વાયરલેસ ઉપકરણોની વધતી જતી લોકપ્રિયતા સાથે, ડેટા સેવાઓ ઝડપી વિકાસના નવા સમયગાળામાં પ્રવેશી છે, જેને ડેટા સેવાઓની વિસ્ફોટક વૃદ્ધિ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. હાલમાં, મોટી સંખ્યામાં એપ્લિકેશનો ધીમે ધીમે કમ્પ્યુટર્સમાંથી વાયરલેસ ઉપકરણો પર સ્થાનાંતરિત થઈ રહી છે જેમ કે મોબાઇલ ફોન કે જે વાસ્તવિક સમયમાં વહન કરવા અને ચલાવવા માટે સરળ છે, પરંતુ આ પરિસ્થિતિને કારણે ડેટા ટ્રાફિકમાં ઝડપી વધારો થયો છે અને બેન્ડવિડ્થ સંસાધનોની અછત પણ છે. . આંકડા અનુસાર, આગામી 10 થી 15 વર્ષમાં માર્કેટમાં ડેટા રેટ Gbps અથવા તો Tbps સુધી પહોંચી શકે છે. હાલમાં, THz કોમ્યુનિકેશન Gbps ડેટા રેટ પર પહોંચી ગયું છે, જ્યારે Tbps ડેટા રેટ હજુ વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કામાં છે. સંબંધિત પેપર THz બેન્ડના આધારે Gbps ડેટા દરોમાં નવીનતમ પ્રગતિની યાદી આપે છે અને આગાહી કરે છે કે Tbps ધ્રુવીકરણ મલ્ટિપ્લેક્સિંગ દ્વારા મેળવી શકાય છે. તેથી, ડેટા ટ્રાન્સમિશન રેટ વધારવા માટે, એક શક્ય ઉકેલ એ છે કે નવો ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ વિકસાવવો, જે ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડ છે, જે માઇક્રોવેવ્સ અને ઇન્ફ્રારેડ લાઇટ વચ્ચેના "ખાલી વિસ્તારમાં" છે. 2019 માં ITU વર્લ્ડ રેડિયો કોમ્યુનિકેશન કોન્ફરન્સ (WRC-19) માં, 275-450GHz ની ફ્રીક્વન્સી રેન્જનો ઉપયોગ ફિક્સ અને લેન્ડ મોબાઈલ સેવાઓ માટે કરવામાં આવ્યો છે. તે જોઈ શકાય છે કે ટેરાહર્ટ્ઝ વાયરલેસ કમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સે ઘણા સંશોધકોનું ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે.
ટેરાહર્ટ્ઝ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને સામાન્ય રીતે 0.03-3 mm ની તરંગલંબાઇ સાથે 0.1-10THz (1THz=1012Hz) ના ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. IEEE ધોરણ મુજબ, ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોને 0.3-10THz તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. આકૃતિ 1 બતાવે છે કે ટેરાહર્ટ્ઝ ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ માઇક્રોવેવ્સ અને ઇન્ફ્રારેડ લાઇટ વચ્ચે છે.
ફિગ. 1 THz ફ્રીક્વન્સી બેન્ડનું યોજનાકીય આકૃતિ.
ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાનો વિકાસ
ટેરાહર્ટ્ઝ સંશોધન 19મી સદીમાં શરૂ થયું હોવા છતાં, તે સમયે તેનો સ્વતંત્ર ક્ષેત્ર તરીકે અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો ન હતો. ટેરાહર્ટ્ઝ રેડિયેશન પરનું સંશોધન મુખ્યત્વે દૂર-ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડ પર કેન્દ્રિત હતું. 20મી સદીના મધ્યથી અંત સુધી સંશોધકોએ મિલિમીટર વેવ સંશોધનને ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડમાં આગળ વધારવાનું અને વિશિષ્ટ ટેરાહર્ટ્ઝ ટેક્નોલોજી સંશોધન હાથ ધરવાનું શરૂ કર્યું હતું.
