वायरलेस उपकरणों की बढ़ती लोकप्रियता के साथ, डेटा सेवाएँ तेज़ी से विकास के एक नए दौर में प्रवेश कर रही हैं, जिसे डेटा सेवाओं का विस्फोटक विकास भी कहा जाता है। वर्तमान में, बड़ी संख्या में अनुप्रयोग धीरे-धीरे कंप्यूटर से वायरलेस उपकरणों, जैसे मोबाइल फ़ोन, की ओर स्थानांतरित हो रहे हैं, जिन्हें आसानी से ले जाया जा सकता है और वास्तविक समय में संचालित किया जा सकता है, लेकिन इस स्थिति के कारण डेटा ट्रैफ़िक में तेज़ी से वृद्धि और बैंडविड्थ संसाधनों की कमी भी हुई है। आँकड़ों के अनुसार, अगले 10 से 15 वर्षों में बाज़ार में डेटा दर Gbps या यहाँ तक कि Tbps तक पहुँच सकती है। वर्तमान में, THz संचार Gbps डेटा दर तक पहुँच गया है, जबकि Tbps डेटा दर अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। एक संबंधित शोधपत्र THz बैंड पर आधारित Gbps डेटा दरों में नवीनतम प्रगति को सूचीबद्ध करता है और भविष्यवाणी करता है कि ध्रुवीकरण बहुसंकेतन के माध्यम से Tbps प्राप्त किया जा सकता है। इसलिए, डेटा संचरण दर 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 आईटीयू विश्व रेडियो संचार सम्मेलन (डब्ल्यूआरसी-19) में, स्थिर और स्थलीय मोबाइल सेवाओं के लिए 275-450 गीगाहर्ट्ज़ आवृत्ति 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 सामान्यतः 0.1-10THz (1THz=1012Hz) आवृत्ति बैंड के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसकी तरंगदैर्घ्य 0.03-3 मिमी होती है। IEEE मानक के अनुसार, टेराहर्ट्ज़ तरंगों को 0.3-10THz के रूप में परिभाषित किया जाता है। चित्र 1 दर्शाता है कि टेराहर्ट्ज़ आवृत्ति बैंड माइक्रोवेव और अवरक्त प्रकाश के बीच होता है।
चित्र 1 THz आवृत्ति बैंड का योजनाबद्ध आरेख।
टेराहर्ट्ज़ एंटेना का विकास
यद्यपि टेराहर्ट्ज़ पर अनुसंधान 19वीं शताब्दी में शुरू हुआ था, उस समय इसका एक स्वतंत्र क्षेत्र के रूप में अध्ययन नहीं किया गया था। टेराहर्ट्ज़ विकिरण पर अनुसंधान मुख्यतः सुदूर अवरक्त बैंड पर केंद्रित था। 20वीं शताब्दी के मध्य से अंत तक शोधकर्ताओं ने मिलीमीटर तरंग अनुसंधान को टेराहर्ट्ज़ बैंड तक आगे बढ़ाना और विशिष्ट 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 बनाया। 21वीं सदी से, वायरलेस संचार तकनीक का तेज़ी से विकास हुआ है, और लोगों की सूचना की माँग और संचार उपकरणों में वृद्धि ने संचार डेटा की संचरण दर पर और भी कठोर आवश्यकताएँ पेश की हैं। इसलिए, भविष्य की संचार तकनीक की चुनौतियों में से एक एक स्थान पर प्रति सेकंड गीगाबिट्स की उच्च डेटा दर पर काम करना है। वर्तमान आर्थिक विकास के तहत, स्पेक्ट्रम संसाधन लगातार दुर्लभ होते जा रहे हैं। हालाँकि, संचार क्षमता और गति के लिए मानवीय आवश्यकताएँ अनंत हैं। स्पेक्ट्रम भीड़भाड़ की समस्या के लिए, कई कंपनियाँ स्थानिक मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से स्पेक्ट्रम दक्षता और सिस्टम क्षमता में सुधार के लिए मल्टीपल-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट (MIMO) 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 काफ़ी 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 उपकरणों का स्थान निश्चित होता है। इसलिए, माइक्रोवेव और अवरक्त के बीच स्थित THz तरंगों का उपयोग उच्च गति संचार प्रणालियों के निर्माण और THz लिंक का उपयोग करके डेटा संचरण दर बढ़ाने के लिए किया जा सकता है।
