Dengan meningkatnya popularitas perangkat nirkabel, layanan data telah memasuki periode perkembangan pesat baru, yang juga dikenal sebagai pertumbuhan eksplosif layanan data. Saat ini, sejumlah besar aplikasi secara bertahap bermigrasi dari komputer ke perangkat nirkabel seperti telepon seluler yang mudah dibawa dan dioperasikan secara real-time, tetapi situasi ini juga menyebabkan peningkatan pesat lalu lintas data dan kekurangan sumber daya bandwidth. Menurut statistik, kecepatan data di pasaran mungkin 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 kemajuan 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 seluler 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 skematik pita frekuensi THz.
Pengembangan Antena Terahertz
Meskipun penelitian terahertz dimulai pada abad ke-19, pada saat itu bidang ini belum dipelajari sebagai bidang independen. Penelitian tentang radiasi terahertz sebagian besar berfokus 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 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 menuntut persyaratan yang lebih ketat terhadap laju transmisi data komunikasi. Oleh karena itu, salah satu tantangan teknologi komunikasi masa depan adalah beroperasi pada laju data tinggi gigabit per detik di satu lokasi. Di bawah perkembangan ekonomi saat ini, sumber daya spektrum semakin langka. Namun, kebutuhan manusia akan kapasitas dan kecepatan komunikasi tidak terbatas. Untuk 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 rentang 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 laju data tinggi, yang telah menarik minat banyak tim peneliti dan industri. Pada 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 (PHY) alternatif dari tautan tersebut dapat mencapai laju data hingga 100 Gbps pada bandwidth yang berbeda.
Sistem komunikasi THz pertama yang berhasil dengan frekuensi 0,12 THz didirikan pada tahun 2004, dan sistem komunikasi THz dengan frekuensi 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 dari 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 skematik sistem komunikasi nirkabel NTT 120 GHz Jepang
Sistem ini mengintegrasikan konversi fotolistrik dan antena serta mengadopsi dua mode kerja:
1. Dalam lingkungan dalam ruangan jarak dekat, pemancar antena planar yang digunakan di dalam ruangan terdiri dari chip fotodioda pembawa garis tunggal (UTC-PD), antena slot planar, dan lensa silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(a).
2. Dalam lingkungan luar ruangan jarak jauh, untuk meningkatkan pengaruh kerugian 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 feed horn 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. Seperti yang terlihat pada Tabel 1, hal ini telah memberikan kontribusi besar terhadap pengembangan komunikasi terahertz. Namun, penelitian saat ini memiliki beberapa kekurangan, yaitu 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 hanya sedikit inovasi pada antena terahertz. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kinerja sistem komunikasi terahertz, tugas penting adalah mengoptimalkan antena terahertz. Tabel 2 mencantumkan kemajuan penelitian komunikasi THz Jerman. Gambar 3 (a) menunjukkan sistem komunikasi nirkabel THz representatif yang menggabungkan fotonika dan elektronika. Gambar 3 (b) menunjukkan adegan uji terowongan angin. Dilihat dari situasi penelitian saat ini di Jerman, penelitian dan pengembangannya juga memiliki kekurangan seperti frekuensi operasi rendah, biaya tinggi, dan efisiensi 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 tersebut mempelajari hubungan antara tahun dan frekuensi komunikasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti yang terlihat pada Gambar 4, pada tahun 2020, penelitian tentang komunikasi nirkabel cenderung ke pita THz. Frekuensi komunikasi maksimum yang menggunakan spektrum radio meningkat sekitar sepuluh kali lipat setiap dua puluh tahun. Pusat tersebut telah membuat rekomendasi tentang persyaratan untuk antena THz dan mengusulkan antena tradisional seperti antena tanduk dan lensa untuk sistem komunikasi THz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, dua antena tanduk bekerja masing-masing pada 0,84 THz dan 1,7 THz, dengan struktur sederhana dan kinerja berkas Gaussian yang baik.
