ওয়্যারলেস ডিভাইসের ক্রমবর্ধমান জনপ্রিয়তার সাথে সাথে, ডেটা পরিষেবাগুলো দ্রুত বিকাশের এক নতুন পর্যায়ে প্রবেশ করেছে, যা ডেটা পরিষেবার বিস্ফোরক বৃদ্ধি নামেও পরিচিত। বর্তমানে, বিপুল সংখ্যক অ্যাপ্লিকেশন ধীরে ধীরে কম্পিউটার থেকে মোবাইল ফোনের মতো ওয়্যারলেস ডিভাইসে স্থানান্তরিত হচ্ছে, যেগুলো বহন করা সহজ এবং রিয়েল-টাইমে পরিচালনা করা যায়। কিন্তু এই পরিস্থিতি ডেটা ট্র্যাফিকের দ্রুত বৃদ্ধি এবং ব্যান্ডউইথ রিসোর্সের ঘাটতির কারণও হয়েছে। পরিসংখ্যান অনুযায়ী, আগামী ১০ থেকে ১৫ বছরের মধ্যে বাজারে ডেটা রেট Gbps বা এমনকি Tbps পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে। বর্তমানে, THz কমিউনিকেশন Gbps ডেটা রেটে পৌঁছেছে, যেখানে Tbps ডেটা রেট এখনও বিকাশের প্রাথমিক পর্যায়ে রয়েছে। একটি সম্পর্কিত গবেষণাপত্রে THz ব্যান্ডের উপর ভিত্তি করে Gbps ডেটা রেটের সর্বশেষ অগ্রগতি তালিকাভুক্ত করা হয়েছে এবং পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছে যে পোলারাইজেশন মাল্টিপ্লেক্সিংয়ের মাধ্যমে Tbps অর্জন করা সম্ভব। অতএব, ডেটা ট্রান্সমিশন রেট বাড়ানোর জন্য, একটি সম্ভাব্য সমাধান হলো একটি নতুন ফ্রিকোয়েন্সি ব্যান্ড, অর্থাৎ টেরাহার্টজ ব্যান্ড, তৈরি করা, যা মাইক্রোওয়েভ এবং ইনফ্রারেড আলোর মধ্যবর্তী "শূন্যস্থানে" অবস্থিত। ২০১৯ সালে অনুষ্ঠিত আইটিইউ ওয়ার্ল্ড রেডিওকমিউনিকেশন কনফারেন্সে (WRC-19) ফিক্সড এবং ল্যান্ড মোবাইল পরিষেবার জন্য ২৭৫-৪৫০ গিগাহার্টজ ফ্রিকোয়েন্সি পরিসর ব্যবহার করা হয়েছে। এতে দেখা যায় যে, টেরাহার্টজ ওয়্যারলেস কমিউনিকেশন সিস্টেম অনেক গবেষকের দৃষ্টি আকর্ষণ করেছে।
টেরাহার্টজ তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গকে সাধারণত ০.১-১০ টেরাহার্টজ (১ টেরাহার্টজ = ১০¹² হার্টজ) কম্পাঙ্ক ব্যান্ড এবং ০.০৩-৩ মিমি তরঙ্গদৈর্ঘ্য হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয়। IEEE স্ট্যান্ডার্ড অনুসারে, টেরাহার্টজ তরঙ্গকে ০.৩-১০ টেরাহার্টজ হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয়। চিত্র ১-এ দেখানো হয়েছে যে, টেরাহার্টজ কম্পাঙ্ক ব্যান্ডটি মাইক্রোওয়েভ এবং ইনফ্রারেড আলোর মধ্যবর্তী স্থানে অবস্থিত।
চিত্র ১। টেরাহার্টজ (THz) কম্পাঙ্ক ব্যান্ডের নকশাচিত্র।
টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার উন্নয়ন
যদিও টেরাহার্টজ গবেষণা ঊনবিংশ শতাব্দীতে শুরু হয়েছিল, সেই সময়ে এটিকে একটি স্বাধীন ক্ষেত্র হিসেবে অধ্যয়ন করা হয়নি। টেরাহার্টজ বিকিরণ নিয়ে গবেষণা মূলত ফার-ইনফ্রারেড ব্যান্ডকে কেন্দ্র করেই পরিচালিত হতো। বিংশ শতাব্দীর মাঝামাঝি থেকে শেষের দিকে এসে গবেষকরা মিলিমিটার তরঙ্গ গবেষণাকে টেরাহার্টজ ব্যান্ড পর্যন্ত প্রসারিত করতে এবং বিশেষায়িত টেরাহার্টজ প্রযুক্তি গবেষণা পরিচালনা করতে শুরু করেন।
১৯৮০-এর দশকে, টেরাহার্টজ বিকিরণ উৎসের আবির্ভাব ব্যবহারিক সিস্টেমে টেরাহার্টজ তরঙ্গের প্রয়োগকে সম্ভব করে তোলে। একবিংশ শতাব্দী থেকে, বেতার যোগাযোগ প্রযুক্তি দ্রুত বিকশিত হয়েছে, এবং তথ্যের জন্য মানুষের চাহিদা ও যোগাযোগ সরঞ্জামের বৃদ্ধি যোগাযোগ ডেটার সঞ্চালন হারের উপর আরও কঠোর প্রয়োজনীয়তা তৈরি করেছে। অতএব, ভবিষ্যতের যোগাযোগ প্রযুক্তির অন্যতম একটি চ্যালেঞ্জ হলো একটি নির্দিষ্ট স্থানে প্রতি সেকেন্ডে গিগাবিটের উচ্চ ডেটা হারে কাজ করা। বর্তমান অর্থনৈতিক উন্নয়নের অধীনে, স্পেকট্রাম সম্পদ ক্রমশ দুষ্প্রাপ্য হয়ে উঠেছে। তবে, যোগাযোগের