टेराहर्ट्ज़ तरंगें एक व्यापक संचार बैंडविड्थ प्रदान कर सकती हैं, और इसकी आवृत्ति सीमा मोबाइल संचार की तुलना में लगभग 1000 गुना अधिक है। इसलिए, अल्ट्रा-हाई-स्पीड वायरलेस संचार प्रणालियों के निर्माण के लिए टेराहर्ट्ज़ का उपयोग उच्च डेटा दरों की चुनौती का एक आशाजनक समाधान है, जिसने कई शोध टीमों और उद्योगों का ध्यान आकर्षित किया है। सितंबर 2017 में, पहला टेराहर्ट्ज़ वायरलेस संचार मानक IEEE 802.15.3d-2017 जारी किया गया था, जो 252-325 GHz की निम्न THz आवृत्ति सीमा में बिंदु-से-बिंदु डेटा विनिमय 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 सूचीबद्ध है।
तालिका 1 2004 से 2013 तक जापान में टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों की अनुसंधान प्रगति
2004 में विकसित एक संचार प्रणाली की एंटीना संरचना का निप्पॉन टेलीग्राफ एंड टेलीफोन कॉर्पोरेशन (एनटीटी) द्वारा 2005 में विस्तार से वर्णन किया गया था। एंटीना विन्यास को दो मामलों में पेश किया गया था, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।
चित्र 2 जापान की NTT 120 GHz वायरलेस संचार प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख
यह प्रणाली फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण और एंटीना को एकीकृत करती है और दो कार्य मोड अपनाती है:
1. निकट-सीमा वाले इनडोर वातावरण में, इनडोर उपयोग किए जाने वाले प्लानर ऐन्टेना ट्रांसमीटर में एक सिंगल-लाइन कैरियर फोटोडायोड (यूटीसी-पीडी) चिप, एक प्लानर स्लॉट ऐन्टेना और एक सिलिकॉन लेंस होता है, जैसा कि चित्र 2(ए) में दिखाया गया है।
2. लंबी दूरी के बाहरी वातावरण में, बड़े संचरण नुकसान और डिटेक्टर की कम संवेदनशीलता के प्रभाव को कम करने के लिए, ट्रांसमीटर एंटीना का लाभ उच्च होना चाहिए। मौजूदा टेराहर्ट्ज़ एंटीना 50 dBi से अधिक लाभ वाले गॉसियन ऑप्टिकल लेंस का उपयोग करता है। फीड हॉर्न और डाइइलेक्ट्रिक लेंस का संयोजन चित्र 2(b) में दिखाया गया है।
0.12 THz संचार प्रणाली विकसित करने के अलावा, NTT ने 2012 में 0.3THz संचार प्रणाली भी विकसित की। निरंतर अनुकूलन के माध्यम से, संचरण दर 100Gbps तक पहुँच सकती है। जैसा कि तालिका 1 से देखा जा सकता है, इसने टेराहर्ट्ज़ संचार के विकास में एक बड़ा योगदान दिया है। हालाँकि, वर्तमान शोध कार्य में कम परिचालन आवृत्ति, बड़े आकार और उच्च लागत जैसी कमियाँ हैं।
वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश टेराहर्ट्ज़ एंटेना मिलीमीटर तरंग एंटेना से संशोधित होते हैं, और टेराहर्ट्ज़ एंटेना में बहुत कम नवाचार होते हैं। इसलिए, टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, टेराहर्ट्ज़ एंटेना को अनुकूलित करना एक महत्वपूर्ण कार्य है। तालिका 2 में जर्मन THz संचार की अनुसंधान प्रगति सूचीबद्ध है। चित्र 3 (a) फोटोनिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स के संयोजन वाली एक प्रतिनिधि THz वायरलेस संचार प्रणाली को दर्शाता