【摘要】：隨著太赫茲技術(shù)發(fā)展的需求,人工微結(jié)構(gòu)在太赫茲波段中的應(yīng)用逐漸受到研究界的關(guān)注。例如等離子激元諧振天線和超材料在實(shí)現(xiàn)各種太赫茲功能器件中己經(jīng)嶄露頭角。本論文主要研究編碼和可編程超材料對太赫茲波的調(diào)控及多晶硅諧振天線在太赫茲探測增強(qiáng)中的應(yīng)用。論文主要內(nèi)容包括以下三個(gè)方面:第一:編碼超材料對傳輸型太赫茲波的調(diào)控。之前編碼超材料的工作大多集中于反射結(jié)構(gòu),它易與制備,并可減少表面的雷達(dá)散射截面。但對于通信和成像系統(tǒng),傳輸型結(jié)構(gòu)也非常常見。為此,我們利用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種傳輸型編碼超表面,在工作頻率區(qū)間,兩個(gè)單元雖然工作于不同諧振模式,但頻率和傳輸系數(shù)相同,位相差為180度。我們首先在微波段制備了該器件,測量到波束分裂的結(jié)果,測試結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合。然后,我們利用本實(shí)驗(yàn)室制備的多層柔性聚酰亞胺襯底進(jìn)行了太赫茲波段編碼超材料的樣品制備和測量。利用太赫茲時(shí)域光譜(TDS)系統(tǒng)測量了該編碼超表面,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面該柔性超表面在1.2 THz對于入射太赫茲波則具有波束分裂效果,證明我們成功地制備出傳輸型太赫茲編碼超表面。第二:相比于編碼超材料,可編程超材料可靈活調(diào)節(jié)超表面單元的電磁波響應(yīng),從而改變空間波束的分布。本工作利用液晶的雙折射效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種可編程太赫茲超材料。在實(shí)驗(yàn)過程中,摸索出一套陣列化液晶超材料器件的加工步驟。首先我們制備出一款太赫茲波幅度調(diào)制器。在TDS和連續(xù)波(CW)系統(tǒng)測試了超材料器件對應(yīng)液晶有/無偏置電壓的頻率響應(yīng),兩套測試系統(tǒng)的結(jié)果均顯示超材料器件對THz波有很強(qiáng)的幅度調(diào)制效果。我們還設(shè)計(jì)、加工、表征了一種基于液晶材料和FPGA控制電路的可編程THz編碼超表面波束掃描陣列。測量了該超材料對于不同入射角激勵(lì)的頻率響應(yīng)。實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本符合,顯示該超表面波束掃描陣列陣具有較好的空間波束調(diào)控功能作用,這類結(jié)果目前國際上鮮有報(bào)道。第三:多晶硅材料諧振天線在太赫茲探測增強(qiáng)中的應(yīng)用。CMOS工藝具有技術(shù)成熟,集成度高的優(yōu)點(diǎn),但工藝過程中需要盡量減少重金屬的引入。為此,我們設(shè)計(jì)了一種基于摻雜多晶硅材料的太赫茲波段諧振天線,優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)尺寸與材料參數(shù)使天線在650 GHz具有最強(qiáng)的局域場增強(qiáng)值,并分析了材料摻雜濃度與場增強(qiáng)的關(guān)系。我們還測試了利用CMOS制備的該天線與太赫茲探測單元集成的探測器,其噪聲等效功率為200 pw/Hz1/2,與文獻(xiàn)中報(bào)道的其它類型的室溫太赫茲檢測器的性能相當(dāng)。說明提出的多晶硅天線可以與場效應(yīng)管很好地集成并在太赫茲檢測器中起到效率提升的作用。我們還利用偶極子天線的電路模型分析了諧振天線場增強(qiáng)特性和材料等離子頻率與碰撞頻率關(guān)系。模擬仿真了由優(yōu)化的多晶硅天線構(gòu)成的二單元天線陣性能,提出了一種具有工藝可行性的降低陣元間串?dāng)_的方法。
【圖文】：

印制電路板上正面ＳＲＲ環(huán)與背面直線的組合形式。將單元結(jié)構(gòu)組成如圖丨－１邋（ｃ）逡逑所示的陣列形式后放置在圖１－１邋（ｄ）中所示的樣品位置，，可以通過該實(shí)驗(yàn)裝置檢逡逑測到由人工電磁材料折射的電磁波與入射電磁波在介質(zhì)分界面法線同側(cè)的同側(cè)，逡逑因此證明了平面超材料結(jié)構(gòu)的負(fù)折射效應(yīng)與雙負(fù)的材料特性。逡逑ａｂＷ逡逑

各種基于超材料的電磁功能性器件如完美吸波器［２４］［２５］，超材逡逑料透鏡［２６］［２７］，人工表面等離子激元［２８］，超分辨率成像［２９］等相繼面世，并實(shí)逡逑現(xiàn)了很多傳統(tǒng)電磁器件所難以實(shí)現(xiàn)的功能。圖１－３邋（ａ）中為寬角度，寬頻帶的平逡逑面化倫伯格透鏡的實(shí)測空間波束調(diào)控效果［２６〗。通過改變介質(zhì)波導(dǎo)饋源在透鏡后逡逑的位置，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)過透鏡后的偏轉(zhuǎn)波束在較寬的角度空間范圍掃描的效果。該逡逑設(shè)計(jì)還具有寬頻帶效果，對于７－１５邋ＧＨｚ電磁波都有波束偏轉(zhuǎn)效果。圖１－３邋（ｂ）中逡逑為Ｎ．邋Ｌａｎｄｙ于２００７年提出的完美超材料吸波器的結(jié)構(gòu)模型與實(shí)測結(jié)果［２５］。通逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB34;O441.4

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本文編號(hào)：2680285