Künstlicher dielektrischer Strahl

May 30, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13793 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir entwerfen und fertigen ein künstliches dielektrisches Prisma, das einen Terahertz-Strahl im Weltraum steuern und sein Verhalten experimentell untersuchen kann. Das künstliche dielektrische Medium besteht aus einem gleichmäßig beabstandeten Stapel von Metallplatten, elektromagnetisch äquivalent zu einer Anordnung von Wellenleitern mit parallelen Platten, die im Tandem arbeiten. Bei einer Betriebsfrequenz von 0,3 THz beobachten wir eine maximale Strahlablenkung von 29°, begrenzt durch die Präzision der verfügbaren Abstandshalter. Durch die Federung der Abstandshalter zwischen den Platten können wir den Strahl kontinuierlich und dynamisch über einen Bereich von 5° abtasten. Die gemessenen Strahlintensitätskarten am Ein- und Ausgang des Geräts zeigen eine sehr gute Gaußsche Strahlqualität und eine geschätzte Leistungseffizienz von 71 %. Als mögliche reale Anwendung integrieren wir das Prisma in den Pfad einer Freiraum-Terahertz-Kommunikationsverbindung und demonstrieren eine unbeeinträchtigte Leistung.

Zukünftige Konzepte der drahtlosen Kommunikation und Sensorik beziehen zunehmend das Terahertz-Frequenzband (0,1–10 THz) ein. Beispielsweise sind Terahertz- oder höhere Frequenzen ein wesentliches Element der Kommunikation der nächsten Generation (6G), bei der Bandbreiten von ~ 100 GHz entscheidend werden, um die Erwartungen an die Datenrate von Terabit pro Sekunde zu unterstützen1. Um praktische drahtlose Terahertz-Systeme zu erreichen, haben sich zahlreiche Forschungsstudien mit den Herausforderungen der Wellenabsorption, Streuung, digitalen Signalverarbeitung, Vernetzung, Sicherheit, Medienzugriffskontrolle, Transceiver-Entwicklung und mehr befasst2,3. Eine weitere bemerkenswerte und grundlegende Herausforderung ist der Free-Space-Path-Loss (FSPL). Aufgrund seiner Skalierung mit dem Quadrat der Frequenz wird der FSPL im Terahertz-Bereich deutlich schlechter als in niedrigeren Frequenzbändern. Dies wirkt sich stark auf Sensor- (z. B. Radar) und Kommunikationssysteme aus, da Terahertz-Strahlen eine hohe Richtwirkung erfordern, um praktisch signifikante Ausbreitungsentfernungen zu erreichen. Folglich entstehen neue Herausforderungen wie Strahlausrichtung, Jitter und Turbulenzen. Aktives Strahlscannen (oder Lenken) ist die vorgeschlagene Lösung und inspiriert unzählige Ansätze, darunter Phased-Arrays, rekonfigurierbare diffraktive oder reflektierende Oberflächen und dispersive Strukturen4. Zu den jüngsten Beispielen gehört ein komplexes optisches System mit Spiegeln5, von denen zwei auf hochentwickelten Metaoberflächen6,7 basieren, eines auf einer Lüneburg-Linse8, eines auf Phased-Arrays9, eines auf einem Beugungsgitter10 und eines auf einem 3D-gedruckten Prisma11,12 basiert . Viele davon leisten hervorragende Arbeit, können jedoch unter geringer Effizienz, schlechter Strahlqualität, hoher Komplexität oder begrenzter Bandbreite leiden, insbesondere wenn sie eine dynamische Steuerung bieten. Bei zukünftigen Anwendungen wie der drahtlosen Kommunikation der nächsten Generation wird es wichtig sein, dass Geräte zur Wellensteuerung sorgfältig eine schlechte Effizienz13, Strahlanomalien (z. B. Schielen) und Wellenformumformungen aufgrund von Verlust und zeitlicher Streuung14 vermeiden.

