वायरलेस उपकरणों की बढ़ती लोकप्रियता के साथ, डेटा सेवाओं ने तेजी से विकास के एक नए दौर में प्रवेश किया है, जिसे डेटा सेवाओं की विस्फोटक वृद्धि के रूप में भी जाना जाता है। वर्तमान में, बड़ी संख्या में एप्लिकेशन धीरे-धीरे कंप्यूटर से मोबाइल फोन जैसे वायरलेस उपकरणों की ओर स्थानांतरित हो रहे हैं, जिन्हें वास्तविक समय में ले जाना और संचालित करना आसान है, लेकिन इस स्थिति के कारण डेटा ट्रैफ़िक में तेजी से वृद्धि हुई है और बैंडविड्थ संसाधनों की कमी हो गई है। . आंकड़ों के मुताबिक, अगले 10 से 15 साल में बाजार में डेटा रेट Gbps या Tbps तक पहुंच सकता है। वर्तमान में, THz संचार Gbps डेटा दर तक पहुंच गया है, जबकि Tbps डेटा दर अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। एक संबंधित पेपर THz बैंड के आधार पर Gbps डेटा दरों में नवीनतम प्रगति को सूचीबद्ध करता है और भविष्यवाणी करता है कि Tbps को ध्रुवीकरण मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। इसलिए, डेटा ट्रांसमिशन दर को बढ़ाने के लिए, एक व्यवहार्य समाधान एक नया आवृत्ति बैंड विकसित करना है, जो टेराहर्ट्ज़ बैंड है, जो माइक्रोवेव और अवरक्त प्रकाश के बीच "रिक्त क्षेत्र" में है। 2019 में ITU वर्ल्ड रेडियोकम्युनिकेशन कॉन्फ्रेंस (WRC-19) में, फिक्स्ड और लैंड मोबाइल सेवाओं के लिए 275-450GHz की फ़्रीक्वेंसी रेंज का उपयोग किया गया है। यह देखा जा सकता है कि टेराहर्ट्ज़ वायरलेस संचार प्रणालियों ने कई शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया है।
टेराहर्ट्ज़ विद्युत चुम्बकीय तरंगों को आम तौर पर 0.03-3 मिमी की तरंग दैर्ध्य के साथ 0.1-10THz (1THz=1012Hz) के आवृत्ति बैंड के रूप में परिभाषित किया जाता है। IEEE मानक के अनुसार, टेराहर्ट्ज़ तरंगों को 0.3-10THz के रूप में परिभाषित किया गया है। चित्र 1 से पता चलता है कि टेराहर्ट्ज़ आवृत्ति बैंड माइक्रोवेव और अवरक्त प्रकाश के बीच है।
चित्र 1 THz आवृत्ति बैंड का योजनाबद्ध आरेख।
टेराहर्ट्ज़ एंटेना का विकास
हालाँकि टेराहर्ट्ज़ अनुसंधान 19वीं शताब्दी में शुरू हुआ, लेकिन उस समय इसका एक स्वतंत्र क्षेत्र के रूप में अध्ययन नहीं किया गया था। टेराहर्ट्ज़ विकिरण पर अनुसंधान मुख्य रूप से दूर-अवरक्त बैंड पर केंद्रित था। 20वीं सदी के मध्य से अंत तक शोधकर्ताओं ने टेराहर्ट्ज़ बैंड में मिलीमीटर तरंग अनुसंधान को आगे बढ़ाना और विशेष टेराहर्ट्ज़ प्रौद्योगिकी अनुसंधान करना शुरू नहीं किया था।
1980 के दशक में, टेराहर्ट्ज़ विकिरण स्रोतों के उद्भव ने व्यावहारिक प्रणालियों में टेराहर्ट्ज़ तरंगों के अनुप्रयोग को संभव बना दिया। 21वीं सदी के बाद से, वायरलेस संचार तकनीक तेजी से विकसित हुई है, और लोगों की सूचना की मांग और संचार उपकरणों में वृद्धि ने संचार डेटा की संचरण दर पर और अधिक कठोर आवश्यकताओं को सामने रखा है। इसलिए, भविष्य की संचार प्रौद्योगिकी की चुनौतियों में से एक एक स्थान पर गीगाबिट प्रति सेकंड की उच्च डेटा दर पर काम करना है। वर्तमान आर्थिक विकास के तहत, स्पेक्ट्रम संसाधन तेजी से दुर्लभ हो गए हैं। हालाँकि, संचार क्षमता और गति के लिए मानवीय आवश्यकताएँ अनंत हैं। स्पेक्ट्रम भीड़ की समस्या के लिए, कई कंपनियां स्थानिक मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से स्पेक्ट्रम दक्षता और सिस्टम क्षमता में सुधार के लिए मल्टीपल-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट (एमआईएमओ) तकनीक का उपयोग करती हैं। 