Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Terahertz Hüzme Yönlendirme için Karbon Nanotüp Tabanlı Yeniden Yapılandırılabilir Akıllı Yüzeylerin Modellenmesinde Hibrit ANN-Z Yöntemi

53 görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/70498

⸱

28 Ağustos 2026

Bu makalede

Özet

Bu protokol, 6G kablosuz iletişim uygulamaları için terahertz bandında (0.5-30 THz) çalışan tek duvarlı karbon nanotüp tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin hassas elektromanyetik modellemesi için hibrit bir yapay sinir ağı ve Z-dönüşümü yöntemi sunmakta olup, 310°'yi aşan yansıma fazı ayarlanabilirliği ve ±45°'lik hüzme yönlendirme aralığı ile 180× hesaplama hızlandırması sağlamaktadır.

Özet

Tek duvarlı karbon nanotüpler tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler, gelecekteki 6G kablosuz sistemlerde terahertz ışın yönlendirme ve fotonik dalga manipülasyonu için gelecek vaat eden çözümler sunmaktadır. Ancak, kuantum iletim etkileri, kinetik endüktans ve geniş frekans aralıklarındaki çok rezonanslı eksitonik davranış nedeniyle bu yapıların doğru modellenmesi zorlu olmaya devam etmektedir. Bu protokol, tek duvarlı karbon nanotüp optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey birim hücrelerinin doğru karakterizasyonu için Kubo formalizmi kullanılarak kuantum iletkenlik modellemesini, polinom regresyon tabanlı veri yumuşatmayı ve Z-etki alanı transfer fonksiyonu analizini entegre eden hibrit bir hesaplama çerçevesini açıklamaktadır. Yöntem, kuvars bir altlık üzerinde (10,5) kiraliteye sahip (çap 0.60 nm, bant aralığı 1.762 eV) çapraz tek duvarlı karbon nanotüp nano-şerit rezonatörlerin tasarımıyla başlar ve ardından 0.5-30 THz bandı genelinde CST Microwave Studio'da tam dalga elektromanyetik simülasyonu ile devam eder. 8. dereceden bir polinom regresyon modeli, sayısal dalgalanmaları gidermek ve yumuşatılmış elektromanyetik yanıtları tahmin etmek için çıkarılan S-parametrelerini işler. Ardından, pay derecesi 6 ve payda derecesi 7 olan ayrık bir H(z) transfer fonksiyonu, QR ayrıştırmalı en küçük kareler optimizasyonu kullanılarak uydurulur; bu da kutup-sıfır kararlılık analizini ve pasiflik doğrulamasını sağlar. Protokol ayrıca, ışın yönlendirme optimizasyonu için kimyasal potansiyel modülasyonu aracılığıyla kuantum iletkenlik ayarını içerir. Temsili sonuçlar, 310°'yi aşan yansıma fazı ayarlanabilirliğini, %92.3'e kadar soğurma artışını, yan lob seviyeleri -12 dB'nin altında olan ±45°'lik bir ışın yönlendirme aralığını ve geleneksel tam dalga optimizasyon yöntemlerine kıyasla 180× hesaplama hızlandırmasını göstermektedir. Polinom regresyonu, 0.994 R2 katsayısı ile 0.0688 test karekök ortalama hata değerine ulaşırken, H(z) uydurma işlemi 0.89 dB karekök ortalama hata değerine ulaşmıştır. Kararlılık analizi, tüm kutupların birim çember içinde olduğunu doğrulamıştır. Bu protokol, programlanabilir fotonik metasurfaces ve 6G ve sonrası için akıllı terahertz haberleşme sistemleri tasarlamak adına verimli ve tekrarlanabilir bir yol sunmaktadır.