ক্ষমতা এবং গতির জন্য মানুষের চাহিদা অসীম। স্পেকট্রামের ভিড়ের সমস্যার জন্য, অনেক কোম্পানি স্পেশিয়াল মাল্টিপ্লেক্সিংয়ের মাধ্যমে স্পেকট্রামের কার্যকারিতা এবং সিস্টেমের ক্ষমতা উন্নত করতে মাল্টিপল-ইনপুট মাল্টিপল-আউটপুট (MIMO) প্রযুক্তি ব্যবহার করে। ৫জি নেটওয়ার্কের অগ্রগতির সাথে সাথে, প্রতিটি ব্যবহারকারীর ডেটা সংযোগের গতি Gbps ছাড়িয়ে যাবে এবং বেস স্টেশনগুলির ডেটা ট্র্যাফিকও উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পাবে। প্রচলিত মিলিমিটার ওয়েভ যোগাযোগ ব্যবস্থার জন্য, মাইক্রোওয়েভ লিঙ্কগুলি এই বিশাল ডেটা প্রবাহ পরিচালনা করতে সক্ষম হবে না। এছাড়াও, দৃষ্টিসীমার প্রভাবে ইনফ্রারেড যোগাযোগের সঞ্চালন দূরত্ব কম হয় এবং এর যোগাযোগ সরঞ্জামের অবস্থান স্থির থাকে। তাই, মাইক্রোওয়েভ এবং ইনফ্রারেডের মধ্যবর্তী তরঙ্গ THz ব্যবহার করে উচ্চ-গতির যোগাযোগ ব্যবস্থা তৈরি করা এবং THz লিঙ্কের মাধ্যমে ডেটা সঞ্চালনের হার বাড়ানো সম্ভব।
টেরাহার্টজ তরঙ্গ একটি বিস্তৃত যোগাযোগ ব্যান্ডউইথ প্রদান করতে পারে এবং এর ফ্রিকোয়েন্সি পরিসর মোবাইল যোগাযোগের তুলনায় প্রায় ১০০০ গুণ বেশি। তাই, উচ্চ ডেটা রেটের চ্যালেঞ্জ মোকাবেলায় THz ব্যবহার করে অতি-উচ্চ-গতির ওয়্যারলেস যোগাযোগ ব্যবস্থা তৈরি করা একটি সম্ভাবনাময় সমাধান, যা অনেক গবেষণা দল এবং শিল্প প্রতিষ্ঠানের আগ্রহ আকর্ষণ করেছে। ২০১৭ সালের সেপ্টেম্বরে, প্রথম THz ওয়্যারলেস যোগাযোগ স্ট্যান্ডার্ড IEEE 802.15.3d-2017 প্রকাশিত হয়, যা ২৫২-৩২৫ গিগাহার্টজ-এর নিম্ন THz ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরে পয়েন্ট-টু-পয়েন্ট ডেটা আদান-প্রদানকে সংজ্ঞায়িত করে। লিঙ্কের অল্টারনেটিভ ফিজিক্যাল লেয়ার (PHY) বিভিন্ন ব্যান্ডউইথে ১০০ Gbps পর্যন্ত ডেটা রেট অর্জন করতে পারে।
২০০৪ সালে ০.১২ টেরাহার্টজ-এর প্রথম সফল যোগাযোগ ব্যবস্থা স্থাপিত হয় এবং ২০১৩ সালে ০.৩ টেরাহার্টজ-এর যোগাযোগ ব্যবস্থা বাস্তবায়িত হয়। সারণি ১-এ ২০০৪ থেকে ২০১৩ সাল পর্যন্ত জাপানে টেরাহার্টজ যোগাযোগ ব্যবস্থার গবেষণার অগ্রগতি তালিকাভুক্ত করা হয়েছে।
সারণি ১: ২০০৪ থেকে ২০১৩ সাল পর্যন্ত জাপানে টেরাহার্টজ যোগাযোগ ব্যবস্থার গবেষণার অগ্রগতি
২০০৪ সালে উদ্ভাবিত একটি যোগাযোগ ব্যবস্থার অ্যান্টেনা কাঠামো ২০০৫ সালে নিপ্পন টেলিগ্রাফ অ্যান্ড টেলিফোন কর্পোরেশন (এনটিটি) কর্তৃক বিস্তারিতভাবে বর্ণনা করা হয়েছিল। অ্যান্টেনা বিন্যাসটি দুটি ক্ষেত্রে উপস্থাপন করা হয়েছিল, যা চিত্র ২-এ দেখানো হয়েছে।
চিত্র ২: জাপানের এনটিটি ১২০ গিগাহার্টজ ওয়্যারলেস কমিউনিকেশন সিস্টেমের নকশাচিত্র।
সিস্টেমটি ফটোইলেকট্রিক রূপান্তর এবং অ্যান্টেনা সমন্বিত করে এবং দুটি কার্যপ্রণালী গ্রহণ করে:
১. স্বল্প পরিসরের অভ্যন্তরীণ পরিবেশে, অন্দরমহলে ব্যবহৃত প্ল্যানার অ্যান্টেনা ট্রান্সমিটারটি একটি সিঙ্গেল-লাইন ক্যারিয়ার ফটোডায়োড (UTC-PD) চিপ, একটি প্ল্যানার স্লট অ্যান্টেনা এবং একটি সিলিকন লেন্স নিয়ে গঠিত, যেমনটি চিত্র ২(ক)-তে দেখানো হয়েছে।
২. দূরবর্তী বহিরাঙ্গন পরিবেশে, উচ্চ ট্রান্সমিশন লস এবং ডিটেক্টরের কম সংবেদনশীলতার প্রভাব উন্নত করার জন্য, ট্রান্সমিটার অ্যান্টেনার উচ্চ গেইন থাকা আবশ্যক। বিদ্যমান টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা ৫০ dBi-এর বেশি গেইনযুক্ত একটি গাউসিয়ান অপটিক্যাল লেন্স ব্যবহার করে। ফিড হর্ন এবং ডাইইলেকট্রিক লেন্সের সমন্বয় চিত্র ২(খ)-তে দেখানো হয়েছে।