5G नेटवर्क की प्रगति के साथ, प्रत्येक उपयोगकर्ता की डेटा कनेक्शन गति Gbps से अधिक हो जाएगी, और बेस स्टेशनों का डेटा ट्रैफ़िक भी काफी बढ़ जाएगा। पारंपरिक मिलीमीटर तरंग संचार प्रणालियों के लिए, माइक्रोवेव लिंक इन विशाल डेटा धाराओं को संभालने में सक्षम नहीं होंगे। इसके अलावा, दृष्टि रेखा के प्रभाव के कारण, अवरक्त संचार की संचरण दूरी कम होती है और इसके संचार उपकरण का स्थान निश्चित होता है। इसलिए, THz तरंगें, जो माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड के बीच होती हैं, का उपयोग उच्च गति संचार प्रणालियों के निर्माण और THz लिंक का उपयोग करके डेटा ट्रांसमिशन दरों को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है।
टेराहर्ट्ज़ तरंगें व्यापक संचार बैंडविड्थ प्रदान कर सकती हैं, और इसकी आवृत्ति रेंज मोबाइल संचार की तुलना में लगभग 1000 गुना है। इसलिए, अल्ट्रा-हाई-स्पीड वायरलेस संचार प्रणालियों के निर्माण के लिए THz का उपयोग उच्च डेटा दरों की चुनौती का एक आशाजनक समाधान है, जिसने कई शोध टीमों और उद्योगों की रुचि को आकर्षित किया है। सितंबर 2017 में, पहला THz वायरलेस संचार मानक IEEE 802.15.3d-2017 जारी किया गया था, जो 252-325 GHz की निचली THz आवृत्ति रेंज में पॉइंट-टू-पॉइंट डेटा एक्सचेंज को परिभाषित करता है। लिंक की वैकल्पिक भौतिक परत (PHY) विभिन्न बैंडविड्थ पर 100 Gbps तक की डेटा दर प्राप्त कर सकती है।
0.12 THz की पहली सफल THz संचार प्रणाली 2004 में स्थापित की गई थी, और 0.3 THz की THz संचार प्रणाली 2013 में साकार हुई थी। तालिका 1 में 2004 से 2013 तक जापान में टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों की अनुसंधान प्रगति को सूचीबद्ध किया गया है।
तालिका 1 2004 से 2013 तक जापान में टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों की अनुसंधान प्रगति
2004 में विकसित संचार प्रणाली की एंटीना संरचना का 2005 में निप्पॉन टेलीग्राफ और टेलीफोन कॉर्पोरेशन (एनटीटी) द्वारा विस्तार से वर्णन किया गया था। एंटीना कॉन्फ़िगरेशन दो मामलों में पेश किया गया था, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।
चित्र 2 जापान की एनटीटी 120 गीगाहर्ट्ज़ वायरलेस संचार प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख
सिस्टम फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण और एंटीना को एकीकृत करता है और दो कार्य मोड अपनाता है:
1. क्लोज-रेंज इनडोर वातावरण में, घर के अंदर उपयोग किए जाने वाले प्लेनर एंटीना ट्रांसमीटर में एक सिंगल-लाइन कैरियर फोटोडायोड (UTC-PD) चिप, एक प्लेनर स्लॉट एंटीना और एक सिलिकॉन लेंस होता है, जैसा कि चित्र 2 (ए) में दिखाया गया है।
