鍍膜太赫茲聚合物管的傳輸特性研究

朵天波，陳 均，劉子辰，潘 武

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

鍍膜太赫茲聚合物管的傳輸特性研究

朵天波，陳 均，劉子辰，潘 武

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

設(shè)計(jì)了一種具有良好傳輸特性的太赫茲聚合物管。利用HFSS仿真分析太赫茲聚合物管的傳輸特性，其S參數(shù)較為理想，傳輸損耗小且傳輸系數(shù)大于0.96。但是太赫茲聚合物管的場分布中存在仿表面等離子體現(xiàn)象，這會(huì)使太赫茲聚合物管的傳輸特性劣化。進(jìn)而，采用三種不同的鍍膜方式對(duì)太赫茲聚合物管鍍金屬膜，發(fā)現(xiàn)鍍膜可以有效抑制太赫茲聚合物管場分布的仿表面等離子體現(xiàn)象，使場分布更均勻、更穩(wěn)定。并且，對(duì)比這三種鍍膜方式發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁鍍膜時(shí)太赫茲聚合物管的傳輸特性最優(yōu)，而內(nèi)外鍍膜時(shí)最差。因此，太赫茲聚合物管鍍膜宜優(yōu)先選用內(nèi)壁鍍膜，可以簡化工藝和降低成本。

太赫茲;聚合物管;仿等離子體;鍍膜

1 前 言

太赫茲波是指頻率在0.1～10 THz(波長為30～3000μm，1 THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁波。它在長波段與毫米波(亞毫米波)相重合，而在短波段，與紅外線相重合，可見，太赫茲波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置［1］。

隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，它在物理、化學(xué)、材料科學(xué)［2］、電子信息、生命科學(xué)、天文學(xué)、大氣與環(huán)境監(jiān)測［3］、國家安全［4］與通信等多個(gè)重要領(lǐng)域具有的獨(dú)特優(yōu)越性和巨大的應(yīng)用前景逐漸顯露。太赫茲波的傳輸是太赫茲通信系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要組成部分，由于太赫茲波在自由空間中的傳輸損耗很大，從某種意義上說很難對(duì)它加以引導(dǎo)和控制。把太赫茲輻射限制于一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用此方法可以更好地發(fā)揮太赫茲在尺寸、性能和多功能方面的巨大潛在優(yōu)勢［5］。因此，急需可以傳播太赫茲波的波導(dǎo)。

2 不同材料的太赫茲管

由于水蒸氣的吸收和大氣散射造成太赫茲能量在自由空間傳輸?shù)拇蠓p［6］。為減少能量損耗，很多研究機(jī)構(gòu)相繼深入開展了太赫茲波傳輸?shù)难芯?，波?dǎo)傳輸是其中最有前途的。目前，比較有實(shí)用價(jià)值的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要有四種:金屬波導(dǎo)、空心波導(dǎo)、光子晶體波導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)。

普通的光纖大多采用石英材料，太赫茲波在石英中的衰減很大，常規(guī)的石英光纖難以用作太赫茲波導(dǎo)。研究人員發(fā)現(xiàn)太赫茲波在聚合物中具有損耗低［7－8］、色散小的優(yōu)異傳輸特性。另外，聚合物還具有很好的柔韌性，且熔化溫度也比石英低得多，從而大大地降低了制作工藝的難度［9］。聚合物管是制作太赫茲波導(dǎo)的很好選擇。

本文選用三種聚合物作為聚合物管的材料，分別為Teflon，聚乙烯(polyethylene，PE)和聚苯乙烯(polystyrene，PS)，其介電常數(shù)εr分別為2.1，2.25，2.6。為了和金屬材料制成的金屬管比較，選取金(Au)、銀(Ag)、銅(Au)、鋁(Al)構(gòu)造相同幾何尺寸的金屬管，利用基于有限元法(FEM)的專業(yè)仿真軟件HFSS進(jìn)行分析。

圖1 管在不同金屬和聚合物材料下的S參數(shù)Fig.1 The S parameters for tube with differentmetal and polymermaterials