1980 ના દાયકામાં, ટેરાહર્ટ્ઝ રેડિયેશન સ્ત્રોતોના ઉદભવે વ્યવહારિક પ્રણાલીઓમાં ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોનો ઉપયોગ શક્ય બનાવ્યો. 21મી સદીથી, વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન ટેક્નોલોજીનો ઝડપથી વિકાસ થયો છે, અને લોકોની માહિતી માટેની માંગ અને સંચાર સાધનોમાં થયેલા વધારાને કારણે સંચાર ડેટાના પ્રસારણ દર પર વધુ કડક આવશ્યકતાઓ આગળ વધી છે. તેથી, ભાવિ સંચાર તકનીકનો એક પડકાર એ છે કે એક સ્થાને ગીગાબીટ્સ પ્રતિ સેકન્ડના ઊંચા ડેટા દરે કામ કરવું. વર્તમાન આર્થિક વિકાસ હેઠળ, સ્પેક્ટ્રમ સંસાધનો વધુને વધુ દુર્લભ બન્યા છે. જો કે, સંદેશાવ્યવહાર ક્ષમતા અને ઝડપ માટે માનવ જરૂરિયાતો અનંત છે. સ્પેક્ટ્રમ ભીડની સમસ્યા માટે, ઘણી કંપનીઓ અવકાશી મલ્ટિપ્લેક્સિંગ દ્વારા સ્પેક્ટ્રમની કાર્યક્ષમતા અને સિસ્ટમ ક્ષમતાને સુધારવા માટે બહુવિધ-ઇનપુટ મલ્ટિપલ-આઉટપુટ (MIMO) તકનીકનો ઉપયોગ કરે છે. 5G નેટવર્કની પ્રગતિ સાથે, દરેક વપરાશકર્તાની ડેટા કનેક્શન સ્પીડ Gbps કરતાં વધી જશે અને બેઝ સ્ટેશનનો ડેટા ટ્રાફિક પણ નોંધપાત્ર રીતે વધશે. પરંપરાગત મિલિમીટર વેવ કમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે, માઇક્રોવેવ લિંક્સ આ વિશાળ ડેટા સ્ટ્રીમ્સને હેન્ડલ કરવામાં સમર્થ હશે નહીં. વધુમાં, દૃષ્ટિની રેખાના પ્રભાવને લીધે, ઇન્ફ્રારેડ સંચારનું પ્રસારણ અંતર ટૂંકું છે અને તેના સંચાર સાધનોનું સ્થાન નિશ્ચિત છે. તેથી, THz તરંગો, જે માઇક્રોવેવ્સ અને ઇન્ફ્રારેડ વચ્ચે હોય છે, તેનો ઉપયોગ હાઇ-સ્પીડ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ બનાવવા અને THz લિંક્સનો ઉપયોગ કરીને ડેટા ટ્રાન્સમિશન દર વધારવા માટે કરી શકાય છે.
ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગો વ્યાપક સંચાર બેન્ડવિડ્થ પ્રદાન કરી શકે છે, અને તેની આવર્તન શ્રેણી મોબાઇલ સંચાર કરતા લગભગ 1000 ગણી છે. તેથી, અલ્ટ્રા-હાઈ-સ્પીડ વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ બનાવવા માટે THz નો ઉપયોગ કરવો એ ઉચ્ચ ડેટા દરોના પડકારનો એક આશાસ્પદ ઉકેલ છે, જેણે ઘણી સંશોધન ટીમો અને ઉદ્યોગોને આકર્ષ્યા છે. સપ્ટેમ્બર 2017માં, પ્રથમ THz વાયરલેસ કમ્યુનિકેશન સ્ટાન્ડર્ડ IEEE 802.15.3d-2017 બહાર પાડવામાં આવ્યું હતું, જે 252-325 GHz ની નીચી THz ફ્રીક્વન્સી રેન્જમાં પોઇન્ટ-ટુ-પોઇન્ટ ડેટા એક્સચેન્જને વ્યાખ્યાયિત કરે છે. લિંકનું વૈકલ્પિક ભૌતિક સ્તર (PHY) વિવિધ બેન્ડવિડ્થ પર 100 Gbps સુધીના ડેટા દરો હાંસલ કરી શકે છે.
0.12 THz ની પ્રથમ સફળ THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ 2004 માં સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી, અને 0.3 THz ની THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ 2013 માં સાકાર કરવામાં આવી હતી. કોષ્ટક 1 જાપાનમાં 2004 થી 2013 દરમિયાન ટેરાહર્ટ્ઝ કમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સની સંશોધન પ્રગતિની સૂચિ આપે છે.
કોષ્ટક 1 2004 થી 2013 દરમિયાન જાપાનમાં ટેરાહર્ટ્ઝ કમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સની સંશોધન પ્રગતિ
2005માં નિપ્પોન ટેલિગ્રાફ એન્ડ ટેલિફોન કોર્પોરેશન (NTT) દ્વારા 2004માં વિકસિત કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમના એન્ટેના સ્ટ્રક્ચરનું વિગતવાર વર્ણન કરવામાં આવ્યું હતું. આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે એન્ટેના રૂપરેખાંકન બે કેસોમાં રજૂ કરવામાં આવ્યું હતું.
આકૃતિ 2 જાપાનની NTT 120 GHz વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમનો સ્કીમેટિક ડાયાગ્રામ
સિસ્ટમ ફોટોઇલેક્ટ્રિક કન્વર્ઝન અને એન્ટેનાને એકીકૃત કરે છે અને બે કાર્યકારી મોડ અપનાવે છે:
1. ક્લોઝ-રેન્જ ઇન્ડોર વાતાવરણમાં, આકૃતિ 2(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઘરની અંદર વપરાતા પ્લાનર એન્ટેના ટ્રાન્સમીટરમાં સિંગલ-લાઇન કેરિયર ફોટોોડિયોડ (UTC-PD) ચિપ, પ્લેનર સ્લોટ એન્ટેના અને સિલિકોન લેન્સનો સમાવેશ થાય છે.