है। चित्र 3 (b) पवन सुरंग परीक्षण दृश्य को दर्शाता है। जर्मनी में वर्तमान अनुसंधान स्थिति को देखते हुए, इसके अनुसंधान और विकास में कम परिचालन आवृत्ति, उच्च लागत और कम दक्षता जैसी कमियाँ 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 शोध टीएचजेड बैंड की ओर अग्रसर होगा। रेडियो स्पेक्ट्रम का उपयोग करते हुए अधिकतम संचार आवृत्ति हर बीस साल में लगभग दस गुना बढ़ जाती है। केंद्र ने टीएचजेड एंटेना की आवश्यकताओं पर सिफारिशें की हैं और टीएचजेड संचार प्रणालियों के लिए हॉर्न और लेंस जैसे पारंपरिक एंटेना प्रस्तावित किए हैं। जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, दो हॉर्न एंटेना क्रमशः 0.84THz और 1.7THz पर काम करते हैं, जिनकी संरचना सरल है और गॉसियन बीम प्रदर्शन अच्छा है।
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 संसूचन पर व्यापक शोध किया है। प्रसिद्ध टेराहर्ट्ज़ अनुसंधान प्रयोगशालाओं में जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी (JPL), स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलरेटर सेंटर (SLAC), यूएस नेशनल लेबोरेटरी (LLNL), नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (NASA), नेशनल साइंस फाउंडेशन (NSF), आदि शामिल हैं। टेराहर्ट्ज़ अनुप्रयोगों के लिए नए टेराहर्ट्ज़ एंटेना डिज़ाइन किए गए हैं, जैसे कि बो-टाई एंटेना और फ़्रीक्वेंसी बीम स्टीयरिंग एंटेना। टेराहर्ट्ज़ एंटेना के विकास के अनुसार, हम वर्तमान में टेराहर्ट्ज़ एंटेना के लिए तीन बुनियादी डिज़ाइन 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 यद्यपि कई देशों ने टेराहर्ट्ज़ एंटेना पर बहुत ध्यान दिया है, फिर भी यह अभी भी प्रारंभिक अन्वेषण और विकास चरण में है। उच्च प्रसार हानि और आणविक अवशोषण के कारण, टेराहर्ट्ज़ एंटेना आमतौर पर संचरण दूरी और कवरेज द्वारा सीमित होते हैं। कुछ अध्ययन THz बैंड में कम परिचालन आवृत्तियों पर केंद्रित हैं। मौजूदा टेराहर्ट्ज़ एंटेना अनुसंधान मुख्य रूप से परावैद्युत लेंस एंटेना आदि का उपयोग करके लाभ में सुधार और उपयुक्त एल्गोरिदम का उपयोग करके संचार दक्षता में सुधार पर केंद्रित है। इसके अलावा, टेराहर्ट्ज़ एंटेना पैकेजिंग की दक्षता में सुधार कैसे किया जाए, यह भी एक अत्यंत आवश्यक मुद्दा है।
सामान्य THz एंटेना
कई प्रकार के टीएचजेड एंटेना उपलब्ध हैं: शंक्वाकार गुहाओं वाले द्विध्रुवीय एंटेना, कोने परावर्तक सारणी, बो टाई द्विध्रुव, परावैद्युत लेंस समतलीय एंटेना, टीएचजेड स्रोत विकिरण स्रोत उत्पन्न करने वाले प्रकाश-चालक एंटेना, हॉर्न एंटेना, ग्राफीन पदार्थ आधारित टीएचजेड एंटेना, आदि। टीएचजेड एंटेना बनाने में प्रयुक्त पदार्थों के आधार पर, इन्हें मोटे तौर पर धातु एंटेना (मुख्यतः हॉर्न एंटेना), परावैद्युत एंटेना (लेंस एंटेना), और नई सामग्री वाले एंटेना में विभाजित किया जा सकता है। यह खंड पहले इन एंटेना का प्रारंभिक विश्लेषण प्रस्तुत करता है, और फिर अगले खंड में, पाँच विशिष्ट टीएचजेड एंटेना का विस्तार से परिचय और गहन विश्लेषण किया गया है।
1. धातु एंटेना
