THz集成石墨烯的E字形金属贴片编码超构材料

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太赫兹频段能够实现超宽带,超高传输速率的通信方式[1],编码超构材料是一种人工设计的亚波长结构,其电磁特性可以通过人工设计的方式进行控制,在太赫兹波束调控领域展现了卓越的控制能力[2]。为了进一步推进编码超构材料在太赫兹通信技术中的落地,本文创新性的从相位特性角度解释了极化转换实现原理,并基于极化转换理论和Pancharatnam–Berry相理论,提出了集成石墨烯材料的E字形金属贴片编码超构材料单元。结合编码超构材料单元的空间阻抗匹配特性和耦合理论模型优化编码超构材料单元的几何参数,分析提取表征编码超构材料单元特性的参数,实现了0.35-1THz(96.3%)频段内极化转换率达到90%以上的编码超构材料单元。并且当太赫兹波的入射角度在(0°,20°)变化时,编码超构材料单元的电磁特性变化不大,验证了E字形金属贴片编码超材料能有效实现RCS降低。论文的主要内容如下:第一,研究并分析了编码超构材料的相关理论基础。首先介绍了太赫兹波独特物理性质。随后研究了编码超构材料的重要理论基石,这些理论主要包括等效媒质理论、广义斯涅尔定律、天线相控阵理论和时空编码超构材料理论在内的关键理论工具。分析了编码超构材料的设计理论和制作工艺,总结了太赫兹技术主要应用领域。第二,分析了常用编码超构材料单元模型,通过CST Microwave Studio建模并优化了E字形金属贴片编码超构材料单元结构,分析提取表征编码超构材料单元特性的参数,包括反射幅度和相位曲线,极化转换率曲线,太赫兹波入射角度影响特性,谐振频率处的电流分布特性,结合Pancharatnam-Berry相理论的单元多进制编码特性。第三,通过CST Microwave Studio建模太赫兹波二分束阵列,四分束阵列,实现雷达横截面RCS(Radar Cross Section)降低的1比特E字形金属贴片编码超构材料阵列和2比特E字形金属贴片编码超构材料阵列,并提取远场特性和近场特性。实现了在编码超构材料单元有效频段内5d B以上的RCS降低。并搭建了基于矩形和正方形金属贴片的编码超构材料单元,基于x极化和y极化太赫兹波建立二维编码矩阵,通过优化编码超构材料单元几何参数实现了编码矩阵填充,通过CST Microwave Studio搭建了实现太赫兹波极化检测的编码阵列,通过提取远场特性验证了该编码阵列能够实现对1.3THz的x或y极化的电磁波进行极化检测。
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