वायरलेस उपकरणों की बढ़ती लोकप्रियता के साथ, डेटा सेवाओं ने तीव्र 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, जो ले जाने में आसान और वास्तविक समय में संचालित करने योग्य हैं। इस स्थिति के कारण डेटा ट्रैफ़िक में भी तेजी से वृद्धि हुई है और बैंडविड्थ संसाधनों की कमी हो गई है। आंकड़ों के अनुसार, अगले 10 से 15 वर्षों में बाजार में डेटा दर Gbps या यहां तक कि Tbps तक पहुंच सकती है। वर्तमान में, THz संचार ने Gbps डेटा दर प्राप्त कर ली है, जबकि Tbps डेटा दर अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। एक संबंधित शोध पत्र THz बैंड पर आधारित 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 संचरण दर बढ़ाने के लिए, एक व्यवहार्य समाधान एक नए आवृत्ति बैंड, टेराहर्ट्ज़ बैंड को विकसित करना है, जो माइक्रोवेव और अवरक्त प्रकाश के बीच "रिक्त क्षेत्र" में स्थित है। 2019 में आईटीयू विश्व रेडियोसंचार सम्मेलन (डब्ल्यूआरसी-19) में, स्थिर और भूमि मोबाइल सेवाओं के लिए 275-450GHz की आवृत्ति सीमा का उपयोग किया गया था। इससे पता चलता है कि टेराहर्ट्ज़ वायरलेस संचार प्रणालियों ने कई शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया है।
टेराहर्ट्ज़ विद्युत चुम्बकीय तरंगों को सामान्यतः 0.1-10 THz (1 THz = 10¹²Hz) की आवृत्ति श्रेणी और 0.03-3 मिमी की तरंगदैर्ध्य के रूप में परिभाषित किया जाता है। IEEE मानक के अनुसार, टेराहर्ट्ज़ तरंगों को 0.3-10 THz के रूप में परिभाषित किया गया है। चित्र 1 दर्शाता है कि टेराहर्ट्ज़ आवृत्ति श्रेणी माइक्रोवेव और अवरक्त प्रकाश के बीच स्थित है।
चित्र 1. टीएचजेड आवृत्ति बैंड का योजनाबद्ध आरेख।
टेराहर्ट्ज़ एंटेना का विकास
हालांकि टेराहर्ट्ज़ पर शोध 19वीं शताब्दी में शुरू हुआ था, लेकिन उस समय इसे एक स्वतंत्र क्षेत्र के रूप में नहीं देखा जाता था। टेराहर्ट्ज़ विकिरण पर शोध मुख्य रूप से सुदूर-अवरक्त बैंड पर केंद्रित था। 20वीं शताब्दी के मध्य से अंत तक ही शोधकर्ताओं ने मिलीमीटर तरंग अनुसंधान को टेराहर्ट्ज़ बैंड तक विस्तारित करना और टेराहर्ट्ज़ प्रौद्योगिकी पर विशेष शोध करना शुरू किया।
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 प्रौद्योगिकी का तेजी से विकास हुआ है, और सूचना की बढ़ती मांग और संचार उपकरणों में वृद्धि ने संचार डेटा की संचरण दर पर और भी सख्त आवश्यकताएं पैदा कर दी हैं। इसलिए, भविष्य की संचार प्रौद्योगिकी की चुनौतियों में से एक है एक ही स्थान पर गीगाबिट प्रति सेकंड की उच्च डेटा दर पर काम करना। वर्तमान आर्थिक विकास के तहत, स्पेक्ट्रम संसाधन तेजी से दुर्लभ होते जा रहे हैं। हालांकि, संचार क्षमता और गति के लिए मानवीय आवश्यकताएं असीमित हैं। स्पेक्ट्रम की 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 (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 काफी बढ़ जाएगा। पारंपरिक मिलीमीटर तरंग संचार प्रणालियों के लिए, माइक्रोवेव लिंक इन विशाल डेटा प्रवाहों 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, माइक्रोवेव और अवरक्त के बीच की तरंग दैर्ध्य वाली टीएचजेड तरंगों का उपयोग करके उच्च गति संचार प्रणालियाँ बनाई जा सकती हैं और टीएचजेड लिंक के माध्यम से डेटा संचरण दर को बढ़ाया जा सकता है।
