人工微结构在太赫兹波调控和探测增强中的应用

论文摘要

随着太赫兹技术发展的需求,人工微结构在太赫兹波段中的应用逐渐受到研究界的关注。例如等离子激元谐振天线和超材料在实现各种太赫兹功能器件中己经崭露头角。本论文主要研究编码和可编程超材料对太赫兹波的调控及多晶硅谐振天线在太赫兹探测增强中的应用。论文主要内容包括以下三个方面:第一:编码超材料对传输型太赫兹波的调控。之前编码超材料的工作大多集中于反射结构,它易与制备,并可减少表面的雷达散射截面。但对于通信和成像系统,传输型结构也非常常见。为此,我们利用多层结构设计出一种传输型编码超表面,在工作频率区间,两个单元虽然工作于不同谐振模式,但频率和传输系数相同,位相差为180度。我们首先在微波段制备了该器件,测量到波束分裂的结果,测试结果与理论计算基本吻合。然后,我们利用本实验室制备的多层柔性聚酰亚胺衬底进行了太赫兹波段编码超材料的样品制备和测量。利用太赫兹时域光谱(TDS)系统测量了该编码超表面,实验结果表面该柔性超表面在1.2 THz对于入射太赫兹波则具有波束分裂效果,证明我们成功地制备出传输型太赫兹编码超表面。第二:相比于编码超材料,可编程超材料可灵活调节超表面单元的电磁波响应,从而改变空间波束的分布。本工作利用液晶的双折射效应,设计了一种可编程太赫兹超材料。在实验过程中,摸索出一套阵列化液晶超材料器件的加工步骤。首先我们制备出一款太赫兹波幅度调制器。在TDS和连续波(CW)系统测试了超材料器件对应液晶有/无偏置电压的频率响应,两套测试系统的结果均显示超材料器件对THz波有很强的幅度调制效果。我们还设计、加工、表征了一种基于液晶材料和FPGA控制电路的可编程THz编码超表面波束扫描阵列。测量了该超材料对于不同入射角激励的频率响应。实测结果与理论计算结果基本符合,显示该超表面波束扫描阵列阵具有较好的空间波束调控功能作用,这类结果目前国际上鲜有报道。第三:多晶硅材料谐振天线在太赫兹探测增强中的应用。CMOS工艺具有技术成熟,集成度高的优点,但工艺过程中需要尽量减少重金属的引入。为此,我们设计了一种基于掺杂多晶硅材料的太赫兹波段谐振天线,优化了其结构尺寸与材料参数使天线在650 GHz具有最强的局域场增强值,并分析了材料掺杂浓度与场增强的关系。我们还测试了利用CMOS制备的该天线与太赫兹探测单元集成的探测器,其噪声等效功率为200 pw/Hz1/2,与文献中报道的其它类型的室温太赫兹检测器的性能相当。说明提出的多晶硅天线可以与场效应管很好地集成并在太赫兹检测器中起到效率提升的作用。我们还利用偶极子天线的电路模型分析了谐振天线场增强特性和材料等离子频率与碰撞频率关系。模拟仿真了由优化的多晶硅天线构成的二单元天线阵性能,提出了一种具有工艺可行性的降低阵元间串扰的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 电磁超材料发展历程
•   1.2 太赫兹超材料
•     1.2.1 太赫兹主动调控超材料
•     1.2.2 编码超材料及其在太赫兹的应用
•   1.3 液晶材料及其在太赫兹的应用
•   1.4 谐振天线在太赫兹频段的探测增强
•   1.5 本论文的主要工作
• 第二章 传输型编码超材料的设计与表征
•   2.1 引言
•   2.2 编码超材料单元设计
•   2.3 编码超材料的实验表征
•   2.4 本章小节
• 第三章 基于液晶材料的太赫兹超材料幅度调制器
•   3.1 引言
•   3.2 太赫兹液晶调制器加工步骤
•   3.3 基于液晶的超材料幅度调制器的设计与测试
•   3.4 总结
• 第四章 基于液晶材料的太赫兹可编程超表面波束扫描阵列
•   4.1 引言
•   4.2 可编程波束扫描阵列阵的分析
•   4.3 数字超材料比特的设计与表征
•   4.4 可编程太赫兹波束扫描阵列的设计与表征
•   4.5 基于互补型结构的超表面阵列
•   4.6 结论
• 第五章 多晶硅谐振天线在太赫兹检测器中的应用
•   5.1 引言
•   5.2 多晶硅天线的设计与仿真
•   5.3 集成多晶硅天线太赫兹检测器的性能测试
•   5.4 太赫兹谐振天线场增强效应的电路模型分析
•   5.5 太赫兹谐振天线场阵的串扰分析
•   5.6 总结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 博士期间发表学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 沈泽

导师: 金飚兵

关键词: 太赫兹波,液晶,编码与可编程超材料,谐振天线,太赫兹检测器

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 南京大学

分类号: TB34;O441.4

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000051

总页数: 101

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