از تراهرتز چه می دانیم؟

تراهرتز چیست؟

مخابرات در دنیای امروز به شکل‌های متفاوتی انجام می‌شود. در سال‌های اخیر مردم از مخابرات راه دور با استفاده از ارتباط بین ماهواره‌ها و فیبرهای نوری و امواج تراهرتز پیاده‌سازی شده برای ارتباط بین قاره‌ها بهره می برند. همچنین استفاده از مخابرات راه نزدیک مانند تلفن‌های همراه، کامپیوتر‌ها و دیگر قطعات الکترونیکی در بین مردم در هر خانه‌ای رایج شده است. در ادامه به مفهوم تراهرتز چیست خواهیم پرداخت.

 

 

با گذشت زمان تقاضا برای انتقال حجم بیشتری از اطلاعات از محلی به محل دیگر بیشتر و بیشتر می‌شود (لینک‌های چند صد گیگابیت تا ترابیت در ثانیه). بیشتر راه حل‌های ارائه شده در دنیای امروزی از کابل‌ها، سیم‌ها و خط‌ های انتقال فیبرنوری استفاده کرده اند.

مفهوم تراهرتز چیست

تراهرتز امروزه دارای کاربردهای فراوانی می باشد، بعنوان مثال می‌توان به کاربردهایي نظير تصویربرداری و طيف سنجي تراهرتز، امنيت و فناوری اطلاعات اشاره کرد.

کابل‌های انتقال فیبر نوری

کابل‌های انتقال فیبر نوری انقلابی در انتقال اطلاعات ایجاد کرد و در بسیاری از مکان‌ها برای انتقال اطلاعات با سرعت بالا استفاده شده است. کابل فیبر نوری که از زیر اقیانوس اطلس قاره اروپا را به امریکا متصل می‌کند تصدیقی بر این ادعا است.  همچنین برای افزایش انتقال تعداد بیت‌های بیشتری از اطلاعات از طریق مخابرات بی‌سیم وجود دارد. این مهم با استفاده از مخابرات راه نزدیک در شبکه بی‌سیم محلی و شبکه بی‌سیم شخصی در باند تراهرتز امکان پذیر است.

انتقال اطلاعات در فاصله کوتاه

امروزه دستگاه‌های وای‌فای وجود دارد که تا فرکانس 5 گیگاهرتز کار می‌کند. به منظور افزایش انتقال بیت‌های بیشتری از اطلاعات نیاز به آنتن‌هایی که در باند فرکانسی تراهرتز کار کنند احساس می‌شود. این پروژه با هدف تحقیق در مورد موجبرهای تراهرتز با اندازه کوچک به منظور انتقال اطلاعات بین دستگاه‌های الکترونیک در فاصله‌ای کوتاه و یا انتقالات داخلی در تراشه تعریف شده است.

مفهوم مخابرات در بازه تراهرتز چیست

محدوده فرکانسی تراهرتز همانطوری که در شکل 1 نمایش داده شده است، در شکاف بین باندی فرکانس‌های پایین نظیر مایکروویو و فرکانس‌های بالاتر نظیر فروسرخ قرار دارد. که کمتر مورد توجه و مطالعه با هدف کاربردی مخابرات قرار گرفته است. در حالی که فرکانس‌های پایین‌تر و بالاتر از این محدوده فرکانسی، به طور گسترده و وسیع برای مخابرات مورد مطالعه قرار گرفته اند.

محدوده فرکانسی قبل از باند تراهرتز با دستگاه‌هایی مانند رادیو، تلویزیون، تلفن‌های همراه سلولی و درنهایت در انتهای باند مایکروویو با ارتباطات ماهواره‌ای شناخته می شوند. طول موج کاری این دستگاه‌ها بسیار بزرگ و از محدوده امواج رادیویی با طول موج‌هایی در حد چندین کیلومتر اغاز شده و تا امواج میلی‌متری ادامه دارد.

