Dengan meningkatnya popularitas perangkat nirkabel, layanan data telah memasuki periode baru yang berkembang pesat, yang juga dikenal sebagai pertumbuhan eksplosif layanan data. 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 pesat lalu lintas data dan kekurangan sumber daya bandwidth. . Menurut statistik, kecepatan data di pasar mungkin mencapai Gbps atau bahkan Tbps dalam 10 hingga 15 tahun ke depan. Saat ini komunikasi THz telah mencapai data rate Gbps, sedangkan data rate Tbps masih dalam tahap awal pengembangan. Makalah terkait mencantumkan kemajuan terbaru dalam kecepatan data Gbps berdasarkan pita THz dan memperkirakan bahwa Tbps dapat diperoleh melalui multiplexing polarisasi. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kecepatan transmisi data, solusi yang layak adalah dengan mengembangkan pita frekuensi baru, yaitu pita terahertz, yang berada pada “area kosong” antara gelombang mikro dan sinar infra merah. Pada Konferensi Komunikasi Radio Dunia ITU (WRC-19) tahun 2019, rentang frekuensi 275-450GHz telah digunakan untuk layanan tetap dan bergerak darat. Terlihat bahwa sistem komunikasi nirkabel terahertz telah menarik perhatian banyak peneliti.
Gelombang elektromagnetik terahertz secara umum didefinisikan sebagai pita frekuensi 0,1-10THz (1THz=1012Hz) dengan panjang gelombang 0,03-3 mm. Menurut standar IEEE, gelombang terahertz didefinisikan sebagai 0,3-10THz. Gambar 1 menunjukkan bahwa pita frekuensi terahertz berada di antara gelombang mikro dan sinar infra merah.
Gambar 1 Diagram skema pita frekuensi THz.
Pengembangan Antena Terahertz
Meskipun penelitian terahertz dimulai pada abad ke-19, penelitian ini belum dipelajari sebagai bidang independen pada saat itu. Penelitian tentang radiasi terahertz terutama difokuskan pada pita inframerah jauh. Baru pada pertengahan hingga akhir abad ke-20 para peneliti mulai memajukan 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 kebutuhan masyarakat akan informasi serta peningkatan peralatan komunikasi telah menuntut persyaratan yang lebih ketat pada kecepatan transmisi data komunikasi. Oleh karena itu, salah satu tantangan teknologi komunikasi masa depan adalah beroperasi pada kecepatan data yang tinggi yaitu 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 ada habisnya. Untuk masalah kemacetan 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 BTS 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 saling berhadapan, jarak transmisi komunikasi infra merah menjadi pendek dan letak 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 kecepatan transmisi data dengan menggunakan tautan THz.
Gelombang Terahertz dapat memberikan 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 sangat tinggi merupakan solusi yang menjanjikan terhadap tantangan kecepatan data yang 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) tautan dapat mencapai kecepatan data hingga 100 Gbps pada bandwidth berbeda.
Sistem komunikasi THz 0,12 THz pertama yang berhasil didirikan pada tahun 2004, dan sistem komunikasi THz 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 saluran tunggal (UTC-PD), antena slot planar, dan lensa silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(a).
