वायरलेस उपकरणांच्या वाढत्या लोकप्रियतेमुळे, डेटा सेवांनी जलद विकासाच्या एका नवीन पर्वात प्रवेश केला आहे, ज्याला डेटा सेवांची स्फोटक वाढ म्हणूनही ओळखले जाते. सध्या, मोठ्या संख्येने ॲप्लिकेशन्स हळूहळू संगणकावरून मोबाईल फोनसारख्या वायरलेस उपकरणांकडे स्थलांतरित होत आहेत, जी वाहून नेण्यास आणि रिअल-टाइममध्ये चालवण्यास सोपी आहेत. परंतु या परिस्थितीमुळे डेटा ट्रॅफिकमध्ये झपाट्याने वाढ झाली आहे आणि बँडविड्थ संसाधनांची कमतरता निर्माण झाली आहे. आकडेवारीनुसार, पुढील १० ते १५ वर्षांत बाजारातील डेटा दर Gbps किंवा Tbps पर्यंत पोहोचू शकतो. सध्या, THz कम्युनिकेशनने Gbps डेटा दर गाठला आहे, तर Tbps डेटा दर अजूनही विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात आहे. एका संबंधित शोधनिबंधात THz बँडवर आधारित Gbps डेटा दरांमधील नवीनतम प्रगतीची नोंद केली आहे आणि ध्रुवीकरण मल्टिप्लेक्सिंगद्वारे Tbps मिळवता येईल असा अंदाज वर्तवला आहे. त्यामुळे, डेटा ट्रान्समिशनचा दर वाढवण्यासाठी, एक व्यवहार्य उपाय म्हणजे एक नवीन फ्रिक्वेन्सी बँड विकसित करणे, जो टेराहर्ट्झ बँड आहे आणि मायक्रोवेव्ह व इन्फ्रारेड प्रकाशामधील "रिक्त क्षेत्रात" येतो. २०१९ मध्ये झालेल्या आयटीयू जागतिक रेडिओकम्युनिकेशन परिषदेत (WRC-19), स्थिर आणि भू-आधारित मोबाईल सेवांसाठी २७५-४५०GHz या फ्रिक्वेन्सी रेंजचा वापर करण्यात आला आहे. यावरून असे दिसून येते की टेराहर्ट्झ वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टीम्सने अनेक संशोधकांचे लक्ष वेधून घेतले आहे.
टेराहर्ट्झ विद्युतचुंबकीय लहरी सामान्यतः ०.१-१० THz (१ THz = १०¹² Hz) या वारंवारता पट्ट्यात परिभाषित केल्या जातात, ज्यांची तरंगलांबी ०.०३-३ मिमी असते. IEEE मानकानुसार, टेराहर्ट्झ लहरी ०.३-१० THz म्हणून परिभाषित केल्या जातात. आकृती १ दर्शवते की टेराहर्ट्झ वारंवारता पट्टा मायक्रोवेव्ह आणि इन्फ्रारेड प्रकाशाच्या दरम्यान आहे.
आकृती १. टेराहर्ट्झ (THz) वारंवारता बँडचा योजनाबद्ध आराखडा.
टेराहर्ट्झ अँटेनांचा विकास
जरी टेराहर्ट्झ संशोधन १९व्या शतकात सुरू झाले असले तरी, त्या वेळी त्याचा एक स्वतंत्र क्षेत्र म्हणून अभ्यास केला जात नव्हता. टेराहर्ट्झ प्रारणावरील संशोधन मुख्यत्वे दूर-अवरक्त पट्टीवर केंद्रित होते. २०व्या शतकाच्या मध्यापासून ते अखेरपर्यंत संशोधकांनी मिलिमीटर वेव्ह संशोधनाला टेराहर्ट्झ पट्टीपर्यंत पुढे नेण्यास आणि विशेष टेराहर्ट्झ तंत्रज्ञान संशोधन करण्यास सुरुवात केली नव्हती.