2. લાંબા અંતરના આઉટડોર વાતાવરણમાં, મોટા ટ્રાન્સમિશન નુકશાન અને ડિટેક્ટરની ઓછી સંવેદનશીલતાના પ્રભાવને સુધારવા માટે, ટ્રાન્સમીટર એન્ટેનામાં ઉચ્ચ લાભ હોવો આવશ્યક છે. હાલના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના 50 dBi કરતાં વધુ ગેઇન સાથે ગૌસીયન ઓપ્ટિકલ લેન્સનો ઉપયોગ કરે છે. ફીડ હોર્ન અને ડાઇલેક્ટ્રિક લેન્સનું સંયોજન આકૃતિ 2(b) માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે.
0.12 THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ વિકસાવવા ઉપરાંત, NTT એ 2012માં 0.3THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ પણ વિકસાવી હતી. સતત ઑપ્ટિમાઇઝેશન દ્વારા, ટ્રાન્સમિશન રેટ 100Gbps જેટલો ઊંચો હોઈ શકે છે. કોષ્ટક 1 પરથી જોઈ શકાય છે તેમ, તેણે ટેરાહર્ટ્ઝ કમ્યુનિકેશનના વિકાસમાં મોટો ફાળો આપ્યો છે. જો કે, વર્તમાન સંશોધન કાર્યમાં ઓછી ઓપરેટિંગ આવર્તન, મોટા કદ અને ઊંચી કિંમતના ગેરફાયદા છે.
હાલમાં ઉપયોગમાં લેવાતા મોટાભાગના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનામાં મિલિમીટર વેવ એન્ટેનાથી ફેરફાર કરવામાં આવ્યા છે અને ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનામાં થોડી નવીનતા છે. તેથી, ટેરાહર્ટ્ઝ કમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સના પ્રભાવને સુધારવા માટે, એક મહત્વપૂર્ણ કાર્ય ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવાનું છે. કોષ્ટક 2 જર્મન THz સંચારની સંશોધન પ્રગતિની યાદી આપે છે. આકૃતિ 3 (a) ફોટોનિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સનું સંયોજન કરતી પ્રતિનિધિ THz વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ બતાવે છે. આકૃતિ 3 (b) પવન ટનલ પરીક્ષણ દ્રશ્ય બતાવે છે. જર્મનીમાં વર્તમાન સંશોધન પરિસ્થિતિને ધ્યાનમાં રાખીને, તેના સંશોધન અને વિકાસમાં પણ ઓછી ઓપરેટિંગ આવર્તન, ઊંચી કિંમત અને ઓછી કાર્યક્ષમતા જેવા ગેરફાયદા છે.
કોષ્ટક 2 જર્મનીમાં THz સંચારની સંશોધન પ્રગતિ
આકૃતિ 3 વિન્ડ ટનલ ટેસ્ટ દ્રશ્ય
CSIRO ICT સેન્ટરે THz ઇન્ડોર વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ પર સંશોધન પણ શરૂ કર્યું છે. કેન્દ્રે વર્ષ અને સંચાર આવર્તન વચ્ચેના સંબંધનો અભ્યાસ કર્યો, આકૃતિ 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. આકૃતિ 4 પરથી જોઈ શકાય છે, 2020 સુધીમાં, વાયરલેસ સંચાર પર સંશોધન THz બેન્ડ તરફ વળે છે. રેડિયો સ્પેક્ટ્રમનો ઉપયોગ કરીને મહત્તમ સંચાર આવર્તન દર વીસ વર્ષે લગભગ દસ ગણું વધે છે. કેન્દ્રએ THz એન્ટેના માટેની જરૂરિયાતો પર ભલામણો કરી છે અને THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે શિંગડા અને લેન્સ જેવા પરંપરાગત એન્ટેના પ્રસ્તાવિત કર્યા છે. આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બે હોર્ન એન્ટેના અનુક્રમે 0.84THz અને 1.7THz પર કામ કરે છે, એક સરળ માળખું અને સારા ગૌસીયન બીમ પ્રદર્શન સાથે.
આકૃતિ 4 વર્ષ અને આવર્તન વચ્ચેનો સંબંધ
RM-BDHA818-20A
RM-DCPHA105145-20
આકૃતિ 5 બે પ્રકારના હોર્ન એન્ટેના
યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સે ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોના ઉત્સર્જન અને શોધ પર વ્યાપક સંશોધન હાથ ધર્યું છે. પ્રખ્યાત ટેરાહર્ટ્ઝ સંશોધન પ્રયોગશાળાઓમાં જેટ પ્રોપલ્શન લેબોરેટરી (JPL), સ્ટેનફોર્ડ લીનિયર એક્સિલરેટર સેન્ટર (SLAC), યુએસ નેશનલ લેબોરેટરી (LLNL), નેશનલ એરોનોટિક્સ એન્ડ સ્પેસ એડમિનિસ્ટ્રેશન (NASA), નેશનલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશન (NSF), વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. ટેરાહર્ટ્ઝ એપ્લિકેશન માટે નવા ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે, જેમ કે બોટી એન્ટેના અને ફ્રીક્વન્સી બીમ સ્ટીયરિંગ એન્ટેના. ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના વિકાસ અનુસાર, અમે આકૃતિ 6 માં બતાવ્યા પ્રમાણે હાલમાં ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના માટે ત્રણ મૂળભૂત ડિઝાઇન વિચારો મેળવી શકીએ છીએ.