০.১২ টেরাহার্টজ যোগাযোগ ব্যবস্থা তৈরির পাশাপাশি, এনটিটি ২০১২ সালে একটি ০.৩ টেরাহার্টজ যোগাযোগ ব্যবস্থাও তৈরি করে। ক্রমাগত অপ্টিমাইজেশনের মাধ্যমে, এর ট্রান্সমিশন রেট ১০০ জিবিপিএস পর্যন্ত হতে পারে। সারণি ১ থেকে দেখা যায়, এটি টেরাহার্টজ যোগাযোগের উন্নয়নে ব্যাপক অবদান রেখেছে। তবে, বর্তমান গবেষণাকর্মটির অসুবিধা হলো এর কম অপারেটিং ফ্রিকোয়েন্সি, বড় আকার এবং উচ্চ ব্যয়।
বর্তমানে ব্যবহৃত বেশিরভাগ টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা মিলিমিটার ওয়েভ অ্যান্টেনা থেকে পরিবর্তিত, এবং টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার ক্ষেত্রে উদ্ভাবন খুব কম। তাই, টেরাহার্টজ যোগাযোগ ব্যবস্থার কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য, টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা অপ্টিমাইজ করা একটি গুরুত্বপূর্ণ কাজ। সারণি ২-এ জার্মান THz যোগাযোগের গবেষণার অগ্রগতি তালিকাভুক্ত করা হয়েছে। চিত্র ৩ (ক)-তে ফোটোনিক্স এবং ইলেকট্রনিক্সের সমন্বয়ে গঠিত একটি প্রতিনিধিত্বমূলক THz ওয়্যারলেস যোগাযোগ ব্যবস্থা দেখানো হয়েছে। চিত্র ৩ (খ)-তে উইন্ড টানেল পরীক্ষার দৃশ্য দেখানো হয়েছে। জার্মানির বর্তমান গবেষণা পরিস্থিতি বিচার করলে দেখা যায়, এর গবেষণা ও উন্নয়নে নিম্ন অপারেটিং ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ ব্যয় এবং কম দক্ষতার মতো অসুবিধাও রয়েছে।
সারণি ২ জার্মানিতে টেরাহার্টজ যোগাযোগের গবেষণার অগ্রগতি
চিত্র ৩ বায়ু সুড়ঙ্গ পরীক্ষার দৃশ্য
সিএসআইআরও আইসিটি সেন্টার টিএইচজেড (THz) ইনডোর ওয়্যারলেস কমিউনিকেশন সিস্টেম নিয়েও গবেষণা শুরু করেছে। কেন্দ্রটি বছর এবং কমিউনিকেশন ফ্রিকোয়েন্সির মধ্যে সম্পর্ক নিয়ে গবেষণা করেছে, যা চিত্র ৪-এ দেখানো হয়েছে। চিত্র ৪ থেকে দেখা যায়, ২০২০ সাল নাগাদ ওয়্যারলেস কমিউনিকেশনের গবেষণা টিএইচজেড (THz) ব্যান্ডের দিকে ঝুঁকেছে। রেডিও স্পেকট্রাম ব্যবহার করে সর্বোচ্চ কমিউনিকেশন ফ্রিকোয়েন্সি প্রতি বিশ বছরে প্রায় দশগুণ বৃদ্ধি পায়। কেন্দ্রটি টিএইচজেড (THz) অ্যান্টেনার প্রয়োজনীয়তার উপর সুপারিশ করেছে এবং টিএইচজেড (THz) কমিউনিকেশন সিস্টেমের জন্য হর্ন ও লেন্সের মতো প্রচলিত অ্যান্টেনার প্রস্তাব দিয়েছে। চিত্র ৫-এ যেমন দেখানো হয়েছে, দুটি হর্ন অ্যান্টেনা যথাক্রমে ০.৮৪ টিএইচজেড (THz) এবং ১.৭ টিএইচজেড (THz)-এ কাজ করে, যেগুলোর গঠন সরল এবং গাউসিয়ান বিম পারফরম্যান্স ভালো।
চিত্র ৪: বছর ও পৌনঃপুনিকতার মধ্যে সম্পর্ক
আরএম-বিডিএইচএ৮১৮-২০এ
আরএম-ডিসিপিএইচএ১০৫১৪৫-২০
চিত্র ৫ দুই ধরনের হর্ন অ্যান্টেনা
মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র টেরাহার্টজ তরঙ্গের নির্গমন ও সনাক্তকরণের উপর ব্যাপক গবেষণা চালিয়েছে। বিখ্যাত টেরাহার্টজ গবেষণা পরীক্ষাগারগুলোর মধ্যে রয়েছে জেট প্রোপালশন ল্যাবরেটরি (জেপিএল), স্ট্যানফোর্ড লিনিয়ার অ্যাক্সিলারেটর সেন্টার (এসএলএসি), ইউএস ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি (এলএলএনএল), ন্যাশনাল অ্যারোনটিক্স অ্যান্ড স্পেস অ্যাডমিনিস্ট্রেশন (নাসা), ন্যাশনাল সায়েন্স ফাউন্ডেশন (এনএসএফ) ইত্যাদি। টেরাহার্টজ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য নতুন টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা ডিজাইন করা হয়েছে, যেমন বো-টাই অ্যান্টেনা এবং ফ্রিকোয়েন্সি বিম স্টিয়ারিং অ্যান্টেনা। টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার উন্নয়ন অনুসারে, বর্তমানে আমরা টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার জন্য তিনটি মৌলিক ডিজাইন ধারণা পেতে পারি, যা চিত্র ৬-এ দেখানো হয়েছে।
