વાયરલેસ ઉપકરણોની વધતી જતી લોકપ્રિયતા સાથે, ડેટા સેવાઓ ઝડપી વિકાસના નવા સમયગાળામાં પ્રવેશી છે, જેને ડેટા સેવાઓનો વિસ્ફોટક વિકાસ પણ કહેવાય છે. હાલમાં, મોટી સંખ્યામાં એપ્લિકેશનો ધીમે ધીમે કમ્પ્યુટરથી વાયરલેસ ઉપકરણો જેવા કે મોબાઇલ ફોન તરફ સ્થળાંતર કરી રહી છે જે વાસ્તવિક સમયમાં વહન અને સંચાલન કરવા માટે સરળ છે, પરંતુ આ પરિસ્થિતિને કારણે ડેટા ટ્રાફિકમાં ઝડપી વધારો અને બેન્ડવિડ્થ સંસાધનોની અછત પણ થઈ છે. આંકડા અનુસાર, બજારમાં ડેટા દર આગામી 10 થી 15 વર્ષમાં Gbps અથવા તો Tbps સુધી પહોંચી શકે છે. હાલમાં, THz સંચાર Gbps ડેટા દર સુધી પહોંચી ગયો છે, જ્યારે Tbps ડેટા દર હજુ વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કામાં છે. એક સંબંધિત પેપર THz બેન્ડના આધારે Gbps ડેટા દરમાં નવીનતમ પ્રગતિની યાદી આપે છે અને આગાહી કરે છે કે ધ્રુવીકરણ મલ્ટિપ્લેક્સિંગ દ્વારા Tbps મેળવી શકાય છે. તેથી, ડેટા ટ્રાન્સમિશન દર વધારવા માટે, એક શક્ય ઉકેલ એ છે કે એક નવો ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ વિકસાવવાનો, જે ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડ છે, જે માઇક્રોવેવ્સ અને ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશ વચ્ચે "ખાલી જગ્યા" માં છે. 2019 માં ITU વર્લ્ડ રેડિયોકોમ્યુનિકેશન કોન્ફરન્સ (WRC-19) માં, 275-450GHz ની ફ્રીક્વન્સી રેન્જનો ઉપયોગ ફિક્સ્ડ અને લેન્ડ મોબાઇલ સેવાઓ માટે કરવામાં આવ્યો છે. તે જોઈ શકાય છે કે ટેરાહર્ટ્ઝ વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સે ઘણા સંશોધકોનું ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે.
ટેરાહર્ટ્ઝ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને સામાન્ય રીતે 0.1-10THz (1THz=1012Hz) ના ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે જેની તરંગલંબાઇ 0.03-3 mm હોય છે. IEEE ધોરણ મુજબ, ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોને 0.3-10THz તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. આકૃતિ 1 દર્શાવે છે કે ટેરાહર્ટ્ઝ ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ માઇક્રોવેવ્સ અને ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશ વચ્ચે છે.
આકૃતિ 1 THz ફ્રીક્વન્સી બેન્ડનો 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 તરંગ સંશોધનને ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડ સુધી આગળ વધારવાનું અને વિશિષ્ટ ટેરાહર્ટ્ઝ ટેકનોલોજી સંશોધન કરવાનું શરૂ કર્યું.
૧૯૮૦ ના દાયકામાં, ટેરાહર્ટ્ઝ કિરણોત્સર્ગ સ્ત્રોતોના ઉદભવથી વ્યવહારિક પ્રણાલીઓમાં ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોનો ઉપયોગ શક્ય બન્યો. ૨૧મી સદીથી, વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન ટેકનોલોજી ઝડપથી વિકસિત થઈ છે, અને માહિતી માટેની લોકોની માંગ અને સંદેશાવ્યવહાર સાધનોમાં વધારાને કારણે સંદેશાવ્યવહાર ડેટાના ટ્રાન્સમિશન દર પર વધુ કડક જરૂરિયાતો મૂકવામાં આવી છે. તેથી, ભવિષ્યની સંદેશાવ્યવહાર ટેકનોલોજીના પડકારોમાંનો એક એક સ્થાન પર પ્રતિ સેકન્ડ ગીગાબીટના ઊંચા ડેટા દરે કાર્ય કરવાનો છે. વર્તમાન આર્થિક વિકાસ હેઠળ, સ્પેક્ટ્રમ સંસાધનો વધુને વધુ દુર્લભ બન્યા છે. જો કે, સંદેશાવ્યવહાર ક્ષમતા અને ગતિ માટે માનવ જરૂરિયાતો અનંત છે. સ્પેક્ટ્રમ ભીડની સમસ્યા માટે, ઘણી કંપનીઓ સ્પેશિયલ મલ્ટિપ્લેક્સિંગ દ્વારા સ્પેક્ટ્રમ કાર્યક્ષમતા અને સિસ્ટમ ક્ષમતા સુધારવા માટે મલ્ટિપલ-ઇનપુટ મલ્ટિપલ-આઉટપુટ (MIMO) ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરે છે. 