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 वायरलेस डिवाइस जैसे मोबाइल फोन पर माइग्रेट हो रहे हैं जो वास्तविक समय में ले जाने और संचालित करने में आसान हैं, लेकिन इस स्थिति ने डेटा ट्रैफ़िक में तेज़ी से वृद्धि और बैंडविड्थ संसाधनों की कमी भी पैदा की 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 शुरुआती 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 ध्रुवीकरण मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से Tbps 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 "खाली क्षेत्र" में है। 2019 में ITU वर्ल्ड रेडियो कम्युनिकेशन कॉन्फ्रेंस (WRC-19) में, 275-450GHz की आवृत्ति रेंज का उपयोग स्थिर और भूमि मोबाइल सेवाओं के लिए 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 तरंगदैर्ध्य के साथ 0.1-10THz (1THz=1012Hz) की आवृत्ति बैंड के रूप में परिभाषित किया जाता है। IEEE मानक के अनुसार, टेराहर्ट्ज़ तरंगों को 0.3-10THz के रूप में परिभाषित किया जाता है। चित्र 1 दिखाता 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 था, लेकिन उस समय इसे एक स्वतंत्र क्षेत्र के रूप में अध्ययन नहीं किया गया था। टेराहर्ट्ज़ विकिरण पर शोध मुख्य रूप से दूर-अवरक्त बैंड पर केंद्रित था। 20वीं शताब्दी के मध्य से लेकर अंत तक शोधकर्ताओं ने मिलीमीटर तरंग अनुसंधान को टेराहर्ट्ज़ बैंड में 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 बनाया। 21वीं सदी 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 अधिक कठोर आवश्यकताओं को सामने रखा है। 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 तेजी से दुर्लभ हो गए हैं। हालांकि, संचार क्षमता और गति के लिए मानवीय आवश्यकताएं अंतहीन हैं। स्पेक्ट्रम भीड़ की समस्या के लिए, कई कंपनियां स्थानिक मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से स्पेक्ट्रम दक्षता और सिस्टम क्षमता में सुधार करने के लिए मल्टीपल-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट (MIMO) तकनीक का उपयोग करती हैं। 5G नेटवर्क की उन्नति 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 उपकरणों का स्थान निश्चित होता है। इसलिए, THz तरंगों, जो माइक्रोवेव और अवरक्त के बीच होती हैं, का उपयोग उच्च गति संचार प्रणालियों के निर्माण और THz लिंक का उपयोग करके डेटा संचरण दरों को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है।
टेराहर्ट्ज़ तरंगें एक 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 करना 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 गीगाहर्ट्ज 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 सूचीबद्ध है।
तालिका 1 2004 से 2013 तक जापान में टेराहर्ट्ज संचार प्रणालियों की अनुसंधान प्रगति
2004 में विकसित एक संचार प्रणाली की एंटीना संरचना का विस्तार से वर्णन निप्पॉन टेलीग्राफ और टेलीफोन कॉर्पोरेशन (NTT) द्वारा 2005 में 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 एनटीटी 120 गीगाहर्ट्ज 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 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 एक गॉसियन ऑप्टिकल लेंस का उपयोग करता है। फीड हॉर्न और डाइइलेक्ट्रिक लेंस संयोजन चित्र 2(बी) 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 जितनी अधिक हो सकती है। जैसा कि तालिका 1 से देखा जा सकता है, इसने टेराहर्ट्ज़ संचार के विकास में बहुत बड़ा 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 किए गए हैं, और टेराहर्ट्ज़ एंटेना में बहुत कम नवाचार है। इसलिए, टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, एक महत्वपूर्ण कार्य टेराहर्ट्ज़ एंटेना को अनुकूलित करना है। तालिका 2 में जर्मन THz संचार की शोध प्रगति को सूचीबद्ध किया गया 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 शोध 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 सेंटर ने टीएचजेड इनडोर वायरलेस संचार प्रणालियों पर भी शोध शुरू किया है। केंद्र ने वर्ष और संचार आवृत्ति के बीच संबंधों 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 जाता है। रेडियो स्पेक्ट्रम का उपयोग करने वाली 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 का प्रस्ताव दिया है। जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, दो हॉर्न एंटेना क्रमशः 0.84THz और 1.7THz पर काम करते हैं, एक सरल संरचना और अच्छे गॉसियन बीम प्रदर्शन के साथ।