2. Di lingkungan luar ruangan jarak jauh, untuk meningkatkan pengaruh kehilangan transmisi yang besar dan sensitivitas detektor yang rendah, antena pemancar harus memiliki penguatan yang tinggi. Antena terahertz yang ada menggunakan lensa optik Gaussian dengan gain 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 0,3THz pada tahun 2012. Melalui optimalisasi berkelanjutan, kecepatan transmisi dapat mencapai 100Gbps. Terlihat dari Tabel 1 memberikan kontribusi yang besar terhadap perkembangan komunikasi terahertz. Namun, penelitian saat ini memiliki kelemahan 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 perwakilan sistem komunikasi nirkabel THz yang menggabungkan fotonik dan elektronik. Gambar 3 (b) menunjukkan lokasi pengujian terowongan angin. Dilihat dari situasi penelitian saat ini di Jerman, penelitian dan pengembangannya juga memiliki kelemahan seperti frekuensi operasi yang rendah, biaya 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 tersebut mempelajari hubungan antara tahun dan frekuensi komunikasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti terlihat pada Gambar 4, pada tahun 2020, penelitian tentang komunikasi nirkabel cenderung pada pita THz. Frekuensi komunikasi maksimum yang menggunakan spektrum radio meningkat sekitar sepuluh kali lipat setiap dua puluh tahun. Pusat ini telah membuat rekomendasi mengenai persyaratan antena THz dan mengusulkan antena tradisional seperti klakson dan lensa untuk sistem komunikasi THz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, dua antena horn bekerja pada 0,84THz dan 1,7THz, dengan struktur sederhana dan kinerja sinar 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 yang terkenal termasuk Jet Propulsion Laboratory (JPL), Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), US National Laboratory (LLNL), National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Science Foundation (NSF), dll. Antena terahertz baru untuk aplikasi terahertz telah dirancang, seperti antena bowtie dan antena kemudi pancaran frekuensi. Berdasarkan perkembangan antena terahertz, diperoleh tiga ide dasar desain antena terahertz saat ini, seperti terlihat pada Gambar 6.
Gambar 6 Tiga ide desain dasar antena terahertz
Analisis di atas menunjukkan bahwa meskipun banyak negara telah menaruh perhatian besar pada antena terahertz, namun antena tersebut masih dalam tahap eksplorasi dan pengembangan awal. Karena kehilangan propagasi dan penyerapan molekuler yang tinggi, antena THz biasanya dibatasi oleh jarak transmisi dan jangkauan. Beberapa penelitian berfokus pada frekuensi operasi yang lebih rendah di pita THz. Penelitian antena terahertz yang ada terutama berfokus pada peningkatan penguatan dengan menggunakan antena lensa dielektrik, dll., dan meningkatkan efisiensi komunikasi dengan menggunakan algoritma yang tepat. Selain itu, bagaimana meningkatkan efisiensi pengemasan antena terahertz juga menjadi isu yang sangat mendesak.
Antena THz umum
Ada banyak jenis antena THz yang tersedia: antena dipol dengan rongga berbentuk kerucut, susunan reflektor sudut, dipol dasi kupu-kupu, antena planar lensa dielektrik, antena fotokonduktif untuk menghasilkan sumber radiasi sumber THz, antena tanduk, antena THz berdasarkan bahan graphene, dll. Menurut Bahan yang digunakan untuk membuat antena THz secara kasar dapat dibagi menjadi antena logam (terutama antena tanduk), antena dielektrik (antena lensa), dan antena bahan baru. Bagian ini pertama-tama memberikan analisis awal antena-antena ini, dan kemudian di bagian berikutnya, lima antena THz tipikal diperkenalkan secara rinci dan dianalisis secara mendalam.
1. Antena logam
Antena klakson adalah antena logam khas yang dirancang untuk bekerja pada pita THz. Antena penerima gelombang milimeter klasik berbentuk tanduk berbentuk kerucut. Antena bergelombang dan 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 dari kedua antena horn masing-masing adalah 30%-40% dan 6%-8%.
Karena frekuensi gelombang terahertz sangat tinggi, ukuran antena klakson sangat kecil, sehingga pemrosesan klakson menjadi sangat sulit, terutama dalam desain susunan antena, dan kerumitan teknologi pemrosesan menyebabkan biaya yang berlebihan dan produksi terbatas. Karena sulitnya pembuatan bagian bawah desain klakson yang rumit, biasanya digunakan antena klakson sederhana berbentuk kerucut atau kerucut, yang dapat mengurangi biaya dan kerumitan proses, serta kinerja radiasi antena dapat dipertahankan. Sehat.
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 merupakan struktur terbuka yang kompatibel dengan dioda Schottky. Karena strukturnya yang relatif sederhana dan persyaratan manufaktur yang rendah, umumnya dapat digunakan pada pita frekuensi di atas 0,6 THz. Namun, tingkat sidelobe dan tingkat polarisasi silang antena tinggi, mungkin karena strukturnya yang terbuka. Oleh karena itu, efisiensi koplingnya relatif rendah (sekitar 50%).
