ТЕРАГЕРЦОВЫЕ ТРАНСИВЕРЫ И АНТЕННЫ НА ПЛАТФОРМЕ ГРАФЕНОВОЙ ПЛАЗМОНИКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 630.279.142.6

ТЕРАГЕРЦОВЫЕ ТРАНСИВЕРЫ И АНТЕННЫ НА ПЛАТФОРМЕ ГРАФЕНОВОЙ ПЛАЗМОНИКИ

Д. В. Земляков1, Г. С. Макеева2, Н. А. Борисов3

1'2'3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия

[email protected] [email protected] [email protected]

Аннотация. Рассмотрены основные технологические подходы в реализации беспроводных систем связи на основе электроники, фотоники и плазмоники. Представлены структурная схема трансивера терагер-цовых (ТГц) сигналов и архитектура ТГц передатчика и ТГц приемника, реализованных на основе графе-новой плазмоники. Рассмотрена концепция создания интеллектуальной коммуникационной среды, где система трансивера и антенн на основе графеновой плазмоники дополняется отражательными плазмон-ными антенными решетками (АР) в канале связи для устранения проблем с распространением ТГц волн. Показано влияние числа элементов плазмонной отражательной АР, используемой в коммуникационной среде, на скорость передачи данных и возможность увеличения скорости передачи данных до Тбит/е.

Ключевые слова: трансивер, скорость передачи данных, терагерцовый, волна поверхностного плазмон-поляритона, плазмонная антенна, антенная решетка, канал связи

Для цитирования: Земляков Д. В., Макеева Г. С., Борисов Н. А. Терагерцовые трансиверы и антенны на платформе графеновой плазмоники // Вестник Пензенского государственного университета. 2023. № 2. С. 113-120.

Введение

За последние десятилетия скорость передачи данных в системах связи постоянно увеличивается, и прогнозируется ее трехкратное увеличение как по проводным, так и по беспроводным сетям. Скорость передачи данных в сетях беспроводной связи фактически удваивается каждые 1,5 года и к 2030 г. приблизится к тому же уровню, что и в системах проводной связи. В ближайшие пять-десять лет спрос на пропускную способность для беспроводных соединений превысит отметку 100 Гбит/с. В соответствии с этой тенденцией в ближайшие десятилетия ожидается достижение скорости передачи данных по беспроводным сетям до Тбит/с. Такого экспоненциального увеличения пропускной способности сети трудно достичь с помощью современной микроволновой беспроводной связи.

Чтобы удовлетворить огромные требования к пропускной способности беспроводной сети, жизненно важно исследовать новые диапазоны частот. Отличным вариантом для этого является ТГц диапазон (от 0,1 ТГц до 10 ТГц), имеющий также названия дальний инфракрасный (ИК), субмиллиметровый диапазон. ТГц диапазон находится между ИК и микроволновым излучением (рис. 1).

© Земляков Д. В., Макеева Г. С., Борисов Н. А., 2023

113

Радиоволны Микроволны ТГц диапазон Инфракрасные волны Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение Гамма -излучение

1 МГц _I_

1 ГГц _I_

_1_

1 ТГц _I_

X

1 ПГц _I_

Л.

Л.

1 ЭГц _I_

1 ЗГц _1_

ю5 10б ю7 ю8 ю9

ю10 ю11

ю12 ю13 ю14 ю15 ю16 ю17 ю18 ю19 ю20 ю21

Частота (Гц)

Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения [1]

ТГц диапазон в последнее время привлекает все большее внимание благодаря широкой полосе пропускания. Как гласит теорема Шеннона, пропускная способность канала пропорциональна ширине полосы частот, и, следовательно, ТГц диапазон способен поддерживать скорости передачи данных в десятки и сотни Гбит/с и даже, как ожидается, Тбит/с. Благодаря чрезвычайно высокой пропускной способности и широкому распространению оптоволоконной техники беспроводные ТГц каналы с использованием технологий фотоники выходят на центральное место. Развитие как электронных и фотонных, так и гибридных технологий способствует развитию беспроводной связи в ТГц диапазоне [1].

Основные подходы к генерации и детектированию ТГц сигналов

Существуют три основных технологических подхода к разработке ТГц систем, а именно: на основе электроники, фотоники и плазмоники [2].

Подход на основе электроники.

Целью является расширение границ существующих технологий устройств СВЧ и миллиметрового (ММВ) диапазона для обеспечения работы ТГц систем. На рис. 2 приведена структурная схема ТГц передатчика, реализованного на основе электроники. Генерация несущей ТГц сигнала осуществляется путем умножения более низкочастотного сигнала (микроволнового и ММВ диапазонов) при помощи умножителя частоты. С выхода умножителя ТГц сигнал поступает в модулятор, где происходит модуляция ТГц сигнала сигналами данных [2].