हॉर्न एंटीना एक विशिष्ट धातु एंटीना है जिसे THz बैंड में काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक पारंपरिक मिलीमीटर तरंग रिसीवर का एंटीना एक शंक्वाकार हॉर्न होता है। नालीदार और दोहरे मोड वाले एंटेना के कई फायदे हैं, जिनमें घूर्णी सममित विकिरण पैटर्न, 20 से 30 dBi का उच्च लाभ और -30 dB का निम्न क्रॉस-ध्रुवीकरण स्तर, और 97% से 98% की युग्मन दक्षता शामिल है। दोनों हॉर्न एंटेना की उपलब्ध बैंडविड्थ क्रमशः 30%-40% और 6%-8% है।
चूँकि टेराहर्ट्ज़ तरंगों की आवृत्ति बहुत अधिक होती है, इसलिए हॉर्न एंटीना का आकार बहुत छोटा होता है, जिससे हॉर्न का प्रसंस्करण बहुत कठिन हो जाता है, विशेष रूप से एंटीना सरणियों के डिज़ाइन में, और प्रसंस्करण तकनीक की जटिलता अत्यधिक लागत और सीमित उत्पादन का कारण बनती है। जटिल हॉर्न डिज़ाइन के निचले भाग के निर्माण में कठिनाई के कारण, आमतौर पर शंक्वाकार या शंक्वाकार हॉर्न के रूप में एक साधारण हॉर्न एंटीना का उपयोग किया जाता है, जिससे लागत और प्रक्रिया की जटिलता कम हो सकती है, और एंटीना के विकिरण प्रदर्शन को अच्छी तरह से बनाए रखा जा सकता है।
एक अन्य धातु एंटीना एक यात्रा तरंग पिरामिड एंटीना है, जिसमें एक यात्रा तरंग एंटीना 1.2 माइक्रोन की परावैद्युत फिल्म पर एकीकृत होता है और एक सिलिकॉन वेफर पर उत्कीर्ण एक अनुदैर्ध्य गुहा में निलंबित होता है, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है। यह एंटीना एक खुली संरचना है जो शॉट्की डायोड के साथ संगत है। इसकी अपेक्षाकृत सरल संरचना और कम निर्माण आवश्यकताओं के कारण, इसका उपयोग आमतौर पर 0.6 THz से ऊपर की आवृत्ति बैंड में किया जा सकता है। हालाँकि, एंटीना का पार्श्व लोब 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 पिरामिडीय एंटीना
2. परावैद्युत एंटीना
डाइइलेक्ट्रिक एंटीना, डाइइलेक्ट्रिक सब्सट्रेट और एंटीना रेडियेटर का एक संयोजन है। उचित डिज़ाइन के माध्यम से, डाइइलेक्ट्रिक एंटीना डिटेक्टर के साथ प्रतिबाधा मिलान प्राप्त कर सकता है, और इसके सरल प्रक्रिया, आसान एकीकरण और कम लागत जैसे लाभ हैं। हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने कई नैरोबैंड और ब्रॉडबैंड साइड-फायर एंटीना डिज़ाइन किए हैं जो टेराहर्ट्ज़ डाइइलेक्ट्रिक एंटीना के कम-प्रतिबाधा डिटेक्टरों से मेल खा सकते हैं: बटरफ्लाई एंटीना, डबल यू-आकार का एंटीना, लॉग-पीरियोडिक एंटीना, और लॉग-पीरियोडिक साइनसॉइडल एंटीना, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। इसके अलावा, आनुवंशिक एल्गोरिदम के माध्यम से अधिक जटिल एंटीना ज्यामिति डिज़ाइन की जा सकती है।
चित्र 8 चार प्रकार के समतलीय एंटेना
हालाँकि, चूँकि परावैद्युत ऐन्टेना एक परावैद्युत सब्सट्रेट के साथ संयुक्त होता है, इसलिए जब आवृत्ति THz बैंड की ओर जाती है, तो एक सतही तरंग प्रभाव उत्पन्न होगा। इस घातक नुकसान के कारण ऐन्टेना संचालन के दौरान बहुत अधिक ऊर्जा खो देगा और ऐन्टेना विकिरण दक्षता में उल्लेखनीय कमी आएगी। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, जब ऐन्टेना विकिरण कोण कटऑफ कोण से अधिक होता है, तो इसकी ऊर्जा परावैद्युत सब्सट्रेट में सीमित हो जाती है और सब्सट्रेट मोड के साथ युग्मित हो जाती है।
चित्र 9 एंटीना सतह तरंग प्रभाव