2. लंबी दूरी के बाहरी वातावरण में, बड़े ट्रांसमिशन नुकसान और डिटेक्टर की कम संवेदनशीलता के प्रभाव को बेहतर बनाने के लिए, ट्रांसमीटर एंटीना में उच्च लाभ होना चाहिए। मौजूदा टेराहर्ट्ज़ एंटीना 50 डीबीआई से अधिक के लाभ के साथ गॉसियन ऑप्टिकल लेंस का उपयोग करता है। फ़ीड हॉर्न और ढांकता हुआ लेंस संयोजन चित्र 2(बी) में दिखाया गया है।
0.12THz संचार प्रणाली विकसित करने के अलावा, NTT ने 2012 में 0.3THz संचार प्रणाली भी विकसित की। निरंतर अनुकूलन के माध्यम से, ट्रांसमिशन दर 100Gbps तक हो सकती है। जैसा कि तालिका 1 से देखा जा सकता है, इसने टेराहर्ट्ज़ संचार के विकास में एक महान योगदान दिया है। हालाँकि, वर्तमान शोध कार्य में कम परिचालन आवृत्ति, बड़े आकार और उच्च लागत के नुकसान हैं।
वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश टेराहर्ट्ज़ एंटेना मिलीमीटर वेव एंटेना से संशोधित हैं, और टेराहर्ट्ज़ एंटेना में बहुत कम नवीनता है। इसलिए, टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, टेराहर्ट्ज़ एंटेना को अनुकूलित करना एक महत्वपूर्ण कार्य है। तालिका 2 जर्मन THz संचार की अनुसंधान प्रगति को सूचीबद्ध करती है। चित्र 3 (ए) फोटोनिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स को मिलाकर एक प्रतिनिधि THz वायरलेस संचार प्रणाली दिखाता है। चित्र 3 (बी) पवन सुरंग परीक्षण दृश्य दिखाता है। जर्मनी में वर्तमान अनुसंधान स्थिति को देखते हुए, इसके अनुसंधान और विकास में कम परिचालन आवृत्ति, उच्च लागत और कम दक्षता जैसे नुकसान भी हैं।
तालिका 2 जर्मनी में THz संचार की अनुसंधान प्रगति
चित्र 3 पवन सुरंग परीक्षण दृश्य
सीएसआईआरओ आईसीटी केंद्र ने टीएचजेड इनडोर वायरलेस संचार प्रणालियों पर भी शोध शुरू किया है। केंद्र ने वर्ष और संचार आवृत्ति के बीच संबंध का अध्ययन किया, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। जैसा कि चित्र 4 से देखा जा सकता है, 2020 तक, वायरलेस संचार पर अनुसंधान THz बैंड की ओर जाता है। रेडियो स्पेक्ट्रम का उपयोग करने वाली अधिकतम संचार आवृत्ति हर बीस साल में लगभग दस गुना बढ़ जाती है। केंद्र ने THz एंटेना की आवश्यकताओं पर सिफारिशें की हैं और THz संचार प्रणालियों के लिए हॉर्न और लेंस जैसे पारंपरिक एंटेना प्रस्तावित किए हैं। जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, दो हॉर्न एंटेना एक सरल संरचना और अच्छे गाऊसी बीम प्रदर्शन के साथ क्रमशः 0.84THz और 1.7THz पर काम करते हैं।
चित्र 4 वर्ष और आवृत्ति के बीच संबंध
आरएम-बीडीएचए818-20ए
आरएम-डीसीपीएचए105145-20
चित्र 5 दो प्रकार के हॉर्न एंटेना
संयुक्त राज्य अमेरिका ने टेराहर्ट्ज़ तरंगों के उत्सर्जन और पता लगाने पर व्यापक शोध किया है। प्रसिद्ध टेराहर्ट्ज़ अनुसंधान प्रयोगशालाओं में जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी (जेपीएल), स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर सेंटर (एसएलएसी), यूएस नेशनल लेबोरेटरी (एलएलएनएल), नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (नासा), नेशनल साइंस फाउंडेशन (एनएसएफ) आदि शामिल हैं। टेराहर्ट्ज़ अनुप्रयोगों के लिए नए टेराहर्ट्ज़ एंटेना डिज़ाइन किए गए हैं, जैसे बोटी एंटेना और फ़्रीक्वेंसी बीम स्टीयरिंग एंटेना। टेराहर्ट्ज एंटेना के विकास के अनुसार, हम वर्तमान में टेराहर्ट्ज एंटेना के लिए तीन बुनियादी डिजाइन विचार प्राप्त कर सकते हैं, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है।