Рис. 2. Структурная схема ТГц передатчика, реализованного на основе электроники [2]

Подход на основе фотоники.

Целью является распространение фотонных методов, используемых в оптических беспроводных системах, на ТГц диапазон. На рис. 3 представлена структурная схема передатчика ТГц сигналов, реализованного на основе фотоники. ТГц сигналы генерируют при помощи сверхбыстрых импульсных лазеров и гетеродинирования оптических сигналов на комбинационных разностных частотах путем фотосмещения.

В фотонном генераторе генерируются сигналы оптического диапазона. Модуляцию оптического сигнала производит фотонный модулятор - интерферометр Маха - Цандера. На вход фотонного конвертера с понижением частоты поступает промодулированн-ный сигнал, который конвертируется в ТГц сигнал. Для конвертирования сигналов применяют фотодиоды или фотопроводники [3].

Рис. 3. Структурная схема передатчика ТГц сигналов, реализованного на основе фотоники [2]

Подход на основе плазмоники.

Целью является создание устройств, которые по своей сути осуществляют обработку сигналов непосредственно на ТГц частотах, т.е. без необходимости повышающего преобразования частоты из микроволнового диапазона (как на основе электроники) или понижающего преобразования частоты из оптического (как на основе фотоники), за счет использования свойств плазмонных волн.

Структурная схема трансивера ТГц сигналов, реализованного на основе графеновой плазмоники, представлена на рис. 4. Принцип работы системы заключается в следующем. Передающее ТГц устройство состоит из двух блоков: генератора электрических сигнала и плазмонного передатчика. Сигнал вводится в плазмонный ТГц передатчик, в котором ТГц сигнал преобразуется в модулированную волну поверхностного плазмон-поляритона (ППП). Затем волна излучается графеновой антенной, в которой плазмонная волна преобразуется в электромагнитную. В приемной плазмонной графеновой антенне ТГц электромагнитная волна преобразуется в плазмонную. Приемное ТГц устройство также состоит из двух блоков: плазмонного приемника и детектора электрического сигнала [4].

Рис. 4. Структурная схема трансивера ТГц сигналов, реализованного на основе графеновой плазмоники [4]

Плазмонный ТГц передатчик выполнен на транзисторе с высокой подвижностью электронов из полупроводника АШВУ и графенового затвора (рис. 5). При приложении положительного напряжения между стоком и истоком транзистора иси > 0 происходит ускорение электронов от истока к стоку. Электроны, движущиеся по каналу транзистора, создают плазменную волну через неустойчивость Дьяконова - Шура. При длине канала порядка сотни нанометров генерируется плазменная волна в двумерном электронном газе ТГц диапазона. Это сохраняется при напряжении на затворе из выше порогового напряжения транзистора ит, из > ит [4].

- иси +

Рис. 5. Плазмонный ТГц передатчик на основе графена [4]

Эта архитектура может использоваться и для приема (рис. 6). Инжекция волн ППП из плазмонной графеновой антенны в покрытый графеном канал транзистора приводит

к возникновению связанной плазменной волны в двумерном электронном газе. Движение электронов эффективно создает ток и напряжение между стоком и истоком иси > 0 при условии, что из> ит. Плазмонный детектор на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов обеспечивает превосходную чувствительность, особенно при низких температурах [4].

Затвор

(Графен) ППП волны

-иси+ сигнала Рис. 6. Плазмонный ТГц приемник на основе графена [4]

Построение интеллектуальных коммуникационных сред для расширения границ применимости ТГц диапазона

Основная проблема ТГц диапазона - ограниченное расстояние передачи сигнала (информации) из-за больших потерь в канале связи. Для решения этой проблемы необходимо создание узконаправленных АР с высоким коэффициентом усиления. Построение таких АР основывается на использовании в них в качестве элементов плазмонных излучателей (рис. 7). В плазмонных антеннах используются физические явления эффективного излучения волн на резонансной частоте мод ППП. Размер плазмонных антенн меньше длины волны ТГц диапазона, что позволяет интегрировать их в плотно упакованные АР и обеспечивать точное управление излучением и распространением электромагнитных волн [5].

Рис. 7. Плазмонная ТГц антенна на основе графена [5]

С помощью АР можно создать интеллектуальную коммуникационную среду, состоящую из двух основных частей: плазмонных приемо-передающих ТГц АР в приемных и передающих ТГц устройствах и систем плазмонных отражательных ТГц АР в среде распространения [6]. Плазмонные отражатели могут быть нанесены на поверхности внутренних объектов в среде распространения, что позволяет передавать ТГц сигнал посредством переотражений от плазмонного слоя (верхнего поверхностного слоя) или по волноводам на волноводном слое (нижнем слое) (рис. 8). Режим работы плазмонных отражательных АР в канале связи контролируется средним слоем (слоем управления), реализованным между плазмонным и волноводным слоями (см. рис. 8). С помощью управляющего слоя производится контроль передающей и приемной АР в приемных и передающих ТГц устройствах и назначается режим работы отдельных плазмонных блоков или их групп.