در نقطه مقابل در محدوده فرکانسی جلو‌تر از باند تراهرتز، امواج با طول موج‌های 30 میکرومتر و کوچک‌تر از این مقدار وجود دارند. کاربردهای این امواج در جایگاه‌های مختلف و متفاوتی از جمله لنزها، جذب کننده‌ها، سلول‌های خورشیدی، مباحث پزشکی، عکس برداری و … است.

دلایل استفاده از باند تراهرتز چیست

دلایل زیادی برای استفاده از باند تراهرتز برای شبکه‌های مخابرات وجود دارد که مهمترین آن‌ها عبارتند از:

فناوری‌های بی‌سیم در محدوده فرکانسی زیر 0.1 تراهرتز که شامل محدوده مایکروویو و موج میلی‌متری است، توانایی ارتباط ترابیت در ثانیه را ندارند.

از طرفی تلاش سیستم‌های چندورودی چند خروجی با داشتن چندین ورودی و خروجی برای ارتباط و از طرف دیگر مدولاسیون‌های دیجیتال پیشرفته همچون OFDM با هدف رسیدن به بازده فرکانسی بالا با فرکانس‌های کاری کمتر از 5 گیگاهرتز کار می‌کنند.

 

 

محدودیت در پهنای باند

به دلیل محدودیت در پهنای باند قابل دسترس در این فرکانس‌ها، توانایی جابجایی نرخ دیتای محدودی را دارند. در فرکانس‌های بالاتر از مایکرویو نیز سیستم‌های مخابراتی موج میلیمتری وجود دارند که نیازمند طرح‌های فرستنده/گیرنده پیچیده به همراه راه حل‌هایی به منظور افزایش راندمان فرکانسی است. در مخابرات موج میلیمتری مشکل محدودیت در پهنای باند، محدودیت در نرخ دیتا را نتیجه می‌دهد.

فناوری‌های مجتمع سازی شده بی سیم با فرکانس‌هایی بالاتر از 10تراهرتز قادر به ارتباطات ترابیت در ثانیه نیستند.

در فرکانس‌های بالاتر از حد بالای باند تراهرتز که شامل فروسرخ میانه، نزدیک و محدوده نور مرئی است، برخلاف فرکانس‌های پایین، پهنای باند زیادی در دسترس است. مشکل این ساختارها و فناوری‌های فرکانس بالا با طول موج‌هایی در حد چند صد نانومتر، انرژی بسیار بالا به همراه اثرهای اتمسفری محدود کننده بر روی انتشار سیگنال (آلودگی، باران، مه و …)دارد. تلفات پراکندگی بالا، اثر عدم هم راستایی در فرستنده و گیرنده و همچنین توان انتقالی پایین ناشی از محدودیت‌های سلامتی برای چشم است.

بنابراین در این سیستم‌ها، فاصله انتقال و نرخ دیتا به شدت محدود است. این موارد امکان عملی کردن این رهیافت نوری بزرگ را برای سیستم‌های مخابرات در این حوزه محدود می‌کند.

 

 

بنابراین مخابرات تراهرتز با برخورداری از پهنای باند بالا و قابل دسترس، توجه بسیاری از محققین و مهندسین مخابرات را برای کار در این حوزه جذاب جلب کرده است.

مفاهیم اولیه موجبرهای تراهرتز چیست

در تعریف مفهوم موجبرهای تراهرتز چیست باید بگوییم که زمانی که به طور کلی در مورد موجبر صحبت می‌کنیم، پارامترهای بسیار مهم تلفات و پاشندگی مودهای مختلف بخصوص مود اول برای کار برد تک مود بودن تداعی می‌شود. پارامتر تلفات وابسته به پارامتر ثابت تضعیف برای مود مورد نظر با توجه به فرکانس کاری از رابطه زیر به دست می‌آید.

که رابطه (1) با فرمت دسی بل نیز بیان می‌شود.

