేశంలో సెకనుకు గిగాబిట్ల అధిక డేటా రేటుతో పనిచేయడం భవిష్యత్ కమ్యూనికేషన్ టెక్నాలజీ యొక్క సవాళ్లలో ఒకటి. ప్రస్తుత ఆర్థిక అభివృద్ధిలో, స్పెక్ట్రమ్ వనరులు అంతకంతకూ కొరతగా మారాయి. అయితే, కమ్యూనికేషన్ సామర్థ్యం మరియు వేగం కోసం మానవ అవసరాలు అంతులేనివి. స్పెక్ట్రమ్ రద్దీ సమస్య కోసం, అనేక కంపెనీలు స్పేషియల్ మల్టీప్లెక్సింగ్ ద్వారా స్పెక్ట్రమ్ సామర్థ్యాన్ని మరియు సిస్టమ్ సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడానికి మల్టిపుల్-ఇన్పుట్ మల్టిపుల్-అవుట్పుట్ (MIMO) టెక్నాలజీని ఉపయోగిస్తాయి. 5G నెట్వర్క్ల పురోగతితో, ప్రతి వినియోగదారుడి డేటా కనెక్షన్ వేగం Gbpsని మించిపోతుంది, మరియు బేస్ స్టేషన్ల డేటా ట్రాఫిక్ కూడా గణనీయంగా పెరుగుతుంది. సాంప్రదాయ మిల్లీమీటర్ వేవ్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్ల కోసం, మైక్రోవేవ్ లింక్లు ఈ భారీ డేటా స్ట్రీమ్లను నిర్వహించలేవు. అంతేకాకుండా, లైన్ ఆఫ్ సైట్ ప్రభావం కారణంగా, ఇన్ఫ్రారెడ్ కమ్యూనికేషన్ యొక్క ప్రసార దూరం తక్కువగా ఉంటుంది మరియు దాని కమ్యూనికేషన్ పరికరాల స్థానం స్థిరంగా ఉంటుంది. అందువల్ల, మైక్రోవేవ్లు మరియు ఇన్ఫ్రారెడ్ మధ్య ఉండే THz తరంగాలను ఉపయోగించి, THz లింక్ల ద్వారా అధిక-వేగ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థలను నిర్మించవచ్చు మరియు డేటా ప్రసార రేట్లను పెంచవచ్చు.
టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాలు విస్తృతమైన కమ్యూనికేషన్ బ్యాండ్విడ్త్ను అందించగలవు మరియు దీని ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధి మొబైల్ కమ్యూనికేషన్ల కంటే సుమారు 1000 రెట్లు ఎక్కువ. అందువల్ల, అధిక డేటా రేట్ల సవాలుకు, THzను ఉపయోగించి అత్యంత వేగవంతమైన వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థలను నిర్మించడం ఒక ఆశాజనకమైన పరిష్కారం, ఇది అనేక పరిశోధనా బృందాలు మరియు పరిశ్రమల ఆసక్తిని ఆకర్షించింది. సెప్టెంబర్ 2017లో, మొదటి THz వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ ప్రమాణం IEEE 802.15.3d-2017 విడుదల చేయబడింది, ఇది 252-325 GHz తక్కువ THz ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో పాయింట్-టు-పాయింట్ డేటా మార్పిడిని నిర్వచిస్తుంది. ఈ లింక్ యొక్క ఆల్టర్నేటివ్ ఫిజికల్ లేయర్ (PHY) వివిధ బ్యాండ్విడ్త్ల వద్ద 100 Gbps వరకు డేటా రేట్లను సాధించగలదు.
మొట్టమొదటి విజయవంతమైన 0.12 THz కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థను 2004లో స్థాపించగా, 0.3 THz కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థను 2013లో రూపొందించారు. 2004 నుండి 2013 వరకు జపాన్లో టెరాహెర్ట్జ్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థల పరిశోధన పురోగతిని పట్టిక 1 జాబితా చేస్తుంది.
పట్టిక 1 2004 నుండి 2013 వరకు జపాన్లో టెరాహెర్ట్జ్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థల పరిశోధన పురోగతి
2004లో అభివృద్ధి చేయబడిన ఒక కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థ యొక్క యాంటెన్నా నిర్మాణాన్ని నిప్పన్ టెలిగ్రాఫ్ అండ్ టెలిఫోన్ కార్పొరేషన్ (NTT) 2005లో వివరంగా వివరించింది. పటం 2లో చూపిన విధంగా, ఈ యాంటెన్నా ఆకృతీకరణను రెండు సందర్భాలలో పరిచయం చేశారు.
పటం 2 జపాన్ యొక్క NTT 120 GHz వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం
ఈ వ్యవస్థ ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ మార్పిడి మరియు యాంటెన్నాను ఏకీకృతం చేస్తుంది మరియు రెండు పని విధానాలను అవలంబిస్తుంది:
1. దగ్గరి పరిధి గల ఇండోర్ వాతావరణంలో, ఇండోర్లో ఉపయోగించే ప్లానార్ యాంటెన్నా ట్రాన్స్మిటర్లో సింగిల్-లైన్ క్యారియర్ ఫోటోడయోడ్ (UTC-PD) చిప్, ప్లానార్ స్లాట్ యాంటెన్నా మరియు సిలికాన్ లెన్స్ ఉంటాయి, ఇది చిత్రం 2(a)లో చూపబడింది.
