Dengan semakin populernya perangkat nirkabel, layanan data telah memasuki periode perkembangan pesat baru, yang juga dikenal sebagai pertumbuhan layanan data yang eksplosif. Saat ini, sejumlah besar aplikasi secara bertahap bermigrasi dari komputer ke perangkat nirkabel seperti ponsel yang mudah dibawa dan dioperasikan secara real-time. Namun, situasi ini juga menyebabkan peningkatan lalu lintas data yang pesat dan kekurangan sumber daya bandwidth. Menurut statistik, kecepatan data di pasaran dapat mencapai Gbps atau bahkan Tbps dalam 10 hingga 15 tahun ke depan. Saat ini, komunikasi THz telah mencapai kecepatan data Gbps, sementara kecepatan data Tbps masih dalam tahap awal pengembangan. Sebuah makalah terkait mencantumkan perkembangan terbaru dalam kecepatan data Gbps berdasarkan pita THz dan memprediksi bahwa Tbps dapat diperoleh melalui multiplexing polarisasi. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kecepatan transmisi data, solusi yang layak adalah mengembangkan pita frekuensi baru, yaitu pita terahertz, yang berada di "area kosong" antara gelombang mikro dan cahaya inframerah. Pada Konferensi Radiokomunikasi Dunia ITU (WRC-19) tahun 2019, rentang frekuensi 275-450 GHz telah digunakan untuk layanan tetap dan bergerak darat. Dapat dilihat bahwa sistem komunikasi nirkabel terahertz telah menarik perhatian banyak peneliti.
Gelombang elektromagnetik terahertz umumnya didefinisikan sebagai pita frekuensi 0,1-10 THz (1 THz = 1012 Hz) dengan panjang gelombang 0,03-3 mm. Menurut standar IEEE, gelombang terahertz didefinisikan sebagai 0,3-10 THz. Gambar 1 menunjukkan bahwa pita frekuensi terahertz berada di antara gelombang mikro dan cahaya inframerah.
Gambar 1 Diagram skema pita frekuensi THz.
Pengembangan Antena Terahertz
Meskipun penelitian terahertz dimulai pada abad ke-19, penelitian ini belum menjadi bidang independen pada masa itu. Penelitian radiasi terahertz terutama difokuskan pada pita inframerah jauh. Baru pada pertengahan hingga akhir abad ke-20, para peneliti mulai mengembangkan penelitian gelombang milimeter ke pita terahertz dan melakukan penelitian teknologi terahertz secara khusus.
Pada tahun 1980-an, munculnya sumber radiasi terahertz memungkinkan penerapan gelombang terahertz dalam sistem praktis. Sejak abad ke-21, teknologi komunikasi nirkabel telah berkembang pesat, dan permintaan masyarakat akan informasi serta peningkatan peralatan komunikasi telah memunculkan persyaratan yang lebih ketat pada kecepatan transmisi data komunikasi. Oleh karena itu, salah satu tantangan teknologi komunikasi masa depan adalah beroperasi pada kecepatan data tinggi gigabit per detik di satu lokasi. Dalam perkembangan ekonomi saat ini, sumber daya spektrum menjadi semakin langka. Namun, kebutuhan manusia akan kapasitas dan kecepatan komunikasi tidak terbatas. Untuk mengatasi masalah kepadatan spektrum, banyak perusahaan menggunakan teknologi multiple-input multiple-output (MIMO) untuk meningkatkan efisiensi spektrum dan kapasitas sistem melalui multiplexing spasial. Dengan kemajuan jaringan 5G, kecepatan koneksi data setiap pengguna akan melebihi Gbps, dan lalu lintas data stasiun pangkalan juga akan meningkat secara signifikan. Untuk sistem komunikasi gelombang milimeter tradisional, tautan gelombang mikro tidak akan mampu menangani aliran data yang sangat besar ini. Selain itu, karena pengaruh garis pandang, jarak transmisi komunikasi inframerah pendek dan lokasi peralatan komunikasinya tetap. Oleh karena itu, gelombang THz, yang berada di antara gelombang mikro dan inframerah, dapat digunakan untuk membangun sistem komunikasi berkecepatan tinggi dan meningkatkan laju transmisi data dengan menggunakan tautan THz.