આકૃતિ 6 ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના માટે ત્રણ મૂળભૂત ડિઝાઇન વિચારો
ઉપરોક્ત વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે ઘણા દેશોએ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પર ખૂબ ધ્યાન આપ્યું હોવા છતાં, તે હજી પણ પ્રારંભિક સંશોધન અને વિકાસના તબક્કામાં છે. ઉચ્ચ પ્રચાર નુકશાન અને મોલેક્યુલર શોષણને લીધે, THz એન્ટેના સામાન્ય રીતે ટ્રાન્સમિશન અંતર અને કવરેજ દ્વારા મર્યાદિત હોય છે. કેટલાક અભ્યાસો THz બેન્ડમાં ઓછી ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સીઝ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. હાલનું ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના સંશોધન મુખ્યત્વે ડાઇલેક્ટ્રિક લેન્સ એન્ટેના વગેરેનો ઉપયોગ કરીને લાભમાં સુધારો કરવા અને યોગ્ય અલ્ગોરિધમનો ઉપયોગ કરીને સંચાર કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. વધુમાં, ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પેકેજીંગની કાર્યક્ષમતામાં કેવી રીતે સુધારો કરવો તે પણ ખૂબ જ તાકીદનો મુદ્દો છે.
સામાન્ય THz એન્ટેના
ઘણા પ્રકારના THz એન્ટેના ઉપલબ્ધ છે: શંકુ પોલાણવાળા દ્વિધ્રુવીય એન્ટેના, કોર્નર રિફ્લેક્ટર એરે, બોટી ડીપોલ્સ, ડાઇલેક્ટ્રિક લેન્સ પ્લાનર એન્ટેના, THz સ્ત્રોત રેડિયેશન સ્ત્રોતો પેદા કરવા માટે ફોટોકન્ડક્ટિવ એન્ટેના, હોર્ન એન્ટેના, THz એન્ટેના, વગેરે સામગ્રીના આધારે. THz એન્ટેના બનાવવા માટે વપરાતી સામગ્રી, તેઓને લગભગ મેટલ એન્ટેના (મુખ્યત્વે હોર્ન એન્ટેના), ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના (લેન્સ એન્ટેના), અને નવા મટીરીયલ એન્ટેનામાં વિભાજિત કરી શકાય છે. આ વિભાગ પ્રથમ આ એન્ટેનાનું પ્રારંભિક વિશ્લેષણ આપે છે, અને પછીના વિભાગમાં, પાંચ લાક્ષણિક THz એન્ટેનાને વિગતવાર રજૂ કરવામાં આવે છે અને તેનું ઊંડાણપૂર્વક વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે.
1. મેટલ એન્ટેના
હોર્ન એન્ટેના એ એક લાક્ષણિક મેટલ એન્ટેના છે જે THz બેન્ડમાં કામ કરવા માટે રચાયેલ છે. ક્લાસિક મિલિમીટર વેવ રીસીવરનો એન્ટેના એક શંકુ આકારનું હોર્ન છે. લહેરિયું અને દ્વિ-મોડ એન્ટેનાના ઘણા ફાયદા છે, જેમાં રોટેશનલી સપ્રમાણ રેડિયેશન પેટર્ન, 20 થી 30 dBiનો ઉચ્ચ લાભ અને -30 dB નું નીચું ક્રોસ-ધ્રુવીકરણ સ્તર અને 97% થી 98% ની કપ્લીંગ કાર્યક્ષમતાનો સમાવેશ થાય છે. બે હોર્ન એન્ટેનાની ઉપલબ્ધ બેન્ડવિડ્થ અનુક્રમે 30%-40% અને 6%-8% છે.
ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોની આવર્તન ખૂબ ઊંચી હોવાથી, હોર્ન એન્ટેનાનું કદ ખૂબ જ નાનું છે, જે હોર્નની પ્રક્રિયાને ખૂબ જ મુશ્કેલ બનાવે છે, ખાસ કરીને એન્ટેના એરેની ડિઝાઇનમાં, અને પ્રોસેસિંગ તકનીકની જટિલતા વધુ પડતી કિંમત તરફ દોરી જાય છે અને મર્યાદિત ઉત્પાદન. જટિલ હોર્ન ડિઝાઇનના તળિયાના ઉત્પાદનમાં મુશ્કેલીને કારણે, સામાન્ય રીતે શંકુ અથવા શંકુ આકારના શિંગડાના રૂપમાં એક સરળ હોર્ન એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે ખર્ચ અને પ્રક્રિયાની જટિલતાને ઘટાડી શકે છે, અને એન્ટેનાની રેડિયેશન કામગીરી જાળવી શકાય છે. સારું
અન્ય મેટલ એન્ટેના એ ટ્રાવેલિંગ વેવ પિરામિડ એન્ટેના છે, જેમાં 1.2 માઇક્રોન ડાઇલેક્ટ્રિક ફિલ્મ પર સંકલિત ટ્રાવેલિંગ વેવ એન્ટેનાનો સમાવેશ થાય છે અને આકૃતિ 7 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સિલિકોન વેફર પર કોતરવામાં આવેલા રેખાંશ પોલાણમાં સસ્પેન્ડ કરવામાં આવે છે. આ એન્ટેના એક ખુલ્લું માળખું છે. Schottky ડાયોડ્સ સાથે સુસંગત. તેના પ્રમાણમાં સરળ માળખું અને ઓછી ઉત્પાદન આવશ્યકતાઓને લીધે, તેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે 0.6 THz થી ઉપરના ફ્રીક્વન્સી બેન્ડમાં થઈ શકે છે. જો કે, એન્ટેનાનું સાઇડલોબ લેવલ અને ક્રોસ-પોલરાઇઝેશન લેવલ ઊંચું છે, કદાચ તેની ખુલ્લી રચનાને કારણે. તેથી, તેની કપ્લીંગ કાર્યક્ષમતા પ્રમાણમાં ઓછી છે (લગભગ 50%).
આકૃતિ 7 ટ્રાવેલિંગ વેવ પિરામિડલ એન્ટેના
2. ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના
ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના એ ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટ અને એન્ટેના રેડિએટરનું સંયોજન છે. યોગ્ય ડિઝાઇન દ્વારા, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના ડિટેક્ટર સાથે ઇમ્પિડન્સ મેચિંગ હાંસલ કરી શકે છે, અને તેમાં સરળ પ્રક્રિયા, સરળ એકીકરણ અને ઓછી કિંમતના ફાયદા છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, સંશોધકોએ ઘણા નેરોબેન્ડ અને બ્રોડબેન્ડ સાઇડ-ફાયર એન્ટેના ડિઝાઇન કર્યા છે જે ટેરાહર્ટ્ઝ ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનાના લો-ઇમ્પિડન્સ ડિટેક્ટર્સ સાથે મેચ કરી શકે છે: બટરફ્લાય એન્ટેના, ડબલ યુ-આકારના એન્ટેના, લોગ-પીરિયોડિક એન્ટેના અને લોગ-પીરિયોડિક સિનુસોઇડલ એન્ટેના, જેમ કે આકૃતિ 8 માં બતાવેલ છે. વધુમાં, વધુ જટિલ એન્ટેના ભૂમિતિઓ આનુવંશિક અલ્ગોરિધમ્સ દ્વારા ડિઝાઇન કરી શકાય છે.
આકૃતિ 8 ચાર પ્રકારના પ્લાનર એન્ટેના
જો કે, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનાને ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટ સાથે જોડવામાં આવ્યું હોવાથી, જ્યારે આવર્તન THz બેન્ડ તરફ વળે છે ત્યારે સપાટીની તરંગની અસર થશે. આ ઘાતક ગેરલાભને કારણે એન્ટેના ઓપરેશન દરમિયાન ઘણી ઊર્જા ગુમાવશે અને એન્ટેના રેડિયેશન કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો તરફ દોરી જશે. આકૃતિ 9 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, જ્યારે એન્ટેના રેડિયેશન એંગલ કટઓફ એંગલ કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે તેની ઉર્જા ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટમાં સીમિત હોય છે અને સબસ્ટ્રેટ મોડ સાથે જોડાયેલી હોય છે.
આકૃતિ 9 એન્ટેના સપાટી તરંગ અસર
જેમ જેમ સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ વધે છે તેમ, હાઈ-ઓર્ડર મોડ્સની સંખ્યામાં વધારો થાય છે, અને એન્ટેના અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેના જોડાણમાં વધારો થાય છે, પરિણામે ઊર્જાનું નુકસાન થાય છે. સપાટીની તરંગની અસરને નબળી પાડવા માટે, ત્રણ ઑપ્ટિમાઇઝેશન યોજનાઓ છે:
1) ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોની બીમફોર્મિંગ લાક્ષણિકતાઓનો ઉપયોગ કરીને ગેઇન વધારવા માટે એન્ટેના પર લેન્સ લોડ કરો.
2) ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોના ઉચ્ચ-ક્રમના મોડ્સના ઉત્પાદનને દબાવવા માટે સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ ઘટાડવી.
3) સબસ્ટ્રેટ ડાઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક બેન્ડ ગેપ (EBG) સાથે બદલો. EBG ની અવકાશી ફિલ્ટરિંગ લાક્ષણિકતાઓ ઉચ્ચ-ઓર્ડર મોડ્સને દબાવી શકે છે.
