Daha hızlı, daha güvenilir ve daha kompakt kablosuz iletişim cihazları temel fiziksel ölçekleri keşfetmeyi teşvik etti. Geleneksel radyo-freze antenleri, her iki boyutta ve frekansta pratik sınırlarını ölçtükçe, nanoteknoloji ve elektromanyetik sistemler arasındaki bağlantıdan ortaya çıktı: 0))) Bu yapılar, nanometrelerin arkasındaki nano-parçacıklı devreleri ve nanometrelerin sadece on ila yüzleri ölçtü.
Nano-antennas Nedir?
Onun özünde, elektrik sinyalleri serbest uzay elektromanyetik dalgalara yönlendiren bir cihazdır ve tersi. Geleneksel antenler - yarı dalga dipol gibi - boyutsal olarak, radyo frekansı için, cm aralığının on kilometreye kadar olduğu anlamına gelir, bu nanometrelerin aksine, fiziksel dalgalar ile etkili bir şekilde çift yapmak, terahertz (THz) ve optik frekanslar (yüzlü) ve optik frekanslar (yüzlüler için) ve optik frekanslar (yüzlüler için) ve dalgalar için, on milyonlarca nanometreye kadar uzanır.
Ancak, birkaç nanometreye kadar bir antenin ölçeklendirilmesi yeni fizik getiriyor. Optik frekanslarda, altın ve gümüş gibi metaller artık mükemmel iletkenler olarak hareket etmiyorlar; bunun yerine, fotonik ve elektronikler arasındaki boşlukları tamamen güçlendiriyorlar.
Kritik bir ayrım, nano-antennas'ın standart yarı iletken süreçleri kullanarak, transistörlerle entegrasyona izin veren, dalga kılavuzları ve dedektörlerine olanak sağlayan olmasıdır.Bu uyumluluk, ultra-kompakt transceivers'a kapıyı açar, bu veriler üretilir ve tüm kumdan daha küçük bir ayak izi ile yayılır.
Nano-antennas'ın Anahtar Avantajları
Extreme Miniaturization
Nano-antennas, 200 THz'de çalışan optik nano-dipol anteni ölçebilirken, bu minimüreme, giyilebilir tıbbi cihazlar için gereklidir ve büyük MIMO'da (ple-input multiple- ⁇ ) sistemlerde yoğun olarak paketlenmiş diziler.
Ultra-High Data Fiyatları
Terahertz ve optik frekanslarda çalışmaya göre, nano-antennas, bazı laboratuvar protestolarının ötesinde modülasyon kanallarını destekleyebilir ve yüksek çözünürlüklü sanal gerçeklik vaat eder ve bu tür oranları dönüştürücüdür.
Geliştirilmiş Doğrudanlik ve Beam Yönlendirme
Nano-antenna dizileri, genellikle makro ölçekdeki faz dizileri olarak adlandırılır, tek bir çip üzerinde son derece yoğun ızgaralar ile paketlenebilir. Her element, radyasyon modeli elektronik olarak şekillendirmek için ayrı olarak kontrol edilebilir.Bu, hareket eden cihazlar için hassas kirişlerin direksiyonu ve mekansal çokluxing aracılığıyla verimin artırılmasına olanak sağlar. Küçük boyut aynı zamanda granüler (günde ikincil kirişler) çok fazla parçalanır, dizi tasarımını basitleştirmek için ayrı olarak kontrol edilebilir.
Nanofotonik Devrelerle Bütünleşme
Nano-antennas, çip fotonik devreler arasındaki arayüz olarak hareket eder (vardırıcılarda ışık olarak seyahat eder) ve ücretsiz uzay yayılımı. Doğrudan yukarıdaki veya lazerlerin yanında, modültörler ve fotodetektörler, yönlendirilen modlar arasında sorunsuz bir dönüşüm sağlar. Bu entegrasyon gelecekteki çipli optik kablosuz bağlantılar için önemlidir.
