李光明 李詮娜 孫曉磊

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266199）

1 引言

太赫茲（THz）技術(shù)在通信和靈敏探測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。極化可重構(gòu)天線作為一種太赫茲器件，能夠有效降低信號(hào)損失并抵抗多徑效應(yīng)。傳統(tǒng)的天線極化轉(zhuǎn)換會(huì)采用雙折射材料、晶體、光柵等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的極化狀態(tài)［1～4］，這些方法存在損耗大且需要改變物理結(jié)構(gòu)等局限性。近年來(lái)，THz 偏振轉(zhuǎn)換超表面（Polarization Conversion Meta-surface，PCM）成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。其中超材料（Meta-material，MM）和超表面（Meta-surface，MS）具有更輕量化的結(jié)構(gòu)和更好的性能，因此它們被廣泛應(yīng)用于微納器件，如傳感器、天線。也有的設(shè)計(jì)將它們作為一種偏振轉(zhuǎn)換的方法，如線性-圓形［5］變換器，然而這些設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)缺乏可調(diào)性，于是當(dāng)前人們已經(jīng)在研究可調(diào)的PCM。

本文設(shè)計(jì)的天線使用的核心材料是可以調(diào)節(jié)電導(dǎo)率的石墨烯層和新型TOPAS 聚合物材料層。石墨烯是由碳原子在蜂窩狀晶格中形成的一種二維材料，其主要優(yōu)點(diǎn)是它的表面電導(dǎo)率可以通過(guò)改變費(fèi)米能量來(lái)調(diào)節(jié)。通過(guò)偏置門控結(jié)構(gòu)［6］施加橫向電場(chǎng)，費(fèi)米能級(jí)可以在±1.0 eV 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而改變石墨烯的電導(dǎo)率，這使得它成為設(shè)計(jì)可調(diào)諧器件的合適材料。因此，基于石墨烯的PCM 有很好的的可調(diào)性，但是石墨烯PCM［7～10］往往具有單極化特性，其功能仍然受到限制。一種很有前景的方法是將天線與石墨烯PCM 相結(jié)合，在一個(gè)工作頻帶可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的線極化和圓極化特性，進(jìn)而可以改善當(dāng)前大多數(shù)小型化可重構(gòu)諧振天線只有一個(gè)頻段，不能同時(shí)工作在具有不同偏振態(tài)雙頻帶的問(wèn)題。

TOPAS 聚合物的全稱為TOPAS 環(huán)烯烴共聚物（TOPAS COC）［11］。環(huán)烯烴共聚物（COC）是一種新型的光學(xué)熱塑性塑料，具有高光學(xué)透射率、低雙折射和低吸濕性等優(yōu)異性能。TOPAS吸收率極低，在太赫茲波引導(dǎo)方面具有潛在的應(yīng)用前景。TOPAS還對(duì)大多數(shù)酸性溶劑有優(yōu)良的耐受性，這些特性使其成為寬帶太赫茲光學(xué)元件和寬帶太赫茲光譜基板的理想選擇，包括窗口材料和波導(dǎo)。當(dāng)今也有許多關(guān)于使用TOPAS 材料的器件的研究，包括使用TOPAS 和VO2的吸波器［12］，這些器件的工作帶寬都有顯著的改善。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 PCM單元設(shè)計(jì)

PCM 單元的原理圖如圖1 所示，它是一個(gè)由7層組成的反射結(jié)構(gòu)。從正面到背面依次為金圖層、硝酸硅層、二氧化硅層、1 號(hào)石墨烯層、TOPAS 層、2號(hào)石墨烯層、金反射層。PCM單元的最優(yōu)幾何參數(shù)如表1所示。

表1 PCM單元的最優(yōu)幾何參數(shù)

圖1 PCM單元結(jié)構(gòu)