Giriş

Altıncı nesil (6G) kablosuz sistemlere doğru gerçekleşen hızlı evrim; 1 Tbps'yi aşan ultra yüksek veri hızları, akıllı algılama, holografik hüzmeleme ve adaptif dalga cephesi mühendisliği elde etmek için terahertz (THz) ve optik frekans bantlarının araştırılmasını hızlandırmıştır1,2,3. Terahertz bandı (0.1-30 THz) geniş bir bant genişliği sunsa da, ciddi serbest uzay zayıflamasından (1 THz'de yaklaşık 20 dB·km-1), 557 GHz, 752 GHz, 988 GHz ve 1.13 THz'de su buharından kaynaklanan atmosferik moleküler absorpsiyondan ve atmosferik parçacıklar ile yağmur nedeniyle oluşan engellemelere karşı aşırı hassasiyetten etkilenmektedir4.

Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler; programlanabilir yansıma, soğurma, faz kontrolü ve dalga odaklama yoluyla elektromanyetik dalga cephelerini dinamik olarak manipüle edebilen yardımcı bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır5,6,7. Optik frekanslara genişletildiklerinde bu yüzeyler, ışık yayılımı üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sunarak LiDAR, boşlukta optik haberleşme, holografik ekranlar ve adaptif demet yönlendirme gibi uygulamalara olanak tanımaktadır8.

Metalik rezonatörlere dayalı geleneksel yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey yapıları; Drude iletkenliğinden kaynaklanan artan ohmik kayıplar, plazmonik sönümlenme, 100 nm altındaki özellik boyutlarıyla ilgili üretim kısıtlamaları ve sabit dielektrik özelliklerin sınırlı ayarlanabilirliği nedeniyle terahertz ve optik frekanslarda önemli kısıtlamalarla karşılaşmaktadır9,10,11. Nanomalzeme tabanlı metasurface'ler, özellikle de tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler) kullananlar, olağanüstü kuantum-elektromanyetik özellikleri nedeniyle gelecek vaat eden alternatifler sunmaktadır: 0,7-3 nm çapındaki nanoboyutlar, kimyasal potansiyel ile kontrol edilen ayarlanabilir kuantum iletkenliği, 100.000 cm2·(V·s-1) değerini aşan olağanüstü taşıyıcı hareketliliği, yaklaşık 3000 W·(m·K-1) yüksek termal iletkenlik ve görünür ve yakın kızılötesi rejimlerde güçlü eksitonik rezonanslar12,13,14,15. SWCNT'ler, eksiton-foton etkileşimi yoluyla terahertz ve fotonik rejimlerde güçlü elektromanyetik etkileşimler sergileyerek, programlanabilir elektromanyetik tepkilere sahip kompakt optik rezonatörlerin oluşturulmasına olanak tanır16. Bu özellikler, SWCNT'leri kompakt boyut, ayarlanabilir tepki ve verimli dalga manipülasyonunun önemli tasarım gereksinimleri olduğu optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler için çekici adaylar haline getirmektedir.

Bu avantajlara rağmen, SWCNT tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin doğru şekilde modellenmesi; dengedışı Green fonksiyonu yaklaşımları gerektiren kuantum taşıma etkileri, 100 GHz üzerindeki frekanslarda baskın olan kinetik endüktans, 0,4 eV'ye kadar bağlama enerjilerine sahip çok rezonanslı eksitonik davranış, elektron-fonon etkileşiminden kaynaklanan doğrusal olmayan dispersiyon fenomenleri, kiral indekslerin (n, m) belirtilmesini gerektiren kiraliteye bağlı optik özellikler ve öz-tutarlı termal modelleme gerektiren sıcaklığa bağlı iletkenlik nedeniyle zorlayıcı olmaya devam etmektedir17,18,19,20. Geleneksel eşdeğer devre yaklaşımları ile rasyonel yaklaşım ve vektör uydurma gibi geleneksel elektromanyetik uydurma yöntemleri, genellikle 0,5-30 THz'yi kapsayan ve 60× bant genişliğine sahip geniş frekans aralıklarında bu karmaşık etkileşimleri doğru şekilde temsil etmekte yetersiz kalmaktadır21,22,23. Bu sınırlamalar, terahertz yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin tasarımı sırasında modelleme doğruluğunu azaltabilir ve hesaplama karmaşıklığını artırabilir; bu durum, geniş bantlı elektromanyetik davranışı doğru şekilde yakalarken fiziksel yorumlanabilirliği koruyan verimli modelleme yaklaşımlarına olan ihtiyacı vurgulamaktadır.