Future Kablosuz Systems'de Uygulamalar
5G-Advanced and 6G Networks
5G şu anda milimetre dalga grupları (24-40 GHz) kullanıyor olsa da, sonraki adım - 6G - Kaliforniya'daki kurumlarda sub-terahertz frekansları (100-300 GHz) daha yüksek kapasiteye sahip olmak için, nano-antennas, bu gruplar için küçük boyutta ve uyumluluk için doğal adaylardır.Böylece kentsel ortamlarda, binlerce antenin tek bir taban paneline entegre edilebilir.
Nesnelerin İnterneti (IoT) ve Kablosuz Sensör Ağları
IoT, milyarlarca küçük, düşük güç sensörlerinin sıcaklık, nem, vibrasyon veya tıbbi telemetriye sahip olduğuna inanıyor. Nano-antennas, bu sensörlerin süresiz olarak veya tamamen batarya destekli RF modüllerden yararlanarak, enerji tasarrufu yaparak, bir nano-antenna hem de verileri hem de aktarabilir.
Nano-antenna- bazlı RFID
Konvansiyonel radyo-fret kimlik (RFID) etiketleri, ISS (900 MHz) veya mikrodalga (2.45 GHz) olarak çalışır ve boyuta antenler gerektirir. Nano-antenna RFID etiketleri doğrudan mikropişmanlara yazdırılabilir, ürün düzeyindeki izlemenin terahertz sırtlarını kullanarak birkaç metre boyunca depo ölçeklendirmesine olanak sağlar.
Biyomedikal cihazlar ve Implantable Sensörler
Implantable tıbbi cihazlar - hız vericiler, glukoz monitörleri, sinir implantları - doku ile çalışabilecek kablosuz bağlantılar gerektirir, vücut fonksiyonlarına müdahale etmek için yeterince küçükken. Terahertz radyasyonu birkaç milimetreyi cilde ve yumuşak dokuya nüfuz edebilir, yakın vücut implantlarına uygun hale getirir. Nano-antennas, genellikle biyodüşüklü magnezyum veya altın nanoparçacıklar olarak şekillendirilebilir bir şekilde 10 inçlik bir tabletle iletişim kurabilir veya biyodikalize edilebilir bir şekilde iletişim halindeki 10 inçlik bir şekilde iletişim halinde iletişim kurar.
Kuantum İletişim ve Sensing
Kuantum iletişim, kuantum eyaletteki bilgileri iletmeye yönelik tek fotonlara dayanır.Sürücüler, ses çıkarma veya nitro-vacancy merkezlerini elmasta serbest alana veya optik fiberlere aktarmaya çalışırlar. Nano-antennas'ı şok edici nano-parçacıklı nano-parçacıklı bir şekilde kullanarak, nano-düşüklü bir şekilde yayıcı nano-parçacıklı bir şekilde yayarlar kullanarak erken prototipleri güçlendirebilirler.
Enerji ve Optik Rectennas
Bir retenna (göpektif anten) elektromanyetik dalgalar doğrudan şu anki elektrikle dönüştürür. Optik retennas kullanarak nano-antennas kullanarak teoride, çevresel radyasyonu veya hatta güneş ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür, bu tür retennas, son zamanlarda ısı atık veya Wi-Fi sinyalleri hasat ederek düşük verimlilikten yoksundur.
Challenges Facing Nano-antenna Deployment
Kumaş ve Maliyet
Nanometer ölçeğinde özellikler oluşturmak pahalı litografi aletleri ve sıkı temizlik koşulları gerektirir. Elektron-beam lithography yavaştır (zorlu yazı), büyük ölçekli üretim yasaklı olarak pahalıya kadar ultraviyole lithografi gibi - nano-antennas büyük ölçüde araştırma laboratuvarlarından dolayı sınırlı kalacaktır.
Ohmic Kayıplar ve Materyal Limitleri
Optik frekanslarda, metallerin iletkenliği, yüzeyde elektron saçlarını artırmak nedeniyle - boyutsal etki olarak bilinen bir fenomendir. Bu, önemli dirençli ısıtmaya (kırık kaybı), anten verimliliğini azaltır. Silver ve altın, genellikle sertleştirilmiş plazm modları arasında sınırlı sayıda zararlar sunar, örneğin grafiklere şeffaf bir şekilde iletken iletkenler (örneğin, indium tin oksitler) veya ağırlanan yarı iletkenler, araştırılır.