Unter den Lösungen mit dispersiven Strukturen erfreuen sich künstliche Dielektrika (ADs) großer Beliebtheit. Künstliche Dielektrika sind vom Menschen hergestellte Medien, die die Eigenschaften natürlich vorkommender dielektrischer Medien nachahmen oder sogar Eigenschaften aufweisen, die in der Natur im Allgemeinen nicht auftreten können15. Beispielsweise kann der Brechungsindex, der normalerweise einen Wert größer als eins hat, in einem AD einen Wert kleiner als eins haben. Jüngste Studien16,17 haben gezeigt, dass ADs analog zu Metamaterialien leistungsstarke Möglichkeiten zur Terahertz-Wellenkontrolle bieten, jedoch praktische Vorteile wie stark verringerte Absorptionsverluste und eine deutlich verringerte Herstellungskomplexität bieten. Diese Eigenschaften manifestieren sich in neuen AD-basierten Terahertz-Isolator- und Strahlteiler-Designs, deren Spezifikationen sogar mit ausgereiften optischen Wellengeräten konkurrieren17.

Unter Ausnutzung dieses AD-Konzepts entwerfen und fertigen wir hier ein dynamisches Strahlabtastprisma für den Terahertz-Bereich und untersuchen experimentell sein Verhalten. Im Vergleich zu den meisten Strahlscannern ist unser AD-Gerät viel einfacher, was zu einer überlegenen Strahlqualität, einer höheren Leistungseffizienz und einer geringen zeitlichen Streuung führt. Wir gehen davon aus, dass diese Arbeit für die Weiterentwicklung der drahtlosen Terahertz-Kommunikation, der Bildgebung und der Fernerkundung wichtig sein wird. Im Fall der drahtlosen Kommunikation stehen Terahertz-Wellen zunehmend für den Einsatz in Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie Backhaul-Anwendungen18. In solchen Szenarien ist die Fähigkeit, einen Senderstrahl optimal auf einen Empfängerstandort zu lenken, von größter Bedeutung, insbesondere wenn der Empfänger mobil ist oder der Kanal durch Jitter beeinträchtigt ist.

Der Entwurf und die Herstellung des Strahlabtastprismas sind in der oberen Reihe von Abb. 1 dargestellt, wo das AD-Medium aus einem Stapel von Metallplatten besteht. Jede Platte hat die Form eines gleichschenkligen rechtwinkligen Dreiecks und ist aus 100 µm dickem Edelstahl gefertigt. Das Prisma wird mit einem gleichmäßigen Abstand b zwischen den Platten mithilfe von Abstandshaltern aus Edelstahl zusammengebaut. Sowohl die Platten als auch die Abstandshalter werden durch einen chemischen Ätzprozess hergestellt, um Spannungen oder Grate zu vermeiden und ihre Ebenheit beizubehalten. Der Zusammenbau des Geräts erfolgt durch abwechselndes Stapeln der Platten und Abstandshalter entlang dreier Montagestangen, die an den Ecken des Dreiecks positioniert sind. Nach dem Zusammenbau verfügt diese gestapelte Plattenanordnung über eine Apertur mit einer Höhe, die ausreichend groß ist, um einen Eingangsstrahl mit einem 1/e-Gaußschen Felddurchmesser von 10 mm aufzunehmen.

Künstliches dielektrisches Prisma. Die Abbildungen in der oberen Reihe (von links nach rechts) zeigen den Schaltplan, eine übertriebene 3D-Darstellung und ein Foto des hergestellten Prismas. Der graue Bereich im Schema bezeichnet den Terahertz-Strahl. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Abstandshalter in der Darstellung nicht dargestellt. Die Abbildungen in der unteren Reihe (von links nach rechts) zeigen die strahlenoptischen Analysen für die Prismen der ersten und zweiten Generation sowie ein Foto des hergestellten Prismas der zweiten Generation.