जैसे-जैसे सब्सट्रेट की मोटाई बढ़ती है, उच्च-क्रम मोड की संख्या बढ़ती जाती है, और एंटीना और सब्सट्रेट के बीच युग्मन बढ़ता है, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा हानि होती है। सतही तरंग प्रभाव को कमज़ोर 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 पदार्थ को इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंड गैप (EBG) से बदलें। EBG की स्थानिक फ़िल्टरिंग विशेषताएँ उच्च-क्रम मोड को दबा सकती हैं।
3. नई सामग्री से बने एंटेना
उपरोक्त दो एंटेना के अलावा, नई सामग्रियों से बना एक टेराहर्ट्ज़ एंटेना भी है। उदाहरण के लिए, 2006 में, जिन हाओ एट अल ने कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटेना का प्रस्ताव रखा था। जैसा कि चित्र 10 (ए) में दिखाया गया है, डिपोल धातु सामग्री के बजाय कार्बन नैनोट्यूब से बना है। उन्होंने कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटेना के अवरक्त और ऑप्टिकल गुणों का ध्यानपूर्वक अध्ययन किया और परिमित लंबाई वाले कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटेना की सामान्य विशेषताओं, जैसे इनपुट प्रतिबाधा, वर्तमान वितरण, लाभ, दक्षता और विकिरण पैटर्न पर चर्चा की। चित्र 10 (बी) कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटेना के इनपुट प्रतिबाधा और आवृत्ति के बीच संबंध दिखाता है। जैसा कि चित्र 10 (बी) में देखा जा सकता है स्पष्टतः, कार्बन नैनोट्यूब ऐन्टेना एक निश्चित आवृत्ति सीमा (कम THz आवृत्तियों) के भीतर अनुनाद प्रदर्शित करता है, लेकिन इस सीमा के बाहर अनुनाद करने में पूरी तरह से असमर्थ है।
चित्र 10 (a) कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुवीय एंटीना। (b) इनपुट प्रतिबाधा-आवृत्ति वक्र
2012 में, समीर एफ. महमूद और आयद आर. अलअजमी ने कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित एक नई टेराहर्ट्ज़ एंटीना संरचना प्रस्तावित की, जिसमें दो परावैद्युत परतों में लिपटे कार्बन नैनोट्यूब का एक बंडल होता है। आंतरिक परावैद्युत परत एक परावैद्युत फोम परत है, और बाहरी परावैद्युत परत एक मेटामटेरियल परत है। विशिष्ट संरचना चित्र 11 में दिखाई गई है। परीक्षणों के माध्यम से, एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की तुलना में एंटीना के विकिरण प्रदर्शन में सुधार हुआ है।
चित्र 11 कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित नया टेराहर्ट्ज़ एंटीना
ऊपर प्रस्तावित नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटेना मुख्यतः त्रि-आयामी हैं। एंटेना की बैंडविड्थ में सुधार और अनुरूप एंटेना बनाने के लिए, समतलीय ग्रैफीन एंटेना ने व्यापक रूप से ध्यान आकर्षित किया है। ग्रैफीन में उत्कृष्ट गतिशील सतत नियंत्रण विशेषताएँ होती हैं और यह बायस वोल्टेज को समायोजित करके सतही प्लाज़्मा उत्पन्न कर सकता है। सतही प्लाज़्मा धनात्मक परावैद्युतांक वाले सबस्ट्रेट्स (जैसे Si, SiO2, आदि) और ऋणात्मक परावैद्युतांक वाले सबस्ट्रेट्स (जैसे कीमती धातुएँ, ग्रैफीन, आदि) के बीच इंटरफेस पर मौजूद होता है। कीमती धातुओं और ग्रैफीन जैसे चालकों में बड़ी संख्या में "मुक्त इलेक्ट्रॉन" होते