Gelombang Terahertz dapat menyediakan bandwidth komunikasi yang lebih luas, dan jangkauan frekuensinya sekitar 1000 kali lipat dari komunikasi seluler. Oleh karena itu, penggunaan THz untuk membangun sistem komunikasi nirkabel berkecepatan ultra tinggi merupakan solusi yang menjanjikan untuk tantangan kecepatan data tinggi, yang telah menarik minat banyak tim peneliti dan industri. Pada bulan September 2017, standar komunikasi nirkabel THz pertama, IEEE 802.15.3d-2017, dirilis, yang mendefinisikan pertukaran data titik-ke-titik dalam rentang frekuensi THz yang lebih rendah, yaitu 252-325 GHz. Lapisan fisik alternatif (PHY) dari tautan tersebut dapat mencapai kecepatan data hingga 100 Gbps pada berbagai bandwidth.
Sistem komunikasi THz pertama yang berhasil sebesar 0,12 THz didirikan pada tahun 2004, dan sistem komunikasi THz sebesar 0,3 THz direalisasikan pada tahun 2013. Tabel 1 mencantumkan kemajuan penelitian sistem komunikasi terahertz di Jepang dari tahun 2004 hingga 2013.
Tabel 1 Kemajuan penelitian sistem komunikasi terahertz di Jepang dari tahun 2004 hingga 2013
Struktur antena sistem komunikasi yang dikembangkan pada tahun 2004 dijelaskan secara rinci oleh Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) pada tahun 2005. Konfigurasi antena diperkenalkan dalam dua kasus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Diagram skema sistem komunikasi nirkabel NTT 120 GHz Jepang
Sistem ini mengintegrasikan konversi fotolistrik dan antena dan mengadopsi dua mode kerja:
1. Dalam lingkungan dalam ruangan jarak dekat, pemancar antena planar yang digunakan di dalam ruangan terdiri dari chip fotodioda pembawa jalur tunggal (UTC-PD), antena slot planar, dan lensa silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(a).
2. Dalam lingkungan luar ruangan jarak jauh, untuk mengurangi pengaruh rugi transmisi yang besar dan sensitivitas detektor yang rendah, antena pemancar harus memiliki penguatan yang tinggi. Antena terahertz yang ada menggunakan lensa optik Gaussian dengan penguatan lebih dari 50 dBi. Kombinasi corong umpan dan lensa dielektrik ditunjukkan pada Gambar 2(b).
Selain mengembangkan sistem komunikasi 0,12 THz, NTT juga mengembangkan sistem komunikasi 0,3 THz pada tahun 2012. Melalui optimasi berkelanjutan, laju transmisi dapat mencapai 100 Gbps. Sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1, sistem ini telah memberikan kontribusi besar bagi perkembangan komunikasi terahertz. Namun, penelitian yang dilakukan saat ini memiliki kekurangan berupa frekuensi operasi yang rendah, ukuran yang besar, dan biaya yang tinggi.
Sebagian besar antena terahertz yang digunakan saat ini merupakan modifikasi dari antena gelombang milimeter, dan inovasi dalam antena terahertz masih sangat terbatas. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kinerja sistem komunikasi terahertz, tugas penting adalah mengoptimalkan antena terahertz. Tabel 2 mencantumkan perkembangan penelitian komunikasi THz di Jerman. Gambar 3 (a) menunjukkan sistem komunikasi nirkabel THz representatif yang menggabungkan fotonik dan elektronika. Gambar 3 (b) menunjukkan lokasi uji terowongan angin. Dilihat dari situasi penelitian saat ini di Jerman, penelitian dan pengembangannya juga memiliki kekurangan seperti frekuensi operasi yang rendah, biaya yang tinggi, dan efisiensi yang rendah.
