太赫兹传输波导器件研究进展

随着太赫兹技术的发展,太赫兹传输波导器件的研究成为待解决的重要问题之一。太赫兹波位于微波与红外光之间,寻找高效的传输、耦合器件一直是研究人员的目标。主要介绍了太赫兹传输波导研究现状,并总结了各类型太赫兹波导的优势与不足。根据材料与结构分别对金属波导、介质波导的研究进展进行了分析。其中金属波导包括裸金属线波导、微结构波导、空芯波导以及平板波导,介质波导包括介质空芯波导、多孔芯波导以及微结构波导。最后分别对太赫兹传输波导未来需要解决的研究方向进行了展望。

低损耗太赫兹波导腔体传输结构与互联接口设计技术

文章介绍了降低太赫兹波导传输和互联损耗的方法及实验结果。当前,矩形波导多采用金属分块技术制作,且H面剖分波导损耗明显高于E面剖分波导损耗。为了抑制H面波导的电磁泄漏和辐射损耗,降低整体的传输损耗,在波导剖分表面添加了电磁带隙结构或扼流槽结构。采用传统的数控铣削和金属分块技术制备了一些波导样品,包括常规的矩形波导、带隙波导和扼流波导,并在170GHz~260GHz频段进行了测量和损耗对比。实验结果表明,在太赫兹频率下,波导分裂带来的不连续间隙使常规的H面波导损耗高达0.074dB/mm;带隙波导的损耗为0.017dB/mm,但加工耗时且价格昂贵;扼流波导的损耗为0.025dB/mm,成本和性能适中。此外,还设计制备了基于零形扼流槽的波导法兰,用于无接触低损耗太赫兹波导互联应用。相比常规波导法兰,基于文章设计的法兰互联性能稳定,改善效果显著。

太赫兹金属线波导传输特性实验研究及模拟分析

太赫兹波介于微波与红外之间,当前太赫兹波主要在自由空间中传输,金属线波导以低损耗、低色散等突出的传输特性被广泛关注.本研究首先根据太赫兹波在不同金属线表面的趋肤深度选择铜线作为研究对象,然后基于太赫兹时域光谱系统搭建可调节式金属线波导传输特性测试光路,采集到通过不同半径、不同长度、不同端口状态的单/双铜线传输的时域信号,最后利用有限元方法对不同半径、不同形变程度的单/双根铜线在空气域的传输特性进行仿真.实验结果表明,传输损耗会随着铜线长度的增加而增加,金属线越细传输速度越慢,端口形态对传输特性的影响不如长度变化对传输特性的影响明显,双金属线越粗传输速度越快.仿真结果表明,太赫兹波在单根金属线上传输时,电场主要分布在金属线表面,金属线越细表面等离激元的模场面积越小;当金属线形变成椭圆时,模场主要分布在长轴两端;当太赫兹波在双金属线中传输时,模场主要分布在两根金属线中间,且距离越远模场面积越小.本研究结合实验与仿真分析方法对单、双金属线的太赫兹传输特性进行研究,为后续开发高效太赫兹金属波导提供参考.

基于石墨烯片的频率可调太赫兹天线

本文设计了一种基于石墨烯片的频率可调太赫兹天线,采用了折叠缝隙结构并使用共面波导馈电方式,以更好地实现阻抗匹配.通过调控在缝隙之间添加的4个石墨烯片的电导率,改变缝隙天线的等效长度,使天线在两种不同工作模式下的谐振频率分别为230.5 GHz和270.5 GHz.除此之外,在天线下方加载了方形封闭谐振环(Closed-Ring Resonator,CRR)构成的超表面,并使其谐振频率与天线的谐振频率匹配,将z轴负方向的辐射进行反射,使天线在两种工作模式下的增益提高至5.41 dBi和7.63 dBi,与无反射结构时相比分别增长2.48 dBi和3.55 dBi.