চিত্র ৬ টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার তিনটি মৌলিক নকশার ধারণা
উপরোক্ত বিশ্লেষণ থেকে দেখা যায় যে, যদিও অনেক দেশ টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার প্রতি যথেষ্ট মনোযোগ দিয়েছে, এটি এখনও প্রাথমিক অনুসন্ধান এবং উন্নয়ন পর্যায়ে রয়েছে। উচ্চ প্রসারণ ক্ষতি এবং আণবিক শোষণের কারণে, THz অ্যান্টেনাগুলো সাধারণত সঞ্চালন দূরত্ব এবং পরিধি দ্বারা সীমাবদ্ধ থাকে। কিছু গবেষণা THz ব্যান্ডের নিম্ন অপারেটিং ফ্রিকোয়েন্সির উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। বিদ্যমান টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা গবেষণা প্রধানত ডাইইলেকট্রিক লেন্স অ্যান্টেনা ইত্যাদি ব্যবহার করে গেইন বৃদ্ধি এবং উপযুক্ত অ্যালগরিদম ব্যবহার করে যোগাযোগের দক্ষতা উন্নত করার উপর মনোযোগ দেয়। এছাড়াও, টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা প্যাকেজিংয়ের দক্ষতা কীভাবে উন্নত করা যায়, সেটাও একটি অত্যন্ত জরুরি বিষয়।
সাধারণ THz অ্যান্টেনা
বিভিন্ন ধরণের THz অ্যান্টেনা পাওয়া যায়: শঙ্কু আকৃতির গহ্বরযুক্ত ডাইপোল অ্যান্টেনা, কর্নার রিফ্লেক্টর অ্যারে, বো-টাই ডাইপোল, ডাইইলেকট্রিক লেন্স প্ল্যানার অ্যান্টেনা, THz বিকিরণ উৎস তৈরির জন্য ফটোকন্ডাক্টিভ অ্যান্টেনা, হর্ন অ্যান্টেনা, গ্রাফিন উপাদানের উপর ভিত্তি করে তৈরি THz অ্যান্টেনা ইত্যাদি। THz অ্যান্টেনা তৈরিতে ব্যবহৃত উপাদান অনুসারে, সেগুলোকে মোটামুটিভাবে ধাতব অ্যান্টেনা (প্রধানত হর্ন অ্যান্টেনা), ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা (লেন্স অ্যান্টেনা) এবং নতুন উপাদানের অ্যান্টেনা—এই তিন ভাগে ভাগ করা যায়। এই অংশে প্রথমে এই অ্যান্টেনাগুলোর একটি প্রাথমিক বিশ্লেষণ দেওয়া হয়েছে এবং পরবর্তী অংশে পাঁচটি আদর্শ THz অ্যান্টেনা বিস্তারিতভাবে আলোচনা ও গভীরভাবে বিশ্লেষণ করা হয়েছে।
১. ধাতব অ্যান্টেনা
হর্ন অ্যান্টেনা হলো একটি সাধারণ ধাতব অ্যান্টেনা যা THz ব্যান্ডে কাজ করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। একটি ক্লাসিক মিলিমিটার ওয়েভ রিসিভারের অ্যান্টেনা হলো একটি শঙ্কু আকৃতির হর্ন। করোগেটেড এবং ডুয়াল-মোড অ্যান্টেনার অনেক সুবিধা রয়েছে, যার মধ্যে উল্লেখযোগ্য হলো ঘূর্ণন-প্রতিসম বিকিরণ প্যাটার্ন, ২০ থেকে ৩০ dBi-এর উচ্চ গেইন, -৩০ dB-এর নিম্ন ক্রস-পোলারাইজেশন লেভেল এবং ৯৭% থেকে ৯৮% কাপলিং দক্ষতা। এই দুটি হর্ন অ্যান্টেনার ব্যবহারযোগ্য ব্যান্ডউইডথ হলো যথাক্রমে ৩০%-৪০% এবং ৬%-৮%।
যেহেতু টেরাহার্টজ তরঙ্গের কম্পাঙ্ক খুব বেশি, তাই হর্ন অ্যান্টেনার আকার খুব ছোট হয়, যা হর্নের প্রক্রিয়াকরণকে অত্যন্ত কঠিন করে তোলে, বিশেষ করে অ্যান্টেনা অ্যারের নকশার ক্ষেত্রে। প্রক্রিয়াকরণ প্রযুক্তির এই জটিলতা অত্যধিক ব্যয় এবং সীমিত উৎপাদনের কারণ হয়ে দাঁড়ায়। জটিল হর্ন নকশার নিচের অংশ তৈরির অসুবিধার কারণে, সাধারণত শঙ্কু বা শঙ্কু আকৃতির একটি সরল হর্ন অ্যান্টেনা ব্যবহার করা হয়, যা ব্যয় ও প্রক্রিয়াকরণের জটিলতা কমাতে পারে এবং অ্যান্টেনার বিকিরণ ক্ষমতাও ভালোভাবে বজায় রাখতে পারে।