3. નવી સામગ્રી એન્ટેના
ઉપરોક્ત બે એન્ટેના ઉપરાંત, નવી સામગ્રીમાંથી બનાવેલ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પણ છે. ઉદાહરણ તરીકે, 2006 માં, જિન હાઓ એટ અલ. કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવીય એન્ટેનાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. આકૃતિ 10 (a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, દ્વિધ્રુવ ધાતુની સામગ્રીને બદલે કાર્બન નેનોટ્યુબથી બનેલો છે. તેમણે કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવી એન્ટેનાના ઇન્ફ્રારેડ અને ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મોનો કાળજીપૂર્વક અભ્યાસ કર્યો અને મર્યાદિત-લંબાઈના કાર્બન નેનોટ્યુબ ડીપોલ એન્ટેનાની સામાન્ય લાક્ષણિકતાઓ, જેમ કે ઇનપુટ અવરોધ, વર્તમાન વિતરણ, લાભ, કાર્યક્ષમતા અને રેડિયેશન પેટર્નની ચર્ચા કરી. આકૃતિ 10 (b) કાર્બન નેનોટ્યુબ ડીપોલ એન્ટેનાના ઇનપુટ અવબાધ અને આવર્તન વચ્ચેનો સંબંધ દર્શાવે છે. જેમ આકૃતિ 10(b) માં જોઈ શકાય છે, ઇનપુટ અવબાધના કાલ્પનિક ભાગમાં ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સીઝ પર બહુવિધ શૂન્ય હોય છે. આ સૂચવે છે કે એન્ટેના વિવિધ ફ્રીક્વન્સીઝ પર બહુવિધ રેઝોનન્સ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. દેખીતી રીતે, કાર્બન નેનોટ્યુબ એન્ટેના ચોક્કસ આવર્તન શ્રેણી (નીચલી THz ફ્રીક્વન્સીઝ) ની અંદર પડઘો દર્શાવે છે, પરંતુ આ શ્રેણીની બહાર પડઘો પાડવા માટે સંપૂર્ણપણે અસમર્થ છે.
આકૃતિ 10 (a) કાર્બન નેનોટ્યુબ ડીપોલ એન્ટેના. (b) ઇનપુટ અવબાધ-આવર્તન વળાંક
2012 માં, સમીર એફ. મહમૂદ અને આયદ આર. અલઆજમીએ કાર્બન નેનોટ્યુબ પર આધારિત નવી ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના માળખું પ્રસ્તાવિત કર્યું, જેમાં બે ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તરોમાં આવરિત કાર્બન નેનોટ્યુબના બંડલનો સમાવેશ થાય છે. આંતરિક ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર એક ડાઇલેક્ટ્રિક ફોમ સ્તર છે, અને બાહ્ય ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર મેટામેટરિયલ સ્તર છે. ચોક્કસ માળખું આકૃતિ 11 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. પરીક્ષણ દ્વારા, એકલ-દિવાલોવાળા કાર્બન નેનોટ્યુબની સરખામણીમાં એન્ટેનાની રેડિયેશન કામગીરીમાં સુધારો કરવામાં આવ્યો છે.
આકૃતિ 11 કાર્બન નેનોટ્યુબ પર આધારિત નવું ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના
ઉપર સૂચિત નવી સામગ્રી ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના મુખ્યત્વે ત્રિ-પરિમાણીય છે. એન્ટેનાની બેન્ડવિડ્થ સુધારવા અને કન્ફોર્મલ એન્ટેના બનાવવા માટે, પ્લાનર ગ્રાફીન એન્ટેનાએ વ્યાપક ધ્યાન મેળવ્યું છે. ગ્રાફીનમાં ઉત્તમ ગતિશીલ સતત નિયંત્રણ લાક્ષણિકતાઓ છે અને તે બાયસ વોલ્ટેજને સમાયોજિત કરીને સપાટી પ્લાઝ્મા પેદા કરી શકે છે. સકારાત્મક ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિર સબસ્ટ્રેટ (જેમ કે Si, SiO2, વગેરે) અને નકારાત્મક ડાઇલેક્ટ્રિક સતત સબસ્ટ્રેટ (જેમ કે કિંમતી ધાતુઓ, ગ્રાફીન, વગેરે) વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર સપાટી પ્લાઝ્મા અસ્તિત્વ ધરાવે છે. કિંમતી ધાતુઓ અને ગ્રાફીન જેવા વાહકમાં મોટી સંખ્યામાં "ફ્રી ઇલેક્ટ્રોન" છે. આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનને પ્લાઝમા પણ કહેવાય છે. વાહકમાં સહજ સંભવિત ક્ષેત્રને લીધે, આ પ્લાઝમા સ્થિર સ્થિતિમાં હોય છે અને બહારની દુનિયાથી પરેશાન થતા નથી. જ્યારે ઘટના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ ઊર્જાને આ પ્લાઝમા સાથે જોડવામાં આવે છે, ત્યારે પ્લાઝમા સ્થિર સ્થિતિમાંથી વિચલિત થશે અને વાઇબ્રેટ થશે. રૂપાંતર