Технологии с использованием терагерцового диапазона частот перешли из области теоретического интереса в сферу практической необходимости. Растущие потребности во все большем трафике данных требуют от систем рабочих частот выше 100 гигагерц для достижения скоростей передачи данных более 100 гигабит в секунду. Для беспроводной связи 6G и межчиповой коммуникации критически важна правильная конструкция антенны.
При разработке таких систем необходима налаженная связь «антенна—детектор». В идеальном приемнике половина мощности поглощается чувствительным элементом, а половина рассеивается антенной. Идеал достигается при условии равных сопротивлениях антенны и чувствительного элемента, иначе называемом согласованием импедансов.
Современные детекторы на основе двумерных материалов, таких как графен и черный фосфор, обеспечивающие ультрачувствительное обнаружение в терагерцовом диапазоне, имеют импеданс от единиц до десятков килоом. В то же время импеданс типовых антенн составляет около 50 Ом. Такая большая разница приводит к ослаблению передачи сигнала от антенны к чувствительному элементу, сужению рабочего диапазона и в конечном счете к высокому уровню шума.
Чтобы решить эту проблему, коллектив ученых из России, Германии и Сингапура разработал подход, который оптимизирует форму антенны для лучшего согласования импеданса в очень широком спектре внутри терагерцового диапазона. Они применили пакет программ для реализации метода обратного проектирования: сначала алгоритму задали требуемые свойства: желаемые импеданс и полоса пропускания, после чего алгоритм сгенерировал набор оптимальных форм. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied. Работа поддержана грантом РНФ.
«Вместо того чтобы начинать с известной геометрии и надеяться, что она работает, мы определяем требования к производительности и позволяем алгоритму сконструировать геометрии антенн, которые им удовлетворяют», — пояснил Михаил Лукьянов, инженер лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Ключевое преимущество этого подхода в том, что алгоритм не привязан только к определенной форме антенны, а сам создает ее из набора металлических «пикселей». Такая гибкость в проектировании электромагнитных устройств встречается редко и крайне ценна, поскольку открывает широкие возможности для адаптации под конкретные задачи. Применяя обратное проектирование с поэтапной генерацией формы, физики получили формы антенн, которые не могли бы получиться из традиционной конструкторской интуиции.
«Мы отказались от идеи заставлять детектор адаптироваться к рассогласованной антенне, мы оптимизируем геометрию антенны, чтобы представить профиль импеданса, который естественным образом взаимодействует с характеристиками детектора», — добавил Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В современном мире уже существуют широкополосные антенны терагерцового диапазона (улучшенные бабочковидные конструкции), однако они имеют низкий (около 50 Ом) и нестабильный импеданс в необходимом диапазоне частот. Разработанная антенна обеспечивает стабильное полное сопротивление (~400 Ом) во всем диапазоне частот, что на 40% эффективнее аналогов. Это значение обеспечивает надежное согласование сигнала между излучением, принятым антенной, и детектором. Хотя достигнутое сопротивление антенны 400 Ом и не доходило до требуемой отметки в единицы килоом, оно было обеспечено в сверхшироком частотном диапазоне от 100 гигагерц до 2 терагерц. Это дает возможность работы детектора сразу на нескольких частотах без ухудшения производительности, что критически важно для приложений в области сенсорики и связи.
«Сначала недостижимость желаемого значения импеданса в единицы килоом воспринималась нами пессимистично. Однако впоследствии мы оценили достоинства широкополосного согласования. Такие антенны — технически простая альтернатива аналогам с перестраиваемой чувствительностью. Более того, они дают возможность точно измерить терагерцовую чувствительность новых материалов «самих по себе», исключая артефакты неидеального согласования», — поделился Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Предложенный подход обратного проектирования адаптируем к различным значениям импеданса, диапазонам частот и требованиям устройств. Это позволяет выйти за рамки универсальных конструкций и разработать оптимизированные решения под конкретные приложения.
«Мы верим, что эта работа открывает двери к новому классу инструментов электромагнитного проектирования, которые используют процедурную генерацию и продвинутые методы оптимизации», — отметили авторы.