আরেকটি ধাতব অ্যান্টেনা হলো ট্রাভেলিং ওয়েভ পিরামিড অ্যান্টেনা, যা চিত্র ৭-এ দেখানো অনুযায়ী, একটি ১.২ মাইক্রন ডাইইলেকট্রিক ফিল্মের উপর সমন্বিত একটি ট্রাভেলিং ওয়েভ অ্যান্টেনা নিয়ে গঠিত এবং এটি একটি সিলিকন ওয়েফারে খোদাই করা অনুদৈর্ঘ্য গহ্বরে ঝোলানো থাকে। এই অ্যান্টেনাটির একটি খোলা কাঠামো রয়েছে যা স্কটকি ডায়োডের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ। এর তুলনামূলকভাবে সরল কাঠামো এবং কম উৎপাদন প্রয়োজনীয়তার কারণে, এটি সাধারণত ০.৬ টেরাহার্টজের উপরের ফ্রিকোয়েন্সি ব্যান্ডে ব্যবহার করা যায়। তবে, সম্ভবত এর খোলা কাঠামোর কারণে অ্যান্টেনাটির সাইডলোব লেভেল এবং ক্রস-পোলারাইজেশন লেভেল বেশি থাকে। তাই, এর কাপলিং দক্ষতা তুলনামূলকভাবে কম (প্রায় ৫০%)।
চিত্র ৭ ভ্রমণ তরঙ্গ পিরামিডাল অ্যান্টেনা
২. ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা
ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা হলো একটি ডাইইলেকট্রিক সাবস্ট্রেট এবং একটি অ্যান্টেনা রেডিয়েটরের সমন্বয়। যথাযথ নকশার মাধ্যমে, ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা ডিটেক্টরের সাথে ইম্পিডেন্স ম্যাচিং অর্জন করতে পারে এবং এর সরল প্রক্রিয়া, সহজ ইন্টিগ্রেশন ও স্বল্প খরচের মতো সুবিধা রয়েছে। সাম্প্রতিক বছরগুলোতে, গবেষকরা টেরাহার্টজ ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনার নিম্ন-ইম্পিডেন্স ডিটেক্টরগুলোর সাথে ম্যাচ করতে পারে এমন বেশ কয়েকটি ন্যারোব্যান্ড এবং ব্রডব্যান্ড সাইড-ফায়ার অ্যান্টেনা ডিজাইন করেছেন: বাটারফ্লাই অ্যান্টেনা, ডাবল ইউ-আকৃতির অ্যান্টেনা, লগ-পিরিয়ডিক অ্যান্টেনা এবং লগ-পিরিয়ডিক সাইনুসয়েডাল অ্যান্টেনা, যা চিত্র ৮-এ দেখানো হয়েছে। এছাড়াও, জেনেটিক অ্যালগরিদমের মাধ্যমে আরও জটিল অ্যান্টেনা জ্যামিতি ডিজাইন করা যেতে পারে।
চিত্র ৮ চার ধরনের সমতল অ্যান্টেনা
তবে, যেহেতু ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা একটি ডাইইলেকট্রিক সাবস্ট্রেটের সাথে সংযুক্ত থাকে, তাই ফ্রিকোয়েন্সি যখন THz ব্যান্ডের দিকে যায়, তখন একটি সারফেস ওয়েভ এফেক্ট দেখা দেয়। এই মারাত্মক অসুবিধার কারণে অ্যান্টেনাটি কার্যকালীন সময়ে প্রচুর শক্তি হারায় এবং এর ফলে অ্যান্টেনার রেডিয়েশন এফিসিয়েন্সি উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়। চিত্র ৯-এ যেমন দেখানো হয়েছে, যখন অ্যান্টেনার রেডিয়েশন অ্যাঙ্গেল কাটঅফ অ্যাঙ্গেলের চেয়ে বেশি হয়, তখন এর শক্তি ডাইইলেকট্রিক সাবস্ট্রেটের মধ্যে আবদ্ধ থাকে এবং সাবস্ট্রেট মোডের সাথে কাপলড হয়।
চিত্র ৯ অ্যান্টেনার পৃষ্ঠ তরঙ্গ প্রভাব
সাবস্ট্রেটের পুরুত্ব বাড়ার সাথে সাথে উচ্চ-ক্রমের মোডের সংখ্যা বৃদ্ধি পায় এবং অ্যান্টেনা ও সাবস্ট্রেটের মধ্যে কাপলিং বেড়ে যায়, যার ফলে শক্তির অপচয় ঘটে। সারফেস ওয়েভ প্রভাব দুর্বল করার জন্য তিনটি অপ্টিমাইজেশন স্কিম রয়েছে:
১) তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের বিমফর্মিং বৈশিষ্ট্য ব্যবহার করে গেইন বাড়ানোর জন্য অ্যান্টেনার সাথে একটি লেন্স সংযুক্ত করুন।
২) তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের উচ্চ-ক্রমের মোডগুলির সৃষ্টি দমন করার জন্য সাবস্ট্রেটের পুরুত্ব হ্রাস করুন।
৩) সাবস্ট্রেট ডাইইলেকট্রিক উপাদানটিকে একটি ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক ব্যান্ড গ্যাপ (EBG) দ্বারা প্রতিস্থাপন করুন। EBG-এর স্থানিক ফিল্টারিং বৈশিষ্ট্য উচ্চ-ক্রমের মোডগুলিকে দমন করতে পারে।
৩. নতুন উপাদান অ্যান্টেনা
