무선 장치의 인기가 높아짐에 따라 데이터 서비스는 데이터 서비스의 폭발적인 성장이라고도 알려진 급속한 발전의 새로운 시대에 접어들었습니다. 현재 많은 수의 애플리케이션이 점차 컴퓨터에서 휴대가 간편하고 실시간으로 조작할 수 있는 휴대폰과 같은 무선 장치로 이동하고 있지만, 이러한 상황은 데이터 트래픽의 급격한 증가와 대역폭 자원의 부족을 초래하기도 합니다. . 통계에 따르면, 시장의 데이터 속도는 향후 10~15년 내에 Gbps 또는 심지어 Tbps에 도달할 수 있습니다. 현재 THz 통신은 Gbps 데이터 속도에 도달했지만 Tbps 데이터 속도는 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 관련 논문에서는 THz 대역을 기준으로 Gbps 데이터 속도의 최신 진행 상황을 나열하고 편파 다중화를 통해 Tbps를 얻을 수 있다고 예측합니다. 따라서 데이터 전송 속도를 높이기 위한 가능한 해결책은 새로운 주파수 대역, 즉 마이크로파와 적외선 사이의 "빈 영역"에 있는 테라헤르츠 대역을 개발하는 것입니다. 2019년 ITU 세계전파통신회의(WRC-19)에서는 275~450GHz의 주파수 대역이 고정 및 육상 이동 서비스에 사용됐다. 테라헤르츠 무선통신 시스템이 많은 연구자들의 주목을 받고 있음을 알 수 있다.
테라헤르츠 전자파는 일반적으로 0.03~3mm의 파장을 갖는 0.1~10THz(1THz=1012Hz)의 주파수 대역으로 정의됩니다. IEEE 표준에 따르면 테라헤르츠파는 0.3~10THz로 정의됩니다. 그림 1은 테라헤르츠 주파수 대역이 마이크로파와 적외선 사이에 있음을 보여줍니다.
그림 1 THz 주파수 대역의 개략도.
테라헤르츠 안테나 개발
테라헤르츠 연구는 19세기에 시작됐지만 당시에는 독립적인 분야로 연구가 이뤄지지 않았다. 테라헤르츠 방사선에 대한 연구는 주로 원적외선 대역에 집중되어 있었습니다. 20세기 중후반이 되어서야 연구자들은 밀리미터파 연구를 테라헤르츠 대역으로 발전시키고 전문적인 테라헤르츠 기술 연구를 수행하기 시작했습니다.
1980년대에는 테라헤르츠 방사선원의 출현으로 실제 시스템에 테라헤르츠파를 적용하는 것이 가능해졌습니다. 21세기 이후 무선통신 기술은 급속히 발전했고, 정보에 대한 사람들의 요구와 통신 장비의 증가로 인해 통신 데이터의 전송 속도에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해졌습니다. 따라서 미래 통신 기술의 과제 중 하나는 한 위치에서 초당 기가비트의 높은 데이터 속도로 작동하는 것입니다. 현재의 경제 발전으로 인해 스펙트럼 자원은 점점 부족해지고 있습니다. 그러나 통신 용량과 속도에 대한 인간의 요구 사항은 끝이 없습니다. 스펙트럼 혼잡 문제를 해결하기 위해 많은 기업에서는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기술을 사용하여 공간 다중화를 통해 스펙트럼 효율성과 시스템 용량을 향상시킵니다. 5G 네트워크가 발전하면 사용자 1인당 데이터 연결 속도가 Gbps를 넘어설 것이며, 기지국의 데이터 트래픽도 크게 늘어날 전망이다. 기존 밀리미터파 통신 시스템의 경우 마이크로파 링크는 이러한 대규모 데이터 스트림을 처리할 수 없습니다. 또한, 적외선 통신은 시선의 영향으로 전송거리가 짧고, 통신장비의 위치가 고정되어 있다. 따라서 마이크로파와 적외선 사이에 있는 THz파를 이용하면 고속 통신 시스템을 구축하고 THz 링크를 활용해 데이터 전송 속도를 높일 수 있다.