調(diào)整參數(shù)的主要目的是使PCM 單元與天線的工作頻率相匹配，以提高PCM 單元的性能（獲得更高的極化轉(zhuǎn)換比（PCR）和更寬的工作帶寬）。采用Ansys 高頻結(jié)構(gòu)模擬器（HFSS）商用軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。具體來(lái)說(shuō)，單個(gè)參數(shù)t1、t2和p的影響會(huì)影響PCR 兩個(gè)峰頻點(diǎn)之間的距離，w1 和w2 會(huì)影響PCR右峰的位置和高度，其他參數(shù)會(huì)影響PCR兩個(gè)峰的高度。

2.2 太赫茲雙頻天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示，襯底材質(zhì)是Rogers 4350。上層由矩形金屬貼片和金屬饋線組成，底層包含矩形金屬。天線最優(yōu)幾何參數(shù)如表2所示。

表2 雙頻太赫茲天線的最優(yōu)幾何參數(shù)

圖2 雙頻太赫茲天線結(jié)構(gòu)及1 THz和2.5 THz下的三維輻射方向圖

2.3 PCM-天線組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 為3×3 PCM 結(jié)構(gòu)和天線-PCM 混合結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換圖。在這項(xiàng)工作中，天線與PCM 的最優(yōu)距離為200μm（圖3 中的H），這一距離會(huì)影響器件歸一化橢圓度（χ）的性能。如圖所示，Y 偏振波垂直入射到PCM 陣列上，反射波的偏振狀態(tài)在改變之后可以在X偏振和Y偏振之間切換。

圖3 天線-PCM混合結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換示意圖

3 結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 PCM單元性能

在y 偏振入射波下，PCM 單元在1THz 和2.5THz 附近的性能如圖4 的（a）、（b）所示。同時(shí)調(diào)整兩個(gè)石墨烯層的費(fèi)米能級(jí)，將狀態(tài)1 設(shè)置為0.0 eV，狀態(tài)2 設(shè)置為0.5eV。偏振轉(zhuǎn)換率（Polarization Conversion Ratio，PCR）用式（1）描述，其中|rxy|和|ryy|分別表示交叉系數(shù)和共極化系數(shù)。PCR 接近1表示y 線極化波被表面反射后轉(zhuǎn)化為x 線極化波。PCR接近0表示y極化波仍為y極化。PCR接近0.5說(shuō)明x 極化波和y 極化波的振幅相同。從圖4 中可以看出，對(duì)于狀態(tài)1，PCR 在0.76THz～1.02THz（0.26THz 帶寬）和2.43THz～2.6THz（0.17THz 帶寬）波段分別有兩個(gè)峰值，分別為0.99 和0.97，說(shuō)明入射的y 極化波經(jīng)PCM 反射后轉(zhuǎn)化為x 極化波；對(duì)于狀態(tài)2，PCR 在0.76THz～1.02THz 波段小于0.1，說(shuō)明入射的y 極化波經(jīng)PCM 反射后仍為極化波；在2.48THz～3.04THz波段約為0.5，說(shuō)明在2.5THz附近反射電磁波為圓極化波。

圖4 PCM單元不同狀態(tài)的極化轉(zhuǎn)換率和表面電流分布

為研究PCM 單元背后的工作原理，模擬了在1.0THz 和2.5THz 共振頻率下，在狀態(tài)1 和y 極化入射波下，底部和頂部金屬層上的表面電流分布，結(jié)果如圖4（c）所示?？梢钥闯觯讓由献顝?qiáng)的電流密度沿著與X 軸成45°（1.0THz）和-135°（2.5THz）角的二次對(duì)角線上的槽（在第二石墨烯層上），在1.0THz 和2.5THz 下，兩層上的表面電流彼此相反。換言之，它們?cè)谥虚g電介質(zhì)襯底上形成電流環(huán)，該等效循環(huán)電流驗(yàn)證了器件的磁共振。這種共振對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率和寬帶至關(guān)重要，感應(yīng)磁響應(yīng)始終與入射極化波成45°，磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)垂直分量Hx 和Hy。Hx 垂直于入射電場(chǎng)E，由于入射磁場(chǎng)和反射磁場(chǎng)方向相同，因此不存在交叉耦合。Hy平行于入射電場(chǎng)E，產(chǎn)生垂直于入射電場(chǎng)E 的感應(yīng)電場(chǎng)，因此入射波可以轉(zhuǎn)換為正交極化。