2. సుదూర బహిరంగ వాతావరణంలో, అధిక ప్రసార నష్టం మరియు డిటెక్టర్ యొక్క తక్కువ సున్నితత్వం యొక్క ప్రభావాన్ని మెరుగుపరచడానికి, ట్రాన్స్మిటర్ యాంటెన్నా అధిక గెయిన్ను కలిగి ఉండాలి. ప్రస్తుతం ఉన్న టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా 50 dBi కంటే ఎక్కువ గెయిన్ ఉన్న గాస్సియన్ ఆప్టికల్ లెన్స్ను ఉపయోగిస్తుంది. ఫీడ్ హార్న్ మరియు డైఎలెక్ట్రిక్ లెన్స్ కలయికను పటం 2(b)లో చూపించారు.
0.12 THz కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థను అభివృద్ధి చేయడంతో పాటు, NTT 2012లో 0.3 THz కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థను కూడా అభివృద్ధి చేసింది. నిరంతర ఆప్టిమైజేషన్ ద్వారా, ప్రసార రేటును 100Gbps వరకు పెంచవచ్చు. పట్టిక 1లో చూడగలిగినట్లుగా, ఇది టెరాహెర్ట్జ్ కమ్యూనికేషన్ అభివృద్ధికి గొప్ప సహకారాన్ని అందించింది. అయితే, ప్రస్తుత పరిశోధన పనిలో తక్కువ ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ, పెద్ద పరిమాణం మరియు అధిక వ్యయం వంటి ప్రతికూలతలు ఉన్నాయి.
ప్రస్తుతం ఉపయోగంలో ఉన్న చాలా టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాలు మిల్లీమీటర్ వేవ్ యాంటెనాల నుండి మార్పు చేయబడినవే, మరియు టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాలలో ఆవిష్కరణలు చాలా తక్కువగా ఉన్నాయి. అందువల్ల, టెరాహెర్ట్జ్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థల పనితీరును మెరుగుపరచడానికి, టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాలను ఆప్టిమైజ్ చేయడం ఒక ముఖ్యమైన పని. పట్టిక 2 జర్మన్ THz కమ్యూనికేషన్ యొక్క పరిశోధన పురోగతిని జాబితా చేస్తుంది. చిత్రం 3 (ఎ) ఫోటోనిక్స్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్ను కలిపి రూపొందించిన ఒక ప్రతినిధి THz వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థను చూపుతుంది. చిత్రం 3 (బి) విండ్ టన్నెల్ పరీక్ష దృశ్యాన్ని చూపుతుంది. జర్మనీలోని ప్రస్తుత పరిశోధన పరిస్థితిని బట్టి చూస్తే, దాని పరిశోధన మరియు అభివృద్ధిలో తక్కువ ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ, అధిక వ్యయం మరియు తక్కువ సామర్థ్యం వంటి ప్రతికూలతలు కూడా ఉన్నాయి.
పట్టిక 2 జర్మనీలో THz కమ్యూనికేషన్ పరిశోధన పురోగతి
చిత్రం 3 విండ్ టన్నెల్ పరీక్ష దృశ్యం
CSIRO ICT సెంటర్ THz ఇండోర్ వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్లపై కూడా పరిశోధనను ప్రారంభించింది. ఈ కేంద్రం, పటం 4లో చూపిన విధంగా, సంవత్సరం మరియు కమ్యూనికేషన్ ఫ్రీక్వెన్సీ మధ్య సంబంధాన్ని అధ్యయనం చేసింది. పటం 4లో చూడగలిగినట్లుగా, 2020 నాటికి, వైర్లెస్ కమ్యూనికేషన్లపై పరిశోధన THz బ్యాండ్ వైపు మొగ్గు చూపుతోంది. రేడియో స్పెక్ట్రమ్ను ఉపయోగించి గరిష్ట కమ్యూనికేషన్ ఫ్రీక్వెన్సీ ప్రతి ఇరవై సంవత్సరాలకు సుమారు పది రెట్లు పెరుగుతుంది. ఈ కేంద్రం THz యాంటెనాల అవసరాలపై సిఫార్సులు చేసింది మరియు THz కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్ల కోసం హార్న్లు మరియు లెన్స్ల వంటి సాంప్రదాయ యాంటెనాలను ప్రతిపాదించింది. పటం 5లో చూపిన విధంగా, రెండు హార్న్ యాంటెనాలు వరుసగా 0.84THz మరియు 1.7THz వద్ద, సరళమైన నిర్మాణం మరియు మంచి గాస్సియన్ బీమ్ పనితీరుతో పనిచేస్తాయి.