테라헤르츠파는 더 넓은 통신 대역폭을 제공할 수 있으며, 주파수 범위는 이동통신의 약 1000배에 이릅니다. 따라서 THz를 사용하여 초고속 무선 통신 시스템을 구축하는 것은 많은 연구팀과 업계의 관심을 끌고 있는 높은 데이터 속도 문제에 대한 유망한 솔루션입니다. 2017년 9월, 252~325GHz의 낮은 THz 주파수 범위에서 지점 간 데이터 교환을 정의하는 최초의 THz 무선 통신 표준인 IEEE 802.15.3d-2017이 출시되었습니다. 링크의 대체 물리 계층(PHY)은 다양한 대역폭에서 최대 100Gbps의 데이터 속도를 달성할 수 있습니다.
0.12THz의 최초의 성공적인 THz 통신 시스템은 2004년에 구축되었으며, 0.3THz의 THz 통신 시스템은 2013년에 실현되었습니다. 표 1은 2004년부터 2013년까지 일본의 테라헤르츠 통신 시스템의 연구 진행 상황을 나열합니다.
표 1 2004년부터 2013년까지 일본의 테라헤르츠 통신 시스템 연구 진행 상황
2004년에 개발된 통신 시스템의 안테나 구조는 2005년 NTT(Nippon Telegraph and Telephone Corporation)에 의해 자세히 기술되었다. 안테나 구성은 그림 2와 같이 두 가지 경우에 도입되었다.
그림 2 일본 NTT 120GHz 무선 통신 시스템의 개략도
이 시스템은 광전 변환과 안테나를 통합하고 두 가지 작동 모드를 채택합니다.
1. 근거리 실내 환경에서 실내에서 사용되는 평면 안테나 송신기는 그림 2(a)와 같이 UTC-PD(Single-Line Carrier Photodiode) 칩, 평면 슬롯 안테나 및 실리콘 렌즈로 구성됩니다.
2. 장거리 실외 환경에서 검출기의 큰 전송 손실과 낮은 감도의 영향을 개선하려면 송신기 안테나의 이득이 높아야 합니다. 기존 테라헤르츠 안테나는 이득이 50dBi 이상인 가우스 광학렌즈를 사용한다. 피드 혼과 유전체 렌즈 조합은 그림 2(b)에 나와 있습니다.
NTT는 0.12THz 통신 시스템 개발 외에도 2012년에 0.3THz 통신 시스템도 개발했습니다. 지속적인 최적화를 통해 전송 속도는 100Gbps까지 높아질 수 있습니다. 표 1에서 알 수 있듯이 테라헤르츠 통신 발전에 큰 기여를 했다. 그러나 현재 연구 작업에는 낮은 작동 주파수, 큰 크기 및 높은 비용이라는 단점이 있습니다.
현재 사용되는 테라헤르츠 안테나는 대부분 밀리미터파 안테나를 개조한 것으로 테라헤르츠 안테나의 혁신은 거의 없다. 따라서 테라헤르츠 통신 시스템의 성능 향상을 위해서는 테라헤르츠 안테나를 최적화하는 것이 중요한 과제이다. 표 2는 독일 THz 통신의 연구 진행 상황을 나열합니다. 그림 3(a)는 포토닉스와 전자 장치를 결합한 대표적인 THz 무선 통신 시스템을 보여줍니다. 그림 3 (b)는 풍동 테스트 장면을 보여줍니다. 독일의 현재 연구 상황으로 볼 때 연구 개발에는 낮은 작동 빈도, 높은 비용 및 낮은 효율성과 같은 단점도 있습니다.
표 2 독일의 THz 통신 연구 진행 상황
그림 3 풍동 테스트 장면
CSIRO ICT 센터에서는 THz 실내 무선 통신 시스템에 대한 연구도 시작했습니다. 센터에서는 그림 4와 같이 연도와 통신주파수와의 관계를 연구하였다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 2020년까지 무선통신에 대한 연구는 THz 대역을 중심으로 하는 경향이 있다. 무선 스펙트럼을 이용한 최대 통신 주파수는 20년마다 약 10배 증가한다. 센터에서는 THz 안테나 요구 사항에 대한 권장 사항을 제시하고 THz 통신 시스템용 혼 및 렌즈와 같은 기존 안테나를 제안했습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 두 개의 혼 안테나는 각각 0.84THz와 1.7THz에서 작동하며 구조가 간단하고 가우스 빔 성능이 우수합니다.