Wie im Schema in Abb. 1 dargestellt, breitet sich ein Terahertz-Strahl, der bei normalem Einfall in das Prisma eintritt, durch das Prisma aus und erfährt dabei einen effektiven Brechungsindex, der durch n = [1 − (c/2bf)2]0,5 gegeben ist, wobei c ist die Freiraumgeschwindigkeit und f ist die Betriebsfrequenz1,19. Beachten Sie, dass basierend auf diesem theoretischen Ausdruck der Brechungsindex durch eine geeignete Wahl von b jeden Wert zwischen Null und Eins annehmen kann. An der Austrittsfläche stößt der Strahl auf eine Indexfehlanpassung und geht vom AD-Medium (n < 1) in den freien Raum (n = 1) über. Daher beugt dieses AD-Prisma ähnlich wie ein Glasprisma, das einen Lichtstrahl biegen kann, einen Terahertz-Strahl, wenn dieser das Prisma verlässt, gemäß dem Snelliusschen Gesetz. Wenn n nahe bei Eins liegt, verlässt der Strahl das Prisma entlang AB, und wenn n nahe Null ist, tritt der Strahl entlang AC aus. Somit ist es durch einfaches Variieren des Plattenabstands (dh Komprimieren und Expandieren der Plattenanordnung) möglich, den Ausgangsstrahl über einen Gesamtwinkel von 45° zu lenken.

Experimentelle Untersuchungen wurden an einem Testgerät [oben rechts in Abb. 1 dargestellt] mit einem fasergekoppelten gepulsten Terahertz-System in einer Übertragungskonfiguration durchgeführt. Abbildung 2 zeigt das schematische Diagramm des Versuchsaufbaus zusammen mit einem Foto des tatsächlichen Aufbaus. Ähnlich wie im Schema in Abb. 1 wurde ein gut kollimierter Terahertz-Strahl senkrecht zur Eingangsfläche des Prismas eingekoppelt. Das elektrische Eingangsfeld wurde parallel zu den Platten polarisiert, um den transversalelektrischen Modus niedrigster Ordnung (TE1) der Parallelplatten-Wellenleiter (PPWGs) anzuregen, aus denen der Plattenstapel besteht20. Um die Reinheit der linearen Polarisation des Eingangsstrahls zu verbessern, wurde ein Drahtgitterpolarisator verwendet. Obwohl diese Konfiguration die Anregung einiger Moden höherer Ordnung nicht strikt verbietet, wurde aus praktischer Sicht bestätigt, dass nur die TE1-Mode signifikant angeregt wird20. Die Eintrittsfläche des Prismas befand sich im Brennpunkt einer am Senderkopf befestigten Polyethylenlinse (mit einer Brennweite von 15 cm). Am Eingang wurde eine Blende mit einem Durchmesser von 12 mm (mit einem Hintergrund aus Aluminiumblech) positioniert, um die Strahlachse zu definieren und jeglichen Energieverlust um das Prisma herum zu verhindern. Während des Experiments wurde das Ausgangssignal in verschiedenen Winkelpositionen erfasst, indem der Empfänger in der Azimutebene entlang des BC-Bogens im gleichen Abstand von A abgetastet wurde. Aufgrund der endlichen Apertur (6 mm Durchmesser) des Empfängers wurde nur ein Teil des abgestrahlten Signals abgestrahlt An jeder Winkelposition wurde ein Breitband-Terahertz-Strahl gesammelt.

Versuchsaufbau. (a) Schematische Darstellung. (b) Foto des tatsächlichen Aufbaus.

Die Abbildungen 3(a) und (b) zeigen jeweils einen repräsentativen Satz erfasster zeitlicher Signale und ihre Fourier-transformierten Amplitudenspektren für b = 0,8 mm. Die Signalwellenformen weisen einen negativen Chirp (hohe Frequenzen, die zeitlich früher ankommen) auf, der für das erwartete Ausbreitungsverhalten des TE1-Modus charakteristisch ist20. Mit zunehmendem Detektionswinkel kommt es zu einer Rotverschiebung des Spektrums, was darauf hindeutet, dass die niedrigeren Frequenzen bei einem gegebenen Plattenabstand tendenziell stärker gebrochen werden.