పటం 4 సంవత్సరం మరియు పౌనఃపున్యం మధ్య సంబంధం
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
పటం 5 రెండు రకాల హార్న్ యాంటెనాలు
యునైటెడ్ స్టేట్స్ టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాల ఉద్గారం మరియు గుర్తింపుపై విస్తృతమైన పరిశోధనను నిర్వహించింది. ప్రసిద్ధ టెరాహెర్ట్జ్ పరిశోధన ప్రయోగశాలలలో జెట్ ప్రొపల్షన్ లాబొరేటరీ (JPL), స్టాన్ఫోర్డ్ లీనియర్ యాక్సిలరేటర్ సెంటర్ (SLAC), యుఎస్ నేషనల్ లాబొరేటరీ (LLNL), నేషనల్ ఏరోనాటిక్స్ అండ్ స్పేస్ అడ్మినిస్ట్రేషన్ (NASA), నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ (NSF) మొదలైనవి ఉన్నాయి. టెరాహెర్ట్జ్ అనువర్తనాల కోసం బోటై యాంటెనాలు మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ బీమ్ స్టీరింగ్ యాంటెనాల వంటి కొత్త టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాలు రూపొందించబడ్డాయి. టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాల అభివృద్ధి ప్రకారం, ప్రస్తుతం మనం టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాల కోసం మూడు ప్రాథమిక డిజైన్ ఆలోచనలను పొందవచ్చు, అవి పటం 6లో చూపబడ్డాయి.
పటం 6 టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాల కోసం మూడు ప్రాథమిక రూపకల్పన ఆలోచనలు
పై విశ్లేషణ ప్రకారం, అనేక దేశాలు టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాలపై ఎక్కువ దృష్టి సారించినప్పటికీ, అది ఇంకా ప్రాథమిక అన్వేషణ మరియు అభివృద్ధి దశలోనే ఉందని తెలుస్తోంది. అధిక ప్రసార నష్టం మరియు అణు శోషణ కారణంగా, THz యాంటెన్నాలు సాధారణంగా ప్రసార దూరం మరియు కవరేజ్ పరంగా పరిమితంగా ఉంటాయి. కొన్ని అధ్యయనాలు THz బ్యాండ్లోని తక్కువ ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీలపై దృష్టి సారిస్తున్నాయి. ప్రస్తుతం ఉన్న టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా పరిశోధన ప్రధానంగా డైఎలెక్ట్రిక్ లెన్స్ యాంటెన్నాలు మొదలైన వాటిని ఉపయోగించి గెయిన్ను మెరుగుపరచడంపై, మరియు సరైన అల్గారిథమ్లను ఉపయోగించి కమ్యూనికేషన్ సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడంపై దృష్టి పెడుతుంది. దీనికి అదనంగా, టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా ప్యాకేజింగ్ సామర్థ్యాన్ని ఎలా మెరుగుపరచాలి అనేది కూడా చాలా అత్యవసరమైన సమస్య.
సాధారణ THz యాంటెనాలు
అనేక రకాల THz యాంటెనాలు అందుబాటులో ఉన్నాయి: శంఖాకార కావిటీలతో కూడిన డైపోల్ యాంటెనాలు, కార్నర్ రిఫ్లెక్టర్ శ్రేణులు, బోటై డైపోల్స్, డైఎలెక్ట్రిక్ లెన్స్ ప్లానార్ యాంటెనాలు, THz సోర్స్ రేడియేషన్ను ఉత్పత్తి చేసే ఫోటోకండక్టివ్ యాంటెనాలు, హార్న్ యాంటెనాలు, గ్రాఫేన్ పదార్థాలపై ఆధారపడిన THz యాంటెనాలు మొదలైనవి. THz యాంటెనాలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే పదార్థాల ప్రకారం, వాటిని స్థూలంగా మెటల్ యాంటెనాలు (ప్రధానంగా హార్న్ యాంటెనాలు), డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెనాలు (లెన్స్ యాంటెనాలు), మరియు కొత్త పదార్థాల యాంటెనాలుగా విభజించవచ్చు. ఈ విభాగం మొదట ఈ యాంటెనాల యొక్క ప్రాథమిక విశ్లేషణను అందిస్తుంది, ఆపై తదుపరి విభాగంలో, ఐదు విలక్షణమైన THz యాంటెనాలను వివరంగా పరిచయం చేసి, లోతుగా విశ్లేషించడం జరుగుతుంది.
