基于石墨烯和TOPAS的双频极化可重构太赫兹天线*

李光明 李诠娜 孙晓磊

（海军潜艇学院 青岛 266199）

1 引言

太赫兹（THz）技术在通信和灵敏探测等领域具有广阔的应用前景。极化可重构天线作为一种太赫兹器件，能够有效降低信号损失并抵抗多径效应。传统的天线极化转换会采用双折射材料、晶体、光栅等方法来实现不同的极化状态［1～4］，这些方法存在损耗大且需要改变物理结构等局限性。近年来，THz 偏振转换超表面（Polarization Conversion Meta-surface，PCM）成为一个新的研究热点。其中超材料（Meta-material，MM）和超表面（Meta-surface，MS）具有更轻量化的结构和更好的性能，因此它们被广泛应用于微纳器件，如传感器、天线。也有的设计将它们作为一种偏振转换的方法，如线性-圆形［5］变换器，然而这些设计的结构缺乏可调性，于是当前人们已经在研究可调的PCM。

本文设计的天线使用的核心材料是可以调节电导率的石墨烯层和新型TOPAS 聚合物材料层。石墨烯是由碳原子在蜂窝状晶格中形成的一种二维材料，其主要优点是它的表面电导率可以通过改变费米能量来调节。通过偏置门控结构［6］施加横向电场，费米能级可以在±1.0 eV 范围内调节，从而改变石墨烯的电导率，这使得它成为设计可调谐器件的合适材料。因此，基于石墨烯的PCM 有很好的的可调性，但是石墨烯PCM［7～10］往往具有单极化特性，其功能仍然受到限制。一种很有前景的方法是将天线与石墨烯PCM 相结合，在一个工作频带可以同时实现可调谐的线极化和圆极化特性，进而可以改善当前大多数小型化可重构谐振天线只有一个频段，不能同时工作在具有不同偏振态双频带的问题。

TOPAS 聚合物的全称为TOPAS 环烯烃共聚物（TOPAS COC）［11］。环烯烃共聚物（COC）是一种新型的光学热塑性塑料，具有高光学透射率、低双折射和低吸湿性等优异性能。TOPAS吸收率极低，在太赫兹波引导方面具有潜在的应用前景。TOPAS还对大多数酸性溶剂有优良的耐受性，这些特性使其成为宽带太赫兹光学元件和宽带太赫兹光谱基板的理想选择，包括窗口材料和波导。当今也有许多关于使用TOPAS 材料的器件的研究，包括使用TOPAS 和VO2的吸波器［12］，这些器件的工作带宽都有显著的改善。

2 结构设计

2.1 PCM单元设计

PCM 单元的原理图如图1 所示，它是一个由7层组成的反射结构。从正面到背面依次为金图层、硝酸硅层、二氧化硅层、1 号石墨烯层、TOPAS 层、2号石墨烯层、金反射层。PCM单元的最优几何参数如表1所示。

表1 PCM单元的最优几何参数

图1 PCM单元结构

调整参数的主要目的是使PCM 单元与天线的工作频率相匹配，以提高PCM 单元的性能（获得更高的极化转换比（PCR）和更宽的工作带宽）。采用Ansys 高频结构模拟器（HFSS）商用软件进行参数优化。具体来说，单个参数t1、t2和p的影响会影响PCR 两个峰频点之间的距离，w1 和w2 会影响PCR右峰的位置和高度，其他参数会影响PCR两个峰的高度。

2.2 太赫兹双频天线设计

天线结构如图2 所示，衬底材质是Rogers 4350。上层由矩形金属贴片和金属馈线组成，底层包含矩形金属。天线最优几何参数如表2所示。

表2 双频太赫兹天线的最优几何参数

图2 双频太赫兹天线结构及1 THz和2.5 THz下的三维辐射方向图

2.3 PCM-天线组合结构设计

图3 为3×3 PCM 结构和天线-PCM 混合结构的极化转换图。在这项工作中，天线与PCM 的最优距离为200μm（图3 中的H），这一距离会影响器件归一化椭圆度（χ）的性能。如图所示，Y 偏振波垂直入射到PCM 阵列上，反射波的偏振状态在改变之后可以在X偏振和Y偏振之间切换。