موجبرهای تراهرتز در پژوهش‌های اخیر

مقدمه

یکی از نیازهای اساسی جهت دستیابی به سیستم‌های مجتمع تراهرتز، فراهم آوردن موجبر تک مد با محدودسازی قوی و تلفات پایین است. چندین راه حل بر اساس فناوری‌های الکترونی و فوتونی پیشنهاد شده است که از این میان، موجبرهای هسته تو خالی بدلیل جذب بسیار پایین هوا یکی از بهترین گزینه‌ها برای هدایت تشعشع تراهرتز هستند.

بررسی یک فیبر تراهرتز

در این قسمت یک فیبر تراهرتز، هسته توخالی، تک مد، تک قطبش با ناحیه غلاف فراماده شامل میله‌های فلزی با قطر زیر طول موج که در بستر عایق قرار گرفته‌اند را بررسی می‌کنیم.

 

 

ایده بکارگیری ناحیه غلاف چندگانه فلز-عایق بعلت خاصیت ناهمسانگرد شدید میله‌های فلزی فراماده است، که امواج TM را بازتاب می‌کند و امواج TE را انتقال می‌دهد و این امر باعث می‌شود که این ساختار موجبری فقط مد‌های  TM را محدود کند و سبب نصف شدن تعداد مود‌ها در همان ابتدا می‌شود.

این کار برای دستیابی به موجبر‌های فشرده تک مد، انعطاف پذیر که برای آینده مجتمع سازی سیستم‌های تراهرتز با چگالی بالا مفید هستند بکار می‌آید.

تشعشع تراهرتز (0.1 تراهرتز تا 10 تراهرتز) قبلاً بشدت در علم مواد استفاده می‌شد ولی اکنون یک رشد فعال و سریع را در زمینه سیستم‌های تراهرتز که یک کاندیدای امیدبخش برای مخابرات فراپهن باند، برد کوتاه و کاربردهای امنیتی هستند را تجربه می‌کند.

بدلیل روبرو شدن با تقاضا برای سیستم‌های تراهرتز جدید بصورت مجتمع سازی با چگالی بالا توسعه موجبرهای فشرده با محدودسازی توان قوی و تلفات پایین ضروری است.

فقدان مواد شفاف

موضوع کلیدی برای موجبرهای تراهرتز فقدان مواد شفاف است. به همین دلیل هوای خشک رایج ترین محیط شفاف در طیف تراهرتز یک راه حل مناسب برای پایین آوردن تلفات انتشار در هدایت امواج تراهرتز است. موجبرهای مختلف تراهرتز در مرجع  بررسی شده است.

موجبرهای عایق ابعادی بزرگتر از طول‌موج اعمالی دارند و معمولاً مالتی‌مد هستند. برعکس، موجبرهای فلزی محدودسازی نوری قوی در مقیاس زیر طول موج را ارائه می‌دهند.

 

 

پهنای باند تک مد موجبرهای فلزی باریک است ولی سطح فلزی باعث تلفات اهمی می‌‌شود. اضافه کردن یک لایه نازک عایق به دیواره‌های فلزی داخلی یک موجبر بزرگتر می‌تواند تلفات اهمی را کاهش دهد ولی سبب بزرگ شدن اندازه هسته و افزایش تعداد مدها می‌شود.

مشکلات موجبرهای عایق و فلزی

دو مشکل ابعاد بزرگ و عملکرد مالتی مد که در موجبر‌های عایق و فلزی وجود دارند بکارگیری این موجبرها را در مجتمع سازی سیستم‌های فشرده تراهرتز و هدایت  تشعشع تراهرتز محدود می‌کنند.

یک رویکرد جالب برای کاهش تعداد مودها استفاده از مشخصات نوری غیر طبیعی فراماده است. کارهای تئوری اولیه توسط یان و مارتینس در زمینه پایین آوردن تلفات فیبرهای فروسرخ هسته بزرگ انجام شده است.