從圖1可以看出，管材料使用聚合物時(shí)的S參數(shù)明顯優(yōu)于使用金屬材料的，金屬在所選用的工作頻段內(nèi)其S11參數(shù)彼此接近，均大于－1.3 dB(最小是－1.275 dB，銅)，S21參數(shù)均小于－6 dB(最大的是－6.60 dB，銅)。相比較之下，聚合物管的S參數(shù)更理想，其 S11參數(shù)均小于 －30 dB(最大的是－39.38 dB，PE)，而S21參數(shù)均大于－1 dB(最小是－0.6 dB，PE)。其主要原因在于金屬的相對(duì)介電常數(shù)都為1，而且金銀銅鋁的相對(duì)磁導(dǎo)率也相近，而所選聚合物的相對(duì)介電常數(shù)在2.2～2.6間，且聚合物材料的介電常數(shù)在太赫茲頻段非常高，從而可以獲得高反射率和小的損耗［10］。

3 太赫茲聚合物管

在以0.35太赫茲為中心頻率處有一個(gè)大概47 GHz帶寬的太赫茲大氣通信窗口［11］，本文選用的工作頻段為0.34～0.36 THz。

表面等離子體波(Surface Plasmons，SPs)是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與電磁波相互作用產(chǎn)生沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。它是一種極化波，沿導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?，在與導(dǎo)體表面垂直的方向?yàn)橐灾笖?shù)衰減的倏逝場，其電磁能量被約束在導(dǎo)體表面較小的范圍內(nèi)，具有很強(qiáng)的近場增強(qiáng)效應(yīng)。表面等離子體由導(dǎo)電媒質(zhì)和絕緣體媒質(zhì)分界面處自由電子的集體振蕩產(chǎn)生，波狀表面電荷密度與邊界處的電磁波模式密切相關(guān)［12］。

表面等離子體波產(chǎn)生的物理原理［13］如下:如圖2所示，各向同性介質(zhì)的介電常數(shù)是正的實(shí)數(shù)，金屬的介電常數(shù)是實(shí)部為負(fù)的復(fù)數(shù)。根據(jù)Maxwell方程，結(jié)合邊界條件和材料的特性，可以計(jì)算出表面等離子體的場分布和色散特性。

圖2 表面等離子體波產(chǎn)生的物理原理圖Fig.2 The physical principle diagram for producing surface plasma wave

長為6 mm的太赫茲聚合物管模型(如圖3所示)的幾何尺寸為:外徑0.9 mm，內(nèi)徑0.7 mm，中心的管芯中是真空，管層材料選用聚合物。

圖3 太赫茲聚合物管的HFSS模型(左)及剖面圖(右)Fig.3 The HFSSmodel(left)and positive section(right)for the THz polymer tube

太赫茲聚合物管選用PE、PS兩種聚合物，數(shù)值模擬聚合物管的S參數(shù)，結(jié)果如圖4所示，其中圖4 (a)和4(b)是PE管的S參數(shù)和其幅度圖，而圖4 (c)和4(d)是PS管的S參數(shù)及其幅度圖。

兩種聚合物管的S21都接近于0，兩種聚合物管在工作頻段下的插入損耗均大于－0.2 dB，聚乙烯PE管的回波損耗小于 －40 dB，PS管的回波損耗小于－35 dB。依據(jù)S參數(shù)的幅度圖，S21的幅度就相當(dāng)于聚合物管的傳輸系數(shù)，容易發(fā)現(xiàn)在工作頻段內(nèi)聚合物管的回波損耗S11幅度小于0.02，傳輸系數(shù)大于0.97。

圖4 太赫茲聚合物管的S參數(shù)和S參數(shù)幅度圖Fig.4 The S parameters and itsmagnitude for singlemedium THz polymer tube

PE材料的波導(dǎo)管中，太赫茲波在其徑向的場分布如圖5所示。從電場和磁場分布圖中可以看出，聚合物管的內(nèi)壁處有仿等離子體波現(xiàn)象，其內(nèi)壁處的電場有一系列的倏逝波，越向管中心處場強(qiáng)越小，且磁場的仿表面等離子體現(xiàn)象比電場的更明顯。

圖5 太赫茲聚合物(PE)管的場分布剖面圖Fig.5 The field profile for Singlemedium THz polymer(PE)tube