Gambar 4 Hubungan antara tahun dan frekuensi
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
Gambar 5 Dua jenis antena tanduk
Amerika Serikat telah melakukan penelitian ekstensif tentang emisi dan deteksi gelombang terahertz. Laboratorium penelitian terahertz terkenal meliputi 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 kita dapat memperoleh 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 memberikan perhatian besar pada antena terahertz, antena ini masih dalam tahap eksplorasi dan pengembangan awal. Karena kerugian propagasi yang tinggi dan penyerapan molekuler, antena THz biasanya dibatasi oleh jarak transmisi dan jangkauan. Beberapa penelitian berfokus pada frekuensi operasi yang lebih rendah dalam pita THz. Penelitian antena terahertz yang ada terutama berfokus pada peningkatan gain 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 masalah yang sangat mendesak.
Antena THz umum
Terdapat banyak jenis antena THz yang tersedia: antena dipol dengan rongga kerucut, susunan reflektor sudut, dipol dasi kupu-kupu, antena planar lensa dielektrik, antena fotokonduktif untuk menghasilkan sumber radiasi THz, antena tanduk, antena THz berbasis material grafena, dan lain-lain. Berdasarkan material yang digunakan untuk membuat antena THz, antena tersebut secara kasar dapat dibagi menjadi antena logam (terutama antena tanduk), antena dielektrik (antena lensa), dan antena material baru. Bagian ini pertama-tama memberikan analisis pendahuluan tentang antena-antena tersebut, dan kemudian pada bagian selanjutnya, lima antena THz tipikal diperkenalkan secara detail dan dianalisis secara mendalam.
1. Antena logam
Antena tanduk adalah antena logam khas yang dirancang untuk bekerja pada pita THz. Antena penerima gelombang milimeter klasik adalah tanduk kerucut. Antena bergelombang dan antena mode ganda memiliki banyak keunggulan, termasuk pola radiasi simetris rotasional, penguatan tinggi 20 hingga 30 dBi dan tingkat polarisasi silang rendah -30 dB, serta efisiensi kopling 97% hingga 98%. Lebar pita yang tersedia dari kedua antena tanduk tersebut masing-masing adalah 30%-40% dan 6%-8%.
Karena frekuensi gelombang terahertz sangat tinggi, ukuran antena tanduk sangat kecil, yang membuat pemrosesan tanduk sangat sulit, terutama dalam desain susunan antena, dan kompleksitas teknologi pemrosesan menyebabkan biaya yang berlebihan dan produksi yang terbatas. Karena kesulitan dalam pembuatan bagian bawah desain tanduk yang kompleks, antena tanduk sederhana dalam bentuk kerucut atau tanduk kerucut biasanya digunakan, yang dapat mengurangi biaya dan kompleksitas proses, dan kinerja radiasi antena dapat dipertahankan 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 digantung dalam rongga memanjang yang diukir pada wafer silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Antena ini memiliki 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, tingkat sidelobe dan tingkat polarisasi silang antena ini tinggi, mungkin karena strukturnya yang terbuka. Oleh karena itu, efisiensi koplingnya relatif rendah (sekitar 50%).
Gambar 7 Antena piramidal gelombang berjalan
2. Antena dielektrik
Antena dielektrik merupakan kombinasi dari 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 mencocokkan 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 pengoperasian dan menyebabkan penurunan efisiensi radiasi antena yang signifikan. Seperti yang 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 juga meningkat, sehingga mengakibatkan kehilangan energi. Untuk melemahkan efek gelombang permukaan, terdapat tiga skema optimasi:
1) Pasang lensa pada antena untuk meningkatkan penguatan dengan menggunakan karakteristik pembentukan berkas (beamforming) gelombang elektromagnetik.
2) Kurangi ketebalan substrat untuk menekan pembangkitan mode gelombang elektromagnetik orde tinggi.
