论文部分内容阅读
随着当代社会对通信网络传输速率的需求不断增长，各种太赫兹(THz)技术应运而生。石墨烯作为一种新兴的二维材料，其独特的强可调、高电子迁移率等光电特性，使其成为了THz频段乃至中红外频段通信器件的重要研究焦点。并且伴随着纳米加工、制备技术以及集成光电子学的不断发展，石墨烯材料在THz技术研发与器件制造中已开始逐步应用，使得THz器件的性能大幅度提升，为人类社会的发展进步做出了重要贡献。
在THz频段中，虽然可利用的频谱与带宽资源更加丰富，但由于其苛刻的工艺要求，使得传统贵金属材料的应用弊端逐渐凸显。首先，THz频段的器件在工艺上已然达到微米乃至纳米级别，此时贵金属材料的厚度需进一步下降，趋近于二维厚度的材料范畴。但由于贵金属材料表面此时容易产生裂纹，因此接近二维厚度的传统贵金属材料并不适用于制造THz器件。其次，若是过度地降低传统贵金属材料的厚度和尺寸，材料本身的电子迁移率也将无法满足需求，使得所研制的THz器件工作效率低下。基于此类背景和需求，THz技术的科研工作者们将目光聚焦于石墨烯材料。石墨烯材料在THz频段具备稳定的结构和相对较高的电子迁移率，并且材料表面不容易出现裂纹，因此其所研制的THz器件工作效率明显优于传统贵金属材料所研制的THz器件。另外，由于THz器件的制造往往伴随着昂贵的研究成本，而石墨烯材料具备着独特的强可调光电特性，使得利用石墨烯材料所制造的THz器件具有更加灵活的应用场景，在某些特定的应用需求下，可以不需要再重复制造THz器件，从而大大降THz器件的生产和研发成本。
众所周知，漏波天线具有随频率变化而扫描主辐射波束的能力，且天线还具有易集成、高增益、低成本等优点，因此受到了科研工作者们的广泛关注。现如今，传统漏波天线主要应用于微波频段的无线通信系统中，但由于传统漏波天线辐射波束角度的范围受限，一般仅能实现前向或后向的上半空间辐射。近年来，具有人工可重构电磁特性的复合左右手(CompositeRight/LeftHanded，简称CRLH)材料的提出，给漏波天线技术带来了飞速发展的机遇。将CRLH电磁材料应用于漏波天线的设计中，有望突破传统漏波天线的辐射范围限制，使得漏波天线主辐射波束的扫描范围涵盖全上半空间。然而，传统漏波天线和CRLH漏波天线的波束扫描能力皆以较宽的频谱占用为代价，因此在微波和毫米波频段中，由于无线系统的频谱资源日益紧张，该天线的频谱制约问题日益严重。
鉴于上述原因，为紧跟世界前沿科研脚步，同时进一步突破现今CRLH漏波天线所受的频谱限制，本文对THz频段的CRLH漏波天线进行了探索。通过对基于石墨烯材料的平面型传输线结构进行重构，本文提出了两种实现THzCRLH漏波天线的简单拓扑结构方案，可将CRLH漏波天线的工作频段搬迁至频谱和带宽资源更加丰富的THz频段，并对其进行了详细的研究。
在以往诸多对THz技术和应用的研究中，通常还需对很多THz基础器件拥有足够的理论研究基础，例如THz传输线等。究其原因，是因为在很多应用传输线等基础结构的THz器件数值仿真方法中，为使算法达到收敛，往往需要提前获得较为精准的初值。另外，传输线基础理论的研究，不仅可以为数值仿真算法提供较为精准的初值，还可为探索新型基于传输线结构的THz频段器件及其功能提供可靠的理论指导，促进THz技术和应用研究的进步。受之前阶段关于CRLH漏波天线研究的启发，容易发现由于石墨烯共面传输线可大大降THz频段人工复合电磁器件的制造难度，例如CRLH漏波天线等，因此其在THz频段具备极大的应用潜力和价值。但在目前的文献中，针对石墨烯共面型传输线结构的理论研究基础暂时空缺，并未有着相关文献对其传播机理开展研究工作。因此，本文对基于空间色散石墨烯材料的二维(平面型)传输线结构进行了系统且深入的理论研究和公式推导分析了各项参数对于其传播常数和单位长度等效电路各集总元件的影响，得出的结论对于未来的THz纳米电磁器件研究有着重要的指导意义。