१९८० च्या दशकात, टेराहर्ट्झ रेडिएशन स्रोतांच्या उदयानंतर व्यावहारिक प्रणालींमध्ये टेराहर्ट्झ लहरींचा वापर शक्य झाला. २१ व्या शतकापासून, वायरलेस कम्युनिकेशन तंत्रज्ञानाचा वेगाने विकास झाला आहे, आणि लोकांची माहितीची मागणी व कम्युनिकेशन उपकरणांमधील वाढीमुळे कम्युनिकेशन डेटाच्या ट्रान्समिशन दरावर अधिक कठोर आवश्यकता निर्माण झाल्या आहेत. त्यामुळे, भविष्यातील कम्युनिकेशन तंत्रज्ञानापुढील एक आव्हान म्हणजे एकाच ठिकाणी गिगाबिट्स प्रति सेकंद या उच्च डेटा दराने कार्य करणे. सध्याच्या आर्थिक विकासामुळे, स्पेक्ट्रम संसाधने अधिकाधिक दुर्मिळ झाली आहेत. तथापि, कम्युनिकेशन क्षमता आणि गतीसाठी मानवी गरजा अमर्याद आहेत. स्पेक्ट्रमच्या गर्दीच्या समस्येवर उपाय म्हणून, अनेक कंपन्या स्पॅशियल मल्टिप्लेक्सिंगद्वारे स्पेक्ट्रमची कार्यक्षमता आणि प्रणालीची क्षमता सुधारण्यासाठी मल्टिपल-इनपुट मल्टिपल-आउटपुट (MIMO) तंत्रज्ञानाचा वापर करतात. ५जी नेटवर्कच्या प्रगतीमुळे, प्रत्येक वापरकर्त्याचा डेटा कनेक्शन वेग Gbps पेक्षा जास्त होईल आणि बेस स्टेशनवरील डेटा ट्रॅफिकमध्येही लक्षणीय वाढ होईल. पारंपरिक मिलीमीटर वेव्ह कम्युनिकेशन प्रणालींसाठी, मायक्रोवेव्ह लिंक्स या प्रचंड डेटा प्रवाहांचे व्यवस्थापन करण्यास सक्षम नसतील. याव्यतिरिक्त, थेट दृष्टीरेषेच्या प्रभावामुळे, इन्फ्रारेड कम्युनिकेशनचे प्रसारण अंतर कमी असते आणि त्याच्या कम्युनिकेशन उपकरणांचे स्थान निश्चित असते. त्यामुळे, मायक्रोवेव्ह आणि इन्फ्रारेडच्या दरम्यान असलेल्या THz लहरींचा वापर करून, THz लिंक्सच्या साहाय्याने उच्च-गती कम्युनिकेशन सिस्टीम तयार करता येतात आणि डेटा ट्रान्समिशनचा वेग वाढवता येतो.
टेराहर्ट्झ लहरी अधिक विस्तृत कम्युनिकेशन बँडविड्थ प्रदान करू शकतात आणि त्यांची फ्रिक्वेन्सी रेंज मोबाईल कम्युनिकेशनच्या तुलनेत सुमारे १००० पट जास्त आहे. त्यामुळे, अति-उच्च-गती वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टीम तयार करण्यासाठी THz चा वापर करणे, हे उच्च डेटा दरांच्या आव्हानावर एक आश्वासक उपाय आहे, ज्याने अनेक संशोधक गट आणि उद्योगांचे लक्ष वेधले आहे. सप्टेंबर २०१७ मध्ये, पहिले THz वायरलेस कम्युनिकेशन मानक IEEE 802.15.3d-2017 प्रसिद्ध करण्यात आले, जे २५२-३२५ GHz च्या कमी THz फ्रिक्वेन्सी रेंजमधील पॉइंट-टू-पॉइंट डेटा देवाणघेवाण परिभाषित करते. लिंकचा पर्यायी फिजिकल लेयर (PHY) वेगवेगळ्या बँडविड्थवर १०० Gbps पर्यंतचा डेटा दर साध्य करू शकतो.
०.१२ टेराहर्ट्झची पहिली यशस्वी टेराहर्ट्झ कम्युनिकेशन सिस्टीम २००४ मध्ये स्थापित करण्यात आली आणि ०.३ टेराहर्ट्झची टेराहर्ट्झ कम्युनिकेशन सिस्टीम २०१३ मध्ये साकार झाली. तक्ता १ मध्ये २००४ ते २०१३ या कालावधीतील जपानमधील टेराहर्ट्झ कम्युनिकेशन सिस्टीमच्या संशोधनातील प्रगती दर्शविली आहे.
तक्ता १: २००४ ते २०१३ या कालावधीत जपानमधील टेराहर्ट्झ कम्युनिकेशन सिस्टीममधील संशोधनाची प्रगती
२००४ मध्ये विकसित केलेल्या एका संचार प्रणालीच्या अँटेना रचनेचे तपशीलवार वर्णन निप्पॉन टेलिग्राफ अँड टेलिफोन कॉर्पोरेशन (एनटीटी) ने २००५ मध्ये केले. आकृती २ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, अँटेना संरचना दोन प्रकरणांमध्ये सादर करण्यात आली.
आकृती २ जपानच्या एनटीटी १२० गिगाहर्ट्झ वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टीमचा योजनाबद्ध आराखडा
या प्रणालीमध्ये फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण आणि अँटेना एकीकृत केलेले असून ती दोन कार्यपद्धती अवलंबते:
1. जवळच्या अंतरावरील घरातील वातावरणात, घरामध्ये वापरल्या जाणाऱ्या प्लॅनर अँटेना ट्रान्समीटरमध्ये सिंगल-लाइन कॅरियर फोटोडायोड (UTC-PD) चिप, प्लॅनर स्लॉट अँटेना आणि सिलिकॉन लेन्स यांचा समावेश असतो, जसे की आकृती 2(a) मध्ये दाखवले आहे.