5G નેટવર્ક્સની પ્રગતિ સાથે, દરેક વપરાશકર્તાની ડેટા કનેક્શન ઝડપ Gbps કરતાં વધી જશે, અને બેઝ સ્ટેશનોનો ડેટા ટ્રાફિક પણ નોંધપાત્ર રીતે વધશે. પરંપરાગત મિલિમીટર વેવ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે, માઇક્રોવેવ લિંક્સ આ વિશાળ ડેટા સ્ટ્રીમ્સને હેન્ડલ કરી શકશે નહીં. વધુમાં, દૃષ્ટિ રેખાના પ્રભાવને કારણે, ઇન્ફ્રારેડ સંદેશાવ્યવહારનું ટ્રાન્સમિશન અંતર ટૂંકું હોય છે અને તેના સંદેશાવ્યવહાર સાધનોનું સ્થાન નિશ્ચિત હોય છે. તેથી, THz તરંગો, જે માઇક્રોવેવ્સ અને ઇન્ફ્રારેડ વચ્ચે હોય છે, તેનો ઉપયોગ THz લિંક્સનો ઉપયોગ કરીને હાઇ-સ્પીડ સંચાર પ્રણાલીઓ બનાવવા અને ડેટા ટ્રાન્સમિશન દર વધારવા માટે કરી શકાય છે.
ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગો વિશાળ સંચાર બેન્ડવિડ્થ પ્રદાન કરી શકે છે, અને તેની આવર્તન શ્રેણી મોબાઇલ સંચાર કરતા લગભગ 1000 ગણી છે. તેથી, અલ્ટ્રા-હાઇ-સ્પીડ વાયરલેસ સંચાર પ્રણાલીઓ બનાવવા માટે THz નો ઉપયોગ કરવો એ ઉચ્ચ ડેટા દરોના પડકારનો આશાસ્પદ ઉકેલ છે, જેણે ઘણી સંશોધન ટીમો અને ઉદ્યોગોનો રસ આકર્ષ્યો છે. સપ્ટેમ્બર 2017 માં, પ્રથમ THz વાયરલેસ સંચાર ધોરણ IEEE 802.15.3d-2017 બહાર પાડવામાં આવ્યું હતું, જે 252-325 GHz ની નીચલા THz આવર્તન શ્રેણીમાં પોઇન્ટ-ટુ-પોઇન્ટ ડેટા વિનિમયને વ્યાખ્યાયિત કરે છે. લિંકનો વૈકલ્પિક ભૌતિક સ્તર (PHY) વિવિધ બેન્ડવિડ્થ પર 100 Gbps સુધીનો ડેટા દર પ્રાપ્ત કરી શકે છે.
0.12 THz ની પ્રથમ સફળ THz સંચાર પ્રણાલી 2004 માં સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી, અને 0.3 THz ની THz સંચાર પ્રણાલી 2013 માં સાકાર થઈ હતી. કોષ્ટક 1 માં 2004 થી 2013 દરમિયાન જાપાનમાં ટેરાહર્ટ્ઝ સંચાર પ્રણાલીઓની સંશોધન પ્રગતિની યાદી આપવામાં આવી છે.
કોષ્ટક 1 2004 થી 2013 દરમિયાન જાપાનમાં ટેરાહર્ટ્ઝ સંચાર પ્રણાલીઓની સંશોધન પ્રગતિ
૨૦૦૪ માં વિકસિત કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમના એન્ટેના માળખાનું વિગતવાર વર્ણન ૨૦૦૫ માં નિપ્પોન ટેલિગ્રાફ અને ટેલિફોન કોર્પોરેશન (NTT) દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું. આકૃતિ ૨ માં બતાવ્યા પ્રમાણે, એન્ટેના ગોઠવણી બે કિસ્સાઓમાં રજૂ કરવામાં આવી હતી.
આકૃતિ 2 જાપાનની NTT 120 GHz વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમનો યોજનાકીય આકૃતિ
આ સિસ્ટમ ફોટોઇલેક્ટ્રિક કન્વર્ઝન અને એન્ટેનાને એકીકૃત કરે છે અને બે કાર્યકારી સ્થિતિઓ અપનાવે છે:
1. નજીકના અંતરના ઇન્ડોર વાતાવરણમાં, ઘરની અંદર વપરાતા પ્લેનર એન્ટેના ટ્રાન્સમીટરમાં સિંગલ-લાઇન કેરિયર ફોટોડાયોડ (UTC-PD) ચિપ, પ્લેનર સ્લોટ એન્ટેના અને સિલિકોન લેન્સનો સમાવેશ થાય છે, જેમ કે આકૃતિ 2(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે.
