[論文レビュー] Terahertz Dielectric Resonator Antenna Coupled to Graphene Plasmonic Dipole

Seyed Ehsan Hosseininejad, Mohammad Neshat+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Plasmonic and Surface Plasmon ResearchEngineering参考文献 22被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、グラフェンプラズモニックデュアポールに結合されたテラヘルツ誘電体共振器アンテナ（DRA）を提案し、利得と放射効率の向上を図る。多層PMMA-GaAs-グラフェン構造を介したハイブリッドプラズモニック-誘電モード結合を活用することで、2.4 THzで高次モード（例：$TE_y^{112}$）が励起され、7 dBiの利得と70%の放射効率を達成。これは単独のグラフェンデュアポールに比べて6.5 dBの利得向上であり、面積オーバーヘッドは最小限に抑えられる。

ABSTRACT

This paper presents an efficient approach for exciting a dielectric resonator antenna (DRA) in the terahertz frequencies by means of a graphene plasmonic dipole. Design and analysis are performed in two steps. First, the propagation properties of hybrid plasmonic onedimensional and two-dimensional structures are obtained by using transfer matrix theory and the finite-element method. The coupling amount between the plasmonic graphene mode and the dielectric wave mode is explored based on different parameters. These results, together with DRA and plasmonic antenna theory, are then used to design a DRA antenna that supports the $TE_{y}^{112}$ mode at 2.4 THz and achieves a gain (IEEE) of up to 7 dBi and a radiation efficiency of up 70%. This gain is 6.5 dB higher than that of the graphene dipole alone and achieved with a moderate area overhead, demonstrating the value of the proposed structure.

研究の動機と目的

• 高周波数損失のため、テラヘルツ帯域におけるグラフェンプラズモニックアンテナの低利得および低放射効率を是正する。
• 純プラズモニックアンテナの限界を克服するため、誘電体共振器アンテナ（DRA）を統合し、指向性と効率を向上させる。
• ハイブリッドプラズモニック-誘電波ガイド構造を検討し、グラフェンプラズモニックモードとDRAモード間の強力な結合を可能にする。
• ナノスケールおよび高データレート応用に適した、コンactで再設定可能なTHzアンテナを設計し、高利得と低面積オーバーヘッドを実現する。
• 高次DRAモード（例：$TE_y^{112}$）を励起することで、基本モードや単独プラズモニックデュアポールに比べて性能が顕著に向上することを実証する。

提案手法

• 伝搬モードおよび結合特性の解析のため、一次元および二次元ハイブリッドプラズモニック構造を伝達行列理論および有限要素法を用いてモデル化する。
• 2.4 THzで最適な共振を達成するため、近似式 $f_{\text{res}} \approx \frac{c}{2n_{\text{eff}}L}$ を用いてグラフェンプラズモニックデュアポールを設計する。
• DRAを、$TE_y^{111}$ および $TE_y^{112}$ モードをターゲット周波数で励起できるように、式 $f_{\text{res}} \approx \frac{c}{2n_{\text{eff}}L}$ を用いて設計する。
• 多層構造（PMMA上に5層のグラフェン（L層）、その上にGaAs（H層）基板）を実装し、その上に長方形DRAを配置する。
• 中心ギャップを介して光起電力源で駆動し、フル波ソルバーを用いてフル波電磁界応答をシミュレートする。
• 結合効率と放射効率を最大化するために、DRAの高さ（$d_H$）およびグラフェンの化学ポテンシャル（$\mu_c$）を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H層の厚さおよび化学ポテンシャルの変化に伴い、グラフェンプラズモニックモードと誘電体共振器モード間の結合強度はどのように変化するか？
• RQ2 高次DRAモード（$TE_y^{112}$）は、グラフェンプラズモニックアンテナシステムにおいて効果的に励起され、利得向上に寄与できるか？
• RQ3 ハイブリッドプラズモニック-誘電波ガイド設計が、テラヘルツ帯域における放射効率および指向性に与える影響は何か？
• RQ4 DRA-グラフェン系の結合系の利得および効率は、単独のグラフェンプラズモニックデュアポールに比べてどの程度向上するか？
• RQ5 THzアンテナ設計において、顕著な性能向上を達成しつつ、面積オーバーヘッドをどの程度まで最小限に抑えられるか？

主な発見

• グラフェンプラズモニックデュアポールに結合された$TE_y^{112}$-モードDRAは、2.4 THzで7 dBiの利得と70%の放射効率を達成した。
• 提案されたアンテナ設計により、単独のグラフェンデュアポール（0.5 dBi利得）に比べて利得が6.5 dB向上した。
• $TE_y^{112}$-モードDRAの放射パターンは、$TE_y^{111}$-モードDRAよりもより指向性が高く、指向性の向上を示している。
• 2.5 THzを超える周波数帯で観測されるインピーダンスの振動は、3.3 THzで励起される高次DRAモード（例：$TE_y^{113}$）に起因するとされる。
• H-field分布から、2.4 THzでDRAにおける$TE_y^{111}$モードとグラフェンデュアポールにおける開放回路（OC）共振が同時に励起されていることが確認された。
• 2.8 THzにおける$TE_y^{112}$モード共振は、シミュレーションおよび理論的モデリングの両方で確認され、設計手法の妥当性が裏付けられた。