উপরোক্ত দুটি অ্যান্টেনা ছাড়াও, নতুন উপাদান দিয়ে তৈরি টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, ২০০৬ সালে, জিন হাও এবং তার সহযোগীরা একটি কার্বন ন্যানোটিউব ডাইপোল অ্যান্টেনার প্রস্তাব করেন। চিত্র ১০ (ক)-তে যেমন দেখানো হয়েছে, ডাইপোলটি ধাতব উপাদানের পরিবর্তে কার্বন ন্যানোটিউব দিয়ে তৈরি। তিনি কার্বন ন্যানোটিউব ডাইপোল অ্যান্টেনার ইনফ্রারেড এবং অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলো যত্নসহকারে অধ্যয়ন করেন এবং সসীম-দৈর্ঘ্যের কার্বন ন্যানোটিউব ডাইপোল অ্যান্টেনার সাধারণ বৈশিষ্ট্য, যেমন ইনপুট ইম্পিডেন্স, কারেন্ট ডিস্ট্রিবিউশন, গেইন, এফিসিয়েন্সি এবং রেডিয়েশন প্যাটার্ন নিয়ে আলোচনা করেন। চিত্র ১০ (খ)-তে কার্বন ন্যানোটিউব ডাইপোল অ্যান্টেনার ইনপুট ইম্পিডেন্স এবং ফ্রিকোয়েন্সির মধ্যে সম্পর্ক দেখানো হয়েছে। চিত্র ১০(খ)-তে যেমন দেখা যায়, উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সিতে ইনপুট ইম্পিডেন্সের কাল্পনিক অংশে একাধিক শূন্য রয়েছে। এটি নির্দেশ করে যে অ্যান্টেনাটি বিভিন্ন ফ্রিকোয়েন্সিতে একাধিক রেজোন্যান্স অর্জন করতে পারে। স্পষ্টতই, কার্বন ন্যানোটিউব অ্যান্টেনা একটি নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরের (নিম্ন THz ফ্রিকোয়েন্সি) মধ্যে রেজোন্যান্স প্রদর্শন করে, কিন্তু এই পরিসরের বাইরে রেজোন্যান্স করতে এটি সম্পূর্ণরূপে অক্ষম।
চিত্র ১০ (ক) কার্বন ন্যানোটিউব ডাইপোল অ্যান্টেনা। (খ) ইনপুট ইম্পিডেন্স-ফ্রিকোয়েন্সি কার্ভ
২০১২ সালে, সামির এফ. মাহমুদ এবং আয়েদ আর. আলআজমি কার্বন ন্যানোটিউবের উপর ভিত্তি করে একটি নতুন টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা কাঠামোর প্রস্তাব করেন, যা দুটি ডাইইলেকট্রিক স্তরে মোড়ানো একগুচ্ছ কার্বন ন্যানোটিউব নিয়ে গঠিত। ভেতরের ডাইইলেকট্রিক স্তরটি একটি ডাইইলেকট্রিক ফোম স্তর এবং বাইরের ডাইইলেকট্রিক স্তরটি একটি মেটামেটেরিয়াল স্তর। এর নির্দিষ্ট কাঠামোটি চিত্র ১১-তে দেখানো হয়েছে। পরীক্ষার মাধ্যমে দেখা গেছে যে, একক-প্রাচীরযুক্ত কার্বন ন্যানোটিউবের তুলনায় এই অ্যান্টেনার বিকিরণ কর্মক্ষমতা উন্নত হয়েছে।
চিত্র ১১ কার্বন ন্যানোটিউব ভিত্তিক নতুন টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা
উপরে প্রস্তাবিত নতুন উপাদান টেরাহার্টজ অ্যান্টেনাগুলো প্রধানত ত্রিমাত্রিক। অ্যান্টেনার ব্যান্ডউইথ উন্নত করতে এবং কনফর্মাল অ্যান্টেনা তৈরি করার জন্য, প্ল্যানার গ্রাফিন অ্যান্টেনা ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। গ্রাফিনের চমৎকার ডাইনামিক কন্টিনিউয়াস কন্ট্রোল বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং বায়াস ভোল্টেজ সামঞ্জস্য করে এটি সারফেস প্লাজমা তৈরি করতে পারে। সারফেস প্লাজমা ধনাত্মক ডাইইলেকট্রিক কনস্ট্যান্ট সাবস্ট্রেট (যেমন Si, SiO2, ইত্যাদি) এবং ঋণাত্মক ডাইইলেকট্রিক কনস্ট্যান্ট সাবস্ট্রেটের (যেমন মূল্যবান ধাতু, গ্রাফিন, ইত্যাদি) মধ্যবর্তী ইন্টারফেসে বিদ্যমান থাকে। মূল্যবান ধাতু এবং গ্রাফিনের মতো পরিবাহীতে প্রচুর পরিমাণে "মুক্ত ইলেকট্রন" থাকে। এই মুক্ত ইলেকট্রনগুলোকে প্লাজমাও বলা হয়। পরিবাহীর অন্তর্নিহিত বিভব ক্ষেত্রের কারণে, এই প্লাজমাগুলো একটি স্থিতিশীল অবস্থায় থাকে এবং বাইরের জগৎ দ্বারা প্রভাবিত হয় না। যখন আপতিত তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের শক্তি এই প্লাজমাগুলোর সাথে সংযুক্ত হয়, তখন প্লাজমাগুলো স্থির অবস্থা থেকে বিচ্যুত হয়ে কম্পিত