基于变换光学的太赫兹波定向发射研究

Terahertz (THz) wireless communication technology has important applications in national economy and security due to the advantages of high transmission capacity, good confidentiality, powerful penetrability, and lower photonic energy. Directional antenna is the indispensable component of THz indoor wireless secure access. Traditional directional antennas such as horn antenna, parabolic antenna and zero-index metamaterial antenna are disadvantageous in large structure, strong sidelobe, high loss and poor tunable. Transformation optics as a new method to manipulate electromagnetic waves, can completely control the propagation path and field distribution of electromagnetic waves. In this project, we will try to investigate the highly directional emission of THz waves based on transformation optics. We plane to theoretically explore the basic physical mechanism and the interaction between THz waves and the highly directional transformation media. In addtion, we explore new method to simplify the parameters of highly directional transformation media. Furthermore, we will propose an optimum scheme of highly directional emission device of THz waves based on our theoretical results to realize miniature (small size), low sidelobe, low loss and tunable of highly directional emission of THz waves. It will has an important value in promoting the development of THz indoor wireless secure access system and subsystem.

具有传输容量大、保密性能高、穿透能力强、光子能量低等特点的太赫兹无线通信技术在国民经济、国家安全等领域有着重要的应用价值。定向天线是实现太赫兹室内无线安全接入中不可或缺的必要组件。传统的定向天线，如喇叭天线、抛物面天线以及基于零折射率的超颖材料天线等，存在结构大、旁瓣强、损耗高、可调谐性差等问题。变换光学作为一种新型电磁波调控方法，可以完全精确的控制电磁波的传播路径和场分布。本项目拟运用变换光学方法，研究太赫兹波的高定向发射。从理论上研究太赫兹波与高定向变换介质之间的相互作用本质和物理内涵。探索简化高定向变换介质参数的新方法。在此基础上，提出优化的新型高定向太赫兹波发射器件的设计方案，实现小型化(结构小)、低旁瓣、低损耗和可调谐的太赫兹波高定向发射。本项目对推动室内无线安全接入的太赫兹无线通信系统及其子系统的发展和应用具有重要意义。

由于太赫兹波的传输容量大、保密性能高、穿透能力强、光子能量低等特性，使得太赫兹无线通信可以承载更大的信息量，轻松解决带宽和大数据传输速率问题。定向天线是实现太赫兹室内无线安全接入中不可或缺的功能器件。然而，传统的定向天线，如喇叭型、抛物面型以及基于零折射率的超颖材料天线，存在结构大、旁瓣强、损耗高、可调谐性差等问题。变换光学作为一种新型调控电磁波传输的理论，可以精确的操控电磁波的传播及其场分布。本项目利用变换光学方法，研究太赫兹波的定向发射：主要研究基于变换光学的太赫兹波定向发射的机理；探索简化高定向变换介质参数的新方法；设计小型化(结构小)、低旁瓣、低损耗、可调谐的太赫兹波高定向发射。本项目在执行过程中获得的主要成果包括：(1)设计了压缩旋转变换介质，通过数值仿真验证了小型化、可调谐化的太赫兹阵列天线。(2)利用变换光学产生的光学重叠效应有望大幅度增强太赫兹定向辐射的强度，弥补长距离室内太赫兹通信产生的太赫兹定向发射信号衰减。(3)利用有效介质的反反射效应、一阶光栅衍射、二阶光栅衍射和空气腔模效应获得吸收效率大于95%，吸收频宽为1.0、1.5、1.7、2.0THz的宽频太赫兹吸收器，此类宽频太赫兹吸收器将会有效的抑制太赫兹定向发射的旁瓣效应，有望进一步提升太赫兹定向发射的定向特性。(4)提出了旋转变换介质，根据等效电路，设计了相应的等效旋转变换介质，通过测试获得了定向性为14.3dB且不依赖于反射器/镜的高定向发射器。本项目从本质上揭示了太赫兹波和定向变换介质之间的相互变换/对应关系，并通过变换函数优化以及结构上的设计创新，实现对太赫兹波的定向发射调控，进而为实现太赫兹波的定向发射器件的小型化，简单化和高定向化以及低旁瓣化奠定基础。该项目的研究对太赫兹功能器件，尤其对太赫兹无线通信系统及其子系统的发展将起到重要的推动作用。.在研究过程中，共发表研究论文14篇参加国际学术会议并做报告3次，并申请1项(审理中)发明专利。