२. दूरच्या बाह्य वातावरणात, मोठ्या ट्रान्समिशन लॉसचा आणि डिटेक्टरच्या कमी संवेदनशीलतेचा प्रभाव सुधारण्यासाठी, ट्रान्समीटर अँटेनामध्ये उच्च गेन असणे आवश्यक आहे. सध्याच्या टेराहर्ट्झ अँटेनामध्ये ५० dBi पेक्षा जास्त गेन असलेली गॉसियन ऑप्टिकल लेन्स वापरली जाते. फीड हॉर्न आणि डायलेक्ट्रिक लेन्सचे संयोजन आकृती २(b) मध्ये दाखवले आहे.
०.१२ THz कम्युनिकेशन सिस्टीम विकसित करण्याव्यतिरिक्त, NTT ने २०१२ मध्ये ०.३ THz कम्युनिकेशन सिस्टीम देखील विकसित केली. सततच्या ऑप्टिमायझेशनमुळे, ट्रान्समिशन रेट १०० Gbps पर्यंत वाढवता येतो. तक्ता १ वरून दिसून येते की, याने टेराहर्ट्झ कम्युनिकेशनच्या विकासात मोठे योगदान दिले आहे. तथापि, सध्याच्या संशोधन कार्यात कमी ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सी, मोठा आकार आणि जास्त खर्च हे तोटे आहेत.
सध्या वापरले जाणारे बहुतेक टेराहर्ट्झ अँटेना हे मिलीमीटर वेव्ह अँटेनांमध्ये बदल करून बनवलेले आहेत आणि टेराहर्ट्झ अँटेनांमध्ये फारसे नावीन्य नाही. त्यामुळे, टेराहर्ट्झ कम्युनिकेशन सिस्टीमची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी, टेराहर्ट्झ अँटेनांना ऑप्टिमाइझ करणे हे एक महत्त्वाचे कार्य आहे. तक्ता २ मध्ये जर्मन THz कम्युनिकेशनमधील संशोधन प्रगतीची माहिती दिली आहे. आकृती ३ (अ) मध्ये फोटोनिक्स आणि इलेक्ट्रॉनिक्स यांचे संयोजन असलेली एक प्रातिनिधिक THz वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टीम दर्शविली आहे. आकृती ३ (ब) मध्ये विंड टनेल चाचणीचे दृश्य दाखवले आहे. जर्मनीमधील सध्याच्या संशोधन परिस्थितीवरून असे दिसते की, कमी ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सी, उच्च खर्च आणि कमी कार्यक्षमता यांसारखे तोटे देखील त्याच्या संशोधन आणि विकासात आहेत.
तक्ता २ जर्मनीमधील टेराहर्ट्झ संप्रेषणाच्या संशोधनातील प्रगती
आकृती ३ पवन बोगद्यातील चाचणीचे दृश्य
CSIRO ICT केंद्राने THz इनडोअर वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टीमवर संशोधन सुरू केले आहे. केंद्राने वर्ष आणि कम्युनिकेशन फ्रिक्वेन्सी यांच्यातील संबंधाचा अभ्यास केला, जसे की आकृती ४ मध्ये दाखवले आहे. आकृती ४ वरून असे दिसून येते की, २०२० पर्यंत वायरलेस कम्युनिकेशनवरील संशोधन THz बँडकडे झुकत आहे. रेडिओ स्पेक्ट्रम वापरून कमाल कम्युनिकेशन फ्रिक्वेन्सी दर वीस वर्षांनी सुमारे दहा पटीने वाढते. केंद्राने THz अँटेनाच्या आवश्यकतांवर शिफारसी केल्या आहेत आणि THz कम्युनिकेशन सिस्टीमसाठी हॉर्न आणि लेन्ससारखे पारंपरिक अँटेना प्रस्तावित केले आहेत. आकृती ५ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, दोन हॉर्न अँटेना अनुक्रमे ०.८४ THz आणि १.७ THz वर काम करतात, ज्यांची रचना साधी आहे आणि गॉसियन बीमची कामगिरी चांगली आहे.
आकृती ४ वर्ष आणि वारंवारता यांच्यातील संबंध
आरएम-बीडीएचए८१८-२०ए
आरएम-डीसीपीएचए१०५१४५-२०
आकृती ५ हॉर्न अँटेनाचे दोन प्रकार
अमेरिकेने टेराहर्ट्झ लहरींच्या उत्सर्जनावर आणि शोधावर विस्तृत संशोधन केले आहे. प्रसिद्ध टेराहर्ट्झ संशोधन प्रयोगशाळांमध्ये जेट प्रोपल्शन लॅबोरेटरी (JPL), स्टॅनफोर्ड लिनियर ॲक्सिलरेटर सेंटर (SLAC), यूएस नॅशनल लॅबोरेटरी (LLNL), नॅशनल एरोनॉटिक्स अँड स्पेस ॲडमिनिस्ट्रेशन (NASA), नॅशनल सायन्स फाउंडेशन (NSF) इत्यादींचा समावेश आहे. टेराहर्ट्झ अनुप्रयोगांसाठी नवीन टेराहर्ट्झ अँटेना तयार करण्यात आले आहेत, जसे की बो-टाय अँटेना आणि फ्रिक्वेन्सी बीम स्टीअरिंग अँटेना. टेराहर्ट्झ अँटेनाच्या विकासानुसार, सध्या आपल्याला टेराहर्ट्झ अँटेनासाठी तीन मूलभूत डिझाइन कल्पना मिळतात, ज्या आकृती ६ मध्ये दर्शविल्या आहेत.