4 鍍膜太赫茲聚合物管

為了改進(jìn)空芯聚合物管的傳輸特性，對(duì)太赫茲聚合物管做鍍膜處理［14］，鍍膜材料選常用的金屬如Au、Ag、Cu等。

長為6 mm的太赫茲PE管，PE的相對(duì)介電常數(shù)εr為2.25，選用金銀銅鋁作為金屬鍍膜層。管的內(nèi)徑為0.5 mm，聚合物層和金屬鍍膜層的厚度都為0.2 mm，管內(nèi)為真空。下面分別對(duì)外壁鍍膜、內(nèi)壁鍍膜和內(nèi)外鍍膜THz聚合物管的傳輸特性進(jìn)行研究。

4.1 外壁鍍膜太赫茲管

外壁鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)，如圖6所示。圖6(a)是PE管在不同金屬外壁鍍層下的S參數(shù)圖，圖6(b)為外鍍金的S參數(shù)振幅圖。太赫茲聚合物管在工作頻段內(nèi)的S21均大于－0.3 dB，其回波損耗均小于－35 dB，且趨于平坦。容易發(fā)現(xiàn)在工作頻段內(nèi)聚合物管的回波損耗幅度小于0.015，傳輸系數(shù)大于0.965。

圖6 外壁鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)Fig.6 The S parameters for THz polymer tube with outer coat

從電場和磁場分布圖(如圖7所示)中易看出外壁鍍膜聚合物管的空芯處的仿表面等離子體波現(xiàn)象得到抑制，場分布趨于均勻化，磁場的分布更均勻。太赫茲聚合物管內(nèi)的仿等離子體現(xiàn)象得到抑制的主要原因在于金屬層的厚度超過工作頻段內(nèi)金屬的趨膚深度［15］。聚合物管的聚合物層內(nèi)壁的仿等離子體效應(yīng)減弱，可以減小聚合物層對(duì)太赫茲聚合物管的傳輸損耗。

圖7 外壁鍍金太赫茲聚合物管的場分布剖面圖Fig.7 The field profile for THz polymer tube with gold outer coat

4.2 內(nèi)壁鍍膜太赫茲管

內(nèi)壁鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)，如圖8所示。圖8(a)是PE管在不同金屬內(nèi)壁鍍層下的S參數(shù)圖，圖8(b)為內(nèi)鍍金的S參數(shù)振幅圖。太赫茲聚合物管在工作頻段內(nèi)的S21均大于－0.275 dB，其回波損耗均小于－37.7 dB，且趨于平坦。容易發(fā)現(xiàn)在工作頻段內(nèi)聚合物管的回波損耗幅度小于0.014，傳輸系數(shù)大于0.968。

圖8 內(nèi)壁鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)Fig.8 The S parameters for THz polymer tube with inner coat

圖9 內(nèi)壁鍍金太赫茲聚合物管的場分布剖面圖Fig.9 The field profile for THz polymer tube with gold inner coat

從電場和磁場分布圖(如圖9所示)中易看出內(nèi)壁鍍膜聚合物管內(nèi)的仿表面等離子體波現(xiàn)象得到抑制，場分布趨于均勻化，磁場的分布更均勻，并且電場分布的周期性比較突出。依據(jù)周期電場變化與周期磁場的互相轉(zhuǎn)換過程，這種場的分布可以使太赫茲聚合物管的傳輸特性更穩(wěn)定。

4.3 內(nèi)外壁鍍膜太赫茲管

內(nèi)外壁鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)，如圖10所示。圖10(a)是PE管在不同金屬外壁鍍層下的S參數(shù)圖，圖10(b)為外鍍金的S參數(shù)振幅圖。太赫茲聚合物管在工作頻段內(nèi)的S21均大于－0.36 dB，其回波損耗S11均小于－27.4 dB，且趨于平坦。容易發(fā)現(xiàn)在工作頻段內(nèi)聚合物管的回波損耗S11幅度小于0.045，傳輸系數(shù)大于0.958。

圖10 內(nèi)外壁鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)Fig.10 The S parameters for THz polymer tube with inside and outside coat

從電場和磁場分布圖(如圖11所示)中易看出內(nèi)外鍍膜THz聚合物管內(nèi)的仿表面等離子體波現(xiàn)象得到抑制，場分布趨于均勻化，且THz聚合物管的電場和磁場分布的周期性都比較明顯。同樣，由于這種場的周期化可以使太赫茲聚合物管的傳輸特性趨于更穩(wěn)定。

