基于超材料的太赫兹宽频反射器的设计与研究

作     者：王建扬 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴倩楠

授予年度：2022年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超材料 功能器件 太赫兹反射器 高反射率 宽频带 

摘      要：如今,由于通信需求的日益增长,通信技术迫切需要往更高的频段发展,太赫兹波为0.10THz频段内的电磁波,具有广阔的频谱范围和优异电磁特性,可以广泛应用于医疗卫生,安全监测,通信互联等领域。但是,常规材料很难对太赫兹波产生调制作用,这极大的限制了太赫兹技术的发展。然而,超材料的出现有效解决了太赫兹波无法调制的问题,通过设计不同结构的超材料周期阵列可以实现对太赫兹波的精准调控,例如,利用超材料结构制作的太赫兹滤波器,太赫兹吸波器,太赫兹反射器等具有不同优异功能的太赫兹器件被不断研发出来。其中,太赫兹反射器,作为太赫兹通信系统中的关键器件,可以对太赫兹波的传输路径进行有效控制。然而,目前所报道的大部分在太赫兹波段工作的反射器都是通过在结构表面刻蚀微纳光栅,在结构表面溅射金属膜,或是利于光子晶体结构所设计得到的,这些反射器面临的主要问题是反射器的超宽带特性和高反射率特性无法同时兼容,且对相关反射特性容易受到不同入射电磁波偏振状态的影响。为此,本文基于超材料调制电磁波相关理论,围绕超材料实现太赫兹宽频反射器的方法进行了重点讨论,设计并实现了几种不同结构和类型的宽频高反射率太赫兹反射器,为解决反射器的超宽带特性和高反射率特性无法同时兼容的问题提供了一些方法。本文的主要的主要工作内容如下:(1)基于传统超材料结构,设计了一种双层格栅形超材料太赫兹反射器结构,该反射器由经典三明治结构(金属-介质-金属)组成,金属层为多格栅形状,介质层为柔性基底聚酰亚胺。本章节所提出的超材料太赫兹反射器能够有效解决太赫兹反射器超宽带特性和高反射率特性无法兼容的问题。在0.0THz低频工作频段内,其反射率在98%以上的频段宽度可达2.04THz,且最高反射率可达99%。此外,通过分析该反射器表面电流,表面磁场和表面电场的分布情况,并给出了双层格栅形超材料太赫兹反射器实现超宽带高反射率特性的物理机理,为设计高性能太赫兹反射器提供了一种新颖的方法。(2)以往报道大多数太赫兹反射器,其工作频段大多都在低频太赫兹频段,工作在高频太赫兹的反射器鲜有报道,本文在没有减小结构尺寸的前期下,基于双层格栅形超材料太赫兹反射器的基础,通过改进反射器表面谐振模型,改善超材料表面电流路径,设计了一种新型渔网状超材料太赫兹反射器结构,该反射器可以有效在高频太赫兹频段实现电磁调制特性,并具有宽频反射带宽,在6.63.53THz频段内可以实现98%以上的反射率,其反射带宽可达到0.9THz,进一步拓展了太赫兹反射器在太赫兹波段内的工作带宽。