太赫兹应用中的可调石墨烯互补型频率选择表面(CFSS)外文翻译资料

 2022-11-19 04:11

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太赫兹应用中的可调石墨烯互补型频率选择表面(CFSS)

摘要:本文中,一种太赫兹应用中的石墨烯互补型频率选择表面(CFSS)被设计出来。该结构的传输特性可以由一个简单的电路模型算出,而且在感兴趣的频率范围内存在传输极点和零点。石墨烯的电化学势能够有效影响CFSS的中心频率和带宽。为增加电学的可调性,本文进一步设计了三明治石墨烯频率选择表面。通过同时调节位于顶层和底层的网格结构的电化学势,从而控制整个石墨烯SFSS的电磁特性,这一设计被全波仿真证明。

关键词:电路模型,互补型频率选择表面(CFSS),石墨烯,太赫兹技术,可调谐性。

1.引言

频率选择表面(FSS)被研究的十余年间,应用于制造各种电子器件,如吸收器[1]和滤波器[2]。许多的研究人员已经对GHz频段的金属性FSS进行了大量研究。通过改变形状和大小,可以设计出具有特殊性质的FSS。互补型频率选择表面(Complimentary FSS,CFSS)是一种特殊的频率选择表面,经常用于双带特性的设计[2,3]。通过改变上下层之间的相对位置,能够使两个通带具有更大的频率比[2]。

另一方面,石墨烯是一种2维单原子无带隙的材料,因其在电磁学、光学、机械和化学等方面具有优良性能,已在过去的十年中备受关注。许多性能优异的纳米器件,如由石墨烯为原材料的高速晶体管已经被报道。此外,也有石墨烯频率选择表面的相关工作被发表出来。特别地,基于石墨烯带内转换的宽带太赫兹调节器被报道出来[4]。在文献[5]中,设计的石墨烯的周期图案实现了电磁波的反射、吸收和极化的控制。文献[6]分析了石墨烯周期结构的电磁波传输特性。基于石墨烯的可调太赫兹吸收器也被设计出来[7]。

本文中,基于贴片结构和网格结构互补的石墨烯CFSS的电磁特性被第一次分析。根据有效的等效电路模型,设计实现了中心频率为0.85THz的石墨烯CFSS。相比于常规的金属性结构,通过改变石墨烯的化学势,其在太赫兹波段具有电磁特性可调的优点。

2. 自由空间中石墨烯互补型频率选择表面

由贴片型和网格型石墨烯组成的 CFSS 结构如图 1 所示,主要由三部分组成:独立网格型石墨烯、贴片型石墨烯和真空中的石墨烯CFSS。上层和下层石墨烯分别是网格型和贴片型。其周期,贴片间隙宽度g=0.5um,条带的宽度s=g/2,中间介质宽度为h=5um。石墨烯化学势,弛豫时间为。

图1 (a)独立网格型石墨烯;(b)贴片型石墨烯;(c)石墨烯CFSS

独立网格型结构具有感抗特性而贴片型结构具有容抗特性。文献[6]给出了网格型和贴片型结构的准确的分析模型。由石墨烯的表面电导率、电阻率和感应系数,可得其阻抗为[8]:

(1)

因此,对于石墨烯周期结构的阻抗的计算,其表面电阻和电感都有重要影响。由(1)式可以推导得到石墨烯网格型和贴片型的阻抗表达式分别为:

(2)

(3)

式中,是等效介电常数[6];是角频率,是自由空间中的磁导率。

根据上述公式,石墨烯CFSS的等效电路模型如图2所示,其中也考虑了石墨烯电学性质(电阻和电感)的影响。如图2所示,代表石墨烯的电学性质,分别对应于网格型和贴片型石墨烯。石墨烯网格和贴片结构之间的介质可以等效为一段传输线,当介质厚度h远小于波长时,其影响可忽略。根据这个等效模型,可以很容易地计算出石墨烯CFSS的传输特性。

图2 石墨烯CFSS的等效电路模型

根据图2,可以看出石墨烯CFSS具有一个传输极点和一个传输零点。如图3(a)所示,传输极点处在于低频处,石墨烯贴片的电容与石墨烯网格的电感形成并联谐振(点A,约1.6THz处);而传输零点处于较高频处,主要由石墨烯贴片的 LC 串联谐振产生(点B,约5THz处)。可知,石墨烯贴片高频呈感性而低频呈容性,石墨烯网格始终呈感性。

图3 (a)自由空间中网格/贴片/CFSS的电抗特性;(b)自由空间中石墨烯和金属的网格型、贴片型、互补型FSS的传输特性

图3(b)给出了自由空间中石墨烯和金属的网格型、贴片型、互补型 FSS 的传输特性。自由空间中石墨烯CFSS-1的低频传输曲线与对应的石墨烯网格FSS一致,高频传输曲线与对应的石墨烯贴片FSS一致。CFSS传输极点和零点通常由其几何结构和石墨烯的电感系数决定[6]。相应地,在感兴趣的频率区间内,金属性结构便不存在传输极点和零点。

