基于石墨烯和TOPAS的雙頻極化可重構太赫茲天線*

李光明 李詮娜 孫曉磊

（海軍潛艇學院 青島 266199）

1 引言

太赫茲（THz）技術在通信和靈敏探測等領域具有廣闊的應用前景。極化可重構天線作為一種太赫茲器件，能夠有效降低信號損失并抵抗多徑效應。傳統的天線極化轉換會采用雙折射材料、晶體、光柵等方法來實現不同的極化狀態(tài)［1～4］，這些方法存在損耗大且需要改變物理結構等局限性。近年來，THz 偏振轉換超表面（Polarization Conversion Meta-surface，PCM）成為一個新的研究熱點。其中超材料（Meta-material，MM）和超表面（Meta-surface，MS）具有更輕量化的結構和更好的性能，因此它們被廣泛應用于微納器件，如傳感器、天線。也有的設計將它們作為一種偏振轉換的方法，如線性-圓形［5］變換器，然而這些設計的結構缺乏可調性，于是當前人們已經在研究可調的PCM。

本文設計的天線使用的核心材料是可以調節(jié)電導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)點是它的表面電導率可以通過改變費米能量來調節(jié)。通過偏置門控結構［6］施加橫向電場，費米能級可以在±1.0 eV 范圍內調節(jié)，從而改變石墨烯的電導率，這使得它成為設計可調諧器件的合適材料。因此，基于石墨烯的PCM 有很好的的可調性，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 相結合，在一個工作頻帶可以同時實現可調諧的線極化和圓極化特性，進而可以改善當前大多數小型化可重構諧振天線只有一個頻段，不能同時工作在具有不同偏振態(tài)雙頻帶的問題。

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）是一種新型的光學熱塑性塑料，具有高光學透射率、低雙折射和低吸濕性等優(yōu)異性能。TOPAS吸收率極低，在太赫茲波引導方面具有潛在的應用前景。TOPAS還對大多數酸性溶劑有優(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。當今也有許多關于使用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 結構設計

2.1 PCM單元設計

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

表1 PCM單元的最優(yōu)幾何參數

圖1 PCM單元結構

調整參數的主要目的是使PCM 單元與天線的工作頻率相匹配，以提高PCM 單元的性能（獲得更高的極化轉換比（PCR）和更寬的工作帶寬）。采用Ansys 高頻結構模擬器（HFSS）商用軟件進行參數優(yōu)化。具體來說，單個參數t1、t2和p的影響會影響PCR 兩個峰頻點之間的距離，w1 和w2 會影響PCR右峰的位置和高度，其他參數會影響PCR兩個峰的高度。

2.2 太赫茲雙頻天線設計

天線結構如圖2 所示，襯底材質是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)幾何參數如表2所示。

表2 雙頻太赫茲天線的最優(yōu)幾何參數

圖2 雙頻太赫茲天線結構及1 THz和2.5 THz下的三維輻射方向圖

2.3 PCM-天線組合結構設計

圖3 為3×3 PCM 結構和天線-PCM 混合結構的極化轉換圖。在這項工作中，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混合結構的極化轉換示意圖

3 結構性能分析

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。同時調整兩個石墨烯層的費米能級，將狀態(tài)1 設置為0.0 eV，狀態(tài)2 設置為0.5eV。偏振轉換率（Polarization Conversion Ratio，PCR）用式（1）描述，其中|rxy|和|ryy|分別表示交叉系數和共極化系數。PCR 接近1表示y 線極化波被表面反射后轉化為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說明x 極化波和y 極化波的振幅相同。從圖4 中可以看出，對于狀態(tài)1，PCR 在0.76THz～1.02THz（0.26THz 帶寬）和2.43THz～2.6THz（0.17THz 帶寬）波段分別有兩個峰值，分別為0.99 和0.97，說明入射的y 極化波經PCM 反射后轉化為x 極化波；對于狀態(tài)2，PCR 在0.76THz～1.02THz 波段小于0.1，說明入射的y 極化波經PCM 反射后仍為極化波；在2.48THz～3.04THz波段約為0.5，說明在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，結果如圖4（c）所示。可以看出，底層上最強的電流密度沿著與X 軸成45°（1.0THz）和-135°（2.5THz）角的二次對角線上的槽（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，它們在中間電介質襯底上形成電流環(huán)，該等效循環(huán)電流驗證了器件的磁共振。這種共振對于實現高效率和寬帶至關重要，感應磁響應始終與入射極化波成45°，磁場可分解為兩個垂直分量Hx 和Hy。Hx 垂直于入射電場E，由于入射磁場和反射磁場方向相同，因此不存在交叉耦合。Hy平行于入射電場E，產生垂直于入射電場E 的感應電場，因此入射波可以轉換為正交極化。

3.2 太赫茲雙頻天線性能

圖5（a）中的藍線為天線的反射系數，表明是具有兩個諧振頻率（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 的范圍內保持在25dB 以上，說明天線產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陣列的混合結構。

圖5 雙頻太赫茲天線的反射系數、軸比和方向增益及總增益

3.3 PCM-天線組合結構性能

天線-PCM 混合結構的性能如圖6 所示。在此僅關注在1THz 附近的性能，這里用歸一化橢圓度（χ）來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，因為圓極化波需要滿足極化波幅值相等和相位差相等這兩個要求。狀態(tài)1 時，1THz 附近的PCR 如圖6（a）所示，分為兩個頻段：

1）0.7THz～0.75THz 頻段的PCR 在0.65 左右，說明此時共極化和交叉極化反射系數相似。藍線表示相位差在-90°左右，說明在這個頻段會產生RCP波。同時，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°，表明該頻段會產生LCP 波，同時圖6（b）所示χ接近1。在狀態(tài)2 中，1THz 附近的PCR小于0.1，說明天線的y極化波沒有轉換。

經過分析，產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 極化波轉化為相同振幅的X 極化波，同時與天線本身未轉化的Y 極化波相結合，形成圓極化波，使得組合結構具有圓極化天線的特性。在狀態(tài)2 中，PCM 的低PCR 特性導致組合結構中只有較少Y 極化波轉化為X 極化波。通過組合結構的分析，可以發(fā)現與前面PCM 單元性能分析時一致的，這說明天線和PCM陣列在性能上不會相互干擾。

4 結語

本文設計并研究了一種組合型雙頻極化可重構THz 天線。利用石墨烯和TOPAS 材料實現可調諧極化轉換功能。通過改變兩個石墨烯層的費米能量，可以在不改變物理結構的情況下調整極化特性。仿真結果表明，該天線與PCM 陣列在性能上沒有相互干擾，在可調諧THz系統中具有很大的應用潛力。