2. લાંબા અંતરના બાહ્ય વાતાવરણમાં, મોટા ટ્રાન્સમિશન નુકશાન અને ડિટેક્ટરની ઓછી સંવેદનશીલતાના પ્રભાવને સુધારવા માટે, ટ્રાન્સમીટર એન્ટેનામાં ઉચ્ચ ગેઇન હોવો આવશ્યક છે. હાલના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના 50 dBi થી વધુ ગેઇન સાથે ગૌસિયન ઓપ્ટિકલ લેન્સનો ઉપયોગ કરે છે. ફીડ હોર્ન અને ડાઇલેક્ટ્રિક લેન્સનું સંયોજન આકૃતિ 2(b) માં બતાવવામાં આવ્યું છે.
0.12 THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ વિકસાવવા ઉપરાંત, NTT એ 2012 માં 0.3THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ પણ વિકસાવી. સતત ઑપ્ટિમાઇઝેશન દ્વારા, ટ્રાન્સમિશન રેટ 100Gbps જેટલો ઊંચો હોઈ શકે છે. કોષ્ટક 1 પરથી જોઈ શકાય છે તેમ, તેણે ટેરાહર્ટ્ઝ કોમ્યુનિકેશનના વિકાસમાં મોટો ફાળો આપ્યો છે. જો કે, વર્તમાન સંશોધન કાર્યમાં ઓછી ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી, મોટા કદ અને ઊંચા ખર્ચના ગેરફાયદા છે.
હાલમાં ઉપયોગમાં લેવાતા મોટાભાગના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના મિલિમીટર વેવ એન્ટેનામાંથી સંશોધિત છે, અને ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનામાં બહુ ઓછી નવીનતા છે. તેથી, ટેરાહર્ટ્ઝ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સના પ્રદર્શનને સુધારવા માટે, ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવાનું એક મહત્વપૂર્ણ કાર્ય છે. કોષ્ટક 2 જર્મન THz કોમ્યુનિકેશનની સંશોધન પ્રગતિની યાદી આપે છે. આકૃતિ 3 (a) ફોટોનિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સને જોડતી પ્રતિનિધિ THz વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ દર્શાવે છે. આકૃતિ 3 (b) વિન્ડ ટનલ ટેસ્ટ સીન દર્શાવે છે. જર્મનીમાં વર્તમાન સંશોધન પરિસ્થિતિને ધ્યાનમાં લેતા, તેના સંશોધન અને વિકાસમાં ઓછી ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી, ઊંચી કિંમત અને ઓછી કાર્યક્ષમતા જેવા ગેરફાયદા પણ છે.
કોષ્ટક 2 જર્મનીમાં THz સંચારની સંશોધન પ્રગતિ
આકૃતિ 3 પવન ટનલ પરીક્ષણ દ્રશ્ય
CSIRO ICT સેન્ટરે THz ઇન્ડોર વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ પર પણ સંશોધન શરૂ કર્યું છે. આ કેન્દ્રએ વર્ષ અને કોમ્યુનિકેશન ફ્રીક્વન્સી વચ્ચેના સંબંધનો અભ્યાસ કર્યો, જેમ કે આકૃતિ 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. આકૃતિ 4 પરથી જોઈ શકાય છે કે, 2020 સુધીમાં, વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન પર સંશોધન THz બેન્ડ તરફ વલણ ધરાવે છે. રેડિયો સ્પેક્ટ્રમનો ઉપયોગ કરીને મહત્તમ કોમ્યુનિકેશન ફ્રીક્વન્સી દર વીસ વર્ષે લગભગ દસ ગણી વધે છે. કેન્દ્રએ THz એન્ટેના માટેની આવશ્યકતાઓ પર ભલામણો કરી છે અને THz કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે હોર્ન અને લેન્સ જેવા પરંપરાગત એન્ટેનાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો છે. આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બે હોર્ન એન્ટેના અનુક્રમે 0.84THz અને 1.7THz પર કામ કરે છે, એક સરળ રચના અને સારા ગૌસીયન બીમ પ્રદર્શન સાથે.
આકૃતિ 4 વર્ષ અને આવર્તન વચ્ચેનો સંબંધ
RM-BDHA818-20A માટે તપાસ સબમિટ કરો, અમે 24 કલાકમાં તમારો સંપર્ક કરીશું.
RM-DCPHA105145-20 માટે તપાસ સબમિટ કરો, અમે 24 કલાકમાં તમારો સંપર્ક કરીશું.