चित्र 6 टेराहर्ट्ज़ एंटेना के लिए तीन बुनियादी डिज़ाइन विचार
उपरोक्त विश्लेषण से पता चलता है कि हालांकि कई देशों ने टेराहर्ट्ज़ एंटेना पर बहुत ध्यान दिया है, यह अभी भी प्रारंभिक अन्वेषण और विकास चरण में है। उच्च प्रसार हानि और आणविक अवशोषण के कारण, THz एंटेना आमतौर पर ट्रांसमिशन दूरी और कवरेज द्वारा सीमित होते हैं। कुछ अध्ययन THz बैंड में कम ऑपरेटिंग आवृत्तियों पर ध्यान केंद्रित करते हैं। मौजूदा टेराहर्ट्ज़ एंटीना अनुसंधान मुख्य रूप से ढांकता हुआ लेंस एंटेना आदि का उपयोग करके लाभ में सुधार लाने और उपयुक्त एल्गोरिदम का उपयोग करके संचार दक्षता में सुधार करने पर केंद्रित है। इसके अलावा, टेराहर्ट्ज़ एंटीना पैकेजिंग की दक्षता में सुधार कैसे किया जाए यह भी एक बहुत जरूरी मुद्दा है।
सामान्य THz एंटेना
कई प्रकार के THz एंटेना उपलब्ध हैं: शंक्वाकार गुहाओं के साथ द्विध्रुवीय एंटेना, कोने परावर्तक सरणियाँ, बोटी द्विध्रुव, ढांकता हुआ लेंस समतल एंटेना, THz स्रोत विकिरण स्रोतों को उत्पन्न करने के लिए फोटोकंडक्टर एंटेना, हॉर्न एंटेना, ग्राफीन सामग्री पर आधारित THz एंटेना, आदि। THz एंटेना बनाने के लिए जिन सामग्रियों का उपयोग किया जाता है, उन्हें मोटे तौर पर धातु एंटेना (मुख्य रूप से हॉर्न एंटेना), ढांकता हुआ एंटेना (लेंस एंटेना) और नई सामग्री एंटेना में विभाजित किया जा सकता है। यह खंड पहले इन एंटेना का प्रारंभिक विश्लेषण देता है, और फिर अगले खंड में, पांच विशिष्ट THz एंटेना को विस्तार से पेश किया जाता है और गहराई से विश्लेषण किया जाता है।
1. धातु एंटेना
हॉर्न एंटीना एक विशिष्ट धातु एंटीना है जिसे THz बैंड में काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। क्लासिक मिलीमीटर वेव रिसीवर का एंटीना एक शंक्वाकार हॉर्न होता है। नालीदार और दोहरे मोड वाले एंटेना के कई फायदे हैं, जिनमें घूर्णी रूप से सममित विकिरण पैटर्न, 20 से 30 डीबीआई का उच्च लाभ और -30 डीबी का कम क्रॉस-ध्रुवीकरण स्तर और 97% से 98% की युग्मन दक्षता शामिल है। दो हॉर्न एंटेना की उपलब्ध बैंडविड्थ क्रमशः 30%-40% और 6%-8% हैं।
चूँकि टेराहर्ट्ज़ तरंगों की आवृत्ति बहुत अधिक है, हॉर्न एंटीना का आकार बहुत छोटा है, जिससे हॉर्न का प्रसंस्करण बहुत कठिन हो जाता है, विशेष रूप से एंटीना सरणियों के डिजाइन में, और प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी की जटिलता के कारण अत्यधिक लागत आती है और सीमित उत्पादन. जटिल हॉर्न डिज़ाइन के निचले हिस्से के निर्माण में कठिनाई के कारण, शंक्वाकार या शंक्वाकार हॉर्न के रूप में एक साधारण हॉर्न एंटीना का उपयोग आमतौर पर किया जाता है, जो लागत और प्रक्रिया जटिलता को कम कर सकता है, और एंटीना के विकिरण प्रदर्शन को बनाए रखा जा सकता है कुंआ।
