Scienty

Фото: img.freepik.com

Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Центра нейрофизики и нейроморфных технологий, работая совместно с зарубежными учеными, создали инновационный алгоритм для проектирования антенн, эффективно поглощающих терагерцовое излучение в широком спектре частот. Благодаря этому алгоритму станет возможным повысить эффективность поглощения излучения с использованием новых материалов, что, в свою очередь, ускорит переход к 6G-технологиям в повседневной практике. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied. Работа поддержана грантом РНФ (№24-79-10081).

Технологии, основанные на терагерцовом диапазоне частот, перестали быть предметом чистого научного интереса и приобрели практическую значимость. Увеличение объема передаваемых данных требует от систем связи использование частот выше 100 ГГц для обеспечения скорости передачи данных, превышающей 100 Гбит/с. Для беспроводных сетей 6G и межчиповой связи необходимо тщательно продумывать конструкцию антенн.

Для создания подобных систем требуется эффективное взаимодействие антенны и детектора. В безупречном приемнике чувствительный элемент поглощает половину энергии, а антенна излучает остальную. Этот идеальный сценарий реализуется при условии, что сопротивления антенны и чувствительного элемента одинаковы, что и определяет согласование импедансов.

Детекторы, использующие двумерные материалы, например графен или черный фосфор, демонстрируют высокую чувствительность при обнаружении в терагерцовом диапазоне, однако их импеданс варьируется от единиц до десятков килоом. В то же время, импеданс стандартных антенн обычно составляет приблизительно 50 Ом. Эта значительная разница приводит к ослаблению сигнала, передаваемого от антенны к датчику, ограничивает диапазон рабочих частот и, как следствие, увеличивает уровень шума.

Для решения данной задачи, группа ученых, представляющих Россию, Германию и Сингапур, создала методику, позволяющую оптимизировать конструкцию антенны с целью достижения наилучшего согласования импеданса в широком диапазоне частот терагерцового спектра. В процессе работы был использован программный комплекс для реализации метода обратного проектирования: алгоритму были заданы необходимые параметры, такие как желаемый импеданс и полоса пропускания, после чего он сформировал ряд оптимальных конфигураций.

«Вместо того чтобы основываться на известных геометрических форм и предполагать их работоспособность, мы устанавливаем необходимые параметры производительности и даем алгоритму возможность создавать геометрии антенн, соответствующие этим требованиям» , — пояснил Михаил Лукьянов, инженер лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов, входящей в состав Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Основное достоинство данной методики заключается в том, что алгоритм не ограничен конкретной конструкцией антенны, а формирует ее из совокупности металлических элементов. Такая адаптивность в разработке электромагнитных устройств встречается нечасто и представляет собой большую ценность, поскольку позволяет адаптировать устройство к различным задачам. Благодаря обратной разработке с последовательным формированием структуры, ученые получили конфигурации антенн, которые были бы недостижимы при использовании традиционных методов проектирования.

«Вместо того чтобы принуждать детектор к адаптации к несогласованной антенне, мы будем оптимизировать конструкцию антенны для создания профиля импеданса, который будет гармонично сочетаться с параметрами детектора» , — добавил Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

В настоящее время доступны широкополосные антенны терагерцового диапазона, представляющие собой усовершенствованные бабочковидные конструкции, однако их импеданс остается низким (около 50 Ом) и нестабильным в требуемом диапазоне частот. Предложенная антенна обеспечивает постоянное полное сопротивление (~400 Ом) на протяжении всего диапазона частот, что делает ее на 40% эффективнее по сравнению с существующими решениями. Данный параметр гарантирует стабильное согласование сигнала между антенной и детектором. Несмотря на то, что достигнутое сопротивление антенны в 400 Ом не соответствует требуемому значению в единицы килоом, оно поддерживается в очень широком частотном диапазоне от 100 гигагерц до 2 терагерц. Это позволяет детекторам работать сразу на нескольких частотах без снижения эффективности, что является ключевым фактором для применений в сенсорных системах и системах связи.

«Изначально перспектива достижения необходимого импеданса в пределах единиц килоом казалась нам нереальной. Однако затем мы признали преимущества широкополосного согласования. Такие антенны представляют собой технически простое решение по сравнению с аналогами, имеющими перестраиваемую чувствительность. Кроме того, они позволяют с высокой точностью измерить терагерцовую чувствительность новых материалов в изолированном виде, устраняя искажения, вызванные несовершенным согласованием» , — поделился Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Мы можем применить метод обратного проектирования для работы с разными значениями импеданса, диапазонами частот и спецификациями устройств. Такой подход позволяет отказаться от универсальных схем и создавать оптимизированные решения, соответствующие конкретным задачам.

«Мы убеждены, что данная разработка создаёт возможности для появления принципиально новых средств электромагнитного конструирования, основанных на процедурной генерации и современных методах оптимизации », — отметили авторы.

Научная статья: Обратный дизайн широкополосных антенн для терагерцовых устройств на основе двумерных материалов, Лукьянов, М.Ю. и Маевский, А. и Казеев, Н. и Мыльников, Д. и Свинцов, Д.А. и Новоселов, К.С. и Устюжанин, А. и Бандурин, Д.А., Phys. Rev. Appl., 24 (5), 2025. DOI: 10.1103/gr2z-3qjp

Материалы подготовлены Центром научной коммуникации МФТИ