Gambar 7 Antena piramida gelombang berjalan
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 api samping pita sempit dan pita lebar yang dapat menandingi detektor impedansi rendah antena dielektrik terahertz: antena kupu-kupu, antena berbentuk U ganda, antena log-periodik, dan antena sinusoidal log-periodik, sebagai 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 digabungkan 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 secara signifikan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9, ketika sudut radiasi antena lebih besar dari sudut cutoff, energinya terkurung dalam substrat dielektrik dan digabungkan dengan mode substrat.
Gambar 9 Efek gelombang permukaan antena
Ketika ketebalan substrat meningkat, jumlah mode tingkat tinggi meningkat, dan sambungan antara antena dan substrat meningkat, yang mengakibatkan hilangnya energi. Untuk melemahkan efek gelombang permukaan, ada tiga skema optimasi:
1) Pasang lensa pada antena untuk meningkatkan penguatan dengan menggunakan karakteristik beamforming gelombang elektromagnetik.
2) Mengurangi ketebalan substrat untuk menekan pembentukan mode gelombang elektromagnetik tingkat tinggi.
3) Ganti bahan dielektrik substrat dengan celah pita elektromagnetik (EBG). Karakteristik penyaringan spasial EBG dapat menekan mode tingkat 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 karbon nanotube. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10 (a), dipol terbuat dari tabung nano karbon, bukan bahan logam. Dia dengan cermat mempelajari sifat inframerah dan optik antena dipol karbon nanotube dan membahas karakteristik umum antena dipol karbon nanotube 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 karbon nanotube. Seperti dapat dilihat pada Gambar 10(b), bagian imajiner dari impedansi masukan memiliki beberapa angka nol pada frekuensi yang lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa antena dapat mencapai banyak resonansi pada frekuensi yang berbeda. Jelas sekali, antena tabung nano karbon menunjukkan resonansi dalam rentang frekuensi tertentu (frekuensi THz lebih rendah), tetapi sama sekali tidak dapat beresonansi di luar rentang ini.
Gambar 10 (a) Antena dipol karbon nanotube. (b) Kurva frekuensi impedansi masukan
Pada tahun 2012, Samir F. Mahmoud dan Ayed R. AlAjmi mengusulkan struktur antena terahertz baru berdasarkan tabung nano karbon, yang terdiri dari sekumpulan tabung nano 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 tabung nano karbon berdinding tunggal.
Gambar 11 Antena terahertz baru berdasarkan karbon nanotube
Antena terahertz material baru yang diusulkan di atas sebagian besar berbentuk 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 terdapat pada antarmuka antara substrat konstanta dielektrik positif (seperti Si, SiO2, dll.) dan substrat konstanta dielektrik negatif (seperti logam mulia, graphene, dll.). Ada sejumlah besar "elektron bebas" dalam konduktor seperti logam mulia dan graphene. Elektron bebas ini juga disebut plasma. Karena medan potensial yang melekat pada konduktor, plasma ini berada dalam keadaan stabil dan tidak terganggu oleh dunia luar. Ketika energi gelombang elektromagnetik yang datang digabungkan dengan plasma ini, plasma akan menyimpang dari kondisi tunak dan bergetar. Setelah konversi, mode elektromagnetik membentuk gelombang magnet transversal pada antarmuka. Menurut deskripsi hubungan dispersi plasma permukaan logam dengan model Drude, logam tidak dapat berpasangan secara alami dengan gelombang elektromagnetik di ruang bebas dan mengubah energi. Penting untuk menggunakan bahan lain untuk merangsang gelombang plasma permukaan. Gelombang plasma permukaan meluruh dengan cepat dalam arah paralel antarmuka logam-substrat. Ketika konduktor logam menghantarkan listrik dalam arah tegak lurus terhadap permukaan, terjadi efek kulit. Tentunya karena ukuran antena yang kecil maka terjadi skin effect pada pita frekuensi tinggi yang menyebabkan kinerja antena turun tajam dan tidak dapat memenuhi persyaratan antena terahertz. Plasmon permukaan graphene tidak hanya memiliki kekuatan pengikatan yang lebih tinggi dan kehilangan yang lebih rendah, tetapi juga mendukung penyetelan listrik yang berkelanjutan. Selain itu, graphene memiliki konduktivitas kompleks pada pita terahertz. Oleh karena itu, perambatan gelombang lambat berhubungan dengan mode plasma pada frekuensi terahertz. Karakteristik ini sepenuhnya menunjukkan kelayakan graphene untuk menggantikan material logam pada pita terahertz.