Tabel 2 Kemajuan penelitian komunikasi THz di Jerman
Gambar 3 Adegan uji terowongan angin
Pusat TIK CSIRO juga telah memulai penelitian tentang sistem komunikasi nirkabel dalam ruangan THz. Pusat ini mempelajari hubungan antara tahun dan frekuensi komunikasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4, pada tahun 2020, penelitian tentang komunikasi nirkabel cenderung berfokus pada pita THz. Frekuensi komunikasi maksimum yang menggunakan spektrum radio meningkat sekitar sepuluh kali lipat setiap dua puluh tahun. Pusat ini telah memberikan rekomendasi tentang persyaratan antena THz dan mengusulkan antena tradisional seperti horn dan lensa untuk sistem komunikasi THz. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5, dua antena horn masing-masing beroperasi pada frekuensi 0,84 THz dan 1,7 THz, dengan struktur yang sederhana dan kinerja Gaussian beam yang baik.
Gambar 4 Hubungan antara tahun dan frekuensi
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Gambar 5 Dua jenis antena horn
Amerika Serikat telah melakukan penelitian ekstensif tentang emisi dan deteksi gelombang terahertz. Laboratorium penelitian terahertz yang terkenal antara lain Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), dan lain-lain. Antena terahertz baru untuk aplikasi terahertz telah dirancang, seperti antena bowtie dan antena pengarah berkas frekuensi. Berdasarkan perkembangan antena terahertz, saat ini terdapat tiga ide desain dasar untuk antena terahertz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Tiga ide desain dasar untuk antena terahertz
Analisis di atas menunjukkan bahwa meskipun banyak negara telah menaruh perhatian besar terhadap antena terahertz, antena ini masih dalam tahap eksplorasi dan pengembangan awal. Antena THz biasanya dibatasi oleh jarak transmisi dan jangkauan karena rugi propagasi dan penyerapan molekul yang tinggi. Beberapa studi berfokus pada frekuensi operasi yang lebih rendah pada pita THz. Penelitian antena terahertz yang ada saat ini terutama berfokus pada peningkatan penguatan dengan menggunakan antena lensa dielektrik, dll., dan peningkatan efisiensi komunikasi dengan menggunakan algoritma yang tepat. Selain itu, bagaimana meningkatkan efisiensi pengemasan antena terahertz juga merupakan isu yang sangat mendesak.
Antena THz umum
Terdapat banyak jenis antena THz yang tersedia: antena dipol dengan rongga kerucut, susunan reflektor sudut, dipol bowtie, antena planar lensa dielektrik, antena fotokonduktif untuk menghasilkan sumber radiasi THz, antena horn, antena THz berbahan graphene, dll. Berdasarkan material yang digunakan untuk membuat antena THz, antena THz secara garis besar dapat dibagi menjadi antena logam (terutama antena horn), antena dielektrik (antena lensa), dan antena material baru. Bagian ini akan memberikan analisis awal mengenai antena-antena ini, kemudian pada bagian selanjutnya, lima antena THz tipikal akan diperkenalkan secara detail dan dianalisis secara mendalam.
1. Antena logam
Antena horn adalah antena logam tipikal yang dirancang untuk beroperasi pada pita THz. Antena penerima gelombang milimeter klasik berbentuk horn kerucut. Antena bergelombang dan antena mode ganda memiliki banyak keunggulan, termasuk pola radiasi simetris rotasi, penguatan tinggi 20 hingga 30 dBi dan tingkat polarisasi silang rendah -30 dB, serta efisiensi kopling 97% hingga 98%. Bandwidth yang tersedia untuk kedua antena horn masing-masing adalah 30%-40% dan 6%-8%.
Karena frekuensi gelombang terahertz sangat tinggi, ukuran antena horn sangat kecil, sehingga pemrosesan horn menjadi sangat sulit, terutama dalam desain antena array. Kompleksitas teknologi pemrosesan menyebabkan biaya yang berlebihan dan keterbatasan produksi. Karena sulitnya pembuatan bagian bawah desain horn yang kompleks, antena horn sederhana berbentuk kerucut atau horn kerucut biasanya digunakan. Hal ini dapat mengurangi biaya dan kompleksitas proses, serta menjaga kinerja radiasi antena dengan baik.