그림 4 연도와 빈도의 관계
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
그림 5 두 가지 유형의 혼 안테나
미국은 테라헤르츠파의 방출과 탐지에 관해 광범위한 연구를 수행해 왔습니다. 유명한 테라헤르츠 연구실로는 제트추진연구소(JPL), 스탠포드 선형가속기센터(SLAC), 미국국립연구소(LLNL), 미국항공우주국(NASA), 국립과학재단(NSF) 등이 있다. 나비타이 안테나, 주파수 빔 조종 안테나 등 테라헤르츠 애플리케이션을 위한 새로운 테라헤르츠 안테나가 설계되었습니다. 테라헤르츠 안테나의 개발에 따라 그림 6과 같이 현재 테라헤르츠 안테나에 대한 세 가지 기본 설계 아이디어를 얻을 수 있습니다.
그림 6 테라헤르츠 안테나에 대한 세 가지 기본 설계 아이디어
위의 분석을 보면 많은 국가에서 테라헤르츠 안테나에 큰 관심을 기울이고 있지만 아직 초기 탐색 및 개발 단계에 있음을 알 수 있습니다. 높은 전파 손실과 분자 흡수로 인해 THz 안테나는 일반적으로 전송 거리와 적용 범위에 따라 제한됩니다. 일부 연구에서는 THz 대역의 낮은 작동 주파수에 중점을 둡니다. 기존 테라헤르츠 안테나 연구는 주로 유전체 렌즈 안테나 등을 활용해 이득을 향상시키고, 적절한 알고리즘을 활용해 통신 효율을 높이는 데 중점을 두고 있다. 또한, 테라헤르츠 안테나 패키징의 효율성을 어떻게 향상시킬 것인가도 매우 시급한 문제이다.
일반 THz 안테나
사용 가능한 THz 안테나에는 원뿔형 공동이 있는 다이폴 안테나, 코너 반사기 어레이, 나비타이 다이폴, 유전체 렌즈 평면 안테나, THz 소스 방사원을 생성하는 광전도 안테나, 혼 안테나, 그래핀 재료를 기반으로 하는 THz 안테나 등 다양한 유형이 있습니다. THz 안테나를 만드는 데 사용되는 재료는 크게 금속 안테나(주로 혼 안테나), 유전체 안테나(렌즈 안테나), 신소재 안테나로 나눌 수 있습니다. 이 섹션에서는 먼저 이러한 안테나에 대한 예비 분석을 제공하고 다음 섹션에서는 5가지 일반적인 THz 안테나를 자세히 소개하고 심층적으로 분석합니다.
1. 금속 안테나
혼 안테나는 THz 대역에서 작동하도록 설계된 일반적인 금속 안테나입니다. 고전적인 밀리미터파 수신기의 안테나는 원뿔형 혼입니다. 주름형 및 이중 모드 안테나는 회전 대칭 방사 패턴, 20~30dBi의 높은 이득, -30dB의 낮은 교차 편파 수준, 97%~98%의 결합 효율 등 많은 장점을 가지고 있습니다. 두 개의 혼 안테나의 사용 가능한 대역폭은 각각 30%-40% 및 6%-8%입니다.
테라헤르츠파의 주파수는 매우 높기 때문에 혼 안테나의 크기가 매우 작기 때문에 혼의 가공이 매우 어렵고, 특히 안테나 배열의 설계에 있어서 가공 기술의 복잡성으로 인해 과도한 비용과 비용이 발생하게 됩니다. 제한된 생산. 복잡한 혼 디자인의 바닥면 제작이 어렵기 때문에 일반적으로 원추형 또는 원뿔형 혼 형태의 단순한 혼 안테나를 사용하는데, 이는 비용 및 공정 복잡도를 줄일 수 있고 안테나의 방사 성능을 유지할 수 있다. 잘.
