[论文解读] Reflectarray antennas for terahertz communications

Tiaoming Niu, Withawat Withayachumnankul+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2012

Advanced Antenna and Metasurface Technologies被引用 76

一句话总结

本文提出并实验验证了在介电基板上使用金贴片反射阵列实现约1 THz频段太赫兹波束偏转。通过调节贴片尺寸以控制反射相位，实现渐变相位分布，使波束最大偏转达25°，效率约80%，展示了面向太赫兹通信的低复杂度解决方案。

ABSTRACT

Reflectarrays composed of resonant microstrip gold patches on a dielectric substrate are demonstrated for operation at terahertz frequencies. Based on the relation between the patch size and the reflection phase, a progressive phase distribution is implemented on the patch array to create a reflector able to deflect an incident beam towards a predefined angle off the specular direction. In order to confirm the validity of the design, a set of reflectarrays each with periodically distributed 360*360 patch elements are fabricated and measured. The experimental results obtained through terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) show that up to nearly 80% of the incident amplitude is deflected into the desired direction at an operation frequency close to 1 THz. The radiation patterns of the reflectarray in TM and TE polarizations are also obtained at different frequencies. This work presents an attractive concept for developing components able to efficiently manipulate terahertz radiation for emerging terahertz communications.

研究动机与目标

• 开发面向太赫兹通信的低复杂度、高效率波束转向解决方案。
• 解决在无需复杂馈电网络的情况下操控太赫兹波的挑战。
• 设计并制造基于谐振微带贴片的反射阵列，以实现受控相位移。
• 通过仿真和基于THz-TDS的实验测量验证设计。
• 研究并缓解导致理论性能偏离的因素，如基板公差、入射角和互耦效应。

提出的方法

• 在介电基板上设计基于谐振金微带贴片的反射阵列单元，通过调节贴片尺寸控制反射相位。
• 在阵列上实现渐变相位分布，以将入射波束偏转至预设角度。
• 利用理论建模和仿真在制造前优化单元几何形状和相位响应。
• 在15 µm和17 µm厚的基板上制造周期为360×360 µm²的贴片阵列原型。
• 使用太赫兹时域谱仪（THz-TDS）在45°入射角下测量性能，以评估波束偏转和偏振响应。
• 通过评估基板厚度变化、斜入射效应和互耦影响，分析设计与测量结果之间的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在介电基板上，谐振金贴片单元是否能实现太赫兹反射阵列应用所需的全360°相位调节范围？
• RQ2 基板厚度的制造公差在多大程度上影响工作频率和偏转角度？
• RQ3 与法向入射相比，斜入射角（45°）对波束偏转性能有何影响？
• RQ4 非相同相邻贴片之间的互耦效应对相位精度和波束转向性能的劣化起何种作用？
• RQ5 该反射阵列能否在约1 THz频段实现TM和TE两种偏振模式下的高增益和高效率（>80%）？

主要发现

• 反射阵列在约1 THz频段实现了高达80%的入射功率偏转至目标方向，证实了其高效率。
• 15 µm厚基板样品的实测偏转角达到25°，略高于设计的21°，归因于频率偏移和入射角效应。
• 17 µm厚基板样品观察到26°的偏转角，表明基板厚度变化导致了频率偏移。
• 实验结果表明，TM和TE偏振模式下的波束响应存在可测量差异，归因于互耦引起的相位不准确及制造不均匀性。
• 性能与理论值的偏差主要归因于制造公差、非法向入射（45°）以及未考虑的贴片间互耦效应。
• 本研究证实，在太赫兹频段实现精确波束转向时，必须考虑基板厚度、入射角和互耦效应的影响。