Experimentelle Ergebnisse. (a) Erkannte Signale bei verschiedenen Winkelpositionen für b = 0,8 mm. (b) Entsprechende Amplitudenspektren. (c) Gemessene azimutale Polardiagramme des Ausgangsstrahls bei 0,3 THz für Plattenabstände, die im Vergleich zum Fall ohne Gerät von 2 auf 0,8 mm abnehmen.

Ebenso variiert der azimutale Ablenkwinkel für jede einzelne Frequenz mit dem Plattenabstand. Durch Extrahieren einzelner Spektralamplituden aus den breitbandig gemessenen Daten können wir die azimutalen Polardiagramme des Ausgangsstrahls für verschiedene Plattenabstände erstellen. Diese Ergebnisse sind in Abb. 3(c) für 0,3 THz, die Designfrequenz, dargestellt. Jedes dieser Diagramme wurde durch Messung von Zeitbereichsscans für 66 Azimutpositionen in 1°-Schritten erhalten, um das polare Strahlungsmuster zu erzeugen. Der Fall „Kein Gerät“ definiert die Eingangsstrahlachse bei 0° und dieser Fall wird mit den Situationen verglichen, in denen das Prisma mit zunehmend abnehmenden Plattenabständen zusammengebaut wurde. Wir beobachten eine deutliche Lenkung des Ausgangsstrahls, wobei der Brechungswinkel mit abnehmendem b zunimmt. Diese gegenseitige Abhängigkeit steht im Einklang mit dem obigen theoretischen Ausdruck, da ein abnehmendes b n verringert, was wiederum den Scanwinkel aufgrund einer höheren Indexfehlanpassung erhöht. Basierend auf diesen experimentellen Polardiagrammen schätzen wir außerdem einen Halbwertswinkel von 4° für alle azimutalen Strahlen. Die Eingangsapertur des Geräts ist ausreichend größer als der Durchmesser des Eingangsstrahls, und daher hat das Gerät keinen Einfluss auf die Ausgangsstrahlaufweitung, bei der es sich im Wesentlichen um die Freiraumaufweitung (ohne Gerät) des Eingangsstrahls handelt, die ebenfalls 4° beträgt.

Obwohl diese statischen Testergebnisse vielversprechend waren, wies das oben genannte Gerät einige Mängel auf. Da beispielsweise die Ebenheit der Platten eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der äquivalenten elektromagnetischen Eigenschaften des Geräts spielte, verschlechterte sich die Leistung, als wir zu kleineren Plattenabständen übergingen. Dies lag daran, dass Unregelmäßigkeiten im Plattenabstand bei kleineren Abstandswerten spürbar wurden, was dazu führte, dass die beobachtete Auslenkung erheblich vom theoretisch erwarteten Wert abwich. Um diese Probleme zu lösen, haben wir daher ein optimiertes Prisma entworfen und hergestellt.

Die Entwicklung dieses Prismas der zweiten Generation ist in der unteren Reihe von Abb. 1 dargestellt. Bei diesem neuen Design nutzten wir sowohl die Eintritts- als auch die Austrittsfläche, um den Strahl zu biegen, im Gegensatz zum ersten Design, bei dem die Biegung nur an der Austrittsfläche erfolgte. Somit tritt der Strahl hier unter 45° in das Prisma ein und hat nicht mehr den normalen Einfallswinkel wie im ursprünglichen Design. Wir führten einen Entwurfsoptimierungsprozess mittels Strahlenoptik durch, wie in Abb. 1 dargestellt, wobei wir sowohl direkte Analyse als auch numerische Simulationen verwendeten. Im neuen Design beträgt der theoretische Ablenkwinkel für einen 0,3-THz-Strahl bei b = 0,8 mm 31°, während er im ursprünglichen Design nur 11° beträgt. Somit ermöglichte uns diese neue Geometrie, einen größeren Ablenkwinkel für einen gegebenen Plattenabstand zu realisieren. Wir haben das neue Design außerdem kompakter gestaltet, indem wir die Gesamtspannweite der einzelnen Platten reduziert und so die Ebenheitsabweichung minimiert haben. Die in Abb. 3(c) gezeigten gemessenen azimutalen Polardiagramme wurden mit diesem Prisma der zweiten Generation erhalten.