આકૃતિ 5 બે પ્રકારના હોર્ન એન્ટેના
યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સે ટેરાહર્ટ્ઝ તરંગોના ઉત્સર્જન અને શોધ પર વ્યાપક સંશોધન કર્યું 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, આપણે હાલમાં ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના માટે ત્રણ મૂળભૂત ડિઝાઇન વિચારો મેળવી શકીએ છીએ, જેમ કે આકૃતિ 6 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.
આકૃતિ 6 ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના માટે ત્રણ મૂળભૂત ડિઝાઇન વિચારો
ઉપરોક્ત વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે ઘણા દેશોએ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પર ખૂબ ધ્યાન આપ્યું છે, તેમ છતાં તે હજુ પણ પ્રારંભિક સંશોધન અને વિકાસના તબક્કામાં છે. ઉચ્ચ પ્રચાર નુકશાન અને પરમાણુ શોષણને કારણે, THz એન્ટેના સામાન્ય રીતે ટ્રાન્સમિશન અંતર અને કવરેજ દ્વારા મર્યાદિત હોય છે. કેટલાક અભ્યાસો THz બેન્ડમાં ઓછી ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સીઝ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. હાલના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના સંશોધન મુખ્યત્વે ડાઇલેક્ટ્રિક લેન્સ એન્ટેના વગેરેનો ઉપયોગ કરીને ગેઇન સુધારવા અને યોગ્ય અલ્ગોરિધમ્સનો ઉપયોગ કરીને સંચાર કાર્યક્ષમતા સુધારવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. વધુમાં, ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પેકેજિંગની કાર્યક્ષમતા કેવી રીતે સુધારવી તે પણ ખૂબ જ તાત્કાલિક મુદ્દો છે.
સામાન્ય THz એન્ટેના
THz એન્ટેનાના ઘણા પ્રકારો ઉપલબ્ધ છે: શંકુ પોલાણવાળા દ્વિધ્રુવીય એન્ટેના, ખૂણાના પરાવર્તક એરે, બોટી દ્વિધ્રુવીય, ડાઇલેક્ટ્રિક લેન્સ પ્લેનર એન્ટેના, THz સ્ત્રોત કિરણોત્સર્ગ સ્ત્રોતો ઉત્પન્ન કરવા માટે ફોટોકન્ડક્ટિવ એન્ટેના, હોર્ન એન્ટેના, ગ્રાફીન સામગ્રી પર આધારિત THz એન્ટેના, વગેરે. THz એન્ટેના બનાવવા માટે વપરાતી સામગ્રી અનુસાર, તેમને આશરે મેટલ એન્ટેના (મુખ્યત્વે હોર્ન એન્ટેના), ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના (લેન્સ એન્ટેના) અને નવા મટીરિયલ એન્ટેનામાં વિભાજિત કરી શકાય છે. આ વિભાગ પહેલા આ એન્ટેનાનું પ્રારંભિક વિશ્લેષણ આપે છે, અને પછીના વિભાગમાં, પાંચ લાક્ષણિક THz એન્ટેના વિગતવાર રજૂ કરવામાં આવે છે અને ઊંડાણપૂર્વક વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે.
1. મેટલ એન્ટેના
હોર્ન એન્ટેના એક લાક્ષણિક ધાતુ એન્ટેના છે જે THz બેન્ડમાં કામ કરવા માટે રચાયેલ છે. ક્લાસિક મિલિમીટર વેવ રીસીવરનો એન્ટેના શંકુ આકારનો હોર્ન છે. લહેરિયું અને ડ્યુઅલ-મોડ એન્ટેનાના ઘણા ફાયદા છે, જેમાં પરિભ્રમણ સપ્રમાણ રેડિયેશન પેટર્ન, 20 થી 30 dBi નો ઉચ્ચ લાભ અને -30 dB નો નીચો ક્રોસ-પોલરાઇઝેશન સ્તર અને 97% થી 98% ની જોડાણ 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 નાનું હોય છે, જે હોર્નની પ્રક્રિયાને ખૂબ જ મુશ્કેલ બનાવે છે, ખાસ કરીને એન્ટેના એરેની ડિઝાઇનમાં, અને પ્રોસેસિંગ ટેકનોલોજીની જટિલતા વધુ પડતી કિંમત અને મર્યાદિત ઉત્પાદન તરફ દોરી જાય છે. જટિલ હોર્ન ડિઝાઇનના તળિયાના ઉત્પાદનમાં મુશ્કેલીને કારણે, સામાન્ય રીતે શંકુ આકારના અથવા શંકુ આકારના હોર્નના સ્વરૂપમાં એક સરળ હોર્ન એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે ખર્ચ અને પ્રક્રિયા જટિલતાને ઘટાડી શકે છે, અને એન્ટેનાનું રેડિયેશન પ્રદર્શન સારી રીતે જાળવી શકાય છે.