太赫兹科学与电子信息学报

太赫兹技术在下一代通信、生物成像、质量监测等领域应用潜力巨大,高品质太赫兹波导的研制使轻量化、小型化太赫兹系统成为可能,是推动太赫兹技术发展的关键。本文根据不同基材,将太赫兹波导分为金属波导、聚合物波导及复合波导,对其发展情况进行梳理,并对太赫兹聚合物波导这种高柔性、低成本导波技术进行重点介绍,讨论其不同的导光机制;最后对太赫兹导波技术进行了总结,并针对制约太赫兹波导商品化推广应用的瓶颈问题进行了初步探讨。

基于槽线的太赫兹同相和反相功分器设计

根据接地共面波导(GCPW)和槽线的结构特点,首先设计并仿真验证了一种由接地共面波导到槽线的功分器;然后根据槽线横截面的电场分布特性,设计了一种GCPW-槽线-GCPW结构的同相功分器和反相功分器。仿真结果表明,同相功分器在175~225 GHz范围内的插入损耗优于4 dB,回波损耗优于9.6 dB;反相功分器在185~215 GHz范围内的插入损耗优于4 dB,回波损耗优于10.5 dB,幅度不平衡度小于0.24 dB,相位不平衡度小于1.3°。相比其他太赫兹功分器,本文设计的功分器在插入损耗和回波损耗相当的情况下,具有更简单、紧凑和易于集成的结构。

基于硅介质光栅的片上太赫兹波源

随着太赫兹技术的快速发展,人们对太赫兹技术在通信、光谱学和传感方面的各种应用越来越感兴趣。太赫兹技术发展与应用的基础是高性能的太赫兹源,传统的太赫兹源体积大且需要高功率电源驱动,难以适应集成太赫兹技术的发展,迫切需要研发新机制的微型太赫兹源。本文研究了一种新型微型化自由电子太赫兹辐射器,基于自由电子与其在光栅介质波导结构中激励的太赫兹波的互作用,实现太赫兹波的激励。这项研究为开发高效的片上太赫兹辐射源和拓展先进太赫兹应用提供了新的选项。

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。

基于3D打印的太赫兹波导成型技术研究

为提高太赫兹波导结构设计质量,保证多个波导机械连接获得良好的传输性能,现提出一套太赫兹波导3D打印制备方案。首先,介绍太赫兹时域光谱系统。其次,从光固化成型技术原理、RSpro600打印机及其成型材料、光敏树脂的材料参数表征等方面入手,利用光固化成型技术,完成对太赫兹波导的制备。最后,从波导制备、实验分析2个方面入手,分析空芯微波布拉格波导的3D打印结果。结果表明,运用光固化成型技术所制备的太赫兹波导具有结构完整、传输性能稳定、其频谱始终维持在0.29~0.48 THz之间,其光谱能量损耗相对较低,远远低于常规支撑结构的波导。希望通过这次研究,为相关人员提供有效的借鉴和参考。

高功率太赫兹源

电磁波是物质世界的重要组成。自人类认识到电磁波的存在以来,便开始了对电磁波的探索与利用,人们对于电磁波的认识与开发也不断趋于成熟。然而,在电磁波谱中仍然存在着一段“空白”尚未被人们完全开发,其位于电子学向光子学过渡区间,对应电磁波波长为0.03~3mm、频率为0.1~10THz,如图1所示,这一频段也被称为“太赫兹空白”。

太赫兹天线(二)

文章叙述了太赫兹通信天线的新发展,包括光电导天线,芯片上天线和超材料、超平面的应用等,并给出了一些具体例子。

太赫兹微金属矩形波导凹型微腔电化学制造技术研究

随着太赫兹技术的发展,对高工作频段太赫兹金属矩形波导的需求日益迫切,然而,因其腔体端面尺寸和圆角半径较小、表面粗糙度要求严格,精密加工极具挑战性。文章针对太赫兹微金属矩形波导制造用的凹型微腔精密制造问题进行了研究,利用微细电解线切割加工技术、电化学沉积金及电化学沉积铜等电化学制造技术的组合,实现了端面尺寸为124.3μm×253.2μm、表面粗糙度Ra<0.1μm、圆角半径R<8μm的1THz金属矩形波导凹型微腔的制造,为高工作频段的组合式太赫兹金属矩形波导制造奠定了基础。

毫米波及太赫兹行波管的功率提高方法评述

短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点,在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平,以及作者近年来研发的行波管,频率覆盖E波段、W波段、G波段和Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率,在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场(PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究,为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。