Der für dieses Prisma der zweiten Generation beobachtete experimentelle Ablenkwinkel ist in Abb. 4(a) als rote Punkte im Vergleich zur theoretischen Vorhersage der schwarzen Kurve dargestellt. Dieser Vergleich zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie mit einer maximalen experimentellen Auslenkung von 29°, die nur durch die Präzision der verfügbaren Abstandshalter begrenzt ist. Tatsächlich sagt die Theorie Ablenkungswinkel über 45° voraus, was angesichts der engen Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment praktisch machbar sein sollte. Darüber hinaus veranschaulichen die Einschübe in Abb. 4(a) die gemessenen 2D-Strahlintensitätskarten am Eingang (linkes Feld) und am Ausgang (rechtes Feld) des Prismas für b = 1,2 mm. Diese Karten wurden durch Rasterscannen des Empfängers (an dem zur Verbesserung der räumlichen Auflösung eine 1-mm-Blende angebracht ist) in der vertikalen Ebene in einem quadratischen Raster von 2 cm mit einer Schrittweite von 0,5 mm erstellt. Diese Karten wurden bei 0,3 THz erstellt und beweisen, dass sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsstrahl Gaußsche Profile (wenn auch mit einer geringfügigen Asymmetrie im Ausgangsstrahl) und somit eine gute Strahlqualität aufweisen. Mithilfe dieser Intensitätskarten können wir auch die Gesamtleistungseffizienz des Geräts abschätzen und einen Wirkungsgrad von 71 % für das Prisma bei einem Plattenabstand von 1,2 mm ermitteln.

(a) Strahlablenkung im Verhältnis zum Plattenabstand b für das Prisma der zweiten Generation. Die Einschübe geben die gemessenen Karten der Eingangs- und Ausgangsstrahlintensität bei 0,3 THz wieder. (b) Detailansicht des gestrichelten rechteckigen Bereichs des Diagramms in (a). Der untere Einschub zeigt ein Foto der orthoplanaren Feder. Der obere Einschub zeigt einen Querschnitt, der den Stab- und Federmechanismus veranschaulicht. Die rot und blau schraffierten Bereiche kennzeichnen zwei Unterlegscheiben, die an der orthoplanaren Feder befestigt sind.

Als Erweiterung des statischen Tests haben wir in einem separaten Experiment eine dynamische Abtastung des Prismas integriert, indem wir die Präzisionsabstandshalter zwischen den Platten federbelastet haben. Um den Plattenabstand kontinuierlich zu variieren, wurde von außen mechanischer Druck auf die Plattenanordnung ausgeübt. Diese experimentellen Ergebnisse sind auch in Abb. 4(a) als blaue Punkte dargestellt, wobei in Abb. 4(b) eine Nahaufnahme des interessierenden Bereichs dargestellt ist. Die Einschübe in Abb. 4(b) veranschaulichen den Federmechanismus, der auf sogenannten orthoplanaren Federn21 basiert. Hierbei handelt es sich um hochpräzise Federn, die aus ebenen Metallblechen, in diesem Fall 100 µm dickem Edelstahl, geschnitten werden. Der obere Einschub zeigt einen Querschnitt der Feder und der Montagestange, während der untere Einschub ein Foto der tatsächlichen orthoplanaren Feder zeigt. Die Federwirkung wird durch mechanisches Verschieben des Innenkreises der Feder vom Außenkreis erreicht.