Antena logam lainnya adalah antena piramida gelombang berjalan, yang terdiri dari antena gelombang berjalan yang terintegrasi pada film dielektrik 1,2 mikron dan tersuspensi dalam rongga longitudinal yang terukir pada wafer silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Antena ini merupakan struktur terbuka yang kompatibel dengan dioda Schottky. Karena strukturnya yang relatif sederhana dan persyaratan manufaktur yang rendah, antena ini umumnya dapat digunakan pada pita frekuensi di atas 0,6 THz. Namun, level sidelobe dan level polarisasi silang antena ini tinggi, kemungkinan karena strukturnya yang terbuka. Oleh karena itu, efisiensi koplingnya relatif rendah (sekitar 50%).
Gambar 7 Antena piramida gelombang perjalanan
2. Antena dielektrik
Antena dielektrik merupakan kombinasi substrat dielektrik dan radiator antena. Melalui desain yang tepat, antena dielektrik dapat mencapai pencocokan impedansi dengan detektor, dan memiliki keunggulan proses yang sederhana, integrasi yang mudah, dan biaya rendah. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah merancang beberapa antena side-fire pita sempit dan pita lebar yang dapat menandingi detektor impedansi rendah dari antena dielektrik terahertz: antena kupu-kupu, antena berbentuk U ganda, antena log-periodik, dan antena sinusoidal log-periodik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Selain itu, geometri antena yang lebih kompleks dapat dirancang melalui algoritma genetika.
Gambar 8 Empat jenis antena planar
Namun, karena antena dielektrik dikombinasikan dengan substrat dielektrik, efek gelombang permukaan akan terjadi ketika frekuensi cenderung ke pita THz. Kerugian fatal ini akan menyebabkan antena kehilangan banyak energi selama operasi dan mengakibatkan penurunan efisiensi radiasi antena secara signifikan. Seperti ditunjukkan pada Gambar 9, ketika sudut radiasi antena lebih besar dari sudut cutoff, energinya terkurung dalam substrat dielektrik dan terkopel dengan mode substrat.
Gambar 9 Efek gelombang permukaan antena
Seiring bertambahnya ketebalan substrat, jumlah mode orde tinggi meningkat, dan kopling antara antena dan substrat meningkat, yang mengakibatkan kehilangan energi. Untuk melemahkan efek gelombang permukaan, terdapat tiga skema optimasi:
1) Pasang lensa pada antena untuk meningkatkan penguatan dengan memanfaatkan karakteristik pembentukan gelombang elektromagnetik.
2) Kurangi ketebalan substrat untuk menekan pembentukan gelombang elektromagnetik tingkat tinggi.
3) Ganti bahan dielektrik substrat dengan celah pita elektromagnetik (EBG). Karakteristik penyaringan spasial EBG dapat menekan mode orde tinggi.
3. Antena material baru
Selain kedua antena di atas, terdapat pula antena terahertz yang terbuat dari material baru. Sebagai contoh, pada tahun 2006, Jin Hao dkk. mengusulkan antena dipol karbon nanotube. Seperti ditunjukkan pada Gambar 10 (a), dipol tersebut terbuat dari karbon nanotube, bukan material logam. Ia mempelajari secara saksama sifat inframerah dan optik antena dipol karbon nanotube dan membahas karakteristik umum antena dipol karbon nanotube dengan panjang terhingga, seperti impedansi masukan, distribusi arus, penguatan, efisiensi, dan pola radiasi. Gambar 10 (b) menunjukkan hubungan antara impedansi masukan dan frekuensi antena dipol karbon nanotube. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 10 (b), bagian imajiner dari impedansi masukan memiliki beberapa nol pada frekuensi yang lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa antena dapat mencapai beberapa resonansi pada frekuensi yang berbeda. Jelas, antena karbon nanotube menunjukkan resonansi dalam rentang frekuensi tertentu (frekuensi THz yang lebih rendah), tetapi sama sekali tidak dapat beresonansi di luar rentang tersebut.