1. లోహపు యాంటెనాలు
హార్న్ యాంటెన్నా అనేది THz బ్యాండ్లో పనిచేయడానికి రూపొందించబడిన ఒక సాధారణ లోహ యాంటెన్నా. ఒక క్లాసిక్ మిల్లీమీటర్ వేవ్ రిసీవర్ యొక్క యాంటెన్నా ఒక శంఖాకార హార్న్. కరోగేటెడ్ మరియు డ్యూయల్-మోడ్ యాంటెన్నాలకు భ్రమణ సౌష్టవ రేడియేషన్ ప్యాటర్న్లు, 20 నుండి 30 dBi అధిక గెయిన్ మరియు -30 dB తక్కువ క్రాస్-పోలరైజేషన్ స్థాయి, మరియు 97% నుండి 98% కప్లింగ్ సామర్థ్యం వంటి అనేక ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి. రెండు హార్న్ యాంటెన్నాల అందుబాటులో ఉన్న బ్యాండ్విడ్త్లు వరుసగా 30%-40% మరియు 6%-8%గా ఉంటాయి.
టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాల పౌనఃపున్యం చాలా ఎక్కువగా ఉండటం వల్ల, హార్న్ యాంటెన్నా పరిమాణం చాలా చిన్నదిగా ఉంటుంది. దీనివల్ల, ముఖ్యంగా యాంటెన్నా శ్రేణుల రూపకల్పనలో, హార్న్ను తయారుచేయడం చాలా కష్టమవుతుంది. అంతేకాకుండా, ఈ ప్రాసెసింగ్ సాంకేతికతలోని సంక్లిష్టత అధిక వ్యయానికి మరియు పరిమిత ఉత్పత్తికి దారితీస్తుంది. సంక్లిష్టమైన హార్న్ డిజైన్ యొక్క అడుగు భాగాన్ని తయారుచేయడంలో ఉన్న కష్టాల కారణంగా, సాధారణంగా శంఖాకార లేదా కోనికల్ హార్న్ రూపంలో ఉండే సరళమైన హార్న్ యాంటెన్నాను ఉపయోగిస్తారు. దీనివల్ల వ్యయం మరియు ప్రాసెసింగ్ సంక్లిష్టతను తగ్గించవచ్చు, అలాగే యాంటెన్నా యొక్క రేడియేషన్ పనితీరును కూడా చక్కగా నిర్వహించవచ్చు.
మరొక లోహ యాంటెన్నా ట్రావెలింగ్ వేవ్ పిరమిడ్ యాంటెన్నా. ఇది 1.2 మైక్రాన్ డైఎలెక్ట్రిక్ ఫిల్మ్పై ఇంటిగ్రేట్ చేయబడిన ట్రావెలింగ్ వేవ్ యాంటెన్నాను కలిగి ఉంటుంది మరియు చిత్రం 7లో చూపిన విధంగా సిలికాన్ వేఫర్పై చెక్కబడిన ఒక లాంగిట్యూడినల్ కావిటీలో వేలాడదీయబడి ఉంటుంది. ఈ యాంటెన్నా షాట్కీ డయోడ్లకు అనుకూలమైన ఒక ఓపెన్ స్ట్రక్చర్. దీని సాపేక్షంగా సరళమైన నిర్మాణం మరియు తక్కువ తయారీ అవసరాల కారణంగా, దీనిని సాధారణంగా 0.6 THz కంటే ఎక్కువ ఫ్రీక్వెన్సీ బ్యాండ్లలో ఉపయోగించవచ్చు. అయితే, బహుశా దాని ఓపెన్ స్ట్రక్చర్ కారణంగా, యాంటెన్నా యొక్క సైడ్లోబ్ స్థాయి మరియు క్రాస్-పోలరైజేషన్ స్థాయి ఎక్కువగా ఉంటాయి. అందువల్ల, దీని కప్లింగ్ సామర్థ్యం సాపేక్షంగా తక్కువగా ఉంటుంది (సుమారు 50%).
పటం 7 ప్రయాణ తరంగ పిరమిడల్ యాంటెన్నా
2. డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నా
డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నా అనేది ఒక డైఎలెక్ట్రిక్ సబ్స్ట్రేట్ మరియు ఒక యాంటెన్నా రేడియేటర్ యొక్క కలయిక. సరైన రూపకల్పన ద్వారా, డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నా డిటెక్టర్తో ఇంపీడెన్స్ మ్యాచింగ్ను సాధించగలదు మరియు సరళమైన ప్రక్రియ, సులభమైన అనుసంధానం మరియు తక్కువ ఖర్చు వంటి ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంటుంది. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, పరిశోధకులు టెరాహెర్ట్జ్ డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నాల యొక్క తక్కువ-ఇంపీడెన్స్ డిటెక్టర్లకు సరిపోలగల అనేక నారోబ్యాండ్ మరియు బ్రాడ్బ్యాండ్ సైడ్-ఫైర్ యాంటెన్నాలను రూపొందించారు: అవి బటర్ఫ్లై యాంటెన్నా, డబుల్ U-ఆకారపు యాంటెన్నా, లాగ్-పీరియాడిక్ యాంటెన్నా మరియు లాగ్-పీరియాడిక్ సైనోసాయిడల్ యాంటెన్నా, ఇవి పటం 8లో చూపబడ్డాయి. అదనంగా, జెనెటిక్ అల్గారిథమ్ల ద్వారా మరింత సంక్లిష్టమైన యాంటెన్నా జ్యామితులను రూపొందించవచ్చు.