또 다른 금속 안테나는 진행파 피라미드 안테나로, 그림 7과 같이 1.2 미크론 유전체 필름에 통합되고 실리콘 웨이퍼에 에칭된 세로 공동에 매달린 진행파 안테나로 구성됩니다. 이 안테나는 개방형 구조입니다. 쇼트키 다이오드와 호환됩니다. 상대적으로 간단한 구조와 낮은 제조 요구 사항으로 인해 일반적으로 0.6THz 이상의 주파수 대역에서 사용할 수 있습니다. 그러나 개방형 구조로 인해 안테나의 사이드로브 레벨과 교차 편파 레벨이 높습니다. 따라서 결합 효율이 상대적으로 낮습니다(약 50%).
그림 7 진행파 피라미드 안테나
2. 유전체 안테나
유전체 안테나는 유전체 기판과 안테나 방사체의 조합입니다. 적절한 설계를 통해 유전체 안테나는 검출기와 임피던스 정합을 달성할 수 있으며 공정이 간단하고 통합이 용이하며 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 최근 몇 년 동안 연구원들은 테라헤르츠 유전체 안테나의 저임피던스 검출기와 일치할 수 있는 여러 개의 협대역 및 광대역 측면 방사형 안테나(나비 안테나, 이중 U자형 안테나, 로그 주기 안테나 및 로그 주기 정현파 안테나)를 설계했습니다. 또한 유전자 알고리즘을 통해 더욱 복잡한 안테나 형상을 설계할 수 있습니다.
그림 8 네 가지 유형의 평면 안테나
그러나 유전체 안테나는 유전체 기판과 결합되어 있기 때문에 주파수가 THz 대역에 가까워질 때 표면파 효과가 발생합니다. 이러한 치명적인 단점으로 인해 안테나는 작동 중에 많은 에너지를 손실하게 되고 안테나 방사 효율이 크게 감소하게 됩니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이 안테나 방사 각도가 차단 각도보다 클 때 그 에너지는 유전체 기판에 가두어 기판 모드와 결합됩니다.
그림 9 안테나 표면파 효과
기판의 두께가 증가할수록 고차 모드의 수가 증가하고, 안테나와 기판 사이의 결합도가 증가하여 에너지 손실이 발생하게 된다. 표면파 효과를 약화시키기 위해 세 가지 최적화 방식이 있습니다.
1) 전자파의 빔포밍 특성을 이용하여 이득을 높이기 위해 안테나에 렌즈를 장착합니다.
2) 고차 모드 전자파 발생을 억제하기 위해 기판의 두께를 줄입니다.
3) 기판 유전체 재료를 전자기 밴드 갭(EBG)으로 교체합니다. EBG의 공간 필터링 특성은 고차 모드를 억제할 수 있습니다.
3. 신소재 안테나
위의 2개 안테나 외에 신소재로 만든 테라헤르츠 안테나도 있다. 예를 들어, 2006년 Jin Hao et al. 탄소나노튜브 쌍극자 안테나를 제안했다. 그림 10(a)에서 볼 수 있듯이 쌍극자는 금속재료 대신 탄소나노튜브로 만들어진다. 그는 탄소나노튜브 쌍극자 안테나의 적외선 및 광학적 특성을 주의 깊게 연구하고 입력 임피던스, 전류 분포, 이득, 효율 및 방사 패턴과 같은 유한 길이 탄소나노튜브 쌍극자 안테나의 일반적인 특성에 대해 논의했습니다. 그림 10(b)는 탄소나노튜브 쌍극자 안테나의 입력 임피던스와 주파수 사이의 관계를 보여준다. 그림 10(b)에서 볼 수 있듯이 입력 임피던스의 허수 부분은 더 높은 주파수에서 여러 개의 0을 갖습니다. 이는 안테나가 서로 다른 주파수에서 다중 공진을 달성할 수 있음을 나타냅니다. 분명히, 탄소 나노튜브 안테나는 특정 주파수 범위(더 낮은 THz 주파수) 내에서 공진을 나타내지만 이 범위 밖에서는 완전히 공진할 수 없습니다.