टेराहर्ट्ज़ तरंगें 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 THz 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 THz वायरलेस संचार मानक IEEE 802.15.3d-2017 जारी किया गया, 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 टीएचजेड की पहली सफल टीएचजेड संचार प्रणाली 2004 में स्थापित की गई थी, और 0.3 टीएचजेड की टीएचजेड संचार प्रणाली 2013 में साकार हुई। 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 के अनुसंधान में हुई प्रगति
2004 में विकसित एक संचार प्रणाली की एंटीना संरचना का विस्तृत वर्णन निप्पॉन टेलीग्राफ एंड टेलीफोन कॉर्पोरेशन (एनटीटी) द्वारा 2005 में किया गया था। एंटीना विन्यास को दो मामलों में प्रस्तुत किया गया था, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।
चित्र 2 जापान की एनटीटी 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 दूरी के इनडोर वातावरण में, इनडोर उपयोग किए जाने वाले प्लानर एंटीना ट्रांसमीटर में एक सिंगल-लाइन कैरियर फोटोडायोड (UTC-PD) चिप, एक प्लानर स्लॉट एंटीना और एक सिलिकॉन लेंस होता है, जैसा कि चित्र 2(a) में दिखाया गया है।
2. लंबी दूरी के बाहरी वातावरण में, उच्च संचरण हानि और डिटेक्टर की कम संवेदनशीलता के प्रभाव को कम करने के लिए, ट्रांसमीटर एंटीना का लाभ उच्च होना आवश्यक है। 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 0.3 THz संचार प्रणाली भी विकसित की। निरंतर अनुकूलन के माध्यम से, संचरण दर 100 Gbps तक पहुंच सकती है। तालिका 1 से देखा जा सकता है कि इसने टेराहर्ट्ज़ संचार के विकास में महत्वपूर्ण योगदान दिया है। हालांकि, वर्तमान शोध कार्य में कम परिचालन आवृत्ति, बड़ा आकार और उच्च लागत जैसी कमियां हैं।
वर्तमान में उपयोग किए जा रहे अधिकांश टेराहर्ट्ज़ एंटेना मिलीमीटर वेव एंटेना से संशोधित किए गए हैं, और टेराहर्ट्ज़ एंटेना के क्षेत्र में नवाचार बहुत कम हुआ है। इसलिए, टेराहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, टेराहर्ट्ज़ एंटेना का अनुकूलन करना एक महत्वपूर्ण कार्य है। तालिका 2 में जर्मन टीएचजेड संचार के अनुसंधान की प्रगति दर्शाई गई है। चित्र 3 (a) में फोटोनिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स को मिलाकर निर्मित एक प्रतिनिधि टीएचजेड वायरलेस संचार प्रणाली को दिखाया गया है। चित्र 3 (b) में विंड टनल परीक्षण का दृश्य दर्शाया गया है। जर्मनी में वर्तमान अनुसंधान स्थिति को देखते हुए, इसके अनुसंधान और विकास में कम परिचालन आवृत्ति, उच्च लागत और कम दक्षता जैसी कमियां भी हैं।
तालिका 2 जर्मनी में टीएचजेड संचार के अनुसंधान की 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 है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। चित्र 4 से देखा जा सकता है कि 2020 तक, वायरलेस संचार पर शोध टीएचजेड बैंड की ओर अग्रसर है। रेडियो स्पेक्ट्रम का उपयोग करके अधिकतम संचार आवृत्ति हर बीस वर्षों 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। चित्र 5 में दिखाया गया है कि दो हॉर्न एंटेना क्रमशः 0.84 टीएचजेड और 1.7 टीएचजेड 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-डीसीपीए105145-20
चित्र 5 हॉर्न एंटेना के दो प्रकार