Размеры АР зависят от рабочей частоты, и в ТГц диапазоне площадь АР составляет от 1 до 100 мм2. Благодаря субволновому размеру элементов плазмонные АР способны отражать сигналы нетрадиционными способами [7], включая управлямые отражения в незеркальных направлениях, отражения с преобразованием поляризации, а также отражения с прохождением волны по волноводному слою, как показано на рис. 8.

Отражени Зеркальное с преобра,ов,шиеы

отражение 1 поляризации

Слой управления \ / \ \ "" \

Плазменный слой \ / \ \ * \

Управляемое Поглощение

отражение волны

Л_I

Отражение с прохождением волны по волноводному слою

Рис. 8. Концептуальный дизайн плазмонной отражательной ТГц АР, способной манипулировать электромагнитными волнами [6]

Такие АР использованы для передачи ТГц сигнала с частотой /с = 300 ГГц и полосой пропускания 50 ГГц по каналу связи, образованному Ь-образным помещением (рис. 9) [6]. Установлено, что использование плазмонных отражателей позволяет увеличить зону покрытия, а также снизить потери мощности сигнала в канале связи на 40 дБ [6].

Волноводный слой

-20

-25

-45

-50

-15

-35

Рис. 9. Система беспроводной связи без использования (а) и с использованием (б) плазмонных отражательных ТГц АР [6]

В [6] исследовано влияние числа элементов Мц плазмонной отражательной АР, используемой в коммуникационной среде, на скорость передачи данных (рис. 10). Показано, что при увеличении числа элементов АР до 1200 превышен уровень скорости передачи данных 1 Тбит/с при минимальной мощности сигнала передатчика.

н H V©

а>

N

CJ S и

л н о о И ю о о о и

о

к «

о

о Ё

Ms = 50

Ms = 100

Ms = 200

-А- Ms = 400

Ms = 800

— Ms = 1200

Рис.

3 4 5 6 7 8 9 Мощность передатчика, дБм

10. Зависимость пропускной способности ТГц систем связи от числа элементов плазмонной отражательной АР [7]

10

Заключение

Использование подхода на основе графеновой плазмоники является перспективным вариантом для построения ТГц трансиверов (передатчиков, приемников), а также антенн и АР. Это обусловлено тем, что при реализации таких коммуникационных систем для генерации и детектирования ТГц сигнала не требуется конвертация частоты. Малый размер плазмонных антенн позволяет использовать наноразмерные технологии, а также

интегрировать такие элементы в АР с высокой плотностью упаковки. На основе плазмонных отражательных АР могут быть построены коммуникационные системы, которые значительно расширят возможности применения ТГц диапазона и устранят проблемы с распространением ТГц волн.

Список литературы

1. Elayan H., Amin O., Shihada B. [et al.]. Terahertz band: The last piece of rf spectrum puzzle for communication systems // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2019. Vol. 1. P. 1-32.

2. Akyildiz I. F., Han C., Hu Z. [et al.]. Terahertz Band Communication: An Old Problem Revisited and Research Directions for the Next Decade // IEEE Transactions on Communications. 2022. Vol. 70, № 6. P. 4250-4285.

3. Semenova V., Bespalov V. G. Terahertz Technologies for Telecommunications // Photonics. 2015. Vol. 3. № 51. P. 125-141.

4. Jornet J. M., Akyildiz I. F. Graphene-based plasmonic nano-transceiver for terahertz band communication // The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014). The Netherlands, 2014. doi: 10.1109/eucap.2014.6902274

5. Elayan H., Shubair R. M., Kiourti A. On graphene-based THz plasmonic nano-antennas // 16th Mediterranean Microwave Symposium (MMS). Abu Dhabi, UAE, 2016. P. 1-3.

6. Zhu H., Cheung S., Chung K. L., Yuk T. I. Linear-to-circular polarization conversion using metasurface // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61, № 9. P. 4615-4623.

7. Nie S., Jornet J. M., Akyildiz I. F. Intelligent Environments based on Ultra-Massive MIMO Platforms for Wireless Communication in mm-Wave and THz Bands // In Proc. of ICASSP. Brighton, UK, May 2019. URL: 2019. ieeeicassp.org

Информация об авторах Земляков Дмитрий Викторович, студент, Пензенский государственный университет

Макеева Галина Степановна, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет

Борисов Никита Андреевич, студент, Пензенский государственный университет Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.