本文所开展的研究工作主要围绕基于石墨烯材料的二维传输线结构，利用电磁仿真软件与理论分析相结合的方法，对传输线的基模传播机理与CRLH漏波天线应用进行了详细的研究。论文研究内容主要包含如下三个方面:1.提出了一种实现THzCRLH漏波天线的简单拓扑结构方案，该THzCRLH漏波天线具备主辐射波束随频率变化扫描范围涵盖整个上半象限自由空间的能力。所提出的天线模型由加入周期性间隙的单层石墨烯薄片和硅基衬底构成，其石墨烯薄片工作在电场幅度呈横向谐振分布的TE模式表面等离激元中。研究表明，该THz漏波天线的传播常数具有频变的负数和正数数值，并且在THz频段下，该天线在整个上半象限自由空间中均具备由边射到端射的主辐射波束转向能力。因此该漏波天线可被视为CRLH漏波天线，能够利用CRLH漏波天线理论进行分析。本文利用色散关系公式和等效CRLH电路模型理论，详细分析了该THz漏波天线的基本工作原理。通过数值仿真方法，验证了该THz漏波天线的色散关系，并确认了该天线确实具备频变可扫描能力。所提出的设计方案实现了一种特殊的CRLH漏波天线，具有巨大的潜在应用价值。
2.提出了一种实现THz基模CRLH漏波天线的新颖方案，该CRLH漏波天线由基于石墨烯的共面波导型传输线单位单元重构而得到的，其拓扑结构简单，具有较低的制造、激励和阻抗匹配难度，并且还展现出了可与其他微米乃至纳米级设备集成的可能性。天线的信号线通过窄直/曲状的石墨烯条接地以实现并联电感，并且沿着信号线周期性地添加平行板以获得串联电容。论文详细介绍了该漏波天线的色散特性，容易发现工作频率变化时，天线同时具有左手和右手区域。使用数值仿真方法验证了该漏波天线的色散关系和辐射特性，通过观察仿真得到的远场辐射图，该天线的主辐射波束转向能力得到了证实。由于应用了石墨烯材料，该漏波天线还具有很强的可调特性，而常规贵金属CRLH漏波天线则不具备这种特性。与先前文献中提出的THz频段CRLH漏波天线相比，本文提出的基于石墨烯的共面波导型CRLH漏波天线以准TEM模式工作而非高阶模，因此这种天线对于THz波束控制天线的开发具有重要的指导意义。
3.详细研究了不同的基于石墨烯的二维传输线在THz下所支持的主模传播机理。通过引入椭圆积分，可以从所提出的传播于各独立石墨烯带状线间的强耦合TM模表面等离激元机理中，获得不同基于石墨烯的传输线中等离激元的复波数解析表达式。此外，本文引入了不同石墨烯共面传输线的每单位长度的等效电路，研究了它们的有效TM模式等效电路集总元件与石墨烯表面电导率之间的解析关系。同样地，论文还进一步深入分析了不同石墨烯共面传输线中不同的模型参数对波数和电路集总元件的影响。所推导的解析表达式可揭示空间色散等离激元的传播常数与石墨烯本身固有性质有关的重要机理。通过详细介绍石墨烯共面传输线的传播常数与等效电路的特征，显示出了石墨烯共面传输线在未来的THz频段基于石墨烯的纳米电磁和纳米光子器件中的巨大应用潜力。
综上所述，本论文主要围绕石墨烯二维传输线，着重于开发和探索新型THz频段CRLH漏波天线方案，并且对以石墨烯共面型传输线为代表的石墨烯二维传输线结构的主模传播机理进行了详细的理论分析和研究。因此，本文的主要创新点可提炼如下:1.首次提出了基于石墨烯材料的单层薄片型传输线重构而得的THz频段CRLH漏波天线。提出的CRLH漏波天线工作于电场幅度呈谐振分布的TE模式下，可在THz频段表现出明显的CRLH漏波特性。此外，不同于传统微波CRLH漏波天线，该天线无需再引入复杂的纳米过孔工艺来获得并联电感元件，满足THz技术工艺要求，可为THz频段CRLH漏波天线的研究提供良好的指导意义。
2.首次提出了基于石墨烯材料的共面波导型传输线结构的THz频段CRLH漏波天线。该天线可工作于准TEM模式下，可在THz频段表现出明显的CRLH漏波特性，其结构与微波频段的共面波导型CRLH漏波天线结构相同，便于进行激励与阻抗匹配。通过采用石墨烯材料，可使天线工作于THz频段，且同样无需引入复杂的纳米过孔工艺，满足THz技术工艺要求。此外，石墨烯材料的应用可为该天线提供传统贵金属CRLH漏波天线所无法实现的超强可调控特性，其波束转向能力、中心频率、辐射效率皆可由石墨烯自身参数来进行调节。