పటం 8 నాలుగు రకాల సమతల యాంటెనాలు
అయితే, డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నా ఒక డైఎలెక్ట్రిక్ సబ్స్ట్రేట్తో కలపబడి ఉన్నందున, ఫ్రీక్వెన్సీ THz బ్యాండ్ వైపు మొగ్గు చూపినప్పుడు సర్ఫేస్ వేవ్ ఎఫెక్ట్ ఏర్పడుతుంది. ఈ తీవ్రమైన ప్రతికూలత కారణంగా, యాంటెన్నా ఆపరేషన్ సమయంలో చాలా శక్తిని కోల్పోతుంది మరియు యాంటెన్నా రేడియేషన్ సామర్థ్యంలో గణనీయమైన తగ్గుదలకు దారితీస్తుంది. పటం 9లో చూపిన విధంగా, యాంటెన్నా రేడియేషన్ కోణం కటాఫ్ కోణం కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, దాని శక్తి డైఎలెక్ట్రిక్ సబ్స్ట్రేట్లో బంధించబడి, సబ్స్ట్రేట్ మోడ్తో జతచేయబడుతుంది.
పటం 9 యాంటెన్నా ఉపరితల తరంగ ప్రభావం
సబ్స్ట్రేట్ మందం పెరిగేకొద్దీ, అధిక-క్రమ మోడ్ల సంఖ్య పెరుగుతుంది, మరియు యాంటెన్నా మరియు సబ్స్ట్రేట్ మధ్య కప్లింగ్ పెరిగి, శక్తి నష్టానికి దారితీస్తుంది. ఉపరితల తరంగ ప్రభావాన్ని బలహీనపరచడానికి, మూడు ఆప్టిమైజేషన్ పథకాలు ఉన్నాయి:
1) విద్యుదయస్కాంత తరంగాల బీమ్ఫార్మింగ్ లక్షణాలను ఉపయోగించి గెయిన్ను పెంచడానికి యాంటెన్నాపై ఒక లెన్స్ను లోడ్ చేయండి.
2) విద్యుదయస్కాంత తరంగాల ఉన్నత-క్రమ రీతుల ఉత్పత్తిని అణచివేయడానికి సబ్స్ట్రేట్ మందాన్ని తగ్గించండి.
3) సబ్స్ట్రేట్ డైఎలెక్ట్రిక్ పదార్థాన్ని ఎలక్ట్రోమాగ్నెటిక్ బ్యాండ్ గ్యాప్ (EBG)తో భర్తీ చేయండి. EBG యొక్క స్పేషియల్ ఫిల్టరింగ్ లక్షణాలు ఉన్నత-క్రమ మోడ్లను అణచివేయగలవు.
3. కొత్త మెటీరియల్ యాంటెనాలు
పైన పేర్కొన్న రెండు యాంటెనాలతో పాటు, కొత్త పదార్థాలతో తయారు చేయబడిన ఒక టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనా కూడా ఉంది. ఉదాహరణకు, 2006లో, జిన్ హావో మరియు ఇతరులు ఒక కార్బన్ నానోట్యూబ్ డైపోల్ యాంటెనాను ప్రతిపాదించారు. పటం 10 (ఎ)లో చూపినట్లుగా, ఈ డైపోల్ లోహ పదార్థాలకు బదులుగా కార్బన్ నానోట్యూబ్లతో తయారు చేయబడింది. అతను కార్బన్ నానోట్యూబ్ డైపోల్ యాంటెనా యొక్క పరారుణ మరియు కాంతి ధర్మాలను జాగ్రత్తగా అధ్యయనం చేసి, పరిమిత-పొడవు గల కార్బన్ నానోట్యూబ్ డైపోల్ యాంటెనా యొక్క ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్, కరెంట్ పంపిణీ, గెయిన్, సామర్థ్యం మరియు రేడియేషన్ ప్యాటర్న్ వంటి సాధారణ లక్షణాలను చర్చించారు. పటం 10 (బి) కార్బన్ నానోట్యూబ్ డైపోల్ యాంటెనా యొక్క ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్ మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ మధ్య సంబంధాన్ని చూపిస్తుంది. పటం 10(బి)లో చూడగలిగినట్లుగా, అధిక ఫ్రీక్వెన్సీల వద్ద ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్ యొక్క ఇమాజినరీ భాగంలో బహుళ సున్నాలు ఉన్నాయి. ఇది యాంటెనా వివిధ ఫ్రీక్వెన్సీల వద్ద బహుళ రెసొనెన్స్లను సాధించగలదని సూచిస్తుంది. స్పష్టంగా, కార్బన్ నానోట్యూబ్ యాంటెనా ఒక నిర్దిష్ట ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో (తక్కువ THz ఫ్రీక్వెన్సీలు) రెసొనెన్స్ను ప్రదర్శిస్తుంది, కానీ ఈ పరిధి వెలుపల రెసొనెన్స్ చెందడానికి పూర్తిగా అసమర్థంగా ఉంటుంది.