Der Außendurchmesser jeder orthoplanaren Feder beträgt nur 6 mm und ist damit genau so groß wie der Durchmesser der im statischen Test verwendeten festen Abstandshalter. Daher hat das Ersetzen der festen Abstandshalter durch die orthoplanaren Federn keinen Einfluss auf die seitlichen Abmessungen der Luftspalte, durch die sich der Strahl ausbreitet, und verursacht somit keine Interferenzen mit dem Strahl. Darüber hinaus besteht das Prisma, wie auf den Fotos in Abb. 1 zu sehen ist, aus einer Bodenplatte und einer Oberplatte aus eloxiertem Aluminium. Im Experiment ist die Bodenplatte im Raum fixiert und trägt an den Ecken des Dreiecks drei (vertikale) Montagestangen, um den Plattenaufbau zu stützen. Jede Edelstahlplatte (plus die obere Platte) verfügt über drei Befestigungslöcher, die genau auf diese Stangen ausgerichtet sind. Beim dynamischen Test werden die drei Schrauben, mit denen die obere Aluminiumplatte befestigt ist, entfernt, sodass diese Platte frei entlang der drei Montagestangen gleiten kann. Anschließend wird mit den zwischen den Platten installierten orthoplanaren Federn über einen an dieser Platte befestigten Mikrometer-Aktuatorarm eine mechanische Verschiebung auf diese obere Platte ausgeübt, wobei sichergestellt wird, dass die Bewegungsachse genau vertikal ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die mechanische Verschiebung gleichmäßig auf die drei Ecken verteilt wird und somit gleichzeitig die gesamte Plattenanordnung gleichzeitig komprimiert und dekomprimiert wird.

Wie die blauen Punkte in Abb. 4(b) zeigen, können wir mit dieser Struktur erfolgreich eine präzise kontrollierte Ablenkung des Terahertz-Strahls in 1°-Schritten demonstrieren, indem wir den Plattenabstand kontinuierlich variieren. Damit wurde die Fähigkeit demonstriert, den Strahl kontinuierlich und dynamisch abzutasten, was für ein voll funktionsfähiges Gerät erforderlich wäre. In diesem Experiment wurde die Verschiebung auf 100 µm begrenzt (b verringerte sich von 1,0 auf 0,9 mm), um sicherzustellen, dass die Feder innerhalb ihres elastischen Bereichs arbeitete. Diese Demonstration bestätigte auch, dass die Wirkung aller Federn gleichmäßig war, sodass die Plattenabstände auch während der Komprimierung (und Expansion) der Plattenanordnung gleichmäßig blieben. Wäre es während des dynamischen Betriebs nicht gleichmäßig gewesen, hätten die experimentellen Polardiagramme (die zur Extraktion der Strahlablenkung verwendet wurden) Anzeichen von Nebenkeulen in den Strahlungsmustern gezeigt. Dies war nicht der Fall, und die Formen der abgeleiteten Polardiagramme waren fast identisch mit denen in Abb. 3(c), was einen sauberen und einheitlichen Vorgang bestätigt.

