新型太赫兹波导的研究

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太赫兹辐射是波长介于毫米波与红外线之间,频率在0.1THz-10THz之间的电磁辐射。随着太赫兹辐射源,探测器和其他电子设备的发展,有效传输太赫兹波是一个成功的太赫兹系统的关键。目前所研究报导的用于太赫兹波传输的波导损耗一般都大于1dB/m,不适合用于长距离传输。因此研究一种低损耗,能远距离传输太赫兹波的波导是很有实际意义的。  本文主要介绍了太赫兹金属空芯波导以及介质/金属波导,详细分析了两种波导的传输损耗。系统地分析了对波导传输损耗造成影响的各方面因素。然后对波导结构和波导材料进行了改进,提出了聚四氟乙烯波导和石墨烯/聚四氟乙烯空芯波导结构,并用有限元方法系统的分析了波导的传输损耗。  首先,分析了金属空芯波导中THz波的传输机理,并且得出了各个模式的损耗随着参数变化的曲线图。能在太赫兹空芯波导传输的模式有很多,主要的低阶模有TE01模,TE11模,TM01模和TE21模。其中TE01模具有最低的传输损耗。  其次,介绍了有限元数值分析方法,介绍了Comsol模场仿真软件。使用Comsol软件对太赫兹空芯金属波导进行了仿真求解,得出波导中存在的主要模式种类,以及每种模式的场分布和传输损耗,并且与理论公式给出的损耗值进行比较,  随后研究了太赫兹介质/金属波导的结构,讨论了其主要模式的传输损耗。通过理论分析,讨论了介质层厚度、介质层种类、金属厚度、波导芯径、传输波长对传输损耗的影响,为确定介质/金属空芯波导的最佳结构参数和最佳材料提供了依据。  论文的最后,提出了结构简单的聚四氟乙烯波导和石墨烯/聚四氟乙烯波导,并通过有限元方法系统的分析了两种波导中影响模式损耗的各因素。在内半径等于4mm,包层厚度等于0.5mm的聚四氟乙烯波导中,工作频率时0.5THz时,基模HE11模的损耗可以达到0.398dB/m。在内半径为4mm,包层厚度等于0.5mm的石墨烯/聚四氟乙烯波导中,偏置电压等于10V,工作频率等于0.5THz时,TE01模的损耗为0.58dB/m。HE11模的损耗可达到0.6215dB/m。
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