Gambar 10 (a) Antena dipol karbon nanotube. (b) Kurva impedansi-frekuensi masukan
Pada tahun 2012, Samir F. Mahmoud dan Ayed R. AlAjmi mengusulkan struktur antena terahertz baru berbasis karbon nanotube, yang terdiri dari seikat karbon nanotube yang dibungkus dalam dua lapisan dielektrik. Lapisan dielektrik bagian dalam berupa lapisan busa dielektrik, dan lapisan dielektrik bagian luar berupa lapisan metamaterial. Struktur spesifiknya ditunjukkan pada Gambar 11. Melalui pengujian, kinerja radiasi antena telah ditingkatkan dibandingkan dengan karbon nanotube berdinding tunggal.
Gambar 11 Antena terahertz baru berbasis karbon nanotube
Antena terahertz material baru yang diusulkan di atas sebagian besar bersifat tiga dimensi. Untuk meningkatkan bandwidth antena dan membuat antena konformal, antena grafena planar telah mendapat perhatian luas. Grafena memiliki karakteristik kontrol kontinu dinamis yang sangat baik dan dapat menghasilkan plasma permukaan dengan menyesuaikan tegangan bias. Plasma permukaan terdapat pada antarmuka antara substrat dengan konstanta dielektrik positif (seperti Si, SiO2, dll.) dan substrat dengan konstanta dielektrik negatif (seperti logam mulia, grafena, dll.). Terdapat sejumlah besar "elektron bebas" dalam konduktor seperti logam mulia dan grafena. Elektron bebas ini juga disebut plasma. Karena medan potensial inheren dalam konduktor, plasma ini berada dalam keadaan stabil dan tidak terganggu oleh dunia luar. Ketika energi gelombang elektromagnetik datang digabungkan dengan plasma ini, plasma akan menyimpang dari keadaan tunak dan bergetar. Setelah konversi, mode elektromagnetik membentuk gelombang magnetik transversal pada antarmuka. Berdasarkan deskripsi hubungan dispersi plasma permukaan logam oleh model Drude, logam tidak dapat secara alami berpasangan dengan gelombang elektromagnetik di ruang bebas dan mengubah energi. Oleh karena itu, diperlukan material lain untuk membangkitkan gelombang plasma permukaan. Gelombang plasma permukaan meluruh dengan cepat dalam arah paralel antarmuka logam-substrat. Ketika konduktor logam menghantarkan arus dalam arah tegak lurus permukaan, efek kulit akan terjadi. Jelas, karena ukuran antena yang kecil, terdapat efek kulit pada pita frekuensi tinggi, yang menyebabkan kinerja antena menurun tajam dan tidak dapat memenuhi persyaratan antena terahertz. Plasmon permukaan grafena tidak hanya memiliki gaya ikat yang lebih tinggi dan rugi-rugi yang lebih rendah, tetapi juga mendukung penyetelan listrik berkelanjutan. Selain itu, grafena memiliki konduktivitas kompleks pada pita terahertz. Oleh karena itu, perambatan gelombang lambat berkaitan dengan mode plasma pada frekuensi terahertz. Karakteristik ini sepenuhnya menunjukkan kelayakan grafena untuk menggantikan material logam pada pita terahertz.
Berdasarkan perilaku polarisasi plasmon permukaan grafena, Gambar 12 menunjukkan jenis antena strip baru, dan mengusulkan bentuk pita karakteristik propagasi gelombang plasma dalam grafena. Desain pita antena yang dapat disetel ini menyediakan cara baru untuk mempelajari karakteristik propagasi antena terahertz berbahan material baru.