太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性

理论上分析了计算周期数对0.22THz折叠波导慢波结构S参数的影响,讨论了折叠波导慢波结构各个尺寸参数对损耗特性的影响,研究了粗糙度与损耗特性之间的关系。通过实验验证了0.22THz标准矩形直波导的损耗特性。对实际加工的0.22THz折叠波导慢波结构进行了测试,得到了实际的太赫兹波折叠波导慢波结构传输与损耗特性。

折叠波导慢波结构太赫兹真空器件研究

简要介绍了利用折叠波导慢波结构的太赫兹真空辐射源的发展现状,重点对折叠波导慢波结构的特点进行了研究,并利用这种慢波结构开展了W、D波段行波管,W波段和650 GHz返波振荡器,560 GHz反馈振荡放大器的设计、计算和模拟优化,分别得到了较好的结果,并实际研制出W波段连续波行波管,输出功率达到8 W。对太赫兹真空辐射源的部件技术、微细加工技术进行了研究和分析。

束流发射度对太赫兹微电真空折叠波导行波管性能的影响

采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分别对140,220和345GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析,总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现,在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计,是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。

太赫兹波导的研究进展

太赫兹(THz)有丰富的科学内涵和独特的优越特性,在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐等多个领域具有重要的应用前景。由于水汽对THz波的强烈吸收,适用于不同应用需求的THz波导成为急需。根据不同需求并考虑各种不同结构及材料波导特有的优势与缺陷,扬长避短选取合适的波导将有利于发挥THz科学技术在科学研究、生产、生活中的应用特色。该文对现有THz金属空腔波导、金属线波导、介质波导和其他THz波导的研究情况进行了综述,以期展现当前THz波导的研究情况,开拓研究思路。

多孔耦合型太赫兹波导定向耦合器的设计

设计了一种结构紧凑、工作频带较宽、耦合平稳、高方向性的"十字形"多孔耦合的太赫兹波导定向耦合器。基于多孔耦合原理,利用HFSS软件对太赫兹波导定向耦合器进行了模型仿真和结构优化。仿真结果表明:在325~475 GHz带宽范围内,该多孔耦合太赫兹波导定向耦合器耦合度达到7.5±0.8 d B,隔离度达到30 d B,即方向性优于20 d B,各端口回波损耗小于-20 d B。通过对该波导定向耦合器进行高温高压模拟仿真,确定了使用负性光刻胶SU-8作为结构材料的可行性,提出应用MEMS工艺在硅衬底上进行加工,将牺牲层工艺应用到波导腔结构的制作中。利用光刻在直通波导和耦合波导公共宽壁上形成的"十字形"等间距排列耦合孔结构,可以实现较宽的带宽和良好的耦合平坦度。该方法提高了耦合孔尺寸和位置的精度,减小了反射损耗,为太赫兹波导结构的加工提供了新思路。

矩形缺陷光子晶体太赫兹波波导的慢波特性

设计了一种工作于太赫兹波段的矩形孔缺陷光子晶体慢波波导。首先分析三角空气孔型光子晶体的带隙特性,引入线缺陷形成波导,并将邻近缺陷空气孔设为矩形,通过分析矩形孔尺寸对波导的带隙结构、群速度的影响,确定孔尺寸;研究缺陷宽度对缺陷模式的影响,并通过优化将缺陷模式频率移到目标频率338 GHz处,最终在布里渊边界处实现了c0/1543(c0=3×108m/s)的低群速度,证明了矩形缺陷光子晶体太赫兹波导良好的慢波特性。

波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应

利用三维电磁场时域有限差分法,对0.3～0.4THz高功率太赫兹脉冲作用下置于矩形波导内部宽边中心的n型硅块响应规律进行了研究。通过对置入硅块前后矩形波导内电磁场分布、电压驻波比及硅块内平均电场的模拟分析,得出硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的响应规律,硅块长、宽、高和电阻率均会对波导内电压驻波系数产生影响,其中以高度影响最为明显;硅块内平均电场在低频段和高频段单调性不一致。最后,在优化硅块长、宽、高及电阻率的基础上,给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲直接测量的电阻探测器芯片设计方案,其相对灵敏度约为0.509kW-1,幅度波动不超过14%,电压驻波比不大于1.34。