आकृती ६ टेराहर्ट्झ अँटेनासाठी तीन मूलभूत डिझाइन कल्पना
वरील विश्लेषणावरून असे दिसून येते की, जरी अनेक देशांनी टेराहर्ट्झ अँटेनाकडे मोठे लक्ष दिले असले तरी, ते अजूनही सुरुवातीच्या संशोधन आणि विकासाच्या टप्प्यात आहे. उच्च प्रसारण हानी आणि आण्विक शोषणामुळे, THz अँटेना सामान्यतः प्रसारण अंतर आणि व्याप्तीच्या बाबतीत मर्यादित असतात. काही अभ्यास THz बँडमधील कमी ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सीवर लक्ष केंद्रित करतात. सध्याचे टेराहर्ट्झ अँटेना संशोधन मुख्यत्वे डायलेक्ट्रिक लेन्स अँटेना इत्यादींचा वापर करून गेन सुधारण्यावर आणि योग्य अल्गोरिदम वापरून संप्रेषण कार्यक्षमता सुधारण्यावर लक्ष केंद्रित करते. याव्यतिरिक्त, टेराहर्ट्झ अँटेनाच्या पॅकेजिंगची कार्यक्षमता कशी सुधारावी हा देखील एक अत्यंत महत्त्वाचा मुद्दा आहे.
सर्वसाधारण THz अँटेना
THz अँटेनांचे अनेक प्रकार उपलब्ध आहेत: शंकूच्या आकाराच्या पोकळी असलेले डायपोल अँटेना, कॉर्नर रिफ्लेक्टर अॅरे, बो-टाय डायपोल, डायलेक्ट्रिक लेन्स प्लॅनर अँटेना, THz किरणोत्सर्ग निर्माण करणारे फोटोकंडक्टिव्ह अँटेना, हॉर्न अँटेना, ग्राफीन सामग्रीवर आधारित THz अँटेना इत्यादी. THz अँटेना बनवण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीनुसार, त्यांची ढोबळमानाने मेटल अँटेना (मुख्यतः हॉर्न अँटेना), डायलेक्ट्रिक अँटेना (लेन्स अँटेना) आणि नवीन सामग्रीचे अँटेना यांमध्ये विभागणी करता येते. या विभागात प्रथम या अँटेनांचे प्राथमिक विश्लेषण दिले आहे आणि त्यानंतर पुढील विभागात, पाच वैशिष्ट्यपूर्ण THz अँटेनांची सविस्तर ओळख करून देऊन त्यांचे सखोल विश्लेषण केले आहे.
१. धातूचे अँटेना
हॉर्न अँटेना हा एक सामान्य धातूचा अँटेना आहे जो THz बँडमध्ये काम करण्यासाठी डिझाइन केलेला असतो. क्लासिक मिलीमीटर वेव्ह रिसीव्हरचा अँटेना हा एक शंकूच्या आकाराचा हॉर्न असतो. कोरुगेटेड आणि ड्युअल-मोड अँटेनांचे अनेक फायदे आहेत, ज्यात रोटेशनली सिमेट्रिक रेडिएशन पॅटर्न, २० ते ३० dBi चा उच्च गेन, -३० dB ची कमी क्रॉस-पोलरायझेशन पातळी आणि ९७% ते ९८% ची कपलिंग कार्यक्षमता यांचा समावेश आहे. दोन हॉर्न अँटेनांची उपलब्ध बँडविड्थ अनुक्रमे ३०%-४०% आणि ६%-८% आहे.
टेराहर्ट्झ लहरींची वारंवारता खूप जास्त असल्यामुळे, हॉर्न अँटेनाचा आकार खूप लहान असतो, ज्यामुळे हॉर्नवर प्रक्रिया करणे खूप कठीण होते, विशेषतः अँटेना अॅरेच्या डिझाइनमध्ये. प्रक्रिया तंत्रज्ञानाच्या गुंतागुंतीमुळे खर्च खूप वाढतो आणि उत्पादन मर्यादित होते. गुंतागुंतीच्या हॉर्न डिझाइनच्या तळाच्या निर्मितीतील अडचणींमुळे, सामान्यतः शंकूच्या आकाराच्या किंवा शंकूच्या आकाराच्या साध्या हॉर्न अँटेनाचा वापर केला जातो, ज्यामुळे खर्च आणि प्रक्रियेची गुंतागुंत कमी करता येते आणि अँटेनाची रेडिएशन कार्यक्षमता चांगल्या प्रकारे टिकवून ठेवता येते.