3.2 太赫茲雙頻天線性能

圖5（a）中的藍(lán)線為天線的反射系數(shù)，表明是具有兩個(gè)諧振頻率（1THz 和2.5THz）的雙頻太赫茲天線，與PCM 的工作帶寬相匹配。從紅線可以看出，天線的軸向比在0.5THz～3THz 的范圍內(nèi)保持在25dB 以上，說(shuō)明天線產(chǎn)生的電磁波是線極化的。從圖5（b）可以看出，X 方向的增益與總增益大致相同，但Y 方向的增益非常低。這意味著天線可以發(fā)射X 方向的線極化波。因此，我們采用如圖3 所示的基于天線和PCM陣列的混合結(jié)構(gòu)。

圖5 雙頻太赫茲天線的反射系數(shù)、軸比和方向增益及總增益

3.3 PCM-天線組合結(jié)構(gòu)性能

天線-PCM 混合結(jié)構(gòu)的性能如圖6 所示。在此僅關(guān)注在1THz 附近的性能，這里用歸一化橢圓度（χ）來(lái)判斷器件在工作頻段的圓偏振特性。χ可以描述如下：

式中Δφxy為相位差，χ接近1 表示左圓極化（LCP），接近-1 表示RCP，因?yàn)閳A極化波需要滿足極化波幅值相等和相位差相等這兩個(gè)要求。狀態(tài)1 時(shí)，1THz 附近的PCR 如圖6（a）所示，分為兩個(gè)頻段：

1）0.7THz～0.75THz 頻段的PCR 在0.65 左右，說(shuō)明此時(shí)共極化和交叉極化反射系數(shù)相似。藍(lán)線表示相位差在-90°左右，說(shuō)明在這個(gè)頻段會(huì)產(chǎn)生RCP波。同時(shí)，圖6（b）表示該波段的χ接近于-1。

2）PCR 在0.96THz～1.04THz 頻段約為0.58，相位差約為90°和-270°，表明該頻段會(huì)產(chǎn)生LCP 波，同時(shí)圖6（b）所示χ接近1。在狀態(tài)2 中，1THz 附近的PCR小于0.1，說(shuō)明天線的y極化波沒(méi)有轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過(guò)分析，產(chǎn)生這樣的特性是由于PCM 在1THz 處具有較高的PCR 特性（圖4（a）），將天線的Y 極化波轉(zhuǎn)化為相同振幅的X 極化波，同時(shí)與天線本身未轉(zhuǎn)化的Y 極化波相結(jié)合，形成圓極化波，使得組合結(jié)構(gòu)具有圓極化天線的特性。在狀態(tài)2 中，PCM 的低PCR 特性導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)中只有較少Y 極化波轉(zhuǎn)化為X 極化波。通過(guò)組合結(jié)構(gòu)的分析，可以發(fā)現(xiàn)與前面PCM 單元性能分析時(shí)一致的，這說(shuō)明天線和PCM陣列在性能上不會(huì)相互干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并研究了一種組合型雙頻極化可重構(gòu)THz 天線。利用石墨烯和TOPAS 材料實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧極化轉(zhuǎn)換功能。通過(guò)改變兩個(gè)石墨烯層的費(fèi)米能量，可以在不改變物理結(jié)構(gòu)的情況下調(diào)整極化特性。仿真結(jié)果表明，該天線與PCM 陣列在性能上沒(méi)有相互干擾，在可調(diào)諧THz系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力。