人工表面等离激元波导及天线若干进展

电磁波的传输和调控是电子学领域的一个研究热点,人工表面等离激元是一项通过在金属表面人工设计亚波长周期结构实现有效控制微波与太赫兹波传输的新技术。近年来,人工表面等离激元波导、电路与天线研究方面已取显著成果,为其在微波与太赫兹集成电路与系统中的应用奠定了基础。鉴于人工表面等离激元技术的重要应用前景,文章简要综述了人工表面等离激元波导、滤波器、频扫漏波天线以及涡旋波天线的若干最新研究进展,为新型人工表面等离激元波导与天线的开发及应用提供了参考。

基于人工表面等离激元的太赫兹低损耗传输线及带阻滤波器设计

提出了一种基于人工表面等离激元(SSPPs)的太赫兹低损耗传输线,并通过加载开口谐振环(SRR)实现了具有大抑制深度的太赫兹带阻滤波器。采用不规则阶梯渐变过渡结构对SSPPs传输线进行了优化,降低了其在太赫兹频段下的传输损耗及不平坦度。通过色散分析揭示了加载SRR和不加载SRR的SSPPs传输线的频段抑制机理。加载SRR的SSPPs传输线工作在基模和一阶高次模两种模式下,其基模具有低通特性,一阶高次模具有带通特性,实现了具有通带-阻带-通带-阻带的太赫兹滤波特性。通过调节SRR的几何参数,可控制SSPPs滤波器的阻带频率;通过增加SRR的加载数量,可增大SSPPs滤波器的抑制深度。为了验证设计的可行性,采用微纳加工技术分别制作了所提出的SSPPs传输线和滤波器,并进行了太赫兹在片测试。测试结果表明:在0.11~0.17 THz频带范围内,SSPPs传输线的插入损耗小于0.5 dB/mm,回波损耗优于10 dB;SSPPs滤波器在0.142~0.156 THz频率范围内的抑制深度大于10 dB,最大抑制深度为45 dB@0.148 THz;实验结果与仿真结果具有良好的吻合度。该研究对太赫兹等离激元集成系统研究具有重要意义。

基于石墨烯-二氧化钒的太赫兹双控可调宽带吸收器

提出了一种基于石墨烯和二氧化钒(VO_(2))混合材料的双控太赫兹超材料宽带吸收器,该吸收器具有结构简单、吸收/透射/反射状态可切换、调谐深度大等优点。吸收器的吸收率的调控可以通过改变VO_(2)的相变特性及石墨烯的费米能级来实现。当VO_(2)处于金属态时,该吸收器在1.07~2.59 THz频率范围内可实现吸收率大于90%的宽带吸收,且具有偏置无关和宽入射角不敏感特性,通过改变石墨烯的费米能级,可对带内吸收率进行动态调控,可调范围大于67.2%。当VO_(2)处于绝缘状态,该器件表现为由石墨烯费米能级调控的可调透射器,透射率可调范围大于40%。进一步地,同时控制VO_(2)相变特性和石墨烯费米能级,可将吸收器的带内吸收率的可调范围提升至90%以上,最大可调范围为99.7%@2.3 THz,实现了吸收率的完美开关特性。该吸收器通过两个独立可控的超材料实现了具有高调谐特性的太赫兹双控吸收器,在太赫兹智能器件(如衰减器、反射器和空间调制器等)领域具有潜在的应用价值。

基于InP工艺的小型化亚太赫兹人工表面等离子体激元传输线设计

提出了一种基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的亚太赫兹片上传输线,并在InP工艺基础上对其进行了结构设计和实物加工。为减小传统矩形槽SSPPs结构的占地面积,提出了一种折叠型SSPPs结构,在相同的渐近频率下,该结构的占地面积缩小了57.2%。利用接地共面波导(GCPW)和阶梯渐变结构,实现了对SSPPs传输线的高效激励。利用太赫兹在片测试系统对该传输线进行了测试。测试结果表明,在110~170 GHz频带范围内,SSPPs传输线的插入损耗小于3 dB/mm,回波损耗优于12.5 dB,且实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。

基于人工表面等离子体激元高阶模式的带通滤波器

基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的一阶高次模,设计了一种具有优异带通性能的滤波器。所采用的SSPPs单元结构为类八木天线结构,该结构可以有效降低SSPPs的渐近频率。此外,通过改变SSPPs单元结构的几何参数,可独立控制其渐近频率和与自由空间中光线的交点频率。与具有低通特性的SSPPs基模相比,一阶高次模具有天然的带通特性,且不需要采用额外的阶梯渐变过渡结构。为了验证SSPPs高阶模式应用于带通滤波器设计的可行性,制作并测量了基于该方法的SSPPs滤波器。测试结果表明,该滤波器在6~9.9 GHz的通带频率范围内的插入损耗小于1 dB,带内回波损耗优于10 dB,实验结果与仿真结果具有良好的吻合度。