चित्र 4 वर्ष और आवृत्ति के बीच संबंध
आरएम-BDHA818-20A
आरएम-डीसीपीएचए105145-20
चित्र 5 दो प्रकार के हॉर्न ऐन्टेना
संयुक्त राज्य अमेरिका ने टेराहर्ट्ज़ तरंगों के उत्सर्जन और पता लगाने पर व्यापक शोध किया है। प्रसिद्ध टेराहर्ट्ज़ अनुसंधान प्रयोगशालाओं में जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी (JPL), स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर सेंटर (SLAC), यूएस नेशनल लेबोरेटरी (LLNL), नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (NASA), नेशनल साइंस फ़ाउंडेशन (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 हालांकि कई देशों ने टेराहर्ट्ज़ एंटेना पर बहुत ध्यान दिया है, लेकिन यह अभी भी प्रारंभिक अन्वेषण और विकास चरण में है। उच्च प्रसार हानि और आणविक अवशोषण के कारण, THz एंटेना आमतौर पर संचरण 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 डाइइलेक्ट्रिक लेंस एंटेना आदि का उपयोग करके लाभ में सुधार करने 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 ही जरूरी मुद्दा है।
सामान्य THz एंटेना
THz एंटेना के कई प्रकार उपलब्ध हैं: शंक्वाकार गुहाओं वाले द्विध्रुवीय एंटेना, कोने परावर्तक सरणियाँ, बो टाई द्विध्रुव, ढांकता हुआ लेंस प्लानर एंटेना, THz स्रोत विकिरण स्रोत उत्पन्न करने के लिए फोटोकंडक्टिव एंटेना, हॉर्न एंटेना, ग्राफीन सामग्री पर आधारित THz एंटेना, आदि। THz एंटेना बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के अनुसार, 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, पाँच 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। एक क्लासिक मिलीमीटर वेव रिसीवर का एंटीना एक शंक्वाकार हॉर्न होता है। नालीदार और दोहरे मोड वाले एंटेना के कई फायदे हैं, जिसमें रोटेशनली सममित विकिरण पैटर्न, 20 से 30 dBi का उच्च लाभ और -30 dB का कम क्रॉस-पोलराइजेशन स्तर और 97% से 98% की युग्मन दक्षता शामिल है। दो हॉर्न एंटेना की उपलब्ध बैंडविड्थ क्रमशः 30%-40% और 6%-8% है।
चूंकि टेराहर्ट्ज़ तरंगों की आवृत्ति बहुत अधिक होती है, इसलिए हॉर्न एंटीना का आकार बहुत छोटा होता है, जिससे हॉर्न की प्रोसेसिंग बहुत मुश्किल हो जाती है, खासकर एंटीना एरे के डिजाइन में, और प्रोसेसिंग तकनीक की जटिलता के कारण अत्यधिक लागत और सीमित उत्पादन होता है। जटिल हॉर्न डिज़ाइन के निचले हिस्से के निर्माण में कठिनाई के कारण, शंक्वाकार या शंक्वाकार हॉर्न के रूप में एक साधारण हॉर्न एंटीना आमतौर पर उपयोग किया जाता है, जिससे लागत और प्रक्रिया जटिलता को कम किया जा सकता 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 होता है जो 1.2 माइक्रोन ढांकता हुआ फिल्म पर एकीकृत होता है और एक सिलिकॉन वेफर पर उत्कीर्ण अनुदैर्ध्य गुहा में निलंबित होता है, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है। यह एंटीना एक खुली संरचना है जो शॉटकी डायोड के साथ संगत है। इसकी अपेक्षाकृत सरल संरचना और कम विनिर्माण आवश्यकताओं के कारण, इसे आम तौर पर 0.6 THz से ऊपर आवृत्ति बैंड में इस्तेमाल किया जा सकता है। हालांकि, 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 पिरामिडीय एंटीना
2. डाइइलेक्ट्रिक एंटीना
डाइइलेक्ट्रिक एंटीना डाइइलेक्ट्रिक सब्सट्रेट और एंटीना रेडिएटर का संयोजन है। उचित डिजाइन के माध्यम से, डाइइलेक्ट्रिक 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 डिज़ाइन किए हैं जो टेराहर्ट्ज़ डाइइलेक्ट्रिक एंटेना के कम-प्रतिबाधा डिटेक्टरों से मेल खा सकते हैं: बटरफ्लाई एंटीना, डबल यू-आकार का एंटीना, लॉग-आवधिक एंटीना और लॉग-आवधिक साइनसोइडल एंटीना, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। इसके अलावा, आनुवंशिक एल्गोरिदम के माध्यम से अधिक जटिल एंटीना ज्यामिति को डिज़ाइन किया जा सकता है।