হতে শুরু করে। এই রূপান্তরের পর, তড়িৎচুম্বকীয় মোডটি ইন্টারফেসে একটি অনুপ্রস্থ চৌম্বকীয় তরঙ্গ গঠন করে। ড্রুড মডেল দ্বারা ধাতব পৃষ্ঠ প্লাজমার বিচ্ছুরণ সম্পর্কের বর্ণনা অনুসারে, ধাতু মুক্ত স্থানে স্বাভাবিকভাবে তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের সাথে সংযুক্ত হতে এবং শক্তিতে রূপান্তরিত হতে পারে না। পৃষ্ঠ প্লাজমা তরঙ্গকে উত্তেজিত করার জন্য অন্য পদার্থ ব্যবহার করা প্রয়োজন। পৃষ্ঠ প্লাজমা তরঙ্গ ধাতু-সাবস্ট্রেট ইন্টারফেসের সমান্তরাল দিকে দ্রুত ক্ষয়প্রাপ্ত হয়। যখন ধাতব পরিবাহী পৃষ্ঠের লম্ব দিকে পরিবাহিত হয়, তখন একটি স্কিন এফেক্ট ঘটে। স্পষ্টতই, অ্যান্টেনার ছোট আকারের কারণে উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি ব্যান্ডে একটি স্কিন এফেক্ট দেখা যায়, যা অ্যান্টেনার কার্যক্ষমতা তীব্রভাবে হ্রাস করে এবং টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে পারে না। গ্রাফিনের পৃষ্ঠ প্লাজমনের কেবল উচ্চতর বন্ধন শক্তি এবং কম ক্ষয়ই নেই, বরং এটি অবিচ্ছিন্ন বৈদ্যুতিক টিউনিংকেও সমর্থন করে। এছাড়াও, টেরাহার্টজ ব্যান্ডে গ্রাফিনের জটিল পরিবাহিতা রয়েছে। অতএব, ধীর তরঙ্গ সঞ্চালন টেরাহার্টজ ফ্রিকোয়েন্সিতে প্লাজমা মোডের সাথে সম্পর্কিত। এই বৈশিষ্ট্যগুলি টেরাহার্টজ ব্যান্ডে ধাতব পদার্থকে প্রতিস্থাপন করার জন্য গ্রাফিনের সম্ভাব্যতাকে সম্পূর্ণরূপে প্রমাণ করে।
গ্রাফিন পৃষ্ঠ প্লাজমনের পোলারাইজেশন আচরণের উপর ভিত্তি করে, চিত্র ১২-তে একটি নতুন ধরনের স্ট্রিপ অ্যান্টেনা দেখানো হয়েছে এবং গ্রাফিনে প্লাজমা তরঙ্গের প্রসারণ বৈশিষ্ট্যের ব্যান্ড আকৃতি প্রস্তাব করা হয়েছে। টিউনযোগ্য অ্যান্টেনা ব্যান্ডের এই নকশা নতুন উপাদানের টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার প্রসারণ বৈশিষ্ট্য অধ্যয়নের জন্য একটি নতুন পথ খুলে দেয়।
চিত্র ১২ নতুন স্ট্রিপ অ্যান্টেনা
নতুন একক উপাদান টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা এলিমেন্ট অন্বেষণের পাশাপাশি, গ্রাফিন ন্যানোপ্যাচ টেরাহার্টজ অ্যান্টেনাগুলোকে অ্যারে হিসেবেও ডিজাইন করে টেরাহার্টজ মাল্টি-ইনপুট মাল্টি-আউটপুট অ্যান্টেনা কমিউনিকেশন সিস্টেম তৈরি করা যায়। অ্যান্টেনার গঠনটি চিত্র ১৩-তে দেখানো হয়েছে। গ্রাফিন ন্যানোপ্যাচ অ্যান্টেনার অনন্য বৈশিষ্ট্যের উপর ভিত্তি করে, অ্যান্টেনা এলিমেন্টগুলোর মাত্রা মাইক্রন-স্কেল হয়ে থাকে। কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন পদ্ধতিতে একটি পাতলা নিকেল স্তরের উপর সরাসরি বিভিন্ন গ্রাফিন চিত্র সংশ্লেষণ করা হয় এবং সেগুলোকে যেকোনো সাবস্ট্রেটে স্থানান্তর করা হয়। উপযুক্ত সংখ্যক উপাদান নির্বাচন করে এবং ইলেক্ট্রোস্ট্যাটিক বায়াস ভোল্টেজ পরিবর্তন করে বিকিরণের দিক কার্যকরভাবে পরিবর্তন করা যায়, যা সিস্টেমটিকে পুনঃবিন্যাসযোগ্য করে তোলে।
চিত্র ১৩ গ্রাফিন ন্যানোপ্যাচ টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা অ্যারে
নতুন উপকরণের গবেষণা একটি তুলনামূলকভাবে নতুন দিক। আশা করা যায়, উপকরণের উদ্ভাবন প্রচলিত অ্যান্টেনার সীমাবদ্ধতা অতিক্রম করবে এবং বিভিন্ন ধরনের নতুন অ্যান্টেনা, যেমন পুনঃবিন্যাসযোগ্য মেটামেটেরিয়াল, দ্বি-মাত্রিক (2D) উপকরণ ইত্যাদি তৈরি করবে। তবে, এই ধরনের অ্যান্টেনা মূলত নতুন উপকরণের উদ্ভাবন এবং প্রক্রিয়াকরণ প্রযুক্তির অগ্রগতির উপর নির্ভর করে। যাই হোক না কেন, টেরাহার্টজ অ্যান্টেনার উচ্চ গেইন, স্বল্প ব্যয় এবং প্রশস্ত ব্যান্ডউইথের চাহিদা মেটাতে এর বিকাশের জন্য উদ্ভাবনী উপকরণ, সুনির্দিষ্ট প্রক্রিয়াকরণ প্রযুক্তি এবং অভিনব নকশার কাঠামো প্রয়োজন।