संयुक्त राज्य अमेरिका ने टेराहर्ट्ज़ तरंगों के उत्सर्जन और पहचान 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 बो टाई एंटेना और फ़्रीक्वेंसी बीम स्टीयरिंग एंटेना। टेराहर्ट्ज़ एंटेना के विकास के अनुसार, वर्तमान में टेराहर्ट्ज़ एंटेना के लिए तीन बुनियादी डिज़ाइन विचार प्राप्त किए जा 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 काफी ध्यान दिया है, फिर भी यह अभी भी प्रारंभिक अन्वेषण और विकास चरण में है। उच्च प्रसार हानि और आणविक अवशोषण के कारण, टीएचजेड एंटेना आमतौर पर संचरण दूरी और कवरेज द्वारा सीमित होते हैं। कुछ अध्ययन टीएचजेड बैंड में निम्न परिचालन आवृत्तियों पर केंद्रित हैं। वर्तमान टेराहर्ट्ज़ एंटेना अनुसंधान मुख्य रूप से डाइइलेक्ट्रिक लेंस एंटेना आदि के उपयोग से लाभ में सुधार और उपयुक्त एल्गोरिदम के उपयोग से संचार दक्षता में सुधार पर केंद्रित है। इसके अलावा, टेराहर्ट्ज़ एंटेना पैकेजिंग की दक्षता में सुधार कैसे किया जाए, यह भी एक अत्यंत महत्वपूर्ण मुद्दा है।
सामान्य टीएचजेड एंटेना
कई प्रकार के टीएचजेड एंटेना उपलब्ध हैं: शंक्वाकार गुहाओं वाले द्विध्रुवीय एंटेना, कॉर्नर रिफ्लेक्टर एरे, बो टाई द्विध्रुवीय एंटेना, डाइइलेक्ट्रिक लेंस प्लेनर एंटेना, टीएचजेड विकिरण उत्पन्न करने वाले फोटोकंडक्टिव एंटेना, हॉर्न एंटेना, ग्राफीन सामग्री पर आधारित टीएचजेड एंटेना आदि। टीएचजेड एंटेना बनाने में प्रयुक्त सामग्री के आधार पर, इन्हें मोटे तौर पर धातु एंटेना (मुख्य रूप से हॉर्न एंटेना), डाइइलेक्ट्रिक एंटेना (लेंस एंटेना) और नई सामग्री एंटेना में विभाजित किया जा सकता है। इस खंड में पहले इन एंटेना का प्रारंभिक विश्लेषण दिया गया है, और फिर अगले खंड में, पांच विशिष्ट टीएचजेड एंटेना का विस्तृत परिचय और गहन विश्लेषण किया गया है।
1. धातु के एंटेना
हॉर्न एंटीना एक विशिष्ट धातु का 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 ड्यूल-मोड एंटीना के कई फायदे हैं, जिनमें घूर्णी रूप से सममित विकिरण पैटर्न, 20 से 30 dBi का उच्च लाभ, -30 dB का निम्न क्रॉस-पोलराइजेशन स्तर और 97% से 98% की कपलिंग दक्षता शामिल हैं। दोनों हॉर्न एंटीना की उपलब्ध बैंडविड्थ क्रमशः 30%-40% और 6%-8% हैं।
टेराहर्ट्ज़ तरंगों की आवृत्ति बहुत अधिक होने के कारण, हॉर्न एंटीना का आकार बहुत छोटा होता है, जिससे हॉर्न का निर्माण बहुत कठिन हो जाता है, विशेष रूप से एंटीना एरे के डिज़ाइन में। निर्माण तकनीक की जटिलता के कारण लागत बहुत अधिक हो जाती है और उत्पादन सीमित हो जाता है। जटिल हॉर्न डिज़ाइन के निचले भाग के निर्माण में कठिनाई के कारण, आमतौर पर शंक्वाकार या शंकु के आकार के सरल हॉर्न एंटीना का उपयोग किया जाता है, जिससे लागत और निर्माण जटिलता कम हो जाती है और एंटीना का विकिरण प्रदर्शन भी बेहतर बना रहता है।
एक अन्य धातु एंटीना एक ट्रैवलिंग वेव पिरामिड एंटीना है, जिसमें 1.2 माइक्रोन की डाइइलेक्ट्रिक फिल्म पर एकीकृत एक ट्रैवलिंग वेव एंटीना होता है और इसे सिलिकॉन वेफर पर उत्कीर्ण एक अनुदैर्ध्य गुहा में निलंबित किया जाता है, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है। यह एंटीना एक खुली संरचना है जो शॉट्की डायोड के अनुकूल 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। हालांकि, एंटीना का साइडलोब स्तर और क्रॉस-पोलराइजेशन स्तर उच्च होता है, संभवतः इसकी खुली संरचना के कारण। इसलिए, इसकी युग्मन दक्षता अपेक्षाकृत कम (लगभग 50%) होती है।
चित्र 7 यात्रा तरंग पिरामिडनुमा एंटीना
2. डाइइलेक्ट्रिक एंटीना
