太赫兹耦合天线的仿真与优化研究开题报告

1. 研究目的与意义

背景：太赫兹(thz)科学因其在信息、天文学、环境科学、生物和医学等领域所具有的重大基础研究 和应用价值已成为当前热点研究问题之一。在20世纪70年代以前，由于缺乏有效的太赫兹产生方式和检测手段，科学家对于该波段电磁辐了解也十分的有限。20世纪70年代开始，太赫兹开始逐渐进入人们的视野。超快光子学的发展开始于那个时候，auston和lee利用锁模的玻璃激光分别在高阻硅和半绝缘的砷化镓样品上实现了光电导开关的过程。1981年，mourou等在砷化镓上加高电压并用超快激光脉冲触发这一光电开关。他们利用微波探测器观测器观测到脉宽在皮秒数量级的微波脉冲。1984年，auston等人利用光电导开关发射了具有皮秒脉冲宽度的电磁脉冲。这一实验报道的太赫兹脉冲产生和探测方式与当前使用的技术已经基本一致，它标志着太赫兹光电子学的诞生。1989年，exter等人优化了光电导开关和天线的形式，使得太赫兹辐射的产生模式和传播模式相互匹配。1990年，darrow使用大间距的光电导天线发射太赫兹脉冲。

除了利用瞬态光电流产生脉冲之外，另一种常用的太赫兹脉冲产生方式是利用光的非线性效应，实现频率下转换产生太赫兹辐射。同是在20世纪70年代初期，yajima以及yang分别报道了利用皮秒光器脉冲的光整流效应在非线性晶体中发射远红外辐射。1988年，auston等人通过电光的cherenkov辐射，并且在同一晶体中利用电光效应探测到该脉冲的波形。1992年，zhang报道了半导体表面的光整流效应，并研究了光整流过程的空间对称性质。1995年，wu等人报道了利用tito₃探测太赫兹辐射的自由空间电光检测模式。1995年，broun等人利用两束激光在低温生长的砷化镓光电导线上混频，产生了连续的太赫兹辐射。1999年，ito等人利用光栅耦合的方式解决了差频产生的太赫兹辐射由晶体中输出的困难。

在太赫兹辐射的应用方面，1989年，exter利用脉冲的太赫兹辐射测量了水蒸气的吸收光谱。该方法首先测量了太赫兹脉冲的时域波形，然后利用傅里叶变换得到光谱信息。因此被称为太赫兹时域光谱。太赫兹时域光谱可以测量火焰中的各部分的吸收光谱，尽管火焰本身的太赫兹辐射强度远高于时域光谱中的太赫兹辐射源的平均光强。另外，因为它具有时间分辨的能力，太赫兹光谱技术被用来探测半导体中载流子的动态过程。太赫兹直接测量太赫兹辐射的电场强度，它不但可以探测太赫兹电场的振幅还可以探测太赫兹辐射的电场强度，它不但可以探测太赫兹电场的振幅还可以获得相应的信息。这样就可以直接测量物体的复介电常数。太赫兹光谱技术的光谱分辨率本领还可以用在dna和蛋白质等生物样品检测、炸弹等危险物品以及其他应用中。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：本次论文主要是通过CST软件模拟天线的特性，通过在结构上增加端口来对S参量进行计算来观察天线在不同方向上的耦合强度，通过比较天线的结构，在矩形对称天线、bowtie对称天线、蝶形对称天线中选择耦合效率最高的曲线，我们让天线的长度和宽度保持一致，而且天线间的间距也是等同的来观察不同的天线耦合效率。其次，我们通过不断地改变源漏位置天线的间距，让栅长以及别的变量保持一致，通过CST中的Results来分析不同方向上的增益倍数。我还打算通过分别改变天线的长度和宽度来探究天线在不同方向上的增益。而且我们让别的变量保持一致，通过改变栅长来观察耦合结果。最后，通过在原有的基础上增加滤波器并且不断改变滤波器的尺寸，分析在不同的频段上的增益以及和原先的不存在滤波器的耦合效率进行比较。

预期目标：我们通过软件模拟的方法，通过对S参数的计算和1D/2D/3DResults的结果分析，选择合适的天线结构、天线的长度和宽度、源漏对称天线的间距、栅极的长度、滤波器的尺寸。经过模拟结果的分析，得到耦合效率和每个参数的具体关系，通过现有的工艺设计出耦合效率最高的天线，来达到天线优化的目的。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：控制变量法，通过cst软件仿真可以分析每个参数对天线性能的影响，因为参数很多，因此我们需要让研究的对象不断地变化，让其他会对结果有影响的参数保持一致。最后通过确定不同的参数对结果的影响进行分析，设计出我们想要的性能最佳的天线。

步骤：（1）在电脑上安装cst studio suite,在仿真软件开始界面选择cst microwave studio。

（2）选择想要仿真器件的模板，设置单位和工作台面。

4. 参考文献

参考文献：

[1]李少谦，陈智.太赫兹通信技术导论[m].北京：国防工业出版社，2016:3-4.

[2]路易斯.太赫兹物理[m].北京：北京大学出版社，2006:15-24.

5. 计划与进度安排

3.1--3.15 课题调研，了解相关技术和要求；

3.16--3.29 查阅资料，撰写并提交开题报告；

3.30--5.3 实验分析，数据整理，完成论文初稿；