নিম্নে তিন ধরনের টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা—ধাতব অ্যান্টেনা, ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা এবং নতুন উপাদানের অ্যান্টেনা—এর মৌলিক নীতিসমূহ তুলে ধরা হয়েছে এবং এদের মধ্যকার পার্থক্য, সুবিধা ও অসুবিধা বিশ্লেষণ করা হয়েছে।
১. ধাতব অ্যান্টেনা: এর জ্যামিতিক গঠন সরল, প্রক্রিয়াকরণ সহজ, খরচ তুলনামূলকভাবে কম এবং সাবস্ট্রেট উপাদানের প্রয়োজনীয়তাও কম। তবে, ধাতব অ্যান্টেনার অবস্থান সমন্বয় করার জন্য একটি যান্ত্রিক পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়, যা ভুলের প্রবণতাযুক্ত। সমন্বয় সঠিক না হলে অ্যান্টেনার কার্যক্ষমতা ব্যাপকভাবে হ্রাস পাবে। যদিও ধাতব অ্যান্টেনা আকারে ছোট, এটিকে একটি প্ল্যানার সার্কিটের সাথে সংযুক্ত করা কঠিন।
২. ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা: ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনার ইনপুট ইম্পিডেন্স কম থাকে, এটিকে কম ইম্পিডেন্সের ডিটেক্টরের সাথে সহজে মেলানো যায় এবং প্ল্যানার সার্কিটের সাথে সংযোগ করা তুলনামূলকভাবে সহজ। ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনার জ্যামিতিক আকারগুলোর মধ্যে রয়েছে বাটারফ্লাই শেপ, ডাবল ইউ শেপ, প্রচলিত লগারিদমিক শেপ এবং লগারিদমিক পিরিয়ডিক সাইন শেপ। তবে, ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনার একটি মারাত্মক ত্রুটিও রয়েছে, যা হলো পুরু সাবস্ট্রেটের কারণে সৃষ্ট সারফেস ওয়েভ এফেক্ট। এর সমাধান হলো একটি লেন্স লোড করা এবং ডাইইলেকট্রিক সাবস্ট্রেটকে একটি EBG কাঠামো দিয়ে প্রতিস্থাপন করা। উভয় সমাধানের জন্যই প্রসেস টেকনোলজি এবং উপকরণের উদ্ভাবন ও ক্রমাগত উন্নতির প্রয়োজন, কিন্তু এদের চমৎকার পারফরম্যান্স (যেমন সর্বমুখীতা এবং সারফেস ওয়েভ দমন) টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা গবেষণার জন্য নতুন ধারণা দিতে পারে।
৩. নতুন উপাদান অ্যান্টেনা: বর্তমানে, কার্বন ন্যানোটিউব দিয়ে তৈরি নতুন ডাইপোল অ্যান্টেনা এবং মেটামেটেরিয়াল দিয়ে তৈরি নতুন অ্যান্টেনা কাঠামোর আবির্ভাব ঘটেছে। নতুন উপাদান কর্মক্ষমতার ক্ষেত্রে যুগান্তকারী অগ্রগতি আনতে পারে, কিন্তু এর পূর্বশর্ত হলো পদার্থ বিজ্ঞানের উদ্ভাবন। বর্তমানে, নতুন উপাদান অ্যান্টেনা নিয়ে গবেষণা এখনও অনুসন্ধানমূলক পর্যায়ে রয়েছে এবং অনেক মূল প্রযুক্তি এখনও যথেষ্ট পরিপক্ক নয়।
সারসংক্ষেপে, নকশার প্রয়োজনীয়তা অনুসারে বিভিন্ন ধরনের টেরাহার্টজ অ্যান্টেনা নির্বাচন করা যেতে পারে:
১) যদি সরল নকশা এবং কম উৎপাদন খরচ প্রয়োজন হয়, তবে ধাতব অ্যান্টেনা নির্বাচন করা যেতে পারে।
২) উচ্চ ইন্টিগ্রেশন এবং নিম্ন ইনপুট ইম্পিডেন্সের প্রয়োজন হলে ডাইইলেকট্রিক অ্যান্টেনা নির্বাচন করা যেতে পারে।
৩) কর্মক্ষমতায় যুগান্তকারী উন্নতির প্রয়োজন হলে, নতুন উপাদানের অ্যান্টেনা নির্বাচন করা যেতে পারে।
উপরোক্ত নকশাগুলো নির্দিষ্ট প্রয়োজন অনুযায়ী পরিবর্তন করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, আরও বেশি সুবিধা লাভের জন্য দুই ধরনের অ্যান্টেনা একত্রিত করা যেতে পারে, কিন্তু এর সংযোজন পদ্ধতি এবং নকশা প্রযুক্তিকে আরও কঠোর শর্ত পূরণ করতে হবে।
অ্যান্টেনা সম্পর্কে আরও জানতে, অনুগ্রহ করে দেখুন:
পোস্ট করার সময়: ০২-আগস্ট-২০২৪
