基于超材料的太赫兹功能器件的研究

论文摘要

太赫兹波是电磁波谱中尚未被完全开发的领域,具有安全性高、能量低等性质,在医药、成像、无损检测、安全检查和通信等领域具有广泛的应用前景。然而,自然界中缺乏能和太赫兹频段起直接电磁响应的材料,使得太赫兹功能器件的发展缓慢。超材料是人工设计的具有特殊电磁特性的材料,通过对其结构的合理设计可以实现自然界材料所没有的电磁特性,它的出现为太赫兹功能器件的研究和发展带来了新的希望。本文基于超材料的特性,分别研究了太赫兹功能器件中的滤波器和调制器,主要进行了以下工作:以传统的U型和T型超材料谐振单元为基础,采用金属-介质-金属的双层结构,在聚酯材料基底上分别设计了 U型和T型单频带带阻滤波器,利用HFSS软件进行仿真并分析了谐振原理及主要参数对传输特性的影响;在此基础上,将U型和T型相结合,设计了 TU型双频带和TUU型三频带带阻滤波器,可以通过实际需要对结构尺寸进行合理的设计,以实现对所需频段的滤波。此外,又分别对以上带阻滤波器的互补结构进行了分析,结果表明大多数互补结构可以实现良好的带通滤波器的性能。以U型超材料结构为基础,结合双变体Bimorph梁理论,将U型结构的两条竖直臂设置为悬臂梁结构,设计了一款动态可调的太赫兹滤波器,该滤波器通过温控的方式实现了谐振频率0.22THz的调谐范围;基于此,设计了双面结构动态可调滤波器,与单面结构滤波器相比其提高了边缘特性、阻带带宽及带内抑制能力,优化了滤波效果。并且,该悬臂可调结构具有良好的应用前景。设计了一款三频带太赫兹调制器,该调制器以水平非对称三谐振单元为基础,结构简单,且谐振频点处透射系数很小,在单元缝隙处填充半导体硅,通过光控的方式,实现了对三个频带的调制,三个谐振点处的调制深度可分别达到88.7%、68.1%、86.0%;对水平非对称结构进行了改进,设计了一款由三个不同尺寸开口环所构成的改进型三频带调制器,该调制器的三个谐振频点处调制深度可同时分别达到87.9%、90.0%、83.3%,且三个频带间的独立性较好,整体性能有所提高,在不同缝隙处填充半导体硅可分别实现由三频带向双频带或单频带的调制。设计了一款垂直耦合结构的调制器,该结构由两部分组成,通过调整两部分间的距离,可实现对谐振频率和幅度的调制,通过对其等效电路的分析,计算出了间距与谐振频率的关系,得到了其拟合曲线并求出了拟合因子值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 超材料太赫兹功能器件的国内外发展现状
•     1.2.1 超材料太赫兹滤波器的国内外发展现状
•     1.2.2 超材料太赫兹调制器的国内外发展现状
•   1.3 本文主要研究内容及结构安排
• 第二章 超材料理论
•   2.1 超材料理论基础
•   2.2 超材料构造原理
•     2.2.1 负介电常数的实现原理
•     2.2.2 负磁导率的实现原理
• 第三章 基于超材料的太赫兹滤波器设计
•   3.1 太赫兹带阻滤波器设计
•     3.1.1 U型单带阻滤波器
•     3.1.2 T型单带阻滤波器
•     3.1.3 TU型双频带带阻滤波器
•     3.1.4 TUU型三频带带阻滤波器
•   3.2 太赫兹带通滤波器设计
•     3.2.1 U型互补单带通滤波器
•     3.2.2 T型互补单带通滤波器
•     3.2.3 TU型互补双频带带通滤波器
•     3.2.4 TUU型互补三频带带通滤波器
•   3.3 U型可调太赫兹滤波器设计
•     3.3.1 双变体Bimorph梁理论
•     3.3.2 结构设计
•     3.3.3 悬臂分析及仿真
•     3.3.4 双面结构可调滤波器的设计
•     3.3.5 U型可调结构的拓展应用
•   本章小结
• 第四章 基于超材料的太赫兹调制器设计
•   4.1 平面非对称三频带调制器的设计
•     4.1.1 三谐振超材料单元的设计
•     4.1.2 三频带太赫兹调制器性能分析
•   4.2 改进平面非对称三频带调制器的设计
•     4.2.1 三谐振超材料单元的设计
•     4.2.2 三频带太赫兹调制器性能分析
•   4.3 垂直耦合结构太赫兹调制器的设计
•     4.3.1 结构设计
•     4.3.2 仿真分析
•   本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张金肖

导师: 陈宝君,慕鹏

关键词: 太赫兹,超材料,功能器件,滤波器,调制器

来源: 大连交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 大连交通大学

分类号: O441;TB34

DOI: 10.26990/d.cnki.gsltc.2019.000011

总页数: 84

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