పటం 10 (ఎ) కార్బన్ నానోట్యూబ్ డైపోల్ యాంటెన్నా. (బి) ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్-ఫ్రీక్వెన్సీ వక్రరేఖ
2012లో, సమీర్ ఎఫ్. మహమూద్ మరియు అయెద్ ఆర్. అల్అజ్మీ కార్బన్ నానోట్యూబ్ల ఆధారంగా ఒక కొత్త టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా నిర్మాణాన్ని ప్రతిపాదించారు, ఇది రెండు డైఎలెక్ట్రిక్ పొరలలో చుట్టబడిన కార్బన్ నానోట్యూబ్ల కట్టను కలిగి ఉంటుంది. లోపలి డైఎలెక్ట్రిక్ పొర ఒక డైఎలెక్ట్రిక్ ఫోమ్ పొర, మరియు బయటి డైఎలెక్ట్రిక్ పొర ఒక మెటామెటీరియల్ పొర. ఈ నిర్దిష్ట నిర్మాణం పటం 11లో చూపబడింది. పరీక్షల ద్వారా, సింగిల్-వాల్డ్ కార్బన్ నానోట్యూబ్లతో పోలిస్తే ఈ యాంటెన్నా యొక్క రేడియేషన్ పనితీరు మెరుగుపరచబడింది.
పటం 11 కార్బన్ నానోట్యూబ్ల ఆధారంగా కొత్త టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా
పైన ప్రతిపాదించబడిన కొత్త పదార్థ టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాలు ప్రధానంగా త్రిమితీయమైనవి. యాంటెనా యొక్క బ్యాండ్విడ్త్ను మెరుగుపరచడానికి మరియు అనురూప యాంటెనాలను తయారు చేయడానికి, సమతల గ్రాఫేన్ యాంటెనాలు విస్తృతమైన దృష్టిని ఆకర్షించాయి. గ్రాఫేన్కు అద్భుతమైన డైనమిక్ నిరంతర నియంత్రణ లక్షణాలు ఉన్నాయి మరియు బయాస్ వోల్టేజ్ను సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా ఇది ఉపరితల ప్లాస్మాను ఉత్పత్తి చేయగలదు. ఉపరితల ప్లాస్మా అనేది ధనాత్మక విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం గల సబ్స్ట్రేట్లు (Si, SiO2, మొదలైనవి) మరియు రుణాత్మక విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం గల సబ్స్ట్రేట్లు (విలువైన లోహాలు, గ్రాఫేన్, మొదలైనవి) మధ్య ఉన్న అంతరముఖంపై ఉంటుంది. విలువైన లోహాలు మరియు గ్రాఫేన్ వంటి వాహకాలలో పెద్ద సంఖ్యలో "స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు" ఉంటాయి. ఈ స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లను ప్లాస్మాలు అని కూడా అంటారు. వాహకంలోని సహజమైన పొటెన్షియల్ క్షేత్రం కారణంగా, ఈ ప్లాస్మాలు స్థిరమైన స్థితిలో ఉంటాయి మరియు బాహ్య ప్రపంచం ద్వారా కలత చెందవు. పతనమయ్యే విద్యుదయస్కాంత తరంగ శక్తి ఈ ప్లాస్మాలతో సంయోగం చెందినప్పుడు, ప్లాస్మాలు స్థిర స్థితి నుండి వైదొలగి కంపనం చెందుతాయి. మార్పిడి తరువాత, విద్యుదయస్కాంత మోడ్ అంతరముఖం వద్ద ఒక తిర్యక్ అయస్కాంత తరంగాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. డ్రూడ్ నమూనా ప్రకారం లోహ ఉపరితల ప్లాస్మా యొక్క విక్షేప సంబంధం యొక్క వివరణ ప్రకారం, లోహాలు శూన్యంలో విద్యుదయస్కాంత తరంగాలతో సహజంగా సంయోగం చెంది శక్తిని మార్చలేవు. ఉపరితల ప్లాస్మా తరంగాలను ప్రేరేపించడానికి ఇతర పదార్థాలను ఉపయోగించడం అవసరం. ఉపరితల ప్లాస్మా తరంగాలు లోహ-అధస్తర అంతరముఖానికి సమాంతర దిశలో వేగంగా క్షీణిస్తాయి. లోహ వాహకం ఉపరితలానికి లంబంగా ఉండే దిశలో వాహకత్వం వహించినప్పుడు, ఒక స్కిన్ ఎఫెక్ట్ ఏర్పడుతుంది. స్పష్టంగా, యాంటెన్నా యొక్క చిన్న పరిమాణం కారణంగా, అధిక పౌనఃపున్య బ్యాండ్లో స్కిన్ ఎఫెక్ట్ ఉంటుంది, ఇది యాంటెన్నా పనితీరు తీవ్రంగా పడిపోవడానికి కారణమవుతుంది మరియు టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాల అవసరాలను తీర్చలేదు. గ్రాఫేన్ యొక్క ఉపరితల ప్లాస్మాన్కు అధిక బంధన శక్తి మరియు తక్కువ నష్టం ఉండటమే కాకుండా, ఇది నిరంతర విద్యుత్ ట్యూనింగ్కు కూడా మద్దతు ఇస్తుంది. అదనంగా, గ్రాఫేన్కు టెరాహెర్ట్జ్ బ్యాండ్లో సంక్లిష్ట వాహకత్వం ఉంది. అందువల్ల, నెమ్మది తరంగ ప్రసారం టెరాహెర్ట్జ్ పౌనఃపున్యాల వద్ద ప్లాస్మా మోడ్కు సంబంధించినది. ఈ లక్షణాలు టెరాహెర్ట్జ్ బ్యాండ్లో లోహ పదార్థాల స్థానంలో గ్రాఫేన్ను ఉపయోగించవచ్చనే సాధ్యతను పూర్తిగా ప్రదర్శిస్తాయి.