डाइइलेक्ट्रिक एंटीना, डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट और एंटीना रेडिएटर का संयोजन है। उचित डिज़ाइन के माध्यम से, डाइइलेक्ट्रिक एंटीना डिटेक्टर के साथ प्रतिबाधा मिलान प्राप्त कर सकता है, और इसमें सरल प्रक्रिया, आसान एकीकरण और कम लागत के 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 वाले डिटेक्टरों से मेल खा सकते हैं: बटरफ्लाई एंटीना, डबल यू-आकार का एंटीना, लॉग-पीरियोडिक एंटीना और लॉग-पीरियोडिक साइनसोइडल एंटीना, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। इसके अलावा, जेनेटिक एल्गोरिदम के माध्यम से अधिक जटिल एंटीना ज्यामिति भी डिज़ाइन की जा सकती हैं।
चित्र 8 समतलीय एंटेना के चार प्रकार
हालांकि, चूंकि डाइइलेक्ट्रिक एंटीना को डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट के साथ जोड़ा जाता है, इसलिए आवृत्ति के THz बैंड की ओर बढ़ने पर सतह तरंग प्रभाव उत्पन्न होगा। यह घातक खामी एंटीना के संचालन के दौरान अत्यधिक ऊर्जा हानि का कारण बनेगी और एंटीना की विकिरण दक्षता में उल्लेखनीय कमी लाएगी। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, जब एंटीना का विकिरण कोण कटऑफ कोण से अधिक होता है, तो इसकी ऊर्जा डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट में समाहित हो जाती है और सबस्ट्रेट मोड के साथ युग्मित हो जाती है।
चित्र 9 एंटीना सतह तरंग प्रभाव
सब्सट्रेट की मोटाई बढ़ने के साथ, उच्च-क्रम मोड की संख्या बढ़ती है, और एंटीना तथा सब्सट्रेट के बीच युग्मन बढ़ता है, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा हानि होती है। सतह तरंग प्रभाव को कम 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 लगाएं।
2) विद्युत चुम्बकीय तरंगों के उच्च-क्रम मोड के उत्पादन 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 के एंटेना
उपरोक्त दो एंटेना के अतिरिक्त, नए पदार्थों से बना एक टेराहर्ट्ज़ एंटेना भी है। उदाहरण के लिए, 2006 में जिन हाओ और अन्य ने कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुव एंटेना का प्रस्ताव रखा। चित्र 10 (a) में दर्शाए अनुसार, यह द्विध्रुव धातु के बजाय कार्बन नैनोट्यूब से बना है। उन्होंने कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुव एंटेना के अवरक्त और प्रकाशीय गुणों का गहन अध्ययन किया और सीमित लंबाई वाले कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुव एंटेना की सामान्य विशेषताओं, जैसे कि इनपुट प्रतिबाधा, धारा वितरण, लाभ, दक्षता और विकिरण पैटर्न पर चर्चा की। चित्र 10 (b) कार्बन नैनोट्यूब द्विध्रुव एंटेना की इनपुट प्रतिबाधा और आवृत्ति के बीच संबंध दर्शाता है। चित्र 10 (b) में देखा जा सकता है कि उच्च आवृत्तियों पर इनपुट प्रतिबाधा के काल्पनिक भाग में कई शून्य हैं। यह दर्शाता है कि एंटेना विभिन्न आवृत्तियों पर कई अनुनाद प्राप्त कर सकता है। स्पष्ट रूप से, कार्बन नैनोट्यूब एंटेना एक निश्चित आवृत्ति सीमा (निम्न टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों) के भीतर अनुनाद प्रदर्शित करता है, लेकिन इस सीमा के बाहर बिल्कुल भी अनुनाद करने में 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 का प्रस्ताव रखा, 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 मेटासामग्री 