【摘 要】
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近年来,太赫兹技术逐渐成为众多领域的研究热点。太赫兹波频段相比于微波,具有更大的带宽,因此在大容量通信系统中具有更大的应用潜力。此外,太赫兹波凭借波长短、光子能量低、具有特征指纹谱等特征,在人体安检、物质识别和高分辨率成像等领域也有广阔的应用前景。在太赫兹系统通信中,太赫兹波天线决定着系统的核心参数,如信道容量、传输距离以及效率等。目前,天线主要有抛物天线、介质透镜天线、相控阵天线等。由于太赫兹波
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近年来,太赫兹技术逐渐成为众多领域的研究热点。太赫兹波频段相比于微波,具有更大的带宽,因此在大容量通信系统中具有更大的应用潜力。此外,太赫兹波凭借波长短、光子能量低、具有特征指纹谱等特征,在人体安检、物质识别和高分辨率成像等领域也有广阔的应用前景。在太赫兹系统通信中,太赫兹波天线决定着系统的核心参数,如信道容量、传输距离以及效率等。目前,天线主要有抛物天线、介质透镜天线、相控阵天线等。由于太赫兹波波长较短,太赫兹波段的天线尺寸都比较小,曲面天线的精度难以保证,导致其制作十分困难;同时,天线尺寸的限制使得相控阵天线的布线十分困难。此外,由于目前太赫兹波发射源的发射功率普遍不高,使得太赫兹波束调控天线的天线效率也十分重要,较高的天线效率有助于提升整个系统的稳定性和鲁棒性。因此,太赫兹波段的高效率无源式平面天线研究成为一大亟待解决的难点。针对以上问题,本文围绕“太赫兹波高效率的平面波束调控天线”这一主题,展开了研究,主要内容如下:（1）设计了一个中心频率为0.1 THz的透射式的太赫兹波束调控天线,其波束调控角度可以达到±30°。该天线由两层平面式超表面偏折器组成,通过对超表面单元进行优化,超表面单元的绝对带宽达到9.5 GHz,相对带宽达到9.5%,超表面单元在频率带范围内平均插入损耗为-1.5 d B。由此超表面单元形成的超表面的效率可以达到80%以上,整体天线效率可以达到61%。（2）为提高天线效率,设计了一个高效率反射式的太赫兹波偏折器件。由于反射式超表面相对透射式的超表面具有天然的高反射效率,因此使用了反射式超表面的设计。此外,通过阻抗匹配理论,对反射式的超表面进行优化,将反射效率进一步提高。依据阻抗匹配进行优化的超表面,在工作频率0.34 THz,反射角为27°时,反射效率超过了90%。同未经过阻抗匹配优化的线性相位梯度的超表面相比,反射效率提高了接近一倍。此后为验证本设计的实用性,本文结合电子束蒸发镀膜工艺与光刻、剥离工艺制备了经过优化与未经过优化的两种超表面并进行对比。实验结果表明经过阻抗匹配优化的反射式超表面的效率达到了58.29%。而未经阻抗匹配优化的线性梯度超表面的效率为10.06%,经过优化的反射式超表面的效率提高了4.7倍。针对实验结果与理论的差距,分析了设计与实验产生误差的原因。
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