પછી, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક મોડ ઇન્ટરફેસ પર ટ્રાંસવર્સ મેગ્નેટિક તરંગ બનાવે છે. ડ્રુડ મોડેલ દ્વારા ધાતુની સપાટીના પ્લાઝ્માના વિક્ષેપ સંબંધના વર્ણન અનુસાર, ધાતુઓ કુદરતી રીતે મુક્ત જગ્યામાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો સાથે જોડી શકતી નથી અને ઊર્જાનું રૂપાંતર કરી શકતી નથી. સપાટીના પ્લાઝ્મા તરંગોને ઉત્તેજિત કરવા માટે અન્ય સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવો જરૂરી છે. મેટલ-સબસ્ટ્રેટ ઇન્ટરફેસની સમાંતર દિશામાં સપાટીના પ્લાઝ્મા તરંગો ઝડપથી ક્ષીણ થાય છે. જ્યારે મેટલ વાહક સપાટી પર લંબ દિશામાં વહન કરે છે, ત્યારે ત્વચાની અસર થાય છે. દેખીતી રીતે, એન્ટેનાના નાના કદને લીધે, ઉચ્ચ આવર્તન બેન્ડમાં ત્વચાની અસર થાય છે, જેના કારણે એન્ટેનાની કામગીરીમાં તીવ્ર ઘટાડો થાય છે અને તે ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતા નથી. ગ્રાફીનના સપાટીના પ્લાઝમોનમાં માત્ર ઉચ્ચ બંધનકર્તા બળ અને ઓછું નુકસાન જ નથી, પરંતુ સતત વિદ્યુત ટ્યુનિંગને પણ સમર્થન આપે છે. વધુમાં, ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડમાં ગ્રાફીન જટિલ વાહકતા ધરાવે છે. તેથી, ધીમી તરંગ પ્રચાર ટેરાહર્ટ્ઝ ફ્રીક્વન્સીઝ પર પ્લાઝ્મા મોડ સાથે સંબંધિત છે. આ લાક્ષણિકતાઓ ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડમાં ધાતુની સામગ્રીને બદલવા માટે ગ્રાફીનની શક્યતાને સંપૂર્ણ રીતે દર્શાવે છે.
ગ્રાફીન સપાટીના પ્લાઝમોન્સના ધ્રુવીકરણ વર્તણૂકના આધારે, આકૃતિ 12 નવા પ્રકારના સ્ટ્રીપ એન્ટેના બતાવે છે, અને ગ્રાફીનમાં પ્લાઝ્મા તરંગોના પ્રસારની લાક્ષણિકતાઓના બેન્ડ આકારની દરખાસ્ત કરે છે. ટ્યુનેબલ એન્ટેના બેન્ડની ડિઝાઇન નવી સામગ્રી ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના પ્રસારની લાક્ષણિકતાઓનો અભ્યાસ કરવાની નવી રીત પ્રદાન કરે છે.
આકૃતિ 12 નવી સ્ટ્રીપ એન્ટેના
એકમ નવી સામગ્રી ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના તત્વોનું અન્વેષણ કરવા ઉપરાંત, ગ્રાફીન નેનોપેચ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાને ટેરાહર્ટ્ઝ મલ્ટિ-ઇનપુટ મલ્ટિ-આઉટપુટ એન્ટેના કમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ બનાવવા માટે એરે તરીકે પણ ડિઝાઇન કરી શકાય છે. એન્ટેનાનું માળખું આકૃતિ 13 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. ગ્રાફીન નેનોપેચ એન્ટેનાના અનન્ય ગુણધર્મોના આધારે, એન્ટેના તત્વોમાં માઇક્રોન-સ્કેલ પરિમાણો હોય છે. રાસાયણિક વરાળનું સંચય સીધા જ પાતળી નિકલ સ્તર પર વિવિધ ગ્રાફીન છબીઓને સંશ્લેષણ કરે છે અને તેને કોઈપણ સબસ્ટ્રેટમાં સ્થાનાંતરિત કરે છે. ઘટકોની યોગ્ય સંખ્યા પસંદ કરીને અને ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક બાયસ વોલ્ટેજને બદલીને, રેડિયેશનની દિશા અસરકારક રીતે બદલી શકાય છે, જે સિસ્ટમને ફરીથી ગોઠવી શકાય છે.
આકૃતિ 13 ગ્રાફીન નેનોપેચ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના એરે
નવી સામગ્રીનું સંશોધન પ્રમાણમાં નવી દિશા છે. સામગ્રીની નવીનતા પરંપરાગત એન્ટેનાની મર્યાદાઓને તોડીને વિવિધ પ્રકારના નવા એન્ટેના વિકસાવવાની અપેક્ષા રાખે છે, જેમ કે પુનઃરૂપરેખાંકિત મેટામટેરિયલ્સ, દ્વિ-પરિમાણીય (2D) સામગ્રીઓ વગેરે. જો કે, આ પ્રકારના એન્ટેના મુખ્યત્વે નવીનતા પર આધાર રાખે છે. સામગ્રી અને પ્રક્રિયા તકનીકની પ્રગતિ. કોઈ પણ સંજોગોમાં, ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના વિકાસ માટે ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના ઉચ્ચ લાભ, ઓછી કિંમત અને વિશાળ બેન્ડવિડ્થ જરૂરિયાતોને પહોંચી વળવા માટે નવીન સામગ્રી, ચોક્કસ પ્રોસેસિંગ ટેક્નોલોજી અને નવલકથા ડિઝાઇન માળખાની જરૂર છે.