एक अन्य धातु एंटीना एक यात्रा तरंग पिरामिड एंटीना है, जिसमें 1.2 माइक्रोन ढांकता हुआ फिल्म पर एकीकृत एक यात्रा तरंग एंटीना होता है और एक सिलिकॉन वेफर पर अनुदैर्ध्य गुहा में निलंबित होता है, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है। यह एंटीना एक खुली संरचना है जो कि है शोट्की डायोड के साथ संगत। इसकी अपेक्षाकृत सरल संरचना और कम विनिर्माण आवश्यकताओं के कारण, इसका उपयोग आम तौर पर 0.6 THz से ऊपर आवृत्ति बैंड में किया जा सकता है। हालाँकि, एंटीना का साइडलोब स्तर और क्रॉस-ध्रुवीकरण स्तर उच्च है, संभवतः इसकी खुली संरचना के कारण। इसलिए, इसकी युग्मन दक्षता अपेक्षाकृत कम (लगभग 50%) है।
चित्र 7 यात्रा तरंग पिरामिडनुमा एंटीना
2. ढांकता हुआ एंटीना
ढांकता हुआ एंटीना एक ढांकता हुआ सब्सट्रेट और एक एंटीना रेडिएटर का एक संयोजन है। उचित डिजाइन के माध्यम से, ढांकता हुआ एंटीना डिटेक्टर के साथ प्रतिबाधा मिलान प्राप्त कर सकता है, और इसमें सरल प्रक्रिया, आसान एकीकरण और कम लागत के फायदे हैं। हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने कई नैरोबैंड और ब्रॉडबैंड साइड-फायर एंटेना डिजाइन किए हैं जो टेराहर्ट्ज ढांकता हुआ एंटेना के कम-प्रतिबाधा डिटेक्टरों से मेल खा सकते हैं: तितली एंटीना, डबल यू-आकार का एंटीना, लॉग-आवधिक एंटीना, और लॉग-आवधिक साइनसॉइडल एंटीना, जैसे चित्र 8 में दिखाया गया है। इसके अलावा, अधिक जटिल एंटीना ज्यामिति को आनुवंशिक एल्गोरिदम के माध्यम से डिज़ाइन किया जा सकता है।
चित्र 8 चार प्रकार के समतलीय एंटेना
हालाँकि, चूंकि ढांकता हुआ एंटीना एक ढांकता हुआ सब्सट्रेट के साथ संयुक्त होता है, जब आवृत्ति THz बैंड की ओर जाती है तो एक सतह तरंग प्रभाव उत्पन्न होगा। इस घातक नुकसान के कारण ऐन्टेना को ऑपरेशन के दौरान बहुत अधिक ऊर्जा खोनी पड़ेगी और ऐन्टेना विकिरण दक्षता में महत्वपूर्ण कमी आएगी। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, जब ऐन्टेना विकिरण कोण कटऑफ कोण से अधिक होता है, तो इसकी ऊर्जा ढांकता हुआ सब्सट्रेट में सीमित होती है और सब्सट्रेट मोड के साथ जुड़ी होती है।
चित्र 9 एंटीना सतह तरंग प्रभाव
जैसे-जैसे सब्सट्रेट की मोटाई बढ़ती है, उच्च-क्रम मोड की संख्या बढ़ती है, और एंटीना और सब्सट्रेट के बीच युग्मन बढ़ता है, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा हानि होती है। सतह तरंग प्रभाव को कमजोर करने के लिए, तीन अनुकूलन योजनाएँ हैं:
1) विद्युत चुम्बकीय तरंगों की बीमफॉर्मिंग विशेषताओं का उपयोग करके लाभ बढ़ाने के लिए एंटीना पर एक लेंस लोड करें।
2) विद्युत चुम्बकीय तरंगों के उच्च-क्रम मोड की पीढ़ी को दबाने के लिए सब्सट्रेट की मोटाई कम करें।
3) सब्सट्रेट डाइइलेक्ट्रिक सामग्री को इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंड गैप (ईबीजी) से बदलें। ईबीजी की स्थानिक फ़िल्टरिंग विशेषताएँ उच्च-क्रम मोड को दबा सकती हैं।
3. नई सामग्री एंटेना