બીજો મેટલ એન્ટેના એ ટ્રાવેલિંગ વેવ પિરામિડ એન્ટેના છે, જેમાં ટ્રાવેલિંગ વેવ એન્ટેનાનો સમાવેશ થાય છે જે 1.2 માઇક્રોન ડાઇલેક્ટ્રિક ફિલ્મ પર સંકલિત હોય છે અને સિલિકોન વેફર પર કોતરેલા રેખાંશ પોલાણમાં સસ્પેન્ડ કરવામાં આવે છે, જેમ કે આકૃતિ 7 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. આ એન્ટેના એક ખુલ્લું માળખું છે જે સ્કોટ્કી ડાયોડ્સ સાથે સુસંગત છે. તેની પ્રમાણમાં સરળ રચના અને ઓછી ઉત્પાદન આવશ્યકતાઓને કારણે, તેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે 0.6 THz થી ઉપરના ફ્રીક્વન્સી બેન્ડમાં થઈ શકે છે. જો કે, એન્ટેનાનું સાઇડલોબ સ્તર અને ક્રોસ-પોલરાઇઝેશન સ્તર ઊંચું છે, કદાચ તેની ખુલ્લી રચનાને કારણે. તેથી, તેની જોડાણ કાર્યક્ષમતા પ્રમાણમાં ઓછી છે (લગભગ 50%).
આકૃતિ 7 ટ્રાવેલિંગ વેવ પિરામિડલ એન્ટેના
2. ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના
ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના એ ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટ અને એન્ટેના રેડિયેટરનું મિશ્રણ છે. યોગ્ય ડિઝાઇન દ્વારા, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના ડિટેક્ટર સાથે ઇમ્પિડન્સ મેચિંગ પ્રાપ્ત 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 ડિટેક્ટર સાથે મેચ કરી શકે છે: બટરફ્લાય એન્ટેના, ડબલ યુ-આકારના એન્ટેના, લોગ-પીરિયોડિક એન્ટેના અને લોગ-પીરિયોડિક સાઇનુસોઇડલ એન્ટેના, જેમ કે આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. વધુમાં, વધુ જટિલ એન્ટેના ભૂમિતિઓ આનુવંશિક અલ્ગોરિધમ્સ દ્વારા ડિઝાઇન કરી શકાય છે.
આકૃતિ 8 ચાર પ્રકારના પ્લેનર એન્ટેના
જોકે, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટ સાથે જોડાયેલ હોવાથી, જ્યારે ફ્રીક્વન્સી THz બેન્ડ તરફ વળે છે ત્યારે સપાટી તરંગ અસર થશે. આ ઘાતક ગેરલાભ એન્ટેનાને ઓપરેશન દરમિયાન ઘણી ઊર્જા ગુમાવશે અને એન્ટેના રેડિયેશન કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરશે. આકૃતિ 9 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, જ્યારે એન્ટેના રેડિયેશન કોણ કટઓફ કોણ કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે તેની ઊર્જા ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટમાં મર્યાદિત હોય છે અને સબસ્ટ્રેટ મોડ સાથે જોડાયેલી હોય છે.
આકૃતિ 9 એન્ટેના સપાટી તરંગ અસર
જેમ જેમ સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ વધે છે, તેમ તેમ હાઇ-ઓર્ડર મોડ્સની સંખ્યા વધે છે, અને એન્ટેના અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેનું જોડાણ વધે છે, જેના પરિણામે ઊર્જાનું નુકસાન થાય છે. સપાટી તરંગ અસરને નબળી બનાવવા માટે, ત્રણ ઑપ્ટિમાઇઝેશન યોજનાઓ છે:
૧) ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોના બીમફોર્મિંગ લાક્ષણિકતાઓનો ઉપયોગ કરીને ગેઇન વધારવા માટે એન્ટેના પર લેન્સ લોડ કરો.
2) ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોના ઉચ્ચ-ક્રમના મોડ્સના ઉત્પાદનને દબાવવા માટે સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ ઘટાડો.
૩) સબસ્ટ્રેટ ડાઇલેક્ટ્રિક મટિરિયલને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક બેન્ડ ગેપ (EBG) થી બદલો. EBG ની અવકાશી ફિલ્ટરિંગ લાક્ષણિકતાઓ હાઇ-ઓર્ડર મોડ્સને દબાવી શકે છે.