दुसरा धातूचा अँटेना म्हणजे ट्रॅव्हलिंग वेव्ह पिरॅमिड अँटेना, जो आकृती ७ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, १.२ मायक्रॉनच्या डायलेक्ट्रिक फिल्मवर एकात्मिक केलेल्या ट्रॅव्हलिंग वेव्ह अँटेनाचा बनलेला असतो आणि सिलिकॉन वेफरवर कोरलेल्या लांबट पोकळीत (लॉन्जिट्युडिनल कॅव्हिटी) निलंबित केलेला असतो. हा अँटेना एक खुली रचना आहे जी शोटकी डायोडशी सुसंगत आहे. त्याच्या तुलनेने सोप्या रचनेमुळे आणि कमी उत्पादन आवश्यकतांमुळे, तो सामान्यतः ०.६ THz पेक्षा जास्त फ्रिक्वेन्सी बँडमध्ये वापरला जाऊ शकतो. तथापि, अँटेनाची साइडलोब पातळी आणि क्रॉस-पोलरायझेशन पातळी जास्त असते, कदाचित त्याच्या खुल्या रचनेमुळे. त्यामुळे, त्याची कपलिंग कार्यक्षमता तुलनेने कमी असते (सुमारे ५०%).
आकृती ७ प्रवास करणाऱ्या तरंगाचा पिरॅमिडल अँटेना
२. डायलेक्ट्रिक अँटेना
डायलेक्ट्रिक अँटेना हा डायलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट आणि अँटेना रेडिएटर यांचे संयोजन आहे. योग्य रचनेद्वारे, डायलेक्ट्रिक अँटेना डिटेक्टरसोबत इम्पेडन्स मॅचिंग साधू शकतो आणि त्याची प्रक्रिया सोपी, एकत्रीकरण सुलभ व खर्च कमी असतो. अलिकडच्या वर्षांत, संशोधकांनी टेराहर्ट्झ डायलेक्ट्रिक अँटेनाच्या कमी-इम्पेडन्स डिटेक्टरशी जुळणारे अनेक नॅरोबँड आणि ब्रॉडबँड साइड-फायर अँटेना डिझाइन केले आहेत: बटरफ्लाय अँटेना, डबल यू-आकाराचा अँटेना, लॉग-पिरिऑडिक अँटेना आणि लॉग-पिरिऑडिक साइनोसाइडल अँटेना, जसे की आकृती ८ मध्ये दाखवले आहे. याव्यतिरिक्त, जेनेटिक अल्गोरिदमद्वारे अधिक जटिल अँटेना भूमिती डिझाइन केल्या जाऊ शकतात.
आकृती ८ प्लॅनर अँटेनाचे चार प्रकार
तथापि, डायलेक्ट्रिक अँटेना डायलेक्ट्रिक सबस्ट्रेटसोबत जोडलेला असल्यामुळे, जेव्हा वारंवारता THz बँडकडे झुकते तेव्हा पृष्ठतरंग प्रभाव (surface wave effect) निर्माण होतो. या गंभीर तोट्यामुळे अँटेना कार्यरत असताना मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा गमावतो आणि अँटेनाच्या रेडिएशन कार्यक्षमतेत लक्षणीय घट होते. आकृती ९ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, जेव्हा अँटेनाचा रेडिएशन कोन कटऑफ कोनापेक्षा जास्त असतो, तेव्हा त्याची ऊर्जा डायलेक्ट्रिक सबस्ट्रेटमध्ये बंदिस्त होते आणि सबस्ट्रेट मोडसोबत जोडली जाते.
आकृती ९ अँटेना पृष्ठ तरंग परिणाम
सबस्ट्रेटची जाडी वाढल्याने, उच्च-क्रम मोडची संख्या वाढते आणि अँटेना व सबस्ट्रेटमधील युग्मन वाढते, ज्यामुळे ऊर्जेचा अपव्यय होतो. पृष्ठतरंग प्रभाव कमी करण्यासाठी, तीन अनुकूलन योजना आहेत:
१) विद्युत चुंबकीय लहरींच्या बीमफॉर्मिंग वैशिष्ट्यांचा वापर करून गेन वाढवण्यासाठी अँटेनावर लेन्स लावा.
२) विद्युत चुंबकीय लहरींच्या उच्च-क्रम मोडची निर्मिती रोखण्यासाठी सब्सट्रेटची जाडी कमी करा.
३) सबस्ट्रेट डायलेक्ट्रिक मटेरियलच्या जागी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक बँड गॅप (EBG) वापरा. EBG ची स्पॅशियल फिल्टरिंग वैशिष्ट्ये उच्च-ऑर्डर मोड्सना दाबून टाकू शकतात.