圖11 內(nèi)外壁鍍金太赫茲聚合物管的場分布剖面圖Fig.11 The field profile for THz polymer tube inside and outside with gold coat

4.4 鍍膜太赫茲管的傳輸特性對(duì)比

對(duì)三種鍍膜方式下太赫茲聚合物管的傳輸特性進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 鍍膜太赫茲聚合物管在0.34～0.36THz內(nèi)傳輸特性對(duì)比Tab.1 The transmission properties comparation of coated THz polymer tube in 0.34～0.36THz

在工作頻段內(nèi)，對(duì)于插入損耗S21越小越好;相同地，對(duì)于回波損耗S11也是越小越好;同時(shí)，傳輸系數(shù)mag(S21)越大越好，回波損耗幅度mag(S11)越小越好。對(duì)比三種鍍膜方式下THz聚合物管的傳輸特性，由表1易知，內(nèi)壁鍍膜THz聚合物管的傳輸特性最好，外壁鍍膜次之，而內(nèi)外鍍膜THz聚合物管的傳輸特性最差。因此，對(duì)于所設(shè)計(jì)的THz聚合物管的鍍膜可以排除內(nèi)外壁鍍膜方式，而內(nèi)壁鍍膜稍優(yōu)于外壁鍍膜，在THz聚合物管鍍膜時(shí)宜優(yōu)先考慮內(nèi)壁鍍膜。

5 結(jié)論

太赫茲波導(dǎo)的研究是推廣太赫茲技術(shù)能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵部分。相比于純金屬管，太赫茲聚合物管的傳輸特性更加良好，其回波損耗低于－35 dB，插入損耗小于－0.3 dB，而且太赫茲聚合物管傳輸?shù)幕夭〒p耗幅度小于0.02 dB，傳輸系數(shù)大于0.96。太赫茲聚合物管的場分布中存在仿表面等離子體現(xiàn)象，使得傳輸特性變差。為了改善太赫茲聚合物管的傳輸特性，采用外壁鍍膜、內(nèi)壁鍍膜和內(nèi)外鍍膜三種鍍膜方式對(duì)太赫茲聚合物管進(jìn)行鍍膜處理，鍍膜太赫茲聚合物管的S參數(shù)雖比普通的太赫茲聚合物管的S參數(shù)稍微變差點(diǎn)，但是傳輸系數(shù)和回波損耗幅度幾乎相近，并且鍍膜處理可有效抑制仿表面等離子體現(xiàn)象，使太赫茲聚合物管的場分布均勻化和穩(wěn)定化。通過對(duì)三種鍍膜THz聚合物管的傳輸特性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁鍍膜最優(yōu)，而內(nèi)外鍍膜最差，故在選擇鍍膜時(shí)可以排除內(nèi)外鍍膜而優(yōu)先選擇內(nèi)壁鍍膜方式，這樣會(huì)大大簡化工藝和降低成本。

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Transm ission properties research of the coated THz polymer tube

DUO Tian-bo，CHEN Jun，LIU Zi-chen，PANWu
(College of Electronics Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

In this paper，a kind of terahertz(THz)polymer tube is designed which has better transmission properties.The THz polymer tube has ideal S parameters，low transmission loss，and the transmission coefficient is above 0.96 with HFSSanalysis.Nevertheless，there ismimicking surface plasma phenomenon in the field distribution of the THz polymer tube，whichmakes the transmission propertiesworse.And coatedmetalon the terahertz polymer tube outer or inner wall can restrain this phenomenon，which will make the field distribution more uniform and stable.Contrasting three coated pattern，the terahertz transmission characteristics of the inner coated THz polymer tube is the best，and polymer tube with inside and outside coat is the worst.Therefore，the coated pattern should be preferred to choose inner coated，which can simplify the process and reduce cost.

THz;polymer tube;mimicking surface plasmons;coated

O441

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.01.019

1001-5078(2014)01-0084-06

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.CSTC2010BB2414)資助。

朵天波(1988－)，男，研究生，研究方向?yàn)樘掌澕夹g(shù)。E-mail:duotianbo@sohu.com

2013-05-13;

2013-06-07