ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 5
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.5.3
УДК 621.314.6, 621.396.67
ТЕРАГЕРЦОВАЯ РЕКТЕННАЯ РЕШЁТКА С ОБЪЕДИНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ВНЕ ПЛОСКОСТИ РАСПОЛОЖЕНИЯ АНТЕНН
К. Т. Ч. Ву, А. С. Зиненко, Г. М. Казарян, В. Л. Саввин
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет
Статья поступила в редакцию 11 мая 2021 г.
Аннотация. Терагерцовый диапазон электромагнитного излучения имеет множество потенциальных практических применений, однако он до сих пор недостаточно хорошо изучен в силу сложности создания подходящих для данного диапазона генераторов и детекторов. В современных исследованиях в качестве возможного эффективного терагерцового детектора часто предлагается использовать ректенну (выпрямляющую антенну). Применение ректенн в терагерцовом диапазоне сопряжено со своими трудностями. В частности, для эффективной работы ректенны требуется, чтобы на её выпрямляющий элемент подавалось высокое значение напряжения. Этого можно пытаться достичь при помощи использования в составе ректенны антенной решётки. Антенны в такой решётке при этом не могут располагаться далеко друг от друга, так как в терагерцовом диапазоне уже начинают проявляться эффекты, связанные с конечной проводимостью металлов. Одной из наиболее широко изучаемых видов терагерцовых антенн являются планарные антенны, расположенные на диэлектрической подложке с металлическим отражателем под этой подложкой. Соединение антенн в решётке в плоскости расположения самой решётки минимизирует длину металлических соединительных дорожек, но при большом количестве используемых антенн становится сложным для расчёта. Расположение соединительных дорожек вне плоскости антенны, например, за металлическим отражателем, позволяет исключить их влияние на характеристики рассматриваемой решётки. Более того, как показывается в данной работе, этот подход также позволяет добавлять элементы в решётку единообразно вне зависимости от их количества. При этом также можно добиться предсказуемого поведения выходного сопротивления решётки.
Ключевые слова: электромагнитные волны, терагерцовый диапазон, ректенны, сильная связь, численное моделирование.
Abstract. The terahertz frequency band of electromagnetic radiation has many potential practical uses. However it still remains to be underdeveloped because of the difficulties with its generation and detection. Many modern studies suggest using rectennas (rectifying antennas) as a potential efficient terahertz detector. The application of rectennas in the terahertz band is challenging in its own way. In particular an efficient operation of a rectenna device requires applying high values of voltage to the rectifying element. This can be attempted by employing an antenna array. However the terahertz band is the band in which the effects of finite conductance of metals start becoming noticeable. This means that antennas in the array cannot be spaced too far away from each other. For a terahertz antenna one of the most popular kinds of structure is a planar antenna, placed on top of a dielectric layer with a metal reflector beneath it. Placing connecting wires in the same plane as the antenna array can minimize the length of the said wires. But it also leads to the structure becoming too complex to compute as the number of the antennas in the array increase. Placing the connections in a different plane, e.g. behind the reflector, can eliminate the influence of these connections on the antenna array characteristics. This study shows that this method also allows adding antennas to the array in a unified manner regardless of their amount. It is worth noting that using this way it is also possible to achieve a predictable behavior of the output impedance of the antenna array.
Key words: electromagnetic waves, terahertz radiation, rectenna, tight couplig, numerical model.
Литература
1. Rong Z., Leeson M.S., Higgins M.D., Lu Y. Nano‐rectenna powered body‐centric nano‐networks in the terahertz band. Healthcare Technology Letters. 2018, Vol.5. No.4. P.113-117. https://doi.org/10.1049/htl.2017.0034
2. Downes L.A., MacKellar A.R., Whiting D.J., Bourgenot C., Adams C.S., Weatherill K.J. Full-field terahertz imaging at kilohertz frame rates using atomic vapor. Physical Review X. 2020. Vol.10. No.1. P.011027. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.011027
3. Sun Q., He Y., Liu K., Fan S., Parrott E.P.J., Pickwell-MacPherson E. Recent advances in terahertz technology for biomedical applications. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2017. Vol.7 No.3. P.345–355. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5537133/, https://doi.org/10.21037/qims.2017.06.02.
4. Yu C., Fan S., Sun Y., Pickwell-Macpherson E. The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2012. Vol.2. No.1. P.33–45. https://doi.org/10.3978/j.issn.2223-4292.2012.01.04
5. Jansen C., Wietzke S., Peters O., Scheller M., Vieweg N., Salhi M., Krumbholz N., Jördens C., Hochrein T., Koch M. Terahertz imaging: applications and perspectives. Applied Optics. 2010. Vol.49. No.19. P.E48-E57. https://doi.org/10.1364/AO.49.000E48
6. Amara W., Yahyaoui A., Eltresy N, Aseeri M., Hakim B., Al-Turki Y., Rmili H. Vivaldi dipole nano-rectenna for IR energy harvesting at 28.3 THz. International Journal of Numerical Modelling. 2021. Vol.34. No.2. P.e2836. https://doi.org/10.1002/jnm.2836
7. Гибин И.С., Котляр П.Е. Приемники излучения терагерцового диапазона (обзор). Успехи прикладной физики. 2018. Т.6. №2. C.117-129.
8. Moddel G., Grover S. Rectenna Solar Cells. New York, Springer. 2013. 399 p.
9. Brown W.C. The History of Power Transmission by Radio Waves. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1984. Vol.32. No.9. P.1230-1242. https://doi.org/10.1109/TMTT.1984.1132833.
10. Shanawani M., Masotti D., Costanzo A. THz rectennas and their design rules. Electronics. 2017. Vol.6. No.4. P.99. https://doi.org/10.3390/electronics6040099.
11. Donchev E., Pang, J., Gammon P., Centeno A., Xie F., Petrov P., Breeze J.D., Ryan M.P., Riley D.J., Alford N. The rectenna device: from theory to practice (a review). MRS Energy & Sustainability. 2014. Vol.1. E1. https://doi.org/10.1557/mre.2014.6.
12. Ву К.Т.Ч, Казарян Г.М., Саввин В.Л. Планарные антенные решетки со спиралевидными элементами для терагерцовой ректенны. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.5
Для цитирования:
Ву К.Т.Ч, Зиненко А.С., Казарян Г.М., Саввин В.Л. Терагерцовая ректенная решётка с объединением элементов вне плоскости расположения антенн. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.5.3