३. नवीन सामग्रीचे अँटेना
वरील दोन अँटेनांव्यतिरिक्त, नवीन सामग्रीपासून बनवलेला एक टेराहर्ट्झ अँटेना देखील आहे. उदाहरणार्थ, २००६ मध्ये, जिन हाओ आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी कार्बन नॅनोट्यूब डायपोल अँटेना प्रस्तावित केला. आकृती १० (अ) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, हा डायपोल धातूच्या सामग्रीऐवजी कार्बन नॅनोट्यूबपासून बनलेला आहे. त्यांनी कार्बन नॅनोट्यूब डायपोल अँटेनाच्या इन्फ्रारेड आणि ऑप्टिकल गुणधर्मांचा काळजीपूर्वक अभ्यास केला आणि मर्यादित-लांबीच्या कार्बन नॅनोट्यूब डायपोल अँटेनाच्या सामान्य वैशिष्ट्यांवर चर्चा केली, जसे की इनपुट इम्पेडन्स, करंट वितरण, गेन, कार्यक्षमता आणि रेडिएशन पॅटर्न. आकृती १० (ब) कार्बन नॅनोट्यूब डायपोल अँटेनाच्या इनपुट इम्पेडन्स आणि फ्रिक्वेन्सीमधील संबंध दर्शवते. आकृती १० (ब) मध्ये पाहिल्याप्रमाणे, इनपुट इम्पेडन्सच्या काल्पनिक भागात उच्च फ्रिक्वेन्सीवर अनेक शून्य आहेत. हे दर्शवते की अँटेना वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीवर अनेक अनुनाद (resonances) साधू शकतो. स्पष्टपणे, कार्बन नॅनोट्यूब अँटेना एका विशिष्ट फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये (कमी THz फ्रिक्वेन्सी) अनुनाद दर्शवतो, परंतु या रेंजच्या बाहेर अनुनाद साधण्यास पूर्णपणे असमर्थ आहे.
आकृती १० (अ) कार्बन नॅनोट्यूब डायपोल अँटेना. (ब) इनपुट इम्पेडन्स-फ्रिक्वेन्सी वक्र
२०१२ मध्ये, समीर एफ. महमूद आणि अयेद आर. अलअजमी यांनी कार्बन नॅनोट्यूबवर आधारित एका नवीन टेराहर्ट्झ अँटेना संरचनेचा प्रस्ताव मांडला, ज्यात दोन डायलेक्ट्रिक थरांमध्ये गुंडाळलेल्या कार्बन नॅनोट्यूबच्या जुडग्याचा समावेश आहे. आतील डायलेक्ट्रिक थर हा डायलेक्ट्रिक फोमचा थर आहे, आणि बाहेरील डायलेक्ट्रिक थर हा मेटामटेरियलचा थर आहे. ही विशिष्ट रचना आकृती ११ मध्ये दर्शविली आहे. चाचणीद्वारे, सिंगल-वॉल्ड कार्बन नॅनोट्यूबच्या तुलनेत अँटेनाच्या रेडिएशन कामगिरीमध्ये सुधारणा झाली आहे.
आकृती ११ कार्बन नॅनोट्यूबवर आधारित नवीन टेराहर्ट्झ अँटेना
वर प्रस्तावित केलेले नवीन मटेरियल टेराहर्ट्झ अँटेना प्रामुख्याने त्रि-मितीय आहेत. अँटेनाची बँडविड्थ सुधारण्यासाठी आणि अनुरूप अँटेना बनवण्यासाठी, प्लेनर ग्राफीन अँटेनांना व्यापक लक्ष मिळाले आहे. ग्राफीनमध्ये उत्कृष्ट गतिशील सतत नियंत्रण वैशिष्ट्ये आहेत आणि ते बायस व्होल्टेज समायोजित करून पृष्ठभागीय प्लाझ्मा निर्माण करू शकते. पृष्ठभागीय प्लाझ्मा हा धन डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असलेल्या सब्सट्रेट्स (जसे की Si, SiO2, इत्यादी) आणि ऋण डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असलेल्या सब्सट्रेट्स (जसे की मौल्यवान धातू, ग्राफीन, इत्यादी) यांच्या इंटरफेसवर अस्तित्वात असतो. मौल्यवान धातू आणि ग्राफीनसारख्या वाहकांमध्ये मोठ्या संख्येने "मुक्त इलेक्ट्रॉन" असतात. या मुक्त इलेक्ट्रॉनला प्लाझ्मा असेही म्हणतात. वाहकामधील अंगभूत संभाव्य क्षेत्रामुळे, हे प्लाझ्मा स्थिर अवस्थेत असतात आणि बाह्य जगामुळे विचलित होत नाहीत. जेव्हा आपाती विद्युत चुंबकीय लहरींची ऊर्जा या प्लाझ्मामध्ये जोडली जाते, तेव्हा प्लाझ्मा स्थिर अवस्थेपासून विचलित होतो आणि कंपन करतो. रूपांतरणानंतर, विद्युत चुंबकीय मोड इंटरफेसवर एक अनुप्रस्थ चुंबकीय