Bu protokol; Kubo formalizmi kullanılarak yapılan kuantum iletkenlik analizini, kiraliteye bağlı bant aralığı hesaplamasını, gürültü azaltma ve yanıt yumuşatması için polinomsal regresyonu, kutup-sıfır kararlılığı ve fiziksel yorumlanabilirlik için Z-dönüşümü transfer fonksiyonu analizini ve SWCNT tabanlı birim hücrelerin tam dalga elektromanyetik simülasyonunu benzersiz bir şekilde birleştiren hibrit bir modelleme çerçevesi sunmaktadır. İş akışı, terahertz frekans aralığı boyunca SWCNT tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin oluşturulması, analiz edilmesi ve optimize edilmesi için adım adım bir prosedür sağlar. Yöntem, gelişmiş elektromanyetik yüzeyler, nanofotonik ve yeni nesil kablosuz iletişim sistemleri üzerinde çalışan araştırmacılar ve mühendisler için tasarlanmıştır. Protokol, kullanıcıların hüzme yönlendirme ve elektromanyetik dalga kontrolü uygulamaları için SWCNT tabanlı optik yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin kararlı ve fiziksel olarak yorumlanabilir modellerini oluşturmalarına olanak tanır. Protokol, elektromanyetik simülasyon kavramlarına aşinalık gerektirmektedir ancak alana yeni giren araştırmacıların çalışmayı tekrarlayabilmesi için ayrıntılı adımlar sunmaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. SWCNT Optik RIS Birim Hücre Tasarımı

  1. SWCNT Kiralite Seçimi
    1. Kuantum iletkenlik analizine dayanarak (10,5) SWCNT kiralitesini seçin.
    2. Aşağıda belirtilen formülü kullanarak nanotüp çapını hesaplayın
      Heksagonal kafes formülü, d=acc*√(n²+nm+m²)/π, yapısal denklem diyagramı.
      burada acc=0.142 nm karbon-karbon bağ uzunluğudur. (10,5) kiralitesi, terahertz çalışması için optimal olan 0.60 nm çap ve 1.762 eV bant aralığı sağlar.
    3. Kristalografi açı formülü θ = tan⁻¹(√3 × m/(2n + m)) = 23.4°, matematiksel denklem. kullanarak kiral açıyı hesaplayın.
  2. Birim Hücre Geometrisi Tanımlaması
    1. Bir kuvars altlık üzerinde şu parametrelerle çapraz SWCNT nano-şerit rezonatörleri tasarlayın: 3.8 altlık geçirgenliği, 500 nm altlık kalınlığı, 1.5 × 1.5 µm2 birim hücre boyutları, 50 nm SWCNT şerit genişliği, 700 nm SWCNT şerit uzunluğu ve 120 nm şeritler arası boşluk. Bu boyutlar, 0.5-30 THz bandı boyunca alt-dalga boyu çalışmasını sağlar.
  3. CST Microwave Studio Simülasyon Kurulumu
    1. CST Microwave Studio'yu başlatın ve Microwave and RF frekans alanı çözücüsünü kullanarak yeni bir proje oluşturun.
    2. Tanımlanan parametreleri kullanarak birim hücre geometrisini oluşturun. x ve y yönlerinde periyodik sınırlar ile birim hücre sınır koşullarını uygulayın. Düzlem dalga uyarımı için z yönünde Floquet portlarını tanımlayın.
    3. Frekans tarama aralığını, 0.05 THz adım boyutuyla 0.5 THz ile 30 THz arasında ayarlayarak 590 frekans noktası oluşturun. Zaman alanı çözücüsünü adaptif ağ iyileştirmesi ile yapılandırın ve yakınsama hedefini -40 dB olarak belirleyin.
    4. Tam-dalga elektromanyetik simülasyonu çalıştırın. Kompleks S₁₁ yansıma katsayısını, S₂₁ iletim katsayısını, yansıma fazını ve soğurma spektrumlarını CSV dosyaları olarak dışa aktarın.