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 नए टेराहर्ट्ज़ एंटेना मुख्य रूप से त्रि-आयामी हैं। एंटेना की बैंडविड्थ को बेहतर बनाने और अनुरूप एंटेना बनाने के लिए, समतल ग्राफीन एंटेना पर व्यापक ध्यान दिया जा रहा है। ग्राफीन में उत्कृष्ट गतिशील निरंतर नियंत्रण गुण होते हैं और बायस वोल्टेज को समायोजित करके सतह प्लाज्मा उत्पन्न किया जा सकता है। सतह प्लाज्मा धनात्मक परावैद्युत स्थिरांक वाले सब्सट्रेट (जैसे Si, SiO2, आदि) और ऋणात्मक परावैद्युत स्थिरांक वाले सब्सट्रेट (जैसे कीमती धातुएँ, ग्राफीन, आदि) के बीच इंटरफ़ेस पर मौजूद होता है। कीमती धातुओं और ग्राफीन जैसे चालकों में बड़ी संख्या में "मुक्त इलेक्ट्रॉन" होते हैं। इन मुक्त इलेक्ट्रॉनों को प्लाज्मा भी कहा जाता है। चालक में अंतर्निहित विभव क्षेत्र के कारण, ये प्लाज्मा स्थिर अवस्था में होते हैं और बाहरी वातावरण से अप्रभावित रहते हैं। जब आपतित विद्युत चुम्बकीय तरंग ऊर्जा इन प्लाज्माओं से जुड़ती है, तो प्लाज्मा स्थिर अवस्था से विचलित होकर कंपन करने लगते हैं। रूपांतरण के बाद, विद्युत चुम्बकीय मोड इंटरफ़ेस पर अनुप्रस्थ चुंबकीय तरंग बनाता 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 युग्मन और ऊर्जा रूपांतरण नहीं कर सकतीं। सतह प्लाज्मा तरंगों को उत्तेजित करने के लिए अन्य पदार्थों का उपयोग करना आवश्यक है। धातु-सब्सट्रेट इंटरफ़ेस की समानांतर दिशा में सतह प्लाज्मा तरंगें तेजी से क्षीण हो जाती हैं। जब धातु चालक सतह के लंबवत दिशा में चालकता करता है, तो एक स्किन इफेक्ट उत्पन्न होता है। स्पष्ट रूप से, एंटीना के छोटे आकार के कारण, उच्च आवृत्ति बैंड में स्किन इफेक्ट होता है, जिससे एंटीना का प्रदर्शन तेजी से गिरता है और टेराहर्ट्ज़ एंटीना की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पाता। ग्राफीन के सतह प्लाज्मा 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 पदार्थों को प्रतिस्थापित करने के लिए ग्राफीन की व्यवहार्यता को पूरी तरह से प्रदर्शित करती हैं।
ग्राफीन सतह प्लास्मोन के ध्रुवीकरण व्यवहार के आधार पर, चित्र 12 एक नए प्रकार के स्ट्रिप एंटीना को दर्शाता है, और ग्राफीन में प्लाज़्मा तरंगों के प्रसार विशेषताओं के बैंड आकार का प्रस्ताव करता है। ट्यूनेबल एंटीना बैंड का डिज़ाइन नए पदार्थ टेराहर्ट्ज़ एंटीना की प्रसार विशेषताओं का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
चित्र 12 नया स्ट्रिप एंटीना
टेराहर्ट्ज़ एंटीना तत्वों के लिए नई सामग्री की खोज के अलावा, टेराहर्ट्ज़ मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट एंटीना संचार प्रणालियों के निर्माण के लिए ग्राफीन नैनोपैच टेराहर्ट्ज़ एंटीना को सरणियों के रूप में भी डिज़ाइन किया जा सकता है। एंटीना संरचना चित्र 13 में दिखाई गई है। ग्राफीन नैनोपैच एंटीना के अद्वितीय गुणों के आधार पर, एंटीना तत्वों का आकार माइक्रोन-स्केल का होता है। रासायनिक वाष्प जमाव (केमिकल वेपर डिपोजिशन) द्वारा पतली निकल परत पर विभिन्न ग्राफीन छवियों को सीधे संश्लेषित किया जाता है और उन्हें किसी भी सब्सट्रेट पर स्थानांतरित किया जाता है। घटकों की उपयुक्त संख्या का चयन करके और इलेक्ट्रोस्टैटिक बायस वोल्टेज को बदलकर, विकिरण की 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