लहर तयार करतो. ड्रूड मॉडेलनुसार धातूच्या पृष्ठभागावरील प्लाझ्माच्या प्रकीर्णन संबंधाच्या वर्णनानुसार, धातू मोकळ्या जागेत विद्युतचुंबकीय लहरींशी नैसर्गिकरित्या जुळू शकत नाहीत आणि ऊर्जेचे रूपांतर करू शकत नाहीत. पृष्ठभागावरील प्लाझ्मा लहरींना उत्तेजित करण्यासाठी इतर पदार्थांचा वापर करणे आवश्यक असते. धातू-आधार इंटरफेसच्या समांतर दिशेत पृष्ठभागावरील प्लाझ्मा लहरी वेगाने क्षीण होतात. जेव्हा धातूचा वाहक पृष्ठभागाला लंब दिशेने वहन करतो, तेव्हा स्किन इफेक्ट (त्वचेसारखा परिणाम) होतो. साहजिकच, अँटेनाच्या लहान आकारामुळे, उच्च वारंवारता बँडमध्ये स्किन इफेक्ट दिसून येतो, ज्यामुळे अँटेनाची कार्यक्षमता झपाट्याने कमी होते आणि तो टेराहर्ट्झ अँटेनाच्या गरजा पूर्ण करू शकत नाही. ग्राफीनच्या पृष्ठभागावरील प्लाझ्मामध्ये केवळ उच्च बंधन शक्ती आणि कमी हानीच नसते, तर तो सतत विद्युत ट्यूनिंगलाही समर्थन देतो. याव्यतिरिक्त, ग्राफीनमध्ये टेराहर्ट्झ बँडमध्ये जटिल चालकता असते. त्यामुळे, मंद लहरींचा प्रसार हा टेराहर्ट्झ वारंवारतेवरील प्लाझ्मा मोडशी संबंधित असतो. ही वैशिष्ट्ये टेराहर्ट्झ बँडमध्ये धातूच्या पदार्थांची जागा घेण्यासाठी ग्राफीनच्या व्यवहार्यतेचे पूर्णपणे प्रदर्शन करतात.
ग्राफीन पृष्ठ प्लाझमॉन्सच्या ध्रुवीकरण वर्तनावर आधारित, आकृती १२ मध्ये एका नवीन प्रकारचा स्ट्रिप अँटेना दर्शविला आहे, आणि ग्राफीनमधील प्लाझ्मा लहरींच्या प्रसार वैशिष्ट्यांच्या बँड आकाराचा प्रस्ताव मांडला आहे. ट्यून करण्यायोग्य अँटेना बँडची रचना, नवीन सामग्रीच्या टेराहर्ट्झ अँटेनांच्या प्रसार वैशिष्ट्यांचा अभ्यास करण्यासाठी एक नवीन मार्ग प्रदान करते.
आकृती १२ नवीन पट्टी अँटेना
नवीन मटेरियल टेराहर्ट्झ अँटेना घटकांचा शोध घेण्याव्यतिरिक्त, टेराहर्ट्झ मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट अँटेना कम्युनिकेशन सिस्टीम तयार करण्यासाठी ग्राफीन नॅनोपॅच टेराहर्ट्झ अँटेना अॅरेच्या स्वरूपात देखील डिझाइन केले जाऊ शकतात. अँटेनाची रचना आकृती १३ मध्ये दर्शविली आहे. ग्राफीन नॅनोपॅच अँटेनाच्या अद्वितीय गुणधर्मांवर आधारित, अँटेना घटकांचे आकारमान मायक्रॉन-स्केलचे असते. केमिकल व्हेपर डिपॉझिशनद्वारे पातळ निकेलच्या थरावर थेट विविध ग्राफीन प्रतिमा तयार केल्या जातात आणि त्यांना कोणत्याही सबस्ट्रेटवर स्थानांतरित केले जाते. घटकांची योग्य संख्या निवडून आणि इलेक्ट्रोस्टॅटिक बायस व्होल्टेज बदलून, रेडिएशनची दिशा प्रभावीपणे बदलता येते, ज्यामुळे सिस्टीम पुन्हा कॉन्फिगर करण्यायोग्य बनते.
आकृती १३ ग्राफीन नॅनोपॅच टेराहर्ट्झ अँटेना अॅरे
नवीन सामग्रीचे संशोधन ही एक तुलनेने नवीन दिशा आहे. सामग्रीच्या नवनिर्मितीमुळे पारंपरिक अँटेनांच्या मर्यादा ओलांडल्या जातील आणि पुनर्रचनाक्षम मेटामटेरियल्स, द्विमितीय (2D) सामग्री इत्यादींसारखे विविध प्रकारचे नवीन अँटेना विकसित होतील अशी अपेक्षा आहे. तथापि, या प्रकारचे अँटेना मुख्यत्वे नवीन सामग्रीच्या नवनिर्मितीवर आणि प्रक्रिया तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीवर अवलंबून असतात. कोणत्याही परिस्थितीत, टेराहर्ट्झ अँटेनांच्या उच्च गेन, कमी खर्च आणि विस्तृत बँडविड्थच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी त्यांच्या विकासाला नाविन्यपूर्ण सामग्री, अचूक प्रक्रिया तंत्रज्ञान आणि अभिनव रचनांची आवश्यकता असते.