3.首次推导和研究了石墨烯二维传输线结构的传播常数和单位长度等效电路模型的解析表达式，其中以石墨烯共面带状线和石墨烯共面波导两种结构为主要研究内容。该表达式首次揭示了石墨烯共面传输线的内在传播机理和单位长度等效电路与空间色散石墨烯表面电导率的关系，填补了目前石墨烯共面传输线结构的理论基础的研究空缺，为THz频段基于石墨烯共面传输线的技术和器件研发提供了可靠的理论指导。
在THz频段中，虽然可利用的频谱与带宽资源更加丰富，但由于其苛刻的工艺要求，使得传统贵金属材料的应用弊端逐渐凸显。首先，THz频段的器件在工艺上已然达到微米乃至纳米级别，此时贵金属材料的厚度需进一步下降，趋近于二维厚度的材料范畴。但由于贵金属材料表面此时容易产生裂纹，因此接近二维厚度的传统贵金属材料并不适用于制造THz器件。其次，若是过度地降低传统贵金属材料的厚度和尺寸，材料本身的电子迁移率也将无法满足需求，使得所研制的THz器件工作效率低下。基于此类背景和需求，THz技术的科研工作者们将目光聚焦于石墨烯材料。石墨烯材料在THz频段具备稳定的结构和相对较高的电子迁移率，并且材料表面不容易出现裂纹，因此其所研制的THz器件工作效率明显优于传统贵金属材料所研制的THz器件。另外，由于THz器件的制造往往伴随着昂贵的研究成本，而石墨烯材料具备着独特的强可调光电特性，使得利用石墨烯材料所制造的THz器件具有更加灵活的应用场景，在某些特定的应用需求下，可以不需要再重复制造THz器件，从而大大降THz器件的生产和研发成本。
众所周知，漏波天线具有随频率变化而扫描主辐射波束的能力，且天线还具有易集成、高增益、低成本等优点，因此受到了科研工作者们的广泛关注。现如今，传统漏波天线主要应用于微波频段的无线通信系统中，但由于传统漏波天线辐射波束角度的范围受限，一般仅能实现前向或后向的上半空间辐射。近年来，具有人工可重构电磁特性的复合左右手(CompositeRight/LeftHanded，简称CRLH)材料的提出，给漏波天线技术带来了飞速发展的机遇。将CRLH电磁材料应用于漏波天线的设计中，有望突破传统漏波天线的辐射范围限制，使得漏波天线主辐射波束的扫描范围涵盖全上半空间。然而，传统漏波天线和CRLH漏波天线的波束扫描能力皆以较宽的频谱占用为代价，因此在微波和毫米波频段中，由于无线系统的频谱资源日益紧张，该天线的频谱制约问题日益严重。
鉴于上述原因，为紧跟世界前沿科研脚步，同时进一步突破现今CRLH漏波天线所受的频谱限制，本文对THz频段的CRLH漏波天线进行了探索。通过对基于石墨烯材料的平面型传输线结构进行重构，本文提出了两种实现THzCRLH漏波天线的简单拓扑结构方案，可将CRLH漏波天线的工作频段搬迁至频谱和带宽资源更加丰富的THz频段，并对其进行了详细的研究。
在以往诸多对THz技术和应用的研究中，通常还需对很多THz基础器件拥有足够的理论研究基础，例如THz传输线等。究其原因，是因为在很多应用传输线等基础结构的THz器件数值仿真方法中，为使算法达到收敛，往往需要提前获得较为精准的初值。另外，传输线基础理论的研究，不仅可以为数值仿真算法提供较为精准的初值，还可为探索新型基于传输线结构的THz频段器件及其功能提供可靠的理论指导，促进THz技术和应用研究的进步。受之前阶段关于CRLH漏波天线研究的启发，容易发现由于石墨烯共面传输线可大大降THz频段人工复合电磁器件的制造难度，例如CRLH漏波天线等，因此其在THz频段具备极大的应用潜力和价值。但在目前的文献中，针对石墨烯共面型传输线结构的理论研究基础暂时空缺，并未有着相关文献对其传播机理开展研究工作。因此，本文对基于空间色散石墨烯材料的二维(平面型)传输线结构进行了系统且深入的理论研究和公式推导分析了各项参数对于其传播常数和单位长度等效电路各集总元件的影响，得出的结论对于未来的THz纳米电磁器件研究有着重要的指导意义。