مدل‌سازی مقدماتی ما نشان داد که یک موجبر هسته تو خالی تراهرتز که سیم‌های فلزی در ناحیه پوشش آن قرار دارند می‌تواند فقط هدایت را پشتیبانی کند. که این کاربرد برای سیستم‌های مخابراتی تراهرتز با پهنای باند زیاد که تنها به تحریک  نیاز دارند بسیار مفید است.

معرفی یک کلاس جدیدی از موجبرهای هسته توخالی تراهرتز

در اینجا یک کلاس جدیدی از موجبرهای هسته توخالی تراهرتز که از تانسور گذردهی الکتریکی نامعین فراماده استفاده می‌کنند را معرفی می‌کنیم. این طرح یک پنجره وسیع تک مد، تک قطبش با قطبش  محصورسازی انرژی قوی در یک هسته تو خالی با قطری به اندازه طول موج را ارایه می‌دهد. این فیبر با استفاده از تکنیک‌های ساخت فیبر توسط فلز-پلیمر ساخته شده است و مشخصه پنجره تک مد آن را بطور عملی اندازه‌گیری شده است.

مودهای موجود و شرایط هدایت در موجبر با هسته تو خالی و ناحیه غلاف ناهمسانگرد تک محور برای یک موجبر هسته تو خالی با سطح مقطع دایروی و ناحیه غلاف ناهمسانگرد تک محور به صورت زیر است.

بررسی شرایط مودهای هدایتی دیکته می‌کند که فقط مودهای می‌توانن با شرط وجود داشته باشند. برای اینکه میدان‌های ناحیه غلاف میرا باشند بردار موج عمود بر ناحیه غلاف  k2 باید موهومی است به همین دلیل اندازه  باید تا حد ممکن بزرگ باشد. برای بسط دادن این مفهوم ما از رابطه پاشندگی موج ناحیه غلاف ناهمسانگرد استفاده می‌کنیم. رابطه پاشندگی موج برای امواج با قطبش و از رابطه زیر بدست می‌آید. از روابط (2) و (3) و (4) به راحتی می‌توان به روابط زیر دست یافت.

از رابطه (5) مقدار مثبت برای k2 به این معنی است که موج  TE در ناحیه غلاف منتشر می‌شود بنابراین موج TE نمی‌تواند در هسته متمرکز و هدایت شود.اما امواج  TM به علت منفی بودن  K2 در ناحیه غلاف ناهمسانگرد تک محور میرا هستند. 

ایجاد یک محیط فراماده تک محور

  یکی از ساختارهایی که یک محیط فراماده تک محور را برآورده می‌کند آرایه‌ای از میله‌های فلزی با گذردهی الکتریکی منفی به شعاع  R و فاصله a از یکدیگر است.

معرفی موجبر تراهرتز با پوشش فراماده

چنین هندسه موجبری می‌تواند به سادگی بوسیله جاسازی سیم‌های ایندیوم در بستر پلیمری به نام زونیکس با بکارگیری تکنیک‌های ساخت فراماده ساخته شود. دلیل استفاده از فلز ایندیوم و پلیمر زونیکس تلفات پایین این مواد در باند تراهرتز است. 

پارامترهای ساختار در شکل(4) نشان داده شده‌اند D=1 میلیمتر مقیاس طول‌ موج (فرکانس هدف 0.3 تراهرتز) 25 سیم ایندیوم با فواصل مساوی در ناحیه پوشش با همان قطرd و ضخامت لایه عایق داخلی بین درونی‌ترین سیم و هسته t تعریف شده‌ است.

 نقش لایه نازک عایق در موجبرهای فلزی قابل مقایسه است و تأثیر مهمی روی تلفات دارد. امیدواریم اطلاعات کافی را در مورذ مفهوم تراهرتز چیست به شما ارائه داده باشیم.