太赫兹波调控技术及功能器件研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mileyChina
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太赫兹(THz)波,即频率处于0.1-10 THz(波长在3000-30μm内)范围内的电磁波,其频谱介于微波与红外波之间。太赫兹波的短波段与红外光重叠,长波段与微波、毫米波重叠,处于电子学向光子学的过渡领域。因其在电磁波频谱中特殊的位置,也使得其表现出微波和红外波所不具有的特殊物理属性。这些特殊的物理属性使太赫兹技术在航空航天、生物医学检测、成像、太赫兹通信、军事等领域展现出良好的应用前景及应用价值。针对传统太赫兹功能器件难以连续调谐及调控方式不易实现的问题,本文以向列相液晶作为可调谐介质,设计了两款主动式可调谐太赫兹功能器件。主要工作内容如下:设计了一种基于向列相液晶的短毫米波反射式移相器,其通过在双偶极子谐振单元阵列和金属底板之间引入液晶层构成。首先用数值计算方法研究了器件在85-115 GHz范围内电磁波传输特性。介绍了基于液晶的太赫兹功能器件的制备工艺,以2个面积为4 cm×4 cm,厚度为490μm的石英为基底,制作了30×30个谐振单元组成的移相器阵列。测试结果表明,在104.2 GHz时,液晶层偏置电压从0到20 V变化时,可以实现从0到350.7°的相移。考虑到液晶的各向异性和非均匀性,建立了精确加电模型,与试验结果进行了分析比较。此外,探究了液晶移相单元在最小电压下的调相精度,在相位变化剧烈处,所能调控的最小相移为4°@2 m V。该移相器有望在毫米波和太赫兹可重构天线系统中得到应用。设计了一款基于双层开槽阵列结构的太赫兹幅度调控器件,其通过在两层金属超材料结构之间引入向列相液晶构成,金属超材料不仅用于产生电磁谐振还充当电极提供偏置电压。采用数值仿真研究了器件在330-500 GHz范围内的透射特性,通过扫描不同极化角和入射角下器件的透射谱,验证了器件的极化不敏感特性和宽入射角特性。基于半导体加工工艺,制作了35×35个开槽阵列结构单元组成的器件阵列。测试表明,当偏置电压由0 V增加到40 V,样品在371.3 GHz处的调制深度和插入损耗分别为72.9%和1.48 d B,并可在363.15 GHz至377.3 GHz范围之间提供高于60%的调制深度以及低于2 d B的插入损耗。
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