चित्र 8 चार प्रकार के प्लानर एंटेना
हालाँकि, चूँकि डाइइलेक्ट्रिक एंटीना को डाइइलेक्ट्रिक सब्सट्रेट के साथ जोड़ा जाता है, इसलिए जब आवृत्ति THz बैंड की ओर जाती है, तो सतही तरंग प्रभाव उत्पन्न होगा। यह घातक नुकसान एंटीना को संचालन के दौरान बहुत अधिक ऊर्जा खोने का कारण बनेगा और एंटीना विकिरण दक्षता में महत्वपूर्ण कमी लाएगा। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, जब एंटीना विकिरण कोण कटऑफ कोण से अधिक होता है, तो इसकी ऊर्जा डाइइलेक्ट्रिक सब्सट्रेट में सीमित होती है और सब्सट्रेट मोड के साथ युग्मित 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 की 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 मटेरियल 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 एंटीना भी है। उदाहरण के लिए, 2006 में, जिन हाओ एट अल ने कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटीना का प्रस्ताव दिया। जैसा कि चित्र 10 (ए) में दिखाया गया है, डिपोल धातु सामग्री के बजाय कार्बन नैनोट्यूब से बना है। उन्होंने कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटीना के अवरक्त और ऑप्टिकल गुणों का ध्यानपूर्वक अध्ययन किया और परिमित-लंबाई वाले कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटीना की सामान्य विशेषताओं पर चर्चा की, जैसे इनपुट प्रतिबाधा, वर्तमान वितरण, लाभ, दक्षता और विकिरण पैटर्न। चित्र 10 (बी) कार्बन नैनोट्यूब डिपोल एंटीना के इनपुट प्रतिबाधा और आवृत्ति के बीच संबंध दिखाता है। स्पष्टतः, कार्बन नैनोट्यूब ऐन्टेना एक निश्चित आवृत्ति सीमा (निम्न THz आवृत्तियों) के भीतर अनुनाद प्रदर्शित करता है, लेकिन इस सीमा के बाहर अनुनाद 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 डाइइलेक्ट्रिक परतों में लिपटे कार्बन नैनोट्यूब का एक बंडल होता है। आंतरिक डाइइलेक्ट्रिक परत एक डाइइलेक्ट्रिक फोम परत है, और बाहरी डाइइलेक्ट्रिक 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 हुआ है।
चित्र 11 कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित नया टेराहर्ट्ज़ एंटीना
ऊपर प्रस्तावित नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटेना मुख्य रूप से त्रि-आयामी हैं। एंटीना की बैंडविड्थ को बेहतर बनाने और अनुरूप एंटेना बनाने के लिए, प्लानर ग्रेफीन एंटेना ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। ग्राफीन में उत्कृष्ट गतिशील निरंतर नियंत्रण विशेषताएँ हैं और यह बायस वोल्टेज को समायोजित करके सतही प्लाज्मा उत्पन्न कर सकता है। सतही प्लाज्मा सकारात्मक ढांकता हुआ स्थिर सब्सट्रेट (जैसे Si, SiO2, आदि) और नकारात्मक ढांकता हुआ स्थिर सब्सट्रेट (जैसे कीमती धातुएँ, ग्रेफीन, आदि) के बीच इंटरफेस पर मौजूद है। कीमती धातुओं और ग्रेफीन जैसे कंडक्टरों में बड़ी संख्या में "मुक्त इलेक्ट्रॉन" होते हैं। इन मुक्त इलेक्ट्रॉनों को प्लाज़्मा भी कहा जाता है। कंडक्टर में निहित संभावित क्षेत्र के कारण, ये प्लाज़्मा स्थिर अवस्था में होते हैं और बाहरी दुनिया से परेशान नहीं होते हैं। जब घटना विद्युत चुम्बकीय तरंग ऊर्जा इन प्लाज़्मा से जुड़ती है, तो प्लाज़्मा स्थिर अवस्था से विचलित हो जाएगा और कंपन करेगा। रूपांतरण के बाद, विद्युत चुम्बकीय मोड इंटरफ़ेस पर एक अनुप्रस्थ चुंबकीय तरंग बनाता है। ड्रूड मॉडल द्वारा धातु सतह प्लाज्मा के फैलाव संबंध के विवरण के अनुसार, धातुएं स्वाभाविक रूप से मुक्त स्थान में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ युग्मित नहीं हो 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 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, जो एंटीना के प्रदर्शन को तेजी से कम करता है और टेराहर्ट्ज़ एंटीना की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता है। ग्रेफीन के सतह प्लाज़्मोन में न केवल उच्च बंधन बल और कम नुकसान होता है, बल्कि निरंतर विद्युत ट्यूनिंग का भी समर्थन करता है। इसके अलावा, टेराहर्ट्ज़ बैंड में ग्राफीन की 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 प्लाज़्मोन 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। ट्यूनेबल एंटीना बैंड का डिज़ाइन नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटेना की प्रसार विशेषताओं का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