हैं। इन मुक्त इलेक्ट्रॉनों को प्लाज़्मा भी कहा जाता है। चालक में निहित विभव क्षेत्र के कारण, ये प्लाज़्मा स्थिर अवस्था में होते हैं और बाहरी दुनिया से प्रभावित नहीं होते। जब आपतित विद्युत चुम्बकीय तरंग ऊर्जा इन प्लाज़्मा से युग्मित होती है, तो प्लाज़्मा स्थिर अवस्था से विचलित होकर कंपन करने लगते हैं। रूपांतरण के बाद, विद्युत चुम्बकीय विधा इंटरफेस पर एक अनुप्रस्थ चुंबकीय तरंग बनाती है। ड्रूड मॉडल द्वारा धातु सतह प्लाज्मा के फैलाव संबंध के वर्णन के अनुसार, धातुएँ मुक्त स्थान में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ स्वाभाविक रूप से युग्मित होकर ऊर्जा का रूपांतरण नहीं कर सकतीं। सतह प्लाज्मा तरंगों को उत्तेजित करने के लिए अन्य पदार्थों का उपयोग करना आवश्यक है। सतह प्लाज्मा तरंगें धातु-सब्सट्रेट इंटरफेस की समानांतर दिशा में तेजी से क्षय होती हैं। जब धातु कंडक्टर सतह के लंबवत दिशा में संचालित होता है, तो एक त्वचा प्रभाव 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 गिरता है और टेराहर्ट्ज़ एंटीना 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, टेराहर्ट्ज़ बैंड में ग्राफीन की चालकता जटिल होती है। इसलिए, धीमी तरंग प्रसार टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर प्लाज्मा मोड से संबंधित है। ये विशेषताएँ टेराहर्ट्ज़ बैंड में धातु पदार्थों को प्रतिस्थापित करने के लिए ग्राफीन की व्यवहार्यता को पूरी तरह से प्रदर्शित करती हैं।
ग्राफीन सतह प्लाज़्मोन के ध्रुवीकरण व्यवहार के आधार पर, चित्र 12 एक नए प्रकार के स्ट्रिप एंटीना को दर्शाता है और ग्राफीन में प्लाज़्मा तरंगों के प्रसार अभिलक्षणों के बैंड आकार का प्रस्ताव करता है। ट्यूनेबल एंटीना बैंड का डिज़ाइन नए पदार्थ टेराहर्ट्ज़ एंटीना के प्रसार अभिलक्षणों का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
चित्र 12 नया स्ट्रिप एंटीना
नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटीना तत्वों की खोज के अलावा, ग्राफीन नैनोपैच टेराहर्ट्ज़ एंटेना को टेराहर्ट्ज़ मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट एंटीना संचार प्रणालियों के निर्माण हेतु सरणियों के रूप में भी डिज़ाइन किया जा सकता है। एंटीना संरचना चित्र 13 में दिखाई गई है। ग्राफीन नैनोपैच एंटेना के अद्वितीय गुणों के आधार पर, एंटीना तत्वों के आयाम माइक्रोन-स्केल के होते हैं। रासायनिक वाष्प निक्षेपण एक पतली निकल परत पर विभिन्न ग्राफीन छवियों को सीधे संश्लेषित करता है और उन्हें किसी भी सब्सट्रेट पर 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 को पुन: कॉन्फ़िगर किया जा सकता है।
चित्र 13 ग्राफीन नैनोपैच टेराहर्ट्ज़ एंटीना सरणी
नए पदार्थों का अनुसंधान एक अपेक्षाकृत नई दिशा है। पदार्थों के नवाचार से पारंपरिक एंटेना की सीमाओं को तोड़ने और विभिन्न प्रकार के नए एंटेना विकसित करने की उम्मीद है, जैसे कि पुन: विन्यास योग्य मेटामटेरियल, द्वि-आयामी (2D) पदार्थ, आदि। हालाँकि, इस प्रकार का एंटेना मुख्य रूप से नए पदार्थों के नवाचार और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की उन्नति पर निर्भर करता है। किसी भी स्थिति में, टेराहर्ट्ज़ एंटेना के विकास के लिए टेराहर्ट्ज़ एंटेना की उच्च लाभ, कम लागत और विस्तृत बैंडविड्थ आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए नवीन सामग्रियों, सटीक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी और नवीन डिज़ाइन संरचनाओं की आवश्यकता होती है।