उपरोक्त दो एंटेना के अलावा, नई सामग्रियों से बना एक टेराहर्ट्ज़ एंटीना भी है। उदाहरण के लिए, 2006 में, जिन हाओ एट अल। एक कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुवीय एंटीना प्रस्तावित किया। जैसा कि चित्र 10 (ए) में दिखाया गया है, द्विध्रुव धातु सामग्री के बजाय कार्बन नैनोट्यूब से बना है। उन्होंने कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुवीय एंटीना के अवरक्त और ऑप्टिकल गुणों का ध्यानपूर्वक अध्ययन किया और परिमित लंबाई वाले कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुवीय एंटीना की सामान्य विशेषताओं, जैसे इनपुट प्रतिबाधा, वर्तमान वितरण, लाभ, दक्षता और विकिरण पैटर्न पर चर्चा की। चित्र 10 (बी) कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुवीय एंटीना के इनपुट प्रतिबाधा और आवृत्ति के बीच संबंध दिखाता है। जैसा कि चित्र 10(बी) में देखा जा सकता है, इनपुट प्रतिबाधा के काल्पनिक भाग में उच्च आवृत्तियों पर कई शून्य हैं। यह इंगित करता है कि एंटीना विभिन्न आवृत्तियों पर एकाधिक प्रतिध्वनि प्राप्त कर सकता है। जाहिर है, कार्बन नैनोट्यूब एंटीना एक निश्चित आवृत्ति रेंज (कम THz आवृत्तियों) के भीतर प्रतिध्वनि प्रदर्शित करता है, लेकिन इस सीमा के बाहर प्रतिध्वनि करने में पूरी तरह से असमर्थ है।
चित्र 10 (ए) कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुवीय एंटीना। (बी) इनपुट प्रतिबाधा-आवृत्ति वक्र
2012 में, समीर एफ. महमूद और आयद आर. अलअजमी ने कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित एक नई टेराहर्ट्ज़ एंटीना संरचना का प्रस्ताव रखा, जिसमें दो ढांकता हुआ परतों में लिपटे कार्बन नैनोट्यूब का एक बंडल होता है। आंतरिक ढांकता हुआ परत एक ढांकता हुआ फोम परत है, और बाहरी ढांकता हुआ परत एक मेटामटेरियल परत है। विशिष्ट संरचना चित्र 11 में दिखाई गई है। परीक्षण के माध्यम से, एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की तुलना में एंटीना के विकिरण प्रदर्शन में सुधार किया गया है।
चित्र 11 कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित नया टेराहर्ट्ज़ एंटीना
ऊपर प्रस्तावित नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटेना मुख्य रूप से त्रि-आयामी हैं। ऐन्टेना की बैंडविड्थ में सुधार करने और अनुरूप एंटेना बनाने के लिए, प्लेनर ग्राफीन एंटेना पर व्यापक ध्यान दिया गया है। ग्राफीन में उत्कृष्ट गतिशील निरंतर नियंत्रण विशेषताएं हैं और यह बायस वोल्टेज को समायोजित करके सतह प्लाज्मा उत्पन्न कर सकता है। सतह प्लाज्मा सकारात्मक ढांकता हुआ निरंतर सब्सट्रेट्स (जैसे Si, SiO2, आदि) और नकारात्मक ढांकता हुआ निरंतर सब्सट्रेट्स (जैसे कीमती धातु, ग्राफीन, आदि) के बीच इंटरफेस पर मौजूद है। कीमती धातुओं और ग्राफीन जैसे कंडक्टरों में बड़ी संख्या में "मुक्त इलेक्ट्रॉन" होते हैं। इन मुक्त इलेक्ट्रॉनों को प्लाज़्मा भी कहा जाता है। कंडक्टर में अंतर्निहित संभावित क्षेत्र के कारण, ये प्लाज़्मा स्थिर स्थिति में हैं और बाहरी दुनिया से परेशान नहीं होते हैं। जब आपतित विद्युतचुंबकीय तरंग ऊर्जा इन प्लाज़्माओं से जुड़ जाती है, तो प्लाज़्मा स्थिर अवस्था से विचलित हो जाएंगे और कंपन करेंगे। रूपांतरण के बाद, विद्युत चुम्बकीय मोड इंटरफ़ेस पर एक अनुप्रस्थ चुंबकीय तरंग बनाता है। ड्रूड मॉडल द्वारा धातु की सतह प्लाज्मा के फैलाव संबंध के विवरण के अनुसार, धातुएं मुक्त स्थान में प्राकृतिक रूप से विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ जुड़ नहीं सकती हैं