Terahertz planar antennas for future wireless communication: A technical review

With the monotonic increasing demand of the higher bandwidth for the next generation wireless communication system, the extension of the operating frequency of the communication system to the millimeter/Terahertz wave regime of the electromagnetic spectrum where several low-attenuation windows exist is inevitable. However, before the commercial implementation of the wireless communication in these low-attenuation windows, there are various obstacles which need to be addressed by the scientists and researchers. The atmospheric path loss is the main obstacle to the full-fledged implementation of the terahertz wireless communication. The remedy to this problem is the use of high-power sources, efficient detectors and high gain antenna systems. This paper reviews these technical issues with the special attention to the planar antennas which might contribute to the compact, inexpensive, and low profile future terahertz wireless communication system design.     

High gain and circularly polarized substrate integrated waveguide cavity antenna array based on metasurface

Two substrate integrated waveguide (SIW) cavity antenna arrays based on metasurface are proposed in this paper. By rotating the metasurface element, circularly polarized and high gain antennas are achieved respectively. Firstly, multi-mode resonance theory is employed to broaden the bandwidth of the slot antenna. And then, an SIW cavity composed of 4×4 cornercut elements is added on the top of the slot antenna to achieve the circular polarization and improve the front-to-back ratio. Thirdly, the metasurface elements are sequentially rotated and a high gain antenna with 2-dBi enhancement on average in the operation band is obtained. Based on the two antenna units, two 2×2 antenna arrays are designed. The circularly polarized and high gain antenna arrays are both fabricated to verify the correctness. Furthermore, the novel wideband phase shifter is employed in the circularly polarized antenna to obtain an operating bandwidth of 38% (4.05 GHz-5.95 GHz) and AR bandwidth of 24.9% (4.4 GHz-5.65 GHz). The bandwidth of the high gain antenna can reach 42.7% (3.95 GHz-6.1 GHz) and with the gain enhancement of 2 dBi compared with that of the circularly polarized antenna. The gain remains steady in most of operating band within a variation of 1 dBi. It is remarkable that the rotating of the metasurface element has a great influence on the antenna performance, which provides a new explication for the multi-function antenna design.     

多极化MIMO信道特性与天线设计*

多极化MIMO技术在高频谱效率和紧凑型MIMO通信系统中具有较大的应用潜力,其信道特性与天线辐射特性和环境散射特性以及它们之间的相互作用密切相关,目前紧凑型、低耦合的多极化MIMO天线设计仍存在很大挑战。本文简要介绍和总结了多极化MIMO信道建模理论、多极化天线实现方式和信道特性测量实验等,并指出存在的一些问题和未来的研究方向。     

太赫兹片上系统中低温砷化镓薄膜光电导天线的研究

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内,广泛应用的光谱测量技术。这种技术可以用于许多物质的频谱分析,对于研究化学、半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。然而用该系统进行样品探测时,受回波的影响频谱分辨率较低;受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响,样品消耗量较多,并且整个系统的占用空间较大,这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性,设计了一种将太赫兹泵浦区、探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统,该系统不仅能够解决上述系统的局限性,还能够省去样品测量前的光路准直环节,使样品的测量过程更加简便,同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。在太赫兹片上系统中,泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成,由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制,如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底,并将其转移与键合,是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。首先利用分子束外延（MBE）技术制备出由半绝缘砷化镓、砷化镓缓冲层、砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片,然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理,将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉,从而得到2 μm厚的低温砷化镓薄膜。为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜,研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度,即在73 ℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。相比于已有工艺,这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。最后,将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上,并制成光电导天线的结构。利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。由此说明,低温砷化镓薄膜的获取、转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求,这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。     

超宽带TEM喇叭天线优化设计与实验

针对用于成像雷达系统的超宽带TEM喇叭天线进行了优化设计,兼顾辐射性能、馈入反射和小尺寸条件,采用平滑渐变结构和加载技术代替原设计,增加了低频电流的回流通道,从而改善了天线的低频特性,增强了其定向辐射能力。在理论分析的基础上对其进行了仿真,并按照仿真结果实际制作了一副天线,对天线进行了测试。仿真与实测结果表明:在电压驻波系数小于2时,该天线具有11∶1的阻抗带宽,较强的辐射能力和良好的定性辐射特性,能够满足雷达系统的需求。     

异面带状线馈电的宽带双极化蝶形天线

针对通信与雷达系统对双极化与宽带天线的要求,提出了一种基于带状线馈电的双极化蝶形天线。通过两对互相正交的蝶形阵子实现了天线的双极化,并采用一种新型的微带线转异面带状线的巴伦给两对正交蝶形阵子平衡馈电。异面带状线为平衡传输线,满足了蝶形阵子对于平衡馈电的要求。在馈电点处由同轴线对微带线馈电,经渐变微带线转化为异面带状线,最后由两组异面带状线给两对正交蝶形阵子馈电。测得该天线实现了69.23%的阻抗带宽,在6.8~14GHz频带内电压驻波比(VSWR)小于2。为使天线单向辐射且改善天线增益,将天线放置于反射吸收腔内。测得天线在6.8~18GHz的频宽内VSWR基本小于3,天线增益在8~12GHz频带内大于0.11dB,天线前后瓣比大于15dB。因此,所提出的双极化蝶形天线可用于宽带通信系统中。     

光纤耦合LD光束特性及其对振荡光模式的影响

基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,研究了端面泵浦固体激光器中泵浦源——LD阵列光纤耦合模块的输出光空间特性,及其对振荡光特性的影响。结果显示:LD阵列光纤耦合模块的输出光强分布不平滑,呈多尖峰分布,尖峰位置对LD光束指向角敏感,随指向角、空间排布等因素的变化而变化,是多种因素综合作用的结果;具有尖峰结构的泵浦光场对振荡光横模结构有直接影响,泵浦光尖峰位置越居中,光强径向分布曲线在轴心处越凸起,振荡光光束质量越好,越凹陷,振荡光光束质量越差,在激光器设计中应有针对性地具体考虑应对措施。     

宽带W波段Flaps天线仿真与设计

设计了一种结合了"十"字和圆环的新型宽带W波段Flaps(Flat Parabolic Surface antenna)天线单元。相比于传统的单层Flaps天线单元,新型单元能获得更宽的相位范围且相移精度更高,能有效拓展天线的带宽。利用这种单元设计了94 GHz的单层Flaps天线,仿真结果显示了较好的带宽性能和方向性,中心频率处增益18.2 dBi,在10.6%的带宽内增益下降小于1 dB,实现了较好的宽带性能,为单层W波段Flaps天线的设计提供了一种新途径。     

基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型.该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程.利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟.为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好.镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合.三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程.     

贝利相与非线性输运

电子输运现象包含一系列很重要的材料性质,并可以用来提供关于载体物理系统的很多信息。在 最近的二三十年,人们逐渐认识到除了电子能谱之外,电子在布里渊区的几何性质,比如贝利曲率和 轨道磁矩,会在电子输运中起到关键性的作用。在线性输运现象中的此种关联已引起广泛的兴趣并得 到深入的研究。然而,在非线性输运现象中的电子几何性质的作用的研究最近才逐渐起步。此种关联 可以大大加深对各种非线性输运现象的认识,并对如何从材料控制上调节非线性现象的强度提供有价 值的研究视角和指导原则。基于此背景,本文试图引入研究输运现象的半经典理论框架,并在几种输 运现象中举例说明贝利相的作用。