खालीलप्रमाणे टेराहर्ट्झ अँटेनाच्या तीन प्रकारांची मूलभूत तत्त्वे सादर केली आहेत: धातूचे अँटेना, डायलेक्ट्रिक अँटेना आणि नवीन पदार्थांचे अँटेना, तसेच त्यांच्यातील फरक, फायदे आणि तोटे यांचे विश्लेषण केले आहे.
१. धातूचा अँटेना: याची रचना साधी, प्रक्रिया करण्यास सोपी, तुलनेने कमी खर्चाची असते आणि सब्सट्रेट मटेरियलसाठी कमी आवश्यकता असतात. तथापि, धातूच्या अँटेनामध्ये अँटेनाची स्थिती समायोजित करण्यासाठी यांत्रिक पद्धत वापरली जाते, ज्यात चुका होण्याची शक्यता असते. जर समायोजन योग्य नसेल, तर अँटेनाची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात कमी होते. धातूचा अँटेना आकाराने लहान असला तरी, त्याला प्लेनर सर्किटसोबत जोडणे कठीण असते.
२. डायलेक्ट्रिक अँटेना: डायलेक्ट्रिक अँटेनामध्ये कमी इनपुट इम्पेडन्स असतो, कमी इम्पेडन्स असलेल्या डिटेक्टरसोबत जुळवणे सोपे असते आणि प्लॅनर सर्किटला जोडणे तुलनेने सोपे असते. डायलेक्ट्रिक अँटेनाच्या भौमितिक आकारांमध्ये बटरफ्लाय आकार, डबल यू आकार, पारंपरिक लॉगरिदमिक आकार आणि लॉगरिदमिक पिरिऑडिक साइन आकार यांचा समावेश होतो. तथापि, डायलेक्ट्रिक अँटेनामध्ये एक गंभीर दोष देखील आहे, तो म्हणजे जाड सबस्ट्रेटमुळे होणारा सरफेस वेव्ह इफेक्ट. यावर उपाय म्हणजे लेन्स लावणे आणि डायलेक्ट्रिक सबस्ट्रेटऐवजी EBG रचना वापरणे. दोन्ही उपायांसाठी प्रक्रिया तंत्रज्ञान आणि सामग्रीमध्ये नावीन्य आणि सतत सुधारणा आवश्यक आहे, परंतु त्यांची उत्कृष्ट कामगिरी (जसे की सर्वदिशात्मकता आणि सरफेस वेव्ह दमन) टेराहर्ट्झ अँटेनाच्या संशोधनासाठी नवीन कल्पना देऊ शकते.
३. नवीन पदार्थांचे अँटेना: सध्या, कार्बन नॅनोट्यूबपासून बनवलेले नवीन डायपोल अँटेना आणि मेटामटेरियलपासून बनवलेल्या नवीन अँटेना संरचना समोर आल्या आहेत. नवीन पदार्थ कामगिरीमध्ये नवीन प्रगती घडवून आणू शकतात, परंतु त्यासाठी पदार्थ विज्ञानातील नवनिर्मिती ही पूर्वअट आहे. सध्या, नवीन पदार्थांच्या अँटेनांवरील संशोधन अजूनही प्राथमिक टप्प्यात आहे आणि अनेक प्रमुख तंत्रज्ञान अजून पुरेसे परिपक्व झालेले नाहीत.
थोडक्यात, डिझाइनच्या गरजेनुसार वेगवेगळ्या प्रकारच्या टेराहर्ट्झ अँटेनांची निवड करता येते:
१) जर साधे डिझाइन आणि कमी उत्पादन खर्च आवश्यक असेल, तर धातूचे अँटेना निवडले जाऊ शकतात.
२) जर उच्च एकीकरण आणि कमी इनपुट इम्पेडन्सची आवश्यकता असेल, तर डायलेक्ट्रिक अँटेना निवडले जाऊ शकतात.
३) जर कामगिरीमध्ये अभूतपूर्व प्रगतीची आवश्यकता असेल, तर नवीन सामग्रीचे अँटेना निवडले जाऊ शकतात.
वरील डिझाइनमध्ये विशिष्ट गरजेनुसार बदलही करता येतात. उदाहरणार्थ, अधिक फायदे मिळवण्यासाठी दोन प्रकारचे अँटेना एकत्र केले जाऊ शकतात, परंतु त्यासाठी जोडणीची पद्धत आणि डिझाइन तंत्रज्ञान अधिक कठोर निकष पूर्ण करणारे असावे लागते.
अँटेनांबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी, कृपया येथे भेट द्या:
पोस्ट करण्याची वेळ: ०२-ऑगस्ट-२०२४