चित्र 12 नया स्ट्रिप एंटीना
यूनिट नई सामग्री टेराहर्ट्ज़ एंटीना तत्वों की खोज के अलावा, ग्रेफीन नैनोपैच टेराहर्ट्ज़ एंटीना को टेराहर्ट्ज़ मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट एंटीना संचार प्रणाली बनाने के लिए सरणियों के रूप में भी डिज़ाइन किया जा सकता है। एंटीना संरचना चित्र 13 में दिखाई गई है। ग्रेफीन नैनोपैच एंटीना के अद्वितीय गुणों के आधार पर, एंटीना तत्वों में माइक्रोन-स्केल आयाम होते हैं। रासायनिक वाष्प जमाव सीधे एक पतली निकल परत पर विभिन्न ग्रेफीन छवियों को संश्लेषित करता है और उन्हें किसी भी सब्सट्रेट पर स्थानांतरित करता है। घटकों की एक उचित संख्या का चयन करके और इलेक्ट्रोस्टैटिक पूर्वाग्रह वोल्टेज को बदलकर, विकिरण दिशा को प्रभावी ढंग से बदला जा सकता है, जिससे सिस्टम को फिर से कॉन्फ़िगर किया जा सकता 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 कि पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य मेटामटेरियल, दो-आयामी (2 डी) सामग्री, आदि। हालांकि, इस प्रकार का एंटीना मुख्य रूप से नई सामग्रियों के नवाचार और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की उन्नति पर निर्भर करता है। किसी भी मामले में, टेराहर्ट्ज़ एंटेना के विकास के लिए टेराहर्ट्ज़ एंटेना की 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 में तीन प्रकार के टेराहर्ट्ज़ एंटेना के मूल सिद्धांतों का परिचय दिया गया है: धातु एंटेना, परावैद्युत एंटेना और नई सामग्री एंटेना, तथा उनके अंतरों और फायदे और नुकसान का विश्लेषण किया गया है।
1. धातु एंटीना: ज्यामिति सरल, प्रक्रिया में आसान, अपेक्षाकृत कम लागत वाली और सब्सट्रेट सामग्री के लिए कम आवश्यकताएं हैं। हालांकि, धातु एंटीना एंटीना की स्थिति को समायोजित करने के लिए एक यांत्रिक विधि का उपयोग करते हैं, जो त्रुटियों के लिए प्रवण है। यदि समायोजन सही नहीं है, तो एंटीना का प्रदर्शन बहुत कम हो जाएगा। हालांकि धातु एंटीना आकार में छोटा है, लेकिन इसे प्लानर सर्किट के साथ इकट्ठा करना मुश्किल है।
2. डाइइलेक्ट्रिक एंटीना: डाइइलेक्ट्रिक एंटीना में कम इनपुट प्रतिबाधा होती है, इसे कम प्रतिबाधा डिटेक्टर से मिलान करना आसान होता है, और इसे प्लानर सर्किट से जोड़ना अपेक्षाकृत सरल होता है। डाइइलेक्ट्रिक एंटीना के ज्यामितीय आकार में तितली आकार, डबल यू आकार, पारंपरिक लघुगणक आकार और लघुगणक आवधिक साइन आकार शामिल हैं। हालाँकि, डाइइलेक्ट्रिक एंटीना में एक घातक दोष भी होता है, जो मोटे सब्सट्रेट के कारण होने वाला सतही तरंग प्रभाव है। इसका समाधान एक लेंस को लोड करना और डाइइलेक्ट्रिक सब्सट्रेट को EBG संरचना से बदलना है। दोनों समाधानों के लिए प्रक्रिया प्रौद्योगिकी और सामग्रियों के नवाचार और निरंतर सुधार की आवश्यकता होती है, लेकिन उनके उत्कृष्ट प्रदर्शन (जैसे सर्वदिशात्मकता और सतही तरंग दमन) टेराहर्ट्ज़ एंटीना के अनुसंधान के लिए नए विचार प्रदान कर सकते हैं।
3. नई सामग्री एंटेना: वर्तमान में, कार्बन नैनोट्यूब से बने नए द्विध्रुवीय एंटेना और मेटामटेरियल से बने नए एंटीना ढांचे सामने आए हैं। नई सामग्री नई प्रदर्शन सफलताएं ला सकती है, लेकिन आधार सामग्री विज्ञान का नवाचार है। वर्तमान में, नई सामग्री एंटेना पर शोध अभी भी खोजपूर्ण चरण में है, और कई प्रमुख प्रौद्योगिकियां पर्याप्त रूप से परिपक्व नहीं हैं।
संक्षेप में, डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार विभिन्न प्रकार के टेराहर्ट्ज़ 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 डिज़ाइन को विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार भी समायोजित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, दो प्रकार के एंटेना को अधिक लाभ प्राप्त करने के लिए 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 करने का समय: अगस्त-02-2024