2. Kubo Formalizmini Kullanarak Kuantum İletkenlik Modellemesi

  1. Fiziksel Sabitlerin Başlatılması
    1. Fiziksel sabitleri tanımlayın: elementer yük e=1.602×10⁻19C, indirgenmiş Planck sabiti ħ=1.0546×10⁻34J·s, Boltzmann sabiti kB=1.3806×10⁻23J·K-1, sıcaklık T=300K, Fermi hızı vF=8×105m·s-1 ve boşluk empedansı η₀=377Ω.
  2. Bant İçi İletkenlik Hesaplaması
    1. Her frekans noktası için bant içi iletkenliği şu formül ile hesaplayın:
      Statik denge formülü, kompleks iletkenlik denklemi, fizik araştırması, matematiksel notasyon.
      Burada τ=0.5ps taşıyıcı relaksasyon süresi ve EF Fermi enerjisidir (0.1e.V ile 0.4eV arasında değiştirilir).
  3. Bantlar Arası İletkenlik Hesaplaması
    1. Bantlar arası iletkenliği şu formül ile hesaplayın:
      Kompleks formüllü statik denge kavramı; fizik analizi için matematiksel denklemler içerir.
    2. Toplam yüzey iletkenliğini σtotal(ω) = σintra(ω) + σinter(ω) olarak hesaplayın.
  4. Optik Yanıt Hesaplaması
    1. Kuvars (εr=3.8, kalınlık=500nm) için substrat faz gecikmesini φsub=2πf(nsub)dsub/c formülüyle hesaplayın; burada nsub=. Bağıl geçirgenliğin karekökü, √εr, formülü; elektromanyetik teori, malzeme özelliği.
    2. İletkenlikten yansıma katsayısını şu formülle hesaplayın:
      Spektroskopi sonucu, S11(ω) formülü, elektromanyetik dalga davranışının karakterizasyonu.
    3. Yansıtma oranını R(ω)=|S₁₁(ω)|2 olarak hesaplayın. Absorbsiyonu A(ω)=1-R(ω)-T(ω) olarak hesaplayın.

3. CST Veri Üretimi ve Ön İşleme

  1. Emüle Edilmiş CST Veri Üretimi
    1. Kuantum S11 parametresine gerçekçi rezonanslar ekleyerek emüle edilmiş CST tam dalga simülasyon sonuçlarını üretin.
    2. Beş rezonans tanımlayın: 2,8 THz'de E₁₁ eksitonu (genlik -15,2 dB, faz 45°), 5,6 THz'de E22 eksitonu (-22,8 dB, -120°), 12,4 THz'de plazmonik rezonans (-8,5 dB, 60°), 18,9 THz'de kavitasyon modu (-12,1 dB, -30°) ve 24,7 THz'de fonon destekli rezonans (-6,8 dB, 15°).
    3. CST sayısal dalgalanmalarını simüle etmek için 0,03 gürültü seviyesinde (SNR=30,5dB) sayısal gürültü ekleyin.
  2. Veri Ön İşleme
    1. Frekans eksenini şu formül kullanılarak [0,1] aralığına normalize edin:
      Denklemi gösteren normalize edilmiş frekans formülü \(z_{f_{norm}}=\frac{f-f_{min}}{f_{max}-f_{min}}\).
    2. S₁₁'in gerçek ve sanal kısımlarını ve S₂₁'in genliğini çıkarın.
    3. Veri setini rastgele permütasyon kullanarak eğitim (%80), doğrulama (%10) ve test (%10) olarak bölün. Girdileri sıfır ortalama ve birim varyansa normalize edin.