గ్రాఫేన్ ఉపరితల ప్లాస్మాన్ల ధ్రువణ ప్రవర్తన ఆధారంగా, పటం 12 ఒక కొత్త రకం స్ట్రిప్ యాంటెన్నాను చూపిస్తుంది మరియు గ్రాఫేన్లో ప్లాస్మా తరంగాల ప్రసార లక్షణాల బ్యాండ్ ఆకారాన్ని ప్రతిపాదిస్తుంది. ట్యూనబుల్ యాంటెన్నా బ్యాండ్ రూపకల్పన కొత్త పదార్థ టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాల ప్రసార లక్షణాలను అధ్యయనం చేయడానికి ఒక కొత్త మార్గాన్ని అందిస్తుంది.
చిత్రం 12 కొత్త స్ట్రిప్ యాంటెన్నా
కొత్త పదార్థమైన టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా మూలకాలను అన్వేషించడంతో పాటు, టెరాహెర్ట్జ్ మల్టీ-ఇన్పుట్ మల్టీ-అవుట్పుట్ యాంటెన్నా కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థలను నిర్మించడానికి గ్రాఫేన్ నానోప్యాచ్ టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాలను శ్రేణులుగా కూడా రూపొందించవచ్చు. యాంటెన్నా నిర్మాణం పటం 13లో చూపబడింది. గ్రాఫేన్ నానోప్యాచ్ యాంటెన్నాల ప్రత్యేక లక్షణాల ఆధారంగా, యాంటెన్నా మూలకాలు మైక్రాన్-స్థాయి పరిమాణాలను కలిగి ఉంటాయి. కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ పద్ధతి ద్వారా, పలుచని నికెల్ పొరపై వివిధ గ్రాఫేన్ చిత్రాలను నేరుగా సంశ్లేషణ చేసి, వాటిని ఏదైనా సబ్స్ట్రేట్కు బదిలీ చేస్తారు. తగిన సంఖ్యలో భాగాలను ఎంచుకోవడం మరియు ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ బయాస్ వోల్టేజ్ను మార్చడం ద్వారా, వికిరణ దిశను సమర్థవంతంగా మార్చవచ్చు, తద్వారా ఈ వ్యవస్థను పునఃరూపకల్పన చేయగలిగేలా చేయవచ్చు.
పటం 13 గ్రాఫేన్ నానోప్యాచ్ టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నా శ్రేణి
కొత్త పదార్థాల పరిశోధన అనేది సాపేక్షంగా ఒక కొత్త రంగం. పదార్థాల ఆవిష్కరణ సాంప్రదాయ యాంటెనాల పరిమితులను అధిగమించి, పునఃరూపకల్పన చేయగల మెటామెటీరియల్స్, ద్విమితీయ (2D) పదార్థాలు మొదలైన అనేక రకాల కొత్త యాంటెనాలను అభివృద్ధి చేస్తుందని భావిస్తున్నారు. అయితే, ఈ రకమైన యాంటెనా ప్రధానంగా కొత్త పదార్థాల ఆవిష్కరణ మరియు ప్రక్రియ సాంకేతికత పురోగతిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఏదేమైనా, టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాల అధిక గెయిన్, తక్కువ ఖర్చు మరియు విస్తృత బ్యాండ్విడ్త్ అవసరాలను తీర్చడానికి, వాటి అభివృద్ధికి వినూత్న పదార్థాలు, కచ్చితమైన ప్రాసెసింగ్ సాంకేతికత మరియు నూతన రూపకల్పన నిర్మాణాలు అవసరం.
ఈ క్రిందిది మూడు రకాల టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెనాలైన లోహ యాంటెనాలు, డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెనాలు మరియు నూతన పదార్థ యాంటెనాల ప్రాథమిక సూత్రాలను పరిచయం చేస్తుంది మరియు వాటి మధ్య తేడాలు, ప్రయోజనాలు మరియు అప్రయోజనాలను విశ్లేషిస్తుంది.