3) Gantikan material 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 juga antena terahertz yang terbuat dari material baru. Misalnya, pada tahun 2006, Jin Hao dkk. mengusulkan antena dipol tabung nano karbon. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10 (a), dipol tersebut terbuat dari tabung nano karbon, bukan material logam. Ia dengan cermat mempelajari sifat inframerah dan optik dari antena dipol tabung nano karbon dan membahas karakteristik umum dari antena dipol tabung nano karbon dengan panjang terbatas, seperti impedansi masukan, distribusi arus, penguatan, efisiensi, dan pola radiasi. Gambar 10 (b) menunjukkan hubungan antara impedansi masukan dan frekuensi antena dipol tabung nano karbon. Seperti yang terlihat pada Gambar 10(b), bagian imajiner dari impedansi masukan memiliki banyak titik nol pada frekuensi yang lebih tinggi. Ini menunjukkan bahwa antena dapat mencapai beberapa resonansi pada frekuensi yang berbeda. Jelas, antena tabung nano karbon menunjukkan resonansi dalam rentang frekuensi tertentu (frekuensi THz yang lebih rendah), tetapi sama sekali tidak dapat beresonansi di luar rentang ini.
Gambar 10 (a) Antena dipol nanotube karbon. (b) Kurva impedansi masukan terhadap frekuensi
Pada tahun 2012, Samir F. Mahmoud dan Ayed R. AlAjmi mengusulkan struktur antena terahertz baru berbasis nanotube karbon, yang terdiri dari kumpulan nanotube karbon yang dibungkus dalam dua lapisan dielektrik. Lapisan dielektrik bagian dalam adalah lapisan busa dielektrik, dan lapisan dielektrik bagian luar adalah lapisan metamaterial. Struktur spesifiknya ditunjukkan pada Gambar 11. Melalui pengujian, kinerja radiasi antena telah ditingkatkan dibandingkan dengan nanotube karbon berdinding tunggal.
Gambar 11 Antena terahertz baru berbasis nanotube karbon
Antena terahertz material baru yang diusulkan di atas sebagian besar bersifat tiga dimensi. Untuk meningkatkan bandwidth antena dan membuat antena konformal, antena graphene planar telah mendapat perhatian luas. Graphene memiliki karakteristik kontrol kontinu dinamis yang sangat baik dan dapat menghasilkan plasma permukaan dengan menyesuaikan tegangan bias. Plasma permukaan ada pada antarmuka antara substrat konstanta dielektrik positif (seperti Si, SiO2, dll.) dan substrat konstanta dielektrik negatif (seperti logam mulia, graphene, dll.). Terdapat sejumlah besar "elektron bebas" dalam konduktor seperti logam mulia dan graphene. Elektron bebas ini juga disebut plasma. Karena medan potensial intrinsik dalam konduktor, plasma ini berada dalam keadaan stabil dan tidak terganggu oleh dunia luar. Ketika energi gelombang elektromagnetik insiden digabungkan ke plasma ini, plasma akan menyimpang dari keadaan stabil dan bergetar. Setelah konversi, mode elektromagnetik membentuk gelombang magnetik transversal pada antarmuka. Menurut deskripsi relasi dispersi plasma permukaan logam oleh model Drude, logam tidak dapat secara alami berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik di ruang bebas dan mengubah energi. Oleh karena itu, diperlukan penggunaan material lain untuk membangkitkan gelombang plasma permukaan. Gelombang plasma permukaan meluruh dengan cepat searah dengan antarmuka logam-substrat. Ketika konduktor logam menghantarkan arus dalam arah tegak lurus terhadap permukaan, terjadi efek kulit (skin effect). 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 graphene tidak hanya memiliki gaya ikat yang lebih tinggi dan kerugian yang lebih rendah, tetapi juga mendukung penyetelan listrik kontinu. Selain itu, graphene memiliki konduktivitas kompleks pada pita terahertz. Oleh karena itu, perambatan gelombang lambat terkait dengan mode plasma pada frekuensi terahertz. Karakteristik ini sepenuhnya menunjukkan kelayakan graphene 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 perambatan gelombang plasma dalam grafena. Desain pita antena yang dapat disetel memberikan cara baru untuk mempelajari karakteristik perambatan antena terahertz material baru.