图3 天线-PCM混合结构的极化转换示意图

3 结构性能分析

3.1 PCM单元性能

在y 偏振入射波下，PCM 单元在1THz 和2.5THz 附近的性能如图4 的（a）、（b）所示。同时调整两个石墨烯层的费米能级，将状态1 设置为0.0 eV，状态2 设置为0.5eV。偏振转换率（Polarization Conversion Ratio，PCR）用式（1）描述，其中|rxy|和|ryy|分别表示交叉系数和共极化系数。PCR 接近1表示y 线极化波被表面反射后转化为x 线极化波。PCR接近0表示y极化波仍为y极化。PCR接近0.5说明x 极化波和y 极化波的振幅相同。从图4 中可以看出，对于状态1，PCR 在0.76THz～1.02THz（0.26THz 带宽）和2.43THz～2.6THz（0.17THz 带宽）波段分别有两个峰值，分别为0.99 和0.97，说明入射的y 极化波经PCM 反射后转化为x 极化波；对于状态2，PCR 在0.76THz～1.02THz 波段小于0.1，说明入射的y 极化波经PCM 反射后仍为极化波；在2.48THz～3.04THz波段约为0.5，说明在2.5THz附近反射电磁波为圆极化波。

图4 PCM单元不同状态的极化转换率和表面电流分布

为研究PCM 单元背后的工作原理，模拟了在1.0THz 和2.5THz 共振频率下，在状态1 和y 极化入射波下，底部和顶部金属层上的表面电流分布，结果如图4（c）所示。可以看出，底层上最强的电流密度沿着与X 轴成45°（1.0THz）和-135°（2.5THz）角的二次对角线上的槽（在第二石墨烯层上），在1.0THz 和2.5THz 下，两层上的表面电流彼此相反。换言之，它们在中间电介质衬底上形成电流环，该等效循环电流验证了器件的磁共振。这种共振对于实现高效率和宽带至关重要，感应磁响应始终与入射极化波成45°，磁场可分解为两个垂直分量Hx 和Hy。Hx 垂直于入射电场E，由于入射磁场和反射磁场方向相同，因此不存在交叉耦合。Hy平行于入射电场E，产生垂直于入射电场E 的感应电场，因此入射波可以转换为正交极化。

3.2 太赫兹双频天线性能

图5（a）中的蓝线为天线的反射系数，表明是具有两个谐振频率（1THz 和2.5THz）的双频太赫兹天线，与PCM 的工作带宽相匹配。从红线可以看出，天线的轴向比在0.5THz～3THz 的范围内保持在25dB 以上，说明天线产生的电磁波是线极化的。从图5（b）可以看出，X 方向的增益与总增益大致相同，但Y 方向的增益非常低。这意味着天线可以发射X 方向的线极化波。因此，我们采用如图3 所示的基于天线和PCM阵列的混合结构。

图5 双频太赫兹天线的反射系数、轴比和方向增益及总增益

3.3 PCM-天线组合结构性能

天线-PCM 混合结构的性能如图6 所示。在此仅关注在1THz 附近的性能，这里用归一化椭圆度（χ）来判断器件在工作频段的圆偏振特性。χ可以描述如下：

式中Δφxy为相位差，χ接近1 表示左圆极化（LCP），接近-1 表示RCP，因为圆极化波需要满足极化波幅值相等和相位差相等这两个要求。状态1 时，1THz 附近的PCR 如图6（a）所示，分为两个频段：

1）0.7THz～0.75THz 频段的PCR 在0.65 左右，说明此时共极化和交叉极化反射系数相似。蓝线表示相位差在-90°左右，说明在这个频段会产生RCP波。同时，图6（b）表示该波段的χ接近于-1。

2）PCR 在0.96THz～1.04THz 频段约为0.58，相位差约为90°和-270°，表明该频段会产生LCP 波，同时图6（b）所示χ接近1。在状态2 中，1THz 附近的PCR小于0.1，说明天线的y极化波没有转换。

经过分析，产生这样的特性是由于PCM 在1THz 处具有较高的PCR 特性（图4（a）），将天线的Y 极化波转化为相同振幅的X 极化波，同时与天线本身未转化的Y 极化波相结合，形成圆极化波，使得组合结构具有圆极化天线的特性。在状态2 中，PCM 的低PCR 特性导致组合结构中只有较少Y 极化波转化为X 极化波。通过组合结构的分析，可以发现与前面PCM 单元性能分析时一致的，这说明天线和PCM阵列在性能上不会相互干扰。

4 结语

本文设计并研究了一种组合型双频极化可重构THz 天线。利用石墨烯和TOPAS 材料实现可调谐极化转换功能。通过改变两个石墨烯层的费米能量，可以在不改变物理结构的情况下调整极化特性。仿真结果表明，该天线与PCM 阵列在性能上没有相互干扰，在可调谐THz系统中具有很大的应用潜力。