1. మెటల్ యాంటెన్నా: దీని జ్యామితి సరళంగా, ప్రాసెస్ చేయడానికి సులభంగా, ఖర్చు సాపేక్షంగా తక్కువగా మరియు సబ్స్ట్రేట్ మెటీరియల్స్కు తక్కువ అవసరాలతో ఉంటుంది. అయితే, మెటల్ యాంటెన్నాలు యాంటెన్నా స్థానాన్ని సర్దుబాటు చేయడానికి యాంత్రిక పద్ధతిని ఉపయోగిస్తాయి, ఇది లోపాలకు గురయ్యే అవకాశం ఉంది. సర్దుబాటు సరిగ్గా లేకపోతే, యాంటెన్నా పనితీరు బాగా తగ్గిపోతుంది. మెటల్ యాంటెన్నా పరిమాణంలో చిన్నది అయినప్పటికీ, దీనిని ప్లానార్ సర్క్యూట్తో అమర్చడం కష్టం.
2. డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నా: డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నా తక్కువ ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్ను కలిగి ఉంటుంది, తక్కువ ఇంపిడెన్స్ డిటెక్టర్తో మ్యాచ్ చేయడం సులభం, మరియు ప్లానార్ సర్క్యూట్తో అనుసంధానించడం కూడా చాలా సరళంగా ఉంటుంది. డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నాల జ్యామితీయ ఆకారాలలో బటర్ఫ్లై ఆకారం, డబుల్ U ఆకారం, సాంప్రదాయ లాగరిథమిక్ ఆకారం మరియు లాగరిథమిక్ పీరియాడిక్ సైన్ ఆకారం ఉంటాయి. అయితే, డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నాలకు ఒక తీవ్రమైన లోపం కూడా ఉంది, అదే మందపాటి సబ్స్ట్రేట్ వల్ల కలిగే సర్ఫేస్ వేవ్ ఎఫెక్ట్. దీనికి పరిష్కారం, ఒక లెన్స్ను లోడ్ చేసి, డైఎలెక్ట్రిక్ సబ్స్ట్రేట్ను EBG నిర్మాణంతో భర్తీ చేయడం. ఈ రెండు పరిష్కారాలకు ప్రాసెస్ టెక్నాలజీ మరియు మెటీరియల్స్లో ఆవిష్కరణ మరియు నిరంతర అభివృద్ధి అవసరం, కానీ వాటి అద్భుతమైన పనితీరు (ఓమ్నిడైరెక్షనాలిటీ మరియు సర్ఫేస్ వేవ్ సప్రెషన్ వంటివి) టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాల పరిశోధనకు కొత్త ఆలోచనలను అందించగలవు.
3. కొత్త పదార్థ యాంటెనాలు: ప్రస్తుతం, కార్బన్ నానోట్యూబ్లతో తయారు చేసిన కొత్త డైపోల్ యాంటెనాలు మరియు మెటామెటీరియల్స్తో తయారు చేసిన కొత్త యాంటెనా నిర్మాణాలు అందుబాటులోకి వచ్చాయి. కొత్త పదార్థాలు పనితీరులో కొత్త పురోగతులను తీసుకురాగలవు, కానీ దీనికి పదార్థ విజ్ఞాన శాస్త్రంలో ఆవిష్కరణ అనేది ప్రాథమిక అవసరం. ప్రస్తుతం, కొత్త పదార్థ యాంటెనాలపై పరిశోధన ఇంకా అన్వేషణా దశలోనే ఉంది, మరియు అనేక కీలక సాంకేతికతలు ఇంకా తగినంత పరిపక్వత చెందలేదు.
సంక్షిప్తంగా, డిజైన్ అవసరాలకు అనుగుణంగా వివిధ రకాల టెరాహెర్ట్జ్ యాంటెన్నాలను ఎంచుకోవచ్చు:
1) సరళమైన డిజైన్ మరియు తక్కువ ఉత్పత్తి వ్యయం అవసరమైతే, లోహ యాంటెన్నాలను ఎంచుకోవచ్చు.
2) అధిక ఇంటిగ్రేషన్ మరియు తక్కువ ఇన్పుట్ ఇంపిడెన్స్ అవసరమైతే, డైఎలెక్ట్రిక్ యాంటెన్నాలను ఎంచుకోవచ్చు.
3) పనితీరులో పురోగతి అవసరమైతే, కొత్త పదార్థ యాంటెనాలను ఎంచుకోవచ్చు.
పై డిజైన్లను నిర్దిష్ట అవసరాలకు అనుగుణంగా కూడా సర్దుబాటు చేయవచ్చు. ఉదాహరణకు, మరిన్ని ప్రయోజనాలను పొందడానికి రెండు రకాల యాంటెన్నాలను కలపవచ్చు, కానీ అసెంబ్లీ పద్ధతి మరియు డిజైన్ టెక్నాలజీ మరింత కఠినమైన అవసరాలను తీర్చాలి.
యాంటెన్నాల గురించి మరింత తెలుసుకోవడానికి, దయచేసి సందర్శించండి:
పోస్ట్ సమయం: ఆగస్టు-02-2024