निम्नलिखित तीन प्रकार के टेराहर्ट्ज एंटेना के मूल 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: इसकी ज्यामिति सरल, प्रक्रिया में आसान, अपेक्षाकृत कम लागत वाली और सब्सट्रेट सामग्री की कम आवश्यकता वाली होती है। हालाँकि, धातु एंटीना में एंटीना की स्थिति को समायोजित करने के लिए यांत्रिक विधि का उपयोग किया जाता है, जिससे त्रुटियाँ होने की संभावना अधिक होती है। यदि समायोजन सही नहीं है, तो एंटीना का प्रदर्शन बहुत कम हो जाएगा। हालाँकि धातु एंटीना आकार में छोटा होता है, लेकिन इसे समतलीय परिपथ के साथ जोड़ना मुश्किल होता है।
2. परावैद्युत ऐन्टेना: परावैद्युत ऐन्टेना की इनपुट प्रतिबाधा कम होती है, इसे कम प्रतिबाधा संसूचक के साथ आसानी से जोड़ा जा सकता है, और इसे समतलीय परिपथ से जोड़ना अपेक्षाकृत सरल है। परावैद्युत ऐन्टेना के ज्यामितीय आकार में तितली आकार, दोहरा U आकार, पारंपरिक लघुगणक आकार और लघुगणकीय आवर्त साइन आकार शामिल हैं। हालाँकि, परावैद्युत ऐन्टेना में एक घातक दोष भी है, अर्थात् मोटे सब्सट्रेट के कारण होने वाला सतही तरंग प्रभाव। इसका समाधान एक लेंस को लोड करना और परावैद्युत सब्सट्रेट को EBG संरचना से बदलना है। दोनों समाधानों के लिए नवाचार और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी एवं सामग्रियों में निरंतर सुधार की आवश्यकता है, लेकिन उनके उत्कृष्ट प्रदर्शन (जैसे सर्वदिशात्मकता और सतही तरंग दमन) टेराहर्ट्ज़ ऐन्टेना के अनुसंधान के लिए नए विचार प्रदान कर सकते हैं।
3. नई सामग्री वाले एंटेना: वर्तमान में, कार्बन नैनोट्यूब से बने नए द्विध्रुवीय एंटेना और मेटामटेरियल से बने नए एंटेना ढाँचे सामने आए हैं। नई सामग्रियाँ नई प्रदर्शन सफलताएँ ला सकती हैं, लेकिन आधार सामग्री विज्ञान का नवाचार है। वर्तमान में, नई सामग्री वाले एंटेना पर शोध अभी भी अन्वेषणात्मक चरण में है, और कई प्रमुख प्रौद्योगिकियाँ अभी पर्याप्त रूप से परिपक्व नहीं हुई हैं।
संक्षेप में, डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार विभिन्न प्रकार के टेराहर्ट्ज एंटेना का चयन किया जा सकता है:
1) यदि सरल डिजाइन 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 हो, तो परावैद्युत एंटेना का चयन किया जा सकता है।
3) यदि प्रदर्शन में सुधार की आवश्यकता हो तो नई सामग्री वाले एंटेना का चयन किया जा सकता है।
उपरोक्त डिज़ाइनों को विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार भी समायोजित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, दो प्रकार के एंटेना को मिलाकर अधिक लाभ प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन संयोजन विधि और डिज़ाइन तकनीक को अधिक कठोर आवश्यकताओं को पूरा करना होगा।
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया देखें:
पोस्ट करने का समय: 02 अगस्त 2024