Berdasarkan perilaku polarisasi plasmon permukaan graphene, Gambar 12 menunjukkan jenis antena strip baru, dan mengusulkan bentuk pita karakteristik propagasi gelombang plasma pada graphene. Desain pita antena merdu memberikan cara baru untuk mempelajari karakteristik propagasi 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 gambar graphene yang berbeda pada lapisan nikel tipis dan mentransfernya ke substrat apa pun. Dengan memilih jumlah komponen yang sesuai dan mengubah tegangan bias elektrostatis, arah radiasi dapat diubah secara efektif, sehingga sistem dapat dikonfigurasi ulang.
Gambar 13 Susunan antena Graphene nanopatch terahertz
Penelitian material baru adalah arah yang relatif baru. Inovasi material diharapkan dapat mendobrak keterbatasan antena tradisional dan mengembangkan berbagai antena baru, seperti metamaterial yang dapat dikonfigurasi ulang, material dua dimensi (2D), dll. Namun, antena jenis ini terutama bergantung pada inovasi bahan baru. material dan kemajuan teknologi proses. Bagaimanapun, pengembangan antena terahertz memerlukan bahan inovatif, teknologi pemrosesan yang tepat, dan struktur desain baru untuk memenuhi kebutuhan antena terahertz dengan gain tinggi, biaya rendah, dan lebar pita.
Berikut ini memperkenalkan prinsip dasar dari tiga jenis antena terahertz: antena logam, antena dielektrik, dan antena material baru, serta menganalisis perbedaan serta kelebihan dan kekurangannya.
1. Antena logam: Geometrinya sederhana, mudah diproses, biayanya relatif rendah, dan persyaratan bahan substratnya rendah. Namun antena logam menggunakan metode mekanis untuk mengatur posisi antena, sehingga rentan terhadap kesalahan. Jika penyesuaiannya 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 masukan yang rendah, mudah dicocokkan dengan detektor impedansi rendah, dan relatif mudah untuk dihubungkan dengan rangkaian planar. Bentuk geometris antena dielektrik antara lain bentuk kupu-kupu, bentuk U ganda, bentuk logaritma konvensional, dan bentuk sinus periodik logaritmik. Namun antena dielektrik juga mempunyai kelemahan yang fatal yaitu efek gelombang permukaan yang disebabkan oleh substrat yang tebal. Solusinya adalah dengan memuat lensa dan mengganti substrat dielektrik dengan struktur EBG. Kedua solusi tersebut memerlukan inovasi dan peningkatan berkelanjutan dalam teknologi proses dan material, namun kinerjanya yang sangat baik (seperti omnidirectionity 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 tabung nano karbon dan struktur antena baru yang terbuat dari metamaterial telah muncul. Material baru dapat membawa terobosan kinerja baru, namun premisnya adalah inovasi ilmu material. Saat ini, penelitian tentang antena material baru masih dalam tahap eksplorasi, dan banyak teknologi utama yang belum cukup matang.
Singkatnya, berbagai jenis antena terahertz dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan desain:
1) Jika diperlukan desain sederhana dan biaya produksi rendah, antena logam dapat dipilih.
2) Jika diperlukan integrasi tinggi dan impedansi masukan rendah, antena dielektrik dapat dipilih.
3) Jika diperlukan terobosan dalam kinerja, antena material baru dapat dipilih.
Desain di atas juga dapat disesuaikan dengan kebutuhan spesifik. Misalnya, dua jenis antena dapat digabungkan untuk mendapatkan lebih banyak keuntungan, namun metode perakitan dan teknologi desain harus memenuhi persyaratan yang lebih ketat.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 02 Agustus-2024