और ऊर्जा को परिवर्तित नहीं कर सकती हैं। सतह प्लाज्मा तरंगों को उत्तेजित करने के लिए अन्य सामग्रियों का उपयोग करना आवश्यक है। सतह प्लाज्मा तरंगें धातु-सब्सट्रेट इंटरफ़ेस की समानांतर दिशा में तेजी से क्षय होती हैं। जब धातु कंडक्टर सतह के लंबवत दिशा में संचालित होता है, तो त्वचा प्रभाव उत्पन्न होता है। जाहिर है, एंटीना के छोटे आकार के कारण, उच्च आवृत्ति बैंड में एक त्वचा प्रभाव होता है, जिसके कारण एंटीना का प्रदर्शन तेजी से गिर जाता है और टेराहर्ट्ज़ एंटेना की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पाता है। ग्राफीन के सतह प्लास्मोन में न केवल उच्च बंधन बल और कम हानि होती है, बल्कि यह निरंतर विद्युत ट्यूनिंग का भी समर्थन करता है। इसके अलावा, ग्राफीन में टेराहर्ट्ज़ बैंड में जटिल चालकता होती है। इसलिए, धीमी तरंग प्रसार टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर प्लाज्मा मोड से संबंधित है। ये विशेषताएँ टेराहर्ट्ज़ बैंड में धातु सामग्री को बदलने के लिए ग्राफीन की व्यवहार्यता को पूरी तरह से प्रदर्शित करती हैं।
ग्राफीन सतह प्लास्मों के ध्रुवीकरण व्यवहार के आधार पर, चित्र 12 एक नए प्रकार के स्ट्रिप एंटीना को दर्शाता है, और ग्राफीन में प्लाज्मा तरंगों के प्रसार विशेषताओं के बैंड आकार का प्रस्ताव करता है। ट्यून करने योग्य एंटीना बैंड का डिज़ाइन नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटेना की प्रसार विशेषताओं का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
चित्र 12 नई स्ट्रिप एंटीना
यूनिट नई सामग्री टेराहर्ट्ज एंटीना तत्वों की खोज के अलावा, ग्राफीन नैनोपैच टेराहर्ट्ज एंटेना को टेराहर्ट्ज मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट एंटीना संचार प्रणाली बनाने के लिए सरणियों के रूप में भी डिजाइन किया जा सकता है। ऐन्टेना संरचना चित्र 13 में दिखाई गई है। ग्राफीन नैनोपैच एंटेना के अद्वितीय गुणों के आधार पर, ऐन्टेना तत्वों में माइक्रोन-स्केल आयाम होते हैं। रासायनिक वाष्प जमाव सीधे एक पतली निकल परत पर विभिन्न ग्राफीन छवियों को संश्लेषित करता है और उन्हें किसी भी सब्सट्रेट में स्थानांतरित करता है। उचित संख्या में घटकों का चयन करके और इलेक्ट्रोस्टैटिक बायस वोल्टेज को बदलकर, विकिरण दिशा को प्रभावी ढंग से बदला जा सकता है, जिससे सिस्टम पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य हो जाता है।
चित्र 13 ग्राफीन नैनोपैच टेराहर्ट्ज़ एंटीना सरणी
नई सामग्रियों का अनुसंधान अपेक्षाकृत नई दिशा है। सामग्रियों के नवाचार से पारंपरिक एंटेना की सीमाओं को तोड़ने और विभिन्न प्रकार के नए एंटेना विकसित करने की उम्मीद है, जैसे पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य मेटामटेरियल्स, दो-आयामी (2 डी) सामग्री इत्यादि। हालांकि, इस प्रकार का एंटीना मुख्य रूप से नए के नवाचार पर निर्भर करता है सामग्री और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की प्रगति। किसी भी मामले में, टेराहर्ट्ज़ एंटेना के विकास के लिए टेराहर्ट्ज़ एंटेना के उच्च लाभ, कम लागत और व्यापक बैंडविड्थ आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए नवीन सामग्रियों, सटीक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी और उपन्यास डिजाइन संरचनाओं की आवश्यकता होती है।
