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随着太赫兹科学与技术的高速发展，太赫兹无线通信也成为了太赫兹科学研究的重要分支，如何对太赫兹信号进行高速有效的调制也成为了太赫兹无线通信中亟待解决的问题。本文分析调研了国内外太赫兹高速调制器件的最新进展；设计研究了基于Meta超材料的双层透射式太赫兹极化转换器，实现了良好极化转换效果的透射式太赫兹极化转换器；研究基于Meta超材料结构的高Q元面，实现了基于尖端耦合效应的高Q值元面设计；试验加工完成了具有良好工作效果的HEMT（高电子迁移率晶体管）单管。在完成上述理论和试验的准备后，本文通过将加载了HEMT的人工微结构单元置入波导传输线中，控制HEMT的通断实现人工微结构单元的重构从而对波导传输线中传输的电磁波进行调制。经过理论研究、仿真模拟和实验加工，初步完成了具有高速调制效果的波导加载高速太赫兹调制器研制。并基于该调制器搭建了一套部调制的太赫兹无线通信系统，对器件的各种性能进行了实验测试，验证了该系统的可行性。本论文的主要研究内容如下：
1.提出了一种基于Meta超材料的双层透射式太赫兹极化转换器。通过理论分析和模拟仿真，研究了Meta超材料结构的电磁响应特性，以及单元结构对极化转换器的带宽及极化转换效率的影响，实验验证了在0.25～0.65THz范围内，极化转换效率超过75%，在0.43THz附近，转换效率最高可达90%。针对极化转换器对入射波极化方向敏感问题，提出基于任意角度入射的太赫兹极化转换器的结构，完成了模拟研究与实验测试，实验结果证实了该极化转换器在0.9THz附近对于任意角度入射的太赫兹波均可进行良好的极化转化。
2.从人工微结构中的谐振模式出发，分析比较了产生高Q值方法的有效性，提出将Meta超材料中金属三角形进行旋转，以获得高Q值。通过仿真模拟和理论分析了尖端距离和电荷积累对尖端电场和Q值的影响，发现当旋转角度接近75°时，可以获得强耦合，使得Q值得到有效提高，并通过试验证实了上述理论的正确性。
3.通过分析比较，选定微带线和共面波导作为加载调制单元的传输线，其中央传输线既可以引导太赫兹波传输能量，又可以将调制信号加载至HEMT晶体管中，从而降低了结构设计的复杂程度，降低了设计加工中的困难。根据实际需求设计出了220GHz的波导微带传输线。通过理论和仿真研究了在传输线上加载不同结构对电磁传输特性的影响。在此基础上修改并优化出实际可以加载HEMT结构的调制单元结构，将调制单元加载于微带传输线上后对整体结构进行了仿真模拟，论证了其可行性，将仿真模型转换为实际加工模型，完成了试验用腔体的装配。且在220GHz微带调制器的基础上，进一步设计和仿真310GHz的共面波导高速调制器，并完成了加工和装配。
4.对加工完成的太赫兹高速波导调制器，进行了静态和动态测试两套测试。静态测试主要是测试器件的静态性能。而动态测试能分析得到波导加载高速太赫兹调制器的调制深度，调制速率等重要指标。最终实验证实220GHz微带调制器对于单频点信号具有最高调制速率38GHz的能力。随后对太赫兹通信系统中的各部分进行了进一步的测试分析，证明基于该调制器的无线通信系统可以实现1.7-3.7GHz的基带信号的传输，已经可以满足太赫兹无线通信系统的基本需求。而310GHz共面波导调制器在静态测试中，共面波导调制器获得了预期中良好的3dB带宽，最高调制幅度也有接近20dB。但是在动态测试中，在调制速率为0.1GHz时可以获得良好的调制效果，调制深度接近90%。然而在调制信号速率提升后调制深度急速衰减，在调制速率达到1GHz后，调制深度降至10%，需要更进一步改进设计方案。
本论文的研究成果有望在太赫兹通信、医疗成像、安检、雷达、遥测、航空航天等领域得到较大的发展与应用。
1.提出了一种基于Meta超材料的双层透射式太赫兹极化转换器。通过理论分析和模拟仿真，研究了Meta超材料结构的电磁响应特性，以及单元结构对极化转换器的带宽及极化转换效率的影响，实验验证了在0.25～0.65THz范围内，极化转换效率超过75%，在0.43THz附近，转换效率最高可达90%。针对极化转换器对入射波极化方向敏感问题，提出基于任意角度入射的太赫兹极化转换器的结构，完成了模拟研究与实验测试，实验结果证实了该极化转换器在0.9THz附近对于任意角度入射的太赫兹波均可进行良好的极化转化。
2.从人工微结构中的谐振模式出发，分析比较了产生高Q值方法的有效性，提出将Meta超材料中金属三角形进行旋转，以获得高Q值。通过仿真模拟和理论分析了尖端距离和电荷积累对尖端电场和Q值的影响，发现当旋转角度接近75°时，可以获得强耦合，使得Q值得到有效提高，并通过试验证实了上述理论的正确性。
3.通过分析比较，选定微带线和共面波导作为加载调制单元的传输线，其中央传输线既可以引导太赫兹波传输能量，又可以将调制信号加载至HEMT晶体管中，从而降低了结构设计的复杂程度，降低了设计加工中的困难。根据实际需求设计出了220GHz的波导微带传输线。通过理论和仿真研究了在传输线上加载不同结构对电磁传输特性的影响。在此基础上修改并优化出实际可以加载HEMT结构的调制单元结构，将调制单元加载于微带传输线上后对整体结构进行了仿真模拟，论证了其可行性，将仿真模型转换为实际加工模型，完成了试验用腔体的装配。且在220GHz微带调制器的基础上，进一步设计和仿真310GHz的共面波导高速调制器，并完成了加工和装配。
4.对加工完成的太赫兹高速波导调制器，进行了静态和动态测试两套测试。静态测试主要是测试器件的静态性能。而动态测试能分析得到波导加载高速太赫兹调制器的调制深度，调制速率等重要指标。最终实验证实220GHz微带调制器对于单频点信号具有最高调制速率38GHz的能力。随后对太赫兹通信系统中的各部分进行了进一步的测试分析，证明基于该调制器的无线通信系统可以实现1.7-3.7GHz的基带信号的传输，已经可以满足太赫兹无线通信系统的基本需求。而310GHz共面波导调制器在静态测试中，共面波导调制器获得了预期中良好的3dB带宽，最高调制幅度也有接近20dB。但是在动态测试中，在调制速率为0.1GHz时可以获得良好的调制效果，调制深度接近90%。然而在调制信号速率提升后调制深度急速衰减，在调制速率达到1GHz后，调制深度降至10%，需要更进一步改进设计方案。
本论文的研究成果有望在太赫兹通信、医疗成像、安检、雷达、遥测、航空航天等领域得到较大的发展与应用。