그림 10 (a) 탄소나노튜브 쌍극자 안테나. (b) 입력 임피던스-주파수 곡선
2012년에 Samir F. Mahmoud와 Ayed R. AlAjmi는 두 개의 유전층으로 감싼 탄소 나노튜브 묶음으로 구성된 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 새로운 테라헤르츠 안테나 구조를 제안했습니다. 내부 유전체층은 유전체 폼층이고, 외부 유전체층은 메타물질층이다. 구체적인 구조는 그림 11에 나와 있습니다. 테스트를 통해 단일벽 탄소 나노튜브에 비해 안테나의 방사 성능이 향상되었습니다.
그림 11 탄소나노튜브를 기반으로 한 새로운 테라헤르츠 안테나
위에서 제안한 신소재 테라헤르츠 안테나는 주로 3차원 안테나이다. 안테나의 대역폭을 향상시키고 컨포멀 안테나를 만들기 위해 평면 그래핀 안테나가 폭넓은 주목을 받아왔다. 그래핀은 동적 연속 제어 특성이 뛰어나며 바이어스 전압을 조절해 표면 플라즈마를 생성할 수 있다. 표면 플라즈마는 양의 유전 상수 기판(예: Si, SiO2 등)과 음의 유전 상수 기판(예: 귀금속, 그래핀 등) 사이의 경계면에 존재합니다. 귀금속이나 그래핀과 같은 전도체에는 수많은 "자유 전자"가 있습니다. 이러한 자유 전자를 플라즈마라고도 합니다. 도체의 고유한 전위장으로 인해 이러한 플라즈마는 안정적인 상태에 있으며 외부 세계의 방해를 받지 않습니다. 입사 전자기파 에너지가 이러한 플라즈마에 결합되면 플라즈마는 정상 상태에서 벗어나 진동하게 됩니다. 변환 후 전자기 모드는 인터페이스에서 횡자기파를 형성합니다. Drude 모델을 통해 금속 표면 플라즈마의 분산 관계를 설명하면 금속은 자연적으로 자유 공간의 전자파와 결합하여 에너지를 변환할 수 없습니다. 표면 플라즈마파를 여기시키기 위해서는 다른 물질을 사용할 필요가 있습니다. 표면 플라즈마 파동은 금속-기판 경계면의 평행 방향으로 빠르게 붕괴됩니다. 금속 도체가 표면에 수직인 방향으로 전도되면 표피 효과가 발생합니다. 분명히 안테나의 크기가 작기 때문에 고주파 대역에 표피 효과가 있어 안테나 성능이 급격히 떨어지고 테라헤르츠 안테나의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 그래핀의 표면 플라즈몬은 결합력이 높고 손실이 낮을 뿐만 아니라 지속적인 전기 튜닝을 지원합니다. 또한, 그래핀은 테라헤르츠 대역의 복소 전도성을 가지고 있습니다. 따라서 느린 파동 전파는 테라헤르츠 주파수의 플라즈마 모드와 관련이 있습니다. 이러한 특성은 테라헤르츠 대역의 금속 재료를 대체할 수 있는 그래핀의 가능성을 충분히 보여줍니다.
그래핀 표면 플라즈몬의 편파 거동을 기반으로 그림 12는 새로운 유형의 스트립 안테나를 보여주고 그래핀 내 플라즈마파 전파 특성의 밴드 모양을 제안합니다. 조정 가능한 안테나 대역의 설계는 신소재 테라헤르츠 안테나의 전파 특성을 연구하는 새로운 방법을 제공합니다.
그림 12 새로운 스트립 안테나
신소재 테라헤르츠 안테나 요소를 탐색하는 것 외에도 그래핀 나노패치 테라헤르츠 안테나는 테라헤르츠 다중 입력 다중 출력 안테나 통신 시스템을 구축하기 위한 어레이로 설계될 수도 있습니다. 안테나 구조는 그림 13에 나와 있습니다. 그래핀 나노패치 안테나의 고유한 특성을 기반으로 안테나 요소는 마이크론 규모의 크기를 갖습니다. 화학 기상 증착은 얇은 니켈 층에 다양한 그래핀 이미지를 직접 합성하여 모든 기판에 전사합니다. 적절한 수의 부품을 선택하고 정전기 바이어스 전압을 변경하면 방사 방향이 효과적으로 변경되어 시스템을 재구성할 수 있습니다.