Gambar 12 Antena strip baru
Selain mengeksplorasi elemen antena terahertz material baru, antena terahertz nanopatch graphene juga dapat dirancang sebagai susunan untuk membangun sistem komunikasi antena multi-input multi-output terahertz. Struktur antena ditunjukkan pada Gambar 13. Berdasarkan sifat unik antena nanopatch graphene, elemen antena memiliki dimensi skala mikron. Deposisi uap kimia secara langsung mensintesis berbagai citra graphene pada lapisan nikel tipis dan mentransfernya ke substrat apa pun. Dengan memilih jumlah komponen yang sesuai 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 bidang yang relatif baru. Inovasi material diharapkan dapat menembus batasan antena tradisional dan mengembangkan berbagai antena baru, seperti metamaterial yang dapat dikonfigurasi ulang, material dua dimensi (2D), dan lain-lain. Namun, jenis antena ini terutama bergantung pada inovasi material baru dan kemajuan teknologi proses. Bagaimanapun, pengembangan antena terahertz membutuhkan material inovatif, teknologi pemrosesan yang presisi, dan struktur desain baru untuk memenuhi persyaratan gain tinggi, biaya rendah, dan bandwidth lebar dari antena terahertz.
Berikut ini memperkenalkan prinsip-prinsip dasar dari tiga jenis antena terahertz: antena logam, antena dielektrik, dan antena material baru, serta menganalisis perbedaan, kelebihan, dan kekurangannya.
1. Antena logam: Geometrinya sederhana, mudah diproses, biayanya relatif rendah, dan persyaratan material substratnya rendah. Namun, antena logam menggunakan metode mekanis untuk menyesuaikan posisi antena, yang rentan terhadap kesalahan. Jika penyesuaian tidak tepat, kinerja antena akan sangat berkurang. Meskipun antena logam berukuran kecil, sulit untuk dirakit dengan rangkaian planar.
2. Antena Dielektrik: Antena dielektrik memiliki impedansi input rendah, mudah dicocokkan dengan detektor impedansi rendah, dan relatif mudah dihubungkan dengan rangkaian 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 menambahkan lensa dan mengganti substrat dielektrik dengan struktur EBG. Kedua solusi tersebut membutuhkan inovasi dan peningkatan berkelanjutan dalam teknologi proses dan material, tetapi kinerja unggulnya (seperti omnidireksionalitas dan penekanan gelombang permukaan) dapat memberikan ide-ide baru untuk penelitian antena terahertz.
3. Antena material baru: Saat ini, antena dipol baru yang terbuat dari nanotube karbon dan struktur antena baru yang terbuat dari metamaterial telah muncul. Material baru dapat membawa terobosan kinerja baru, tetapi prasyaratnya adalah inovasi ilmu material. Saat ini, penelitian tentang antena material baru masih dalam tahap eksplorasi, dan banyak teknologi kunci belum cukup matang.
Singkatnya, berbagai jenis antena terahertz dapat dipilih sesuai dengan persyaratan desain:
1) Jika desain sederhana dan biaya produksi rendah diperlukan, antena logam dapat dipilih.
2) Jika dibutuhkan integrasi tinggi dan impedansi input rendah, antena dielektrik dapat dipilih.
3) Jika diperlukan terobosan dalam kinerja, antena material baru dapat dipilih.
Desain-desain di atas juga dapat disesuaikan sesuai dengan kebutuhan spesifik. Misalnya, dua jenis antena dapat digabungkan untuk mendapatkan lebih banyak keuntungan, tetapi metode perakitan dan teknologi desainnya harus memenuhi persyaratan yang lebih ketat.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 02-Agustus-2024