3. નવા મટીરીયલ એન્ટેના
ઉપરોક્ત બે એન્ટેના ઉપરાંત, નવી સામગ્રીથી બનેલો ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પણ છે. ઉદાહરણ તરીકે, 2006 માં, જિન હાઓ અને અન્ય લોકોએ કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવીય એન્ટેનાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. આકૃતિ 10 (a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, દ્વિધ્રુવીય એન્ટેના ધાતુના પદાર્થોને બદલે કાર્બન નેનોટ્યુબથી બનેલો છે. તેમણે કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવીય એન્ટેનાના ઇન્ફ્રારેડ અને ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મોનો કાળજીપૂર્વક અભ્યાસ કર્યો અને મર્યાદિત-લંબાઈવાળા કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવીય એન્ટેનાની સામાન્ય લાક્ષણિકતાઓ, જેમ કે ઇનપુટ અવબાધ, વર્તમાન વિતરણ, લાભ, કાર્યક્ષમતા અને રેડિયેશન પેટર્નની ચર્ચા કરી. આકૃતિ 10 (b) કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવીય એન્ટેનાના ઇનપુટ અવબાધ અને આવર્તન વચ્ચેનો સંબંધ દર્શાવે છે. આકૃતિ 10 (b) માં જોઈ શકાય છે તેમ, ઇનપુટ અવબાધના કાલ્પનિક ભાગમાં ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સીઝ પર બહુવિધ શૂન્ય છે. આ સૂચવે છે કે એન્ટેના વિવિધ ફ્રીક્વન્સીઝ પર બહુવિધ રેઝોનન્સ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. દેખીતી રીતે, કાર્બન નેનોટ્યુબ એન્ટેના ચોક્કસ ફ્રીક્વન્સી રેન્જ (નીચલા THz ફ્રીક્વન્સીઝ) ની અંદર પ્રતિધ્વનિ દર્શાવે છે, પરંતુ આ શ્રેણીની બહાર પ્રતિધ્વનિ કરવામાં સંપૂર્ણપણે અસમર્થ છે.
આકૃતિ 10 (a) કાર્બન નેનોટ્યુબ દ્વિધ્રુવીય એન્ટેના. (b) ઇનપુટ અવબાધ-આવર્તન વળાંક
2012 માં, સમીર એફ. મહમૂદ અને આયેદ આર. અલઅજમીએ કાર્બન નેનોટ્યુબ પર આધારિત એક નવી ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના રચનાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો, જેમાં બે ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તરોમાં લપેટાયેલા કાર્બન નેનોટ્યુબનો બંડલ હોય છે. આંતરિક ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર એક ડાઇલેક્ટ્રિક ફોમ સ્તર છે, અને બાહ્ય ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર એક મેટામેટિરિયલ સ્તર છે. ચોક્કસ રચના આકૃતિ 11 માં બતાવવામાં આવી છે. પરીક્ષણ દ્વારા, સિંગલ-વોલ્ડ કાર્બન નેનોટ્યુબની તુલનામાં એન્ટેનાનું રેડિયેશન પ્રદર્શન સુધારવામાં આવ્યું છે.
આકૃતિ 11 કાર્બન નેનોટ્યુબ પર આધારિત નવો ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના
ઉપર પ્રસ્તાવિત નવા મટીરીયલ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના મુખ્યત્વે ત્રિ-પરિમાણીય છે. એન્ટેનાની બેન્ડવિડ્થ સુધારવા અને કન્ફોર્મલ એન્ટેના બનાવવા માટે, પ્લેનર ગ્રાફીન એન્ટેનાએ વ્યાપક ધ્યાન મેળવ્યું છે. ગ્રાફીનમાં ઉત્તમ ગતિશીલ સતત નિયંત્રણ લાક્ષણિકતાઓ છે અને તે બાયસ વોલ્ટેજને સમાયોજિત કરીને સપાટી પ્લાઝ્મા ઉત્પન્ન કરી શકે છે. સપાટી પ્લાઝ્મા હકારાત્મક ડાઇલેક્ટ્રિક સતત સબસ્ટ્રેટ્સ (જેમ કે Si, SiO2, વગેરે) અને નકારાત્મક ડાઇલેક્ટ્રિક સતત સબસ્ટ્રેટ્સ (જેમ કે કિંમતી ધાતુઓ, ગ્રાફીન, વગેરે) વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર અસ્તિત્વ ધરાવે છે. કિંમતી ધાતુઓ અને ગ્રાફીન જેવા વાહકોમાં મોટી સંખ્યામાં "મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન" હોય છે. આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનને પ્લાઝ્મા પણ કહેવામાં આવે છે. વાહકમાં સહજ સંભવિત