Um eine mögliche reale Anwendung des Prismas zu demonstrieren, wurden mehrere Terahertz-Kommunikationsverbindungen unter Einbeziehung des Prismas eingerichtet. Einige Fotos dieser Versuchsaufbauten sind in Abb. 5 dargestellt. Diese Freiraum-Kommunikationsdemonstrationen wurden mit einem speziellen Terahertz-System22 durchgeführt könnte eine Trägerfrequenzwelle von 0,3 THz (Entwurfsfrequenz des Prismas) erzeugen und diese über Binary-Phase-Shift-Keying (BPSK) mit Datenraten von bis zu 20 Gbit/s digital modulieren. Mit diesem System führten wir Messungen der Bitfehlerrate (BER) durch, die die Genauigkeit der Kommunikationsverbindung quantitativ aufzeigten und „Augendiagramme“ für eine qualitative Bewertung erstellten. Abbildung 5(a) zeigt eine Kommunikationsverbindung mit einem Sichtlinienweg von 0,5 m zwischen dem Prisma und dem Empfänger mit einer Polyethylenlinse zur Verbesserung der Kopplung. Abbildung 5(b) zeigt eine Nahaufnahme des Prismas und der Hornantenne, die in diesem Aufbau am Sender befestigt sind. Abbildung 5(c) zeigt eine weitere Kommunikationsverbindung mit einem 7,5 m langen Reflexionspfad, bei der der Terahertz-Strahl von der fertigen (gestrichenen, unstrukturierten) Trockenbauwand im Flur reflektiert wird. Eine Nahaufnahme, die das Prisma, den Sender, den Empfänger und die Kopplungslinsen in diesem Aufbau zeigt, ist in Abb. 5(d) dargestellt. In all diesen Experimenten betrug der Prismenplattenabstand 1,2 mm, was einer Strahlablenkung von 14° entspricht. Sobald die Datenverbindungen hergestellt waren, wurden BER-Messungen durchgeführt, während für eine umfassende Studie systematisch die Sendeleistung, die Pfadlänge oder die Datenrate variiert wurden.

Demonstrationen der Terahertz-Kommunikation. (a) Kommunikationsverbindung mit einem Sichtlinienweg von 0,5 m. (b) Nahaufnahme des Prismas und der am Sender befestigten Diagonalhornantenne. (c) Kommunikationsverbindung mit einem 7,5 m langen Reflexionspfad, bei dem der Terahertz-Strahl von der fertigen Trockenbauwand reflektiert wird. (d) Nahaufnahme der 7,5-m-Verbindung von der gegenüberliegenden Seite mit Prisma, Sender, Empfänger und Koppellinsen.

Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse der Datenkommunikationsdemonstrationen mit dem Prisma. Das linke Diagramm zeigt die gemessene BER im Verhältnis zum SNR für eine 0,5-m-Verbindung mit einer Datenrate von 10 Gbit/s bei variierender Senderleistung. Das rechte Diagramm zeigt die gemessene BER im Vergleich zum SNR für eine 1,0-m-Verbindung mit konstanter Sendeleistung und variierender Datenrate von 1 bis 19 Gbit/s. Diese Messwerte (blaue Kreise) werden mit theoretischen (roten) Kurven verglichen, die auf einer etablierten Theorie für digitale Kommunikationsverbindungen im Freiraum basieren23. Die sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und theoretischen Werten lässt darauf schließen, dass das Prisma die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsverbindungen nicht beeinträchtigt. Diese Diagramme zeigen gemessene BER-Werte bis hinunter zu 10−7, was bedeutet, dass nur eines von zehn Millionen Bits des Eingabestroms in der demodulierten Datenausgabe fehlerhaft ist, ein hervorragender Wert für die Freiraumkommunikation. Darüber hinaus entsprechen die in Abb. 6 dargestellten repräsentativen Augendiagramme Datenraten von 2 Gbit/s (oberes Feld) und 8 Gbit/s (unteres Feld) für die 1,0-m-Verbindung. Auch hier weisen die klaren Augenöffnungen qualitativ wieder auf eine High-Fidelity-Kommunikation durch das AD-Prisma hin.

Ergebnisse der Terahertz-Kommunikationsdemonstrationen. Das linke Diagramm zeigt die BER im Verhältnis zum SNR für eine 0,5-m-Verbindung mit einer Datenrate von 10 Gbit/s bei variierender Senderleistung. Das rechte Diagramm zeigt die BER im Vergleich zum SNR für eine 1,0-m-Verbindung mit konstanter Sendeleistung und variierender Datenrate von 1 bis 19 Gbit/s. Die Augendiagramme entsprechen Datenraten von 2 Gbit/s (oben) und 8 Gbit/s (unten).