Impedance Matching and Feeding
Bir nano-antenna'yı bir vericiye veya alıcıya bağlama, antenin beslenme devresine karşı engel olmasını gerektirir - genellikle radyo frekanslarında 50 ohms civarında, reaktif bir engel büyük ve frekans bağımlı hale gelir. Tasarımlar genellikle bir balun veya bir melodi yapısı gerektirir, bu da antenin yanında boyamak için son derece zor olabilir.
Interference ve Crosstalk
Binlerce nano-antennas küçük bir alana paketlandığında, bitişik elementler arasındaki karşılıklı darbeler radyasyon modellerini değiştirebilir ve bu haçı yönetmek, tünel ve yakın saha darbe sistemleri gibi kuantum etkiler klasik elektromanyetik tahminlere hakim olabilir, yeni modelleme çerçevelerini gerektiren.
Düzenleme ve Uyumluluk Sorunları
Terahertz ve optik gruplar henüz kablosuz iletişim için tamamen tahsis edilmez. 100 GHz-3 THz aralığı büyük ölçüde sınırsızdır, ancak atmosferli bir karışıma tabi tutulur (örneğin, su buharı gibi gelecekteki standartlar için, frekans planlama, önemli sistem-kırıklama uygulamaları ile müdahaleden kaçınmak için gerekli olacaktır.
Future Outlook ve Araştırma Yolu
Engellere rağmen, nano-antenna araştırma hızı hızlanır. İki boyutlu malzemeler - grafikene, molybdenum disulfide, siyah fosfor - tonable, düşük parlaklık ve ultrakompakt antenler için söz verir. Graphene nano-bonlar, resonance frekansının bir önyargı gerilimi ile kaybolabilir, mekanik parçalar olmadan yeniden yapılandırılabilir diziler sunar.
Bir başka heyecan verici sınır, nano-antennas'ın makine öğrenimi ilefüzyonudur. Belirli frekans grupları ve kayıp koşulları için optimal anten geometrilerini tahmin etmek için eğitim sinir ağları tarafından, araştırmacılar uzun deneme ve çıkış tasarım döngüleri atlayabilirler. Generative adversarial ağları (GANs) zaten bant ve spiral geometrileri kanallararası bant ve kazanım açısından manuel olarak tasarlayabilirler.
Daha uzun vadede, nano-antennas, "akıllı toz" standart bileşenler haline gelebilir - havada yüz yüzen mikroskop veya büyük alanlarda dağılır. Bir güç kaynağı, hava radyasyonundan ve verilerden aktarılan enerji kaynağı ile, bu tür sistemler çevresel kirleticilerin, patojenlerin veya hatta yapısal bütünlüklerin izlenmesini sağlayabilir.
Silikon fotonikleri ile entegrasyon, Intel, IBM ve TSMC gibi şirketler, veri merkezleri için entegre fotonik devrelere büyük ölçüde yatırım yapıyor. Nano-antennas, aynı silikon-on-insulator platformuna sahip olabilir, kablosuz çip-çip iletişimin birkaç saniye içinde hızlara girmesine izin verir - fiziksel bağlantı veya fiberlere ihtiyaç duyma ihtiyacını ortadan kaldırır.
Son olarak, verimli optik retennas arayışı devam ediyor.Eğer verimlilik, bugünden <1% 10'un üzerinde, nano-antennas, güneş ışığı için uygun bir enerji-harvesting teknolojisi haline gelebilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Nano-antennas, kablosuz iletişimde bir paradigma değişikliğini temsil ediyor, hem elektronik hem de fotonik devrelerden hareket etmek, Nature ve Fiziksel İnceleme Mektupları, kontrollü ortamlardaki fezitlerini defalarca göstermiştir.Ancak, önemli mühendislik zorlukları - ultra yüksek veri oranları, aşırı minimleme ve kabul etmek - önümüzdeki on iki elektronik ve fotonik devreleri ile derin entegrasyon, nanoyapımlarda yayınlanan bir sonraki on yıl boyunca nanoyapıların içine girebilmeleri için tekrarlanabilir.