4. Veri Yumuşatma için Polinomiyal Regresyon

  1. polyfit kullanarak S₁₁'in reel kısmına 8.dereceden bir polinom uydurun: P_real = polyfit(X_train, Y_train(:,1), 8). Sanal kısma 8.dereceden bir polinom uydurun: P_imag = polyfit(X_train, Y_train(:,2), 8). S₂₁ genliğine 8.dereceden bir polinom uydurun: P_mag = polyfit(X_train, Y_train(:,3), 8). Tüm frekans aralığında polyval kullanarak düzleştirilmiş tahminler oluşturun. Düzleştirilmiş S₁₁ değerini S₁₁_ann = S11_real_ann + i × S11_imag_ann şeklinde hesaplayın.

5. Z-Etki Alanı Transfer Fonksiyonu Uydurma

  1. Örnekleme frekansını Fs=60THz (Nyquist kriterine göre maksimum frekansın 2 katı) olarak ayarlayın. Frekansları z=e{i2πf/Fs} kullanarak Z-etki alanına eşleyin.
  2. Z-etki alanındaki ayrık transfer fonksiyonunu şu şekilde tanımlayın:
    Dijital sinyal işlemede kullanılan, polinomlar içeren ayrık zamanlı transfer fonksiyonu formülü, H(z).
    burada pay derecesi n=6 ve payda derecesi m=7'dir.
  3. En Küçük Kareler Optimizasyonu için; A'nın pay ve payda terimlerini, B'nin ise YSA tarafından tahmin edilen S₁₁ değerini içerdiği A × x= B doğrusal denklemlerini kurun. Sayısal kararlılık için QR ayrıştırmasını kullanarak çözün:
    QR çarpanlara ayırma formülü, [Q,R]=qr(A,0), katsayı hesaplaması, matris cebiri denklemi.
  4. Kutup-Sıfır ve Kararlılık Analizi
    1. Payda polinomunu çözerek kutupları belirleyin. |kutup| ≥ 1 olan kutupları poles(p) = poles(p) / (|poles(p)| + 0.1) kullanarak birim çember içine projekte ederek kararlılığı sağlayın.
    2. Kararlı kutuplardan paydayı yeniden oluşturun. Pay polinomunu çözerek sıfırları belirleyin. H(z)'yi frekans ızgarası üzerinde değerlendirin ve karekök ortalama hata değerini hesaplayın.

6. Işın Yönlendirme Optimizasyonu

  1. Lineer bir fazlı dizi için normalize edilmiş dizi faktörü şu şekilde verilir:
    ​Anten tasarımı için dizi faktörü denklem; AF(θ) formülü; mühendislikte matematiksel denklem.
    burada tekdüze uyarma için In = 1, k = 2π/λ, d = λ/2 açıklık, βn ise progresif faz kaymasıdır. ±45°, ±30° ve 0° hedef yönlendirme açıları için komşu elemanlar arasındaki faz kaymasını hesaplayın .EQUATION
    1. Uzak alan desenlerini hesaplayın ve yan lob seviyeleri ile yarı güç hüzme genişliğini değerlendirin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

SWCNT Kiralite Seçimi
Açıklanan protokol, 0.5-30 THz bandı boyunca çalışan bir (10,5) SWCNT optik RIS birim hücresi için uygulanmıştır. Temsili sonuçlar, doğru elektromanyetik karakterizasyon ve hüzme yönlendirme optimizasyonu için hibrit polinom-Z modelleme yaklaşımının etkinliğini kanıtlamaktadır.