नई सामग्रियों पर शोध एक अपेक्षाकृत नया क्षेत्र है। सामग्रियों के नवाचार से पारंपरिक एंटेना की सीमाओं को पार करने और पुन: विन्यास योग्य मेटासामग्रियां, द्वि-आयामी (2D) सामग्रियां आदि जैसी विभिन्न प्रकार की नई एंटेना विकसित करने की उम्मीद है। हालांकि, इस प्रकार की एंटेना मुख्य रूप से नई सामग्रियों के नवाचार और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की उन्नति पर निर्भर करती है। किसी भी स्थिति में, टेराहर्ट्ज़ एंटेना के विकास के लिए नवीन सामग्रियों, सटीक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी और नवीन डिजाइन संरचनाओं की आवश्यकता होती है ताकि टेराहर्ट्ज़ एंटेना की उच्च लाभ, कम लागत और व्यापक बैंडविड्थ की आवश्यकताओं को पूरा किया जा सके।
निम्नलिखित में तीन प्रकार के टेराहर्ट्ज़ एंटेना के मूल सिद्धांतों का परिचय दिया गया है: धातु एंटेना, परावैद्युत एंटेना और नई सामग्री एंटेना, और उनके अंतरों और लाभों और हानियों का विश्लेषण किया गया है।
1. धातु का एंटीना: इसकी ज्यामिति सरल है, प्रसंस्करण आसान है, लागत अपेक्षाकृत कम है और सब्सट्रेट सामग्री की आवश्यकता भी कम है। हालांकि, धातु के एंटीना में स्थिति को समायोजित करने के लिए यांत्रिक विधि का उपयोग किया जाता है, जिससे त्रुटि की संभावना रहती है। यदि समायोजन सही नहीं है, तो एंटीना का प्रदर्शन काफी कम हो जाएगा। हालांकि धातु का एंटीना आकार में छोटा होता है, लेकिन इसे समतल परिपथ के साथ जोड़ना कठिन होता है।
2. डाइइलेक्ट्रिक एंटीना: डाइइलेक्ट्रिक एंटीना का इनपुट इंपीडेंस कम होता है, इसे कम इंपीडेंस वाले डिटेक्टर के साथ आसानी से मैच किया जा सकता है, और इसे प्लेनर सर्किट से जोड़ना अपेक्षाकृत सरल है। डाइइलेक्ट्रिक एंटीना के ज्यामितीय आकार में बटरफ्लाई आकार, डबल यू आकार, पारंपरिक लॉगरिदमिक आकार और लॉगरिदमिक आवधिक साइन आकार शामिल हैं। हालांकि, डाइइलेक्ट्रिक एंटीना में एक बड़ी खामी भी है, यानी मोटे सबस्ट्रेट के कारण उत्पन्न होने वाला सरफेस वेव प्रभाव। इसका समाधान लेंस लगाना और डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट को EBG संरचना से बदलना है। दोनों समाधानों के लिए प्रक्रिया प्रौद्योगिकी और सामग्रियों में नवाचार और निरंतर सुधार की आवश्यकता होती है, लेकिन इनका उत्कृष्ट प्रदर्शन (जैसे सर्वदिशात्मकता और सरफेस वेव दमन) टेराहर्ट्ज़ एंटीना के अनुसंधान के लिए नए विचार प्रदान कर सकता है।
3. नई सामग्री से बने एंटेना: वर्तमान में, कार्बन नैनोट्यूब से बने नए द्विध्रुवीय एंटेना और मेटासामग्री से बनी नई एंटेना संरचनाएं सामने आई हैं। नई सामग्री प्रदर्शन में नए बदलाव ला सकती हैं, लेकिन इसके लिए सामग्री विज्ञान में नवाचार आवश्यक है। वर्तमान में, नई सामग्री से बने एंटेना पर अनुसंधान अभी भी प्रारंभिक चरण में है, और कई प्रमुख प्रौद्योगिकियां अभी तक पर्याप्त रूप से विकसित नहीं हुई हैं।
संक्षेप में, डिजाइन की आवश्यकताओं के अनुसार विभिन्न प्रकार के टेराहर्ट्ज़ एंटेना का चयन किया जा सकता है:
1) यदि सरल डिजाइन और कम उत्पादन लागत की आवश्यकता हो, तो धातु के 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 कोई महत्वपूर्ण सुधार आवश्यक हो, तो नई सामग्री के 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 किए जा सकते हैं, लेकिन संयोजन 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: 2 अगस्त 2024