ક્ષેત્રને કારણે, આ પ્લાઝ્મા સ્થિર સ્થિતિમાં હોય છે અને બહારની દુનિયા દ્વારા ખલેલ પહોંચાડતા નથી. જ્યારે ઘટના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ ઊર્જા આ પ્લાઝ્મા સાથે જોડાયેલી હોય છે, ત્યારે પ્લાઝ્મા સ્થિર સ્થિતિમાંથી વિચલિત થશે અને વાઇબ્રેટ થશે. રૂપાંતર પછી, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક મોડ ઇન્ટરફેસ પર એક ટ્રાન્સવર્સ મેગ્નેટિક તરંગ બનાવે છે. ડ્રુડ મોડેલ દ્વારા ધાતુ સપાટી પ્લાઝ્માના વિક્ષેપ સંબંધના વર્ણન અનુસાર, ધાતુઓ કુદરતી રીતે મુક્ત જગ્યામાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો સાથે જોડી શકતી નથી અને ઊર્જાને રૂપાંતરિત કરી શકતી નથી. સપાટીના પ્લાઝ્મા તરંગોને ઉત્તેજિત કરવા માટે અન્ય સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવો જરૂરી છે. સપાટીના પ્લાઝ્મા તરંગો ધાતુ-સબસ્ટ્રેટ ઇન્ટરફેસની સમાંતર દિશામાં ઝડપથી ક્ષીણ થાય છે. જ્યારે ધાતુ વાહક સપાટીને લંબ દિશામાં વાહક બને છે, ત્યારે ત્વચા અસર થાય છે. દેખીતી રીતે, એન્ટેનાના નાના કદને કારણે, ઉચ્ચ આવર્તન બેન્ડમાં ત્વચા અસર થાય છે, જેના કારણે એન્ટેનાનું પ્રદર્શન ઝડપથી ઘટી જાય છે અને ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતું નથી. ગ્રાફીનના સપાટીના પ્લાઝ્મનમાં માત્ર ઉચ્ચ બંધન બળ અને ઓછું નુકસાન જ નથી, પરંતુ સતત વિદ્યુત ટ્યુનિંગને પણ ટેકો આપે છે. વધુમાં, ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડમાં ગ્રાફીન જટિલ વાહકતા ધરાવે છે. તેથી, ધીમા તરંગ પ્રસાર ટેરાહર્ટ્ઝ ફ્રીક્વન્સીઝ પર પ્લાઝ્મા મોડ સાથે સંબંધિત છે. આ લાક્ષણિકતાઓ ટેરાહર્ટ્ઝ બેન્ડમાં ધાતુની સામગ્રીને બદલવા માટે ગ્રાફીનની શક્યતાને સંપૂર્ણપણે દર્શાવે છે.
ગ્રાફીન સપાટીના પ્લાઝ્મોના ધ્રુવીકરણ વર્તણૂકના આધારે, આકૃતિ 12 એક નવા પ્રકારના સ્ટ્રીપ એન્ટેના દર્શાવે છે, અને ગ્રાફીનમાં પ્લાઝ્મા તરંગોના પ્રચાર લાક્ષણિકતાઓના બેન્ડ આકારનો પ્રસ્તાવ મૂકે છે. ટ્યુનેબલ એન્ટેના બેન્ડની ડિઝાઇન નવા મટીરીયલ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના પ્રચાર લાક્ષણિકતાઓનો અભ્યાસ કરવાની એક નવી રીત પૂરી પાડે છે.
આકૃતિ ૧૨ નવી સ્ટ્રીપ એન્ટેના
યુનિટના નવા મટીરીયલ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના તત્વોનું અન્વેષણ કરવા ઉપરાંત, ગ્રાફીન નેનોપેચ ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાને ટેરાહર્ટ્ઝ મલ્ટી-ઇનપુટ મલ્ટી-આઉટપુટ એન્ટેના કોમ્યુનિકેશન 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 વરાળ નિક્ષેપ પાતળા નિકલ સ્તર પર વિવિધ ગ્રાફીન છબીઓને સીધા સંશ્લેષણ કરે છે અને તેમને કોઈપણ સબસ્ટ્રેટમાં સ્થાનાંતરિત કરે છે. ઘટકોની યોગ્ય સંખ્યા પસંદ કરીને અને ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક બાયસ વોલ્ટેજ બદલીને, રેડિયેશન દિશા અસરકારક રીતે બદલી શકાય છે, જે સિસ્ટમને ફરીથી ગોઠવી શકાય તેવી બનાવે છે.
આકૃતિ ૧૩ 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 મેટામેટિરિયલ્સ, દ્વિ-પરિમાણીય (2D) સામગ્રી, વગેરે. જો કે, આ પ્રકારના એન્ટેના મુખ્યત્વે નવી સામગ્રીની નવીનતા અને પ્રક્રિયા તકનીકની પ્રગતિ પર આધાર રાખે છે. કોઈ પણ સંજોગોમાં, ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના વિકાસ માટે ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાની ઉચ્ચ લાભ, ઓછી કિંમત અને વિશાળ બેન્ડવિડ્થ જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવા માટે નવીન સામગ્રી, ચોક્કસ પ્રક્રિયા તકનીક અને નવીન ડિઝાઇન માળખાંની જરૂર પડે છે.