Gambar 12 Antena strip baru
Selain mengeksplorasi elemen antena terahertz material baru, antena terahertz nanopatch grafena juga dapat dirancang sebagai array untuk membangun sistem komunikasi antena terahertz multi-input multi-output. Struktur antena ditunjukkan pada Gambar 13. Berdasarkan sifat unik antena nanopatch grafena, elemen antena memiliki dimensi skala mikron. Deposisi uap kimia secara langsung mensintesis berbagai citra grafena pada lapisan nikel tipis dan mentransfernya ke substrat apa pun. Dengan memilih jumlah komponen yang tepat dan mengubah tegangan bias elektrostatik, arah radiasi dapat diubah secara efektif, sehingga sistem dapat dikonfigurasi ulang.
Gambar 13 Susunan antena terahertz nanopatch graphene
Penelitian material baru merupakan arah yang relatif baru. Inovasi material diharapkan dapat menembus keterbatasan antena tradisional dan mengembangkan beragam antena baru, seperti metamaterial yang dapat dikonfigurasi ulang, material dua dimensi (2D), dll. Namun, jenis antena ini terutama bergantung pada inovasi material baru dan kemajuan teknologi pemrosesan. Bagaimanapun, pengembangan antena terahertz membutuhkan material inovatif, teknologi pemrosesan yang presisi, dan struktur desain baru untuk memenuhi persyaratan antena terahertz yang memiliki gain tinggi, biaya rendah, dan bandwidth lebar.
Berikut ini memperkenalkan prinsip dasar tiga jenis antena terahertz: antena logam, antena dielektrik dan antena material baru, dan menganalisis perbedaan serta kelebihan dan kekurangannya.
1. Antena logam: Geometrinya sederhana, mudah diproses, biayanya relatif rendah, dan kebutuhan material substratnya rendah. Namun, antena logam menggunakan metode mekanis untuk menyesuaikan posisi antena, yang rentan terhadap kesalahan. Jika penyesuaiannya tidak tepat, kinerja antena akan sangat berkurang. Meskipun antena logam berukuran kecil, sulit untuk dirakit dengan sirkuit planar.
2. Antena dielektrik: Antena dielektrik memiliki impedansi masukan yang rendah, mudah dipasangkan dengan detektor impedansi rendah, dan relatif mudah dihubungkan dengan sirkuit planar. Bentuk geometris antena dielektrik meliputi bentuk kupu-kupu, bentuk U ganda, bentuk logaritmik konvensional, dan bentuk sinus periodik logaritmik. Namun, antena dielektrik juga memiliki kelemahan fatal, yaitu efek gelombang permukaan yang disebabkan oleh substrat yang tebal. Solusinya adalah dengan memasang lensa dan mengganti substrat dielektrik dengan struktur EBG. Kedua solusi ini membutuhkan inovasi dan peningkatan berkelanjutan dalam teknologi proses dan material, tetapi kinerjanya yang unggul (seperti omnidireksionalitas dan peredaman gelombang permukaan) dapat memberikan ide-ide baru untuk penelitian antena terahertz.
3. Antena material baru: Saat ini, antena dipol baru yang terbuat dari karbon nanotube dan struktur antena baru yang terbuat dari metamaterial telah bermunculan. Material baru dapat membawa terobosan kinerja baru, tetapi premisnya adalah inovasi ilmu material. Saat ini, penelitian tentang antena material baru masih dalam tahap eksplorasi, dan banyak teknologi kunci yang belum cukup matang.
Singkatnya, berbagai jenis antena terahertz dapat dipilih sesuai dengan persyaratan desain:
1) Jika diperlukan desain sederhana dan biaya produksi rendah, antena logam dapat dipilih.
2) Jika integrasi tinggi dan impedansi input rendah diperlukan, antena dielektrik dapat dipilih.
3) Jika terobosan dalam kinerja diperlukan, antena material baru dapat dipilih.
Desain-desain di atas juga dapat disesuaikan dengan kebutuhan spesifik. Misalnya, dua jenis antena dapat dikombinasikan untuk mendapatkan lebih banyak keuntungan, tetapi metode perakitan dan teknologi desain harus memenuhi persyaratan yang lebih ketat.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 02-Agu-2024