Es ist wichtig, die zulässige Bandbreite des Geräts zu berücksichtigen, die durch die Winkelverschiebung des Strahls bestimmt wird, wenn das Signal bei einem gegebenen Plattenabstand die Trägerfrequenz überlagert. Unter der Annahme, dass der Detektor einen Halbwinkel von 4° akzeptiert, haben wir theoretisch den Bereich dieser Bandbreite für einen Träger mit 0,3 THz geschätzt. Diese übertragbare Bandbreite variiert zwischen 30 und 150 GHz, was einem Plattenabstand von 0,8 mm (bei einer nominalen Trägerauslenkung von 31°) bzw. einem Plattenabstand von 2 mm (bei einer nominalen Trägerauslenkung von 5°) entspricht. Bei einem Plattenabstand von 1,2 mm (bei einer nominalen Trägerauslenkung von 14°), also bei der Integration des Prismas in den Kommunikationskanal, kann es eine Bandbreite von 70 GHz unterstützen, deutlich über dem, was für die experimentell nachgewiesenen Maximaldaten erforderlich war Tarife.

Wir haben experimentell gezeigt, dass ein 0,3-THz-Strahl mit einem AD-Prisma um einen Winkel von 29° gelenkt werden kann, wobei dieser Ablenkwinkel nur durch die Präzision der Abstandshalter begrenzt ist. Diese statischen Scan-Testergebnisse beweisen, dass wir tatsächlich einen Terahertz-Strahl im Weltraum scannen können, indem wir die Plattenanordnung des AD-Prismas komprimieren und ausdehnen. Um eine mögliche dynamische Abtastung des Strahls zu demonstrieren, haben wir auch Experimente mit federbelasteten Abstandshaltern durchgeführt und dabei eine kontinuierliche Abtastung des Strahls in 1°-Schritten demonstriert. Darüber hinaus zeigten die gemessenen Eingangs-/Ausgangsstrahlintensitätskarten eine sehr gute Strahlqualität und einen geschätzten Gesamtleistungswirkungsgrad von 71 % (1,5 dB Einfügungsverlust). Um schließlich seinen Einsatz in einer realen Anwendung zu demonstrieren, haben wir das Prisma in den Pfad einer Freiraum-Terahertz-Kommunikationsverbindung integriert und die unbeeinträchtigte Leistung demonstriert. Diese Demonstration verdeutlicht seinen potenziellen Einsatz in zukünftigen drahtlosen Punkt-zu-Punkt-6G-Kommunikationssystemen, die gescannte Terahertz-Strahlen oder Ausrichtungskorrekturen erfordern, und umfasst Anwendungen, die von mobilen Empfängern bis hin zu Backhaul-Verbindungen reichen, die von Jitter und Antennenmastvibrationen betroffen sind. Zusammenfassend zeigt diese experimentelle Untersuchung einen weiteren leistungsstarken Weg zur Terahertz-Wellenkontrolle mithilfe von ADs.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation im Rahmen der Graduate Research Fellowship Grants Nr. 1746055, 2018110 und 2238132 unterstützt werden. Alle in diesem Material geäußerten Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die wider Ansichten der National Science Foundation.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Oklahoma State University, Stillwater, OK, 74078, USA

Karl Strecker, Matthew Otto und John F. O'Hara

Graduate School of Engineering Science, Universität Osaka, Toyonaka, Osaka, 560-8531, Japan

Glücklicher Nagai

Riverside Research, Open Innovation Center, Beavercreek, OH, 45431, USA

Rajind Mendis

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RM konzipierte das ursprüngliche Konzept und alle Autoren trugen zur Gestaltung und Umsetzung der Studie bei. MN hat die Geräte hergestellt. KS, MO, JFO und RM führten die Experimente, Simulationen und Analysen durch. RM und JFO haben das Manuskript mit Beiträgen aller Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Rajind Mendis.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Strecker, K., Otto, M., Nagai, M. et al. Künstliches dielektrisches Strahlabtastprisma für den Terahertz-Bereich. Sci Rep 13, 13793 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41046-z

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Eingegangen: 04. Mai 2023

Angenommen: 21. August 2023

Veröffentlicht: 23. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41046-z

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