निम्नलिखित तीन प्रकार के टेराहर्ट्ज़ एंटेना के बुनियादी सिद्धांतों का परिचय देता है: धातु एंटेना, ढांकता हुआ एंटेना और नई सामग्री एंटेना, और उनके अंतर और फायदे और नुकसान का विश्लेषण करता है।
1. धातु एंटीना: ज्यामिति सरल, प्रक्रिया में आसान, अपेक्षाकृत कम लागत और सब्सट्रेट सामग्री के लिए कम आवश्यकताएं हैं। हालाँकि, धातु एंटेना, एंटीना की स्थिति को समायोजित करने के लिए एक यांत्रिक विधि का उपयोग करते हैं, जिसमें त्रुटियों की संभावना होती है। यदि समायोजन सही नहीं है, तो एंटीना का प्रदर्शन बहुत कम हो जाएगा। हालाँकि धातु का एंटीना आकार में छोटा होता है, लेकिन इसे समतलीय सर्किट के साथ जोड़ना मुश्किल होता है।
2. ढांकता हुआ एंटीना: ढांकता हुआ एंटीना में कम इनपुट प्रतिबाधा होती है, कम प्रतिबाधा डिटेक्टर के साथ मिलान करना आसान होता है, और एक समतल सर्किट से जुड़ना अपेक्षाकृत सरल होता है। ढांकता हुआ एंटेना की ज्यामितीय आकृतियों में तितली आकार, डबल यू आकार, पारंपरिक लघुगणक आकार और लघुगणक आवधिक साइन आकार शामिल हैं। हालाँकि, ढांकता हुआ एंटेना में एक घातक दोष भी होता है, अर्थात् मोटे सब्सट्रेट के कारण होने वाला सतह तरंग प्रभाव। इसका समाधान एक लेंस को लोड करना और ढांकता हुआ सब्सट्रेट को ईबीजी संरचना से बदलना है। दोनों समाधानों के लिए नवाचार और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी और सामग्रियों के निरंतर सुधार की आवश्यकता होती है, लेकिन उनका उत्कृष्ट प्रदर्शन (जैसे सर्वदिशात्मकता और सतह तरंग दमन) टेराहर्ट्ज़ एंटेना के अनुसंधान के लिए नए विचार प्रदान कर सकता है।
3. नए सामग्री एंटेना: वर्तमान में, कार्बन नैनोट्यूब से बने नए द्विध्रुवीय एंटेना और मेटामटेरियल से बने नए एंटीना संरचनाएं सामने आई हैं। नई सामग्रियां प्रदर्शन में नई सफलताएं ला सकती हैं, लेकिन इसका आधार सामग्री विज्ञान का नवाचार है। वर्तमान में, नई सामग्री एंटेना पर शोध अभी भी खोजपूर्ण चरण में है, और कई प्रमुख प्रौद्योगिकियां पर्याप्त परिपक्व नहीं हैं।
संक्षेप में, डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार विभिन्न प्रकार के टेराहर्ट्ज़ एंटेना का चयन किया जा सकता है:
1) यदि सरल डिज़ाइन और कम उत्पादन लागत की आवश्यकता है, तो धातु एंटेना का चयन किया जा सकता है।
2) यदि उच्च एकीकरण और कम इनपुट प्रतिबाधा की आवश्यकता है, तो ढांकता हुआ एंटेना का चयन किया जा सकता है।
3) यदि प्रदर्शन में सफलता की आवश्यकता है, तो नई सामग्री एंटेना का चयन किया जा सकता है।
उपरोक्त डिज़ाइनों को विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार समायोजित भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, अधिक लाभ प्राप्त करने के लिए दो प्रकार के एंटेना को जोड़ा जा सकता है, लेकिन असेंबली विधि और डिज़ाइन तकनीक को अधिक कठोर आवश्यकताओं को पूरा करना होगा।
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया यहां जाएं:
पोस्ट समय: अगस्त-02-2024