그림 13 그래핀 나노패치 테라헤르츠 안테나 어레이
신소재 연구는 비교적 새로운 방향이다. 소재의 혁신은 기존 안테나의 한계를 뛰어넘어 재구성 가능한 메타물질, 2차원(2D) 소재 등 다양한 새로운 안테나 개발이 기대된다. 그러나 이러한 유형의 안테나는 주로 새로운 안테나의 혁신에 달려 있다. 소재와 공정기술의 발전. 어쨌든 테라헤르츠 안테나의 개발에는 테라헤르츠 안테나의 높은 이득, 저렴한 비용 및 넓은 대역폭 요구 사항을 충족하기 위한 혁신적인 재료, 정밀 처리 기술 및 새로운 설계 구조가 필요합니다.
다음은 금속 안테나, 유전체 안테나, 신소재 안테나 등 3가지 유형의 테라헤르츠 안테나의 기본 원리를 소개하고, 이들의 차이점과 장단점을 분석한다.
1. 금속 안테나: 형상이 간단하고 가공이 쉽고 상대적으로 비용이 저렴하며 기판 재료에 대한 요구 사항이 낮습니다. 그러나 금속 안테나는 안테나의 위치를 조정하기 위해 기계적 방법을 사용하므로 오류가 발생하기 쉽습니다. 조정이 올바르지 않으면 안테나 성능이 크게 저하됩니다. 금속 안테나는 크기가 작지만 평면 회로로 조립하기가 어렵습니다.
2. 유전체 안테나: 유전체 안테나는 입력 임피던스가 낮고 저임피던스 검출기와 매칭이 용이하며 평면 회로와 연결이 비교적 간단합니다. 유전체 안테나의 기하학적 모양에는 나비 모양, 이중 U 모양, 기존 로그 모양 및 로그 주기 사인 모양이 포함됩니다. 그러나 유전체 안테나에도 치명적인 단점이 있는데, 바로 두꺼운 기판으로 인해 표면파 효과가 발생한다는 것이다. 해결책은 렌즈를 장착하고 유전체 기판을 EBG 구조로 교체하는 것입니다. 두 솔루션 모두 공정 기술과 재료의 혁신과 지속적인 개선이 필요하지만 뛰어난 성능(예: 전방향성 및 표면파 억제)은 테라헤르츠 안테나 연구에 새로운 아이디어를 제공할 수 있습니다.
3. 신소재 안테나: 현재 탄소나노튜브로 만든 새로운 다이폴 안테나와 메타물질로 만든 새로운 안테나 구조가 등장했다. 새로운 재료는 새로운 성능 혁신을 가져올 수 있지만 전제는 재료 과학의 혁신입니다. 현재 신소재 안테나에 대한 연구는 아직 탐색 단계에 있으며 많은 핵심 기술이 충분히 성숙되지 않았습니다.
요약하면, 설계 요구 사항에 따라 다양한 유형의 테라헤르츠 안테나를 선택할 수 있습니다.
1) 단순한 디자인과 낮은 생산 비용이 필요한 경우 금속 안테나를 선택할 수 있습니다.
2) 높은 집적도와 낮은 입력 임피던스가 필요한 경우 유전체 안테나를 선택할 수 있습니다.
3) 획기적인 성능이 필요한 경우 신소재 안테나를 선택할 수 있습니다.
위의 디자인은 특정 요구 사항에 따라 조정될 수도 있습니다. 예를 들어 두 가지 유형의 안테나를 결합하면 더 많은 이점을 얻을 수 있지만 조립 방법과 설계 기술은 더 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다.
안테나에 대해 자세히 알아보려면 다음을 방문하세요.
게시 시간: 2024년 8월 2일