નીચેના ત્રણ પ્રકારના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના મૂળભૂત સિદ્ધાંતો રજૂ કરે છે: મેટલ એન્ટેના, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના અને નવી સામગ્રી એન્ટેના, અને તેમના તફાવતો અને ફાયદા અને ગેરફાયદાનું વિશ્લેષણ કરે છે.
1. મેટલ એન્ટેના: ભૂમિતિ સરળ, પ્રક્રિયા કરવા માટે સરળ, પ્રમાણમાં ઓછી કિંમત અને સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી માટે ઓછી જરૂરિયાતો છે. જો કે, ધાતુના એન્ટેના એન્ટેનાની સ્થિતિને સમાયોજિત કરવા માટે યાંત્રિક પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે, જે ભૂલોની સંભાવના ધરાવે છે. જો ગોઠવણ યોગ્ય નથી, તો એન્ટેનાનું પ્રદર્શન મોટા પ્રમાણમાં ઘટશે. મેટલ એન્ટેના કદમાં નાનું હોવા છતાં, પ્લેનર સર્કિટ સાથે એસેમ્બલ કરવું મુશ્કેલ છે.
2. ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના: ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનામાં ઓછી ઇનપુટ ઇમ્પીડેન્સ હોય છે, ઓછા ઇમ્પીડેન્સ ડિટેક્ટર સાથે મેચ કરવામાં સરળ હોય છે અને પ્લાનર સર્કિટ સાથે કનેક્ટ થવા માટે પ્રમાણમાં સરળ હોય છે. ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનાના ભૌમિતિક આકારોમાં બટરફ્લાય આકાર, ડબલ U આકાર, પરંપરાગત લઘુગણક આકાર અને લઘુગણક સામયિક સાઈન આકારનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનામાં પણ ઘાતક ખામી હોય છે, એટલે કે જાડા સબસ્ટ્રેટને કારણે સપાટીની તરંગ અસર. ઉકેલ એ છે કે લેન્સ લોડ કરવો અને ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટને EBG સ્ટ્રક્ચર સાથે બદલવું. બંને ઉકેલો માટે નવીનતા અને પ્રક્રિયા તકનીક અને સામગ્રીના સતત સુધારણાની જરૂર છે, પરંતુ તેમનું ઉત્તમ પ્રદર્શન (જેમ કે સર્વદિશા અને સપાટીના તરંગનું દમન) ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના સંશોધન માટે નવા વિચારો પ્રદાન કરી શકે છે.
3. નવા મટીરીયલ એન્ટેના: હાલમાં, કાર્બન નેનોટ્યુબથી બનેલા નવા દ્વિધ્રુવીય એન્ટેના અને મેટામેટરીયલ્સથી બનેલા નવા એન્ટેના સ્ટ્રક્ચર્સ દેખાયા છે. નવી સામગ્રીઓ નવી પ્રદર્શન સફળતાઓ લાવી શકે છે, પરંતુ આધાર સામગ્રી વિજ્ઞાનની નવીનતા છે. હાલમાં, નવા મટીરીયલ એન્ટેના પર સંશોધન હજુ પણ સંશોધનના તબક્કામાં છે, અને ઘણી કી ટેક્નોલોજીઓ પૂરતી પરિપક્વ નથી.
સારાંશમાં, વિવિધ પ્રકારના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના ડિઝાઇન જરૂરિયાતો અનુસાર પસંદ કરી શકાય છે:
1) જો સરળ ડિઝાઇન અને ઓછી ઉત્પાદન કિંમત જરૂરી હોય, તો મેટલ એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે.
2) જો ઉચ્ચ સંકલન અને નીચા ઇનપુટ અવરોધ જરૂરી હોય, તો ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે.
3) જો કામગીરીમાં પ્રગતિ જરૂરી હોય, તો નવી સામગ્રી એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે.
ઉપરોક્ત ડિઝાઇન પણ ચોક્કસ જરૂરિયાતો અનુસાર ગોઠવી શકાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, વધુ ફાયદા મેળવવા માટે બે પ્રકારના એન્ટેનાને જોડી શકાય છે, પરંતુ એસેમ્બલી પદ્ધતિ અને ડિઝાઇન ટેક્નોલોજીએ વધુ કડક આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવી જોઈએ.
એન્ટેના વિશે વધુ જાણવા માટે, કૃપા કરીને મુલાકાત લો:
પોસ્ટ સમય: ઓગસ્ટ-02-2024