图4 网格和贴片的电化学势变化时石墨烯CFSS的传输曲线

图 4给出了受电化学势调控的石墨烯 CFSS 传输特性,CFSS-1 表示网格和贴片电化学势都为0.5 eV,CFSS-2表示网格和贴片电化学势分别为0.8和0.2 eV,CFSS-3中网格和贴片电化学势分别为 0.2 和 0.8 eV。可见,增加网格电化学势会降低石墨烯CFSS 的 DC 传输系数,而增加贴片电化学势会使石墨烯 CFSS 的传输零点频率升高。因此,通过改变组成石墨烯 CFSS 的网格和贴片的电化学势,可以有效地改变石墨烯 CFSS 结构的并联和串联谐振点,从而调节 CFSS 的零极点,进而改变中心频率和带宽。

3. 可调三明治结构石墨烯频率选择表面

尽管石墨烯贴片的化学势能够严重影响石墨烯CFSS的电磁特性,但在实际应用中,石墨烯CFSS必须被介质支撑,石墨烯贴片单元互相隔离,难以同时改变所有单元的电化学势加以调控。这就意味着,石墨烯CFSS只能调节其上层网格结构的电化学势,可调性便受到了一定限制。为了增加调节的自由度,本文设计了如图5所示的三明治结构石墨烯频率选择表面(Sandwiched FSS,SFSS)。如图5(a)所示,其中间层石墨烯贴片不作调谐,设其电化学势恒为0.3 eV,而位于顶层和底层的网格结构可调,以此控制整个石墨烯SFSS的电磁特性。其物理结构与第2节的结构相同,相对介电常数为3.9。

图5 (a)可调石墨烯CFSS结构;(b)等效电路和HFSS仿真的Case 1的S参数

仿照上节的方法很容易构造图5(a)所示结构的等效电路模型,可用ABCD矩阵级联的方法求解。图5(b)所示的是表1中Case1情况下,用等效电路模型和HFSS全波仿真(使用商用软件ANSYS HFSS)得到的S参数曲线,两种吻合较好,验证了等效电路模型的有效性。当上下层网格型石墨烯的电化学势分别设为0.5和0.8eV(Case1),中心频率为0.85THz,3-dB带宽0.93THz,中心频率处插入损耗优于 1 dB。

通过偏置上下层网格型石墨烯的电场而改变它们的化学势,从而调节三明治结构石墨烯频率选择表面的性能。图6给出了表 1 中列出的六种不同电化学势的情况下石墨烯 SFSS 的 S 11 和S 21 参数,也总结了中心频率和 3-dB 带宽的仿真结果。

表1 六种不同电化学势情况下的中心频率和带宽

Top (eV)

Bottom (eV)

(THz)

3dB Bandwidth(THz)

Case1

0.5

0.8

0.85

0.93

Case2

0

0.8

0.7

1

Case3

1

0.8

1

0.8

Case4

0.5

0

0.6

1.07

Case5

0.5

1

0.9

0.87

Case6

0.2

0.1

0.4

1.1

根据表1,Case 2、Case 1、Case 3 的结果表明,随着上层石墨烯网格电化学势的升高,SFSS 的中心频率升高而带宽下降,中心频率的调节范围为 0.7-1.0THz;对比 Case 4、Case 1、Case 5 的结果可以发现,调节下层石墨烯网格的电化学势也具有相似的规律,中心频率的调节范围为 0.6-0.9 THz。如果同时调节石墨烯的上下层网格的电化学势,SFSS 的中心频率和带宽调节范围能进一步提高。以 Case 6为例,当上层和下层网格电化学势分别为 0.2 和 0.1 eV 时,它的中心频率可以调节到0.4 THz,带宽可达 1.1 THz。所有情况下中心频率处的插入损耗均优于 1 dB。

图6 电化学势不同情况下石墨烯SFSS的(a)S11 和(b)S21参数

4.总结

在本文中,结合网格型和贴片型FSSs设计的自由空间石墨烯CFSS第一次被报道。我们提出的石墨烯CFSS通过等效电路模型得到了有效的分析,并且准确地预测它的传输极点和零点的存在。石墨烯CFSS的电磁特性取决于网格型和贴片型石墨烯的电化学势。进而,设计出了三明治结构石墨烯频率选择表面,由位于中间的贴片型石墨烯和上下层的网格型石墨烯组成。这样的结构更适合于电学性质的调节。可调石墨烯CFSS的原型参数为中心频率0.85THz,3-dB带

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