નીચે આપેલ ત્રણ પ્રકારના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના મૂળભૂત સિદ્ધાંતોનો પરિચય આપે છે: મેટલ એન્ટેના, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના અને નવા મટીરીયલ એન્ટેના, અને તેમના તફાવતો અને ફાયદા અને ગેરફાયદાનું વિશ્લેષણ કરે છે.
1. મેટલ એન્ટેના: ભૂમિતિ સરળ, પ્રક્રિયા કરવામાં સરળ, પ્રમાણમાં ઓછી કિંમત અને સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી માટે ઓછી આવશ્યકતાઓ છે. જો કે, મેટલ એન્ટેના એન્ટેનાની સ્થિતિને સમાયોજિત કરવા માટે યાંત્રિક પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે, જે ભૂલો થવાની સંભાવના ધરાવે છે. જો ગોઠવણ યોગ્ય ન હોય, તો એન્ટેનાનું પ્રદર્શન ઘણું ઓછું થઈ જશે. મેટલ એન્ટેના કદમાં નાનું હોવા છતાં, તેને પ્લેનર સર્કિટ સાથે એસેમ્બલ કરવું મુશ્કેલ છે.
2. ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના: ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનામાં ઇનપુટ ઇમ્પીડેન્સ ઓછો હોય છે, તે લો ઇમ્પીડેન્સ ડિટેક્ટર સાથે મેચ કરવામાં સરળ હોય છે, અને પ્લેનર સર્કિટ સાથે કનેક્ટ થવા માટે પ્રમાણમાં સરળ હોય છે. ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનાના ભૌમિતિક આકારોમાં બટરફ્લાય આકાર, ડબલ યુ આકાર, પરંપરાગત લોગરીધમિક આકાર અને લોગરીધમિક સામયિક સાઇન આકારનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેનામાં એક ઘાતક ખામી પણ હોય છે, એટલે કે જાડા સબસ્ટ્રેટને કારણે સપાટી તરંગ અસર. ઉકેલ એ છે કે લેન્સ લોડ કરવો અને ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટને EBG સ્ટ્રક્ચરથી બદલવો. બંને ઉકેલોને નવીનતા અને પ્રક્રિયા તકનીક અને સામગ્રીમાં સતત સુધારો કરવાની જરૂર છે, પરંતુ તેમનું ઉત્તમ પ્રદર્શન (જેમ કે સર્વદિશાત્મકતા અને સપાટી તરંગ દમન) ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેનાના સંશોધન માટે નવા વિચારો પ્રદાન કરી શકે છે.
૩. નવા મટીરીયલ એન્ટેના: હાલમાં, કાર્બન નેનોટ્યુબથી બનેલા નવા ડાયપોલ એન્ટેના અને મેટામટીરીયલથી બનેલા નવા એન્ટેના સ્ટ્રક્ચર્સ દેખાયા છે. નવી સામગ્રી નવી કામગીરીમાં સફળતા લાવી શકે છે, પરંતુ તેનો આધાર મટીરીયલ સાયન્સની નવીનતા છે. હાલમાં, નવા મટીરીયલ એન્ટેના પર સંશોધન હજુ પણ સંશોધનાત્મક તબક્કામાં છે, અને ઘણી મુખ્ય તકનીકો પૂરતી પરિપક્વ નથી.
સારાંશમાં, ડિઝાઇન જરૂરિયાતો અનુસાર વિવિધ પ્રકારના ટેરાહર્ટ્ઝ એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે:
૧) જો સરળ ડિઝાઇન અને ઓછા ઉત્પાદન ખર્ચની જરૂર હોય, તો મેટલ એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે.
2) જો ઉચ્ચ સંકલન અને ઓછી ઇનપુટ અવબાધ જરૂરી હોય, તો ડાઇલેક્ટ્રિક એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે.
૩) જો કામગીરીમાં પ્રગતિની જરૂર હોય, તો નવા મટીરીયલ એન્ટેના પસંદ કરી શકાય છે.
ઉપરોક્ત ડિઝાઇનને ચોક્કસ જરૂરિયાતો અનુસાર પણ ગોઠવી શકાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, વધુ ફાયદા મેળવવા માટે બે પ્રકારના એન્ટેનાને જોડી શકાય છે, પરંતુ એસેમ્બલી પદ્ધતિ અને ડિઝાઇન ટેકનોલોજીએ વધુ કડક આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવી આવશ્યક છે.
એન્ટેના વિશે વધુ જાણવા માટે, કૃપા કરીને મુલાકાત લો:
પોસ્ટ સમય: ઓગસ્ટ-02-2024