Kuantum İletkenlik Analizi
Kubo formalizmi, (10,5) SWCNT'nin terahertz bandı boyunca imajiner (indüktif) bileşenlerin baskın olduğu karmaşık bir yüzey ilet...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Başarılı bir uygulama sağlamak için protokoldeki kritik adımların dikkatle takip edilmesi gerekir. İlk olarak, bant aralığı ve optik tepki yüksek derecede kiraliteye bağlı olduğu için SWCNT kiral indekslerinin doğru seçimi esastır. Bu protokolde belirtilen (10,5) kiralitesi, terahertz çalışması için 1,762 eV'lik optimal bir bant aralığı sağlar; ancak farklı frekans bantlarını hedefleyen kullanıcıların, E_g = 2ħv_F/d = (2 × 1,0546×10⁻34 × 8×105)/(d) eV bant aralığı formülünü kullanarak ilgili ki...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

Yazarlar, değerli bilimsel ve teknik destekleri için Bağdat Bölgesi, Irak'taki Uluslararası Uygulamalı ve Teorik Araştırma Merkezi'ne (IATRC) içten teşekkürlerini sunarlar. Bu araştırma; kamu, ticari veya kâr amacı gütmeyen sektörlerdeki destekleme kurumlarından herhangi bir özel hibe almamıştır. Hesaplama kaynakları Al-Bayan Üniversitesi tarafından sağlanmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
CST Microwave StudioDassault SystèmesèMESLütfen çevirmek istediğiniz metni sağlayın.Versiyon 2024, Frekans alanı çözücü
MATLABMathWorksLütfen çevrilecek metni sağlayın.R2014a veya daha yeni sürüm
Kuvars substratÜniversite Gofreti4526500 nm kalınlık, ε_r = 3,8
SWCNT (10,5) kiralitesiNanoIntegrisSWCNT-1050,60 nm çapında, >%90 yarı iletken
Kişisel BilgisayarLütfen çevrilecek metni sağlayın.Lütfen çevirmek istediğiniz metni sağlayın. Metni aldığımda, belirttiğiniz tüm akademik standartlara ve teknik kriterlere uygun olarak profesyonelce Türkçeye çevireceğim.Minimum 32 GB RAM, 8 CPU çekirdeği

Kaynaklar

  1. Xiao, M., et al. Millimeter wave communications for future mobile networks. IEEE J Sel Areas Commun. 35, 1909-1935 (2017).
  2. Kumar, A., et al. RIS-assisted terahertz communications for 6G networks: A comprehensive overview. IEEE Access. , (2025).
  3. Liaskos, C., et al. A new wireless communication paradigm through software-controlled metasurfaces. IEEE Commun Mag. 56, 162-169 (2018).
  4. Wu, Q., et al. Intelligent reflecting surface-aided wireless communications: A tutorial. IEEE Trans Commun. 69, 3313-3351 (2021).
  5. Rafique, A., et al. Reconfigurable intelligent surfaces: Interplay of multi cell and surface-level design and performance under quantifiable benchmarks. IEEE Open J Commun Soc. 4, 1583-1599 (2023).
  6. Mayaram, K., et al. Computer-aided circuit analysis tools for RFIC simulation: algorithms, features, and limitations. IEEE Trans Circuits Syst II. 47, 274-286 (2000).
  7. Yesilyurt, O., Turhan-Sayan, G. Metasurface lens for ultra-wideband planar antenna. IEEE Trans Antennas Propag. 68, 719-726 (2019).
  8. Gustavsen, B., Semlyen, A. Rational approximation of frequency domain responses by vector fitting. IEEE Trans Power Deliv. 14, 1052-1061 (2002).
  9. Zhang, Y., et al. Z-transform-based FDD implementations of biaxial anisotropy for radar target scattering problems. Remote Sens. 14, 2397(2022).
  10. Hall, S. H., Heck, H. L. Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital Designs. , John Wiley & Sons. (2011).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Karbon Nanotüp YüzeylerKuantum İletkenlik ModellemeKubo FormalizmiPolinomiyal RegresyonZ-Etki Alanı AnaliziElektromanyetik SimülasyonHüzme Yönlendirme OptimizasyonuFotonik Metayüzeyler