本文所开展的研究工作主要围绕基于石墨烯材料的二维传输线结构，利用电磁仿真软件与理论分析相结合的方法，对传输线的基模传播机理与CRLH漏波天线应用进行了详细的研究。论文研究内容主要包含如下三个方面:1.提出了一种实现THzCRLH漏波天线的简单拓扑结构方案，该THzCRLH漏波天线具备主辐射波束随频率变化扫描范围涵盖整个上半象限自由空间的能力。所提出的天线模型由加入周期性间隙的单层石墨烯薄片和硅基衬底构成，其石墨烯薄片工作在电场幅度呈横向谐振分布的TE模式表面等离激元中。研究表明，该THz漏波天线的传播常数具有频变的负数和正数数值，并且在THz频段下，该天线在整个上半象限自由空间中均具备由边射到端射的主辐射波束转向能力。因此该漏波天线可被视为CRLH漏波天线，能够利用CRLH漏波天线理论进行分析。本文利用色散关系公式和等效CRLH电路模型理论，详细分析了该THz漏波天线的基本工作原理。通过数值仿真方法，验证了该THz漏波天线的色散关系，并确认了该天线确实具备频变可扫描能力。所提出的设计方案实现了一种特殊的CRLH漏波天线，具有巨大的潜在应用价值。
2.提出了一种实现THz基模CRLH漏波天线的新颖方案，该CRLH漏波天线由基于石墨烯的共面波导型传输线单位单元重构而得到的，其拓扑结构简单，具有较低的制造、激励和阻抗匹配难度，并且还展现出了可与其他微米乃至纳米级设备集成的可能性。天线的信号线通过窄直/曲状的石墨烯条接地以实现并联电感，并且沿着信号线周期性地添加平行板以获得串联电容。论文详细介绍了该漏波天线的色散特性，容易发现工作频率变化时，天线同时具有左手和右手区域。使用数值仿真方法验证了该漏波天线的色散关系和辐射特性，通过观察仿真得到的远场辐射图，该天线的主辐射波束转向能力得到了证实。由于应用了石墨烯材料，该漏波天线还具有很强的可调特性，而常规贵金属CRLH漏波天线则不具备这种特性。与先前文献中提出的THz频段CRLH漏波天线相比，本文提出的基于石墨烯的共面波导型CRLH漏波天线以准TEM模式工作而非高阶模，因此这种天线对于THz波束控制天线的开发具有重要的指导意义。
3.详细研究了不同的基于石墨烯的二维传输线在THz下所支持的主模传播机理。通过引入椭圆积分，可以从所提出的传播于各独立石墨烯带状线间的强耦合TM模表面等离激元机理中，获得不同基于石墨烯的传输线中等离激元的复波数解析表达式。此外，本文引入了不同石墨烯共面传输线的每单位长度的等效电路，研究了它们的有效TM模式等效电路集总元件与石墨烯表面电导率之间的解析关系。同样地，论文还进一步深入分析了不同石墨烯共面传输线中不同的模型参数对波数和电路集总元件的影响。所推导的解析表达式可揭示空间色散等离激元的传播常数与石墨烯本身固有性质有关的重要机理。通过详细介绍石墨烯共面传输线的传播常数与等效电路的特征，显示出了石墨烯共面传输线在未来的THz频段基于石墨烯的纳米电磁和纳米光子器件中的巨大应用潜力。
综上所述，本论文主要围绕石墨烯二维传输线，着重于开发和探索新型THz频段CRLH漏波天线方案，并且对以石墨烯共面型传输线为代表的石墨烯二维传输线结构的主模传播机理进行了详细的理论分析和研究。因此，本文的主要创新点可提炼如下:1.首次提出了基于石墨烯材料的单层薄片型传输线重构而得的THz频段CRLH漏波天线。提出的CRLH漏波天线工作于电场幅度呈谐振分布的TE模式下，可在THz频段表现出明显的CRLH漏波特性。此外，不同于传统微波CRLH漏波天线，该天线无需再引入复杂的纳米过孔工艺来获得并联电感元件，满足THz技术工艺要求，可为THz频段CRLH漏波天线的研究提供良好的指导意义。
2.首次提出了基于石墨烯材料的共面波导型传输线结构的THz频段CRLH漏波天线。该天线可工作于准TEM模式下，可在THz频段表现出明显的CRLH漏波特性，其结构与微波频段的共面波导型CRLH漏波天线结构相同，便于进行激励与阻抗匹配。通过采用石墨烯材料，可使天线工作于THz频段，且同样无需引入复杂的纳米过孔工艺，满足THz技术工艺要求。此外，石墨烯材料的应用可为该天线提供传统贵金属CRLH漏波天线所无法实现的超强可调控特性，其波束转向能力、中心频率、辐射效率皆可由石墨烯自身参数来进行调节。
3.首次推导和研究了石墨烯二维传输线结构的传播常数和单位长度等效电路模型的解析表达式，其中以石墨烯共面带状线和石墨烯共面波导两种结构为主要研究内容。该表达式首次揭示了石墨烯共面传输线的内在传播机理和单位长度等效电路与空间色散石墨烯表面电导率的关系，填补了目前石墨烯共面传输线结构的理论基础的研究空缺，为THz频段基于石墨烯共面传输线的技术和器件研发提供了可靠的理论指导。