基于石墨烯超表面的全固態(tài)太赫茲相控陣，實(shí)現(xiàn)超寬角度波束掃描

在太赫茲技術(shù)邁向無(wú)線通信、高分辨率成像和雷達(dá)應(yīng)用的進(jìn)程中，如何高效、靈活地控制波束方向一直是核心難題。近日，提出了一種基于石墨烯超表面的全固態(tài)太赫茲相控陣，通過(guò)電調(diào)控方式實(shí)現(xiàn)了前所未有的超寬角度波束掃描。該設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)控精準(zhǔn)，還具備良好的角度不敏感性，為未來(lái)太赫茲波前調(diào)控器件的發(fā)展提供了新思路。

該相控陣的核心在于利用石墨烯超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)反射波束的相位調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化石墨烯天線結(jié)構(gòu)，在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了超過(guò)350°的相位調(diào)制范圍，并基于此構(gòu)建了可獨(dú)立調(diào)控的超級(jí)子單元。通過(guò)為每一列超級(jí)子單元施加不同的費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而引入特定的相位梯度，即可控制反射波束的偏轉(zhuǎn)方向。結(jié)果顯示，該器件可在?79.11°至79.11°的超寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)波束掃描，且在整個(gè)掃描過(guò)程中幾乎無(wú)旁瓣干擾。此外，該設(shè)計(jì)在入射角小于20°的范圍內(nèi)仍能保持穩(wěn)定的波束控制能力，具有良好的工程適用性。

圖1.石墨烯超表面結(jié)構(gòu)示意圖

圖1(a)為石墨烯超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖，自上而下由石墨烯天線、絕緣層、電極層、介質(zhì)層和金屬襯底構(gòu)成，單元尺寸僅為波長(zhǎng)的1/13。圖1(b)為相控陣波束偏轉(zhuǎn)示意圖，每一列單元構(gòu)成一個(gè)可獨(dú)立調(diào)控的超級(jí)子單元，通過(guò)施加不同電壓控制石墨烯費(fèi)米能級(jí)，引入相位梯度，實(shí)現(xiàn)反射波束的偏轉(zhuǎn)控制。

圖2.不同石墨烯費(fèi)米能級(jí)下的反射率與相位曲線

展示了在石墨烯費(fèi)米能級(jí)分別為0.30 eV、0.35 eV和0.40 eV時(shí)，超表面的反射率與相位隨頻率變化的曲線。可以看出，隨著費(fèi)米能級(jí)的改變，反射率和相位曲線發(fā)生明顯的紅移或藍(lán)移，且在固定頻率點(diǎn)（如4.64 THz）相位值也隨之變化。這表明通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超表面反射相位的精準(zhǔn)控制，為后續(xù)波束調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

圖3.不同費(fèi)米能級(jí)下頻率與相位、反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

進(jìn)一步展示了在0.20 eV至0.60 eV范圍內(nèi)，超表面在不同頻率下的反射相位和反射率變化。圖中顯示，在3.4 THz至6.7 THz的寬頻范圍內(nèi)，相位調(diào)制范圍接近360°，且反射率變化控制在50%以內(nèi)。這種寬頻、低損耗的相位調(diào)控能力，是實(shí)現(xiàn)大角度波束掃描的關(guān)鍵前提。

圖4.相位梯度為27.5°時(shí)的反射波束偏轉(zhuǎn)曲線與遠(yuǎn)場(chǎng)分布

給出了當(dāng)超級(jí)子單元間的相位梯度設(shè)置為27.5°時(shí)，反射波束的理論偏轉(zhuǎn)角度為80.68°，仿真結(jié)果顯示實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到79.11°，且遠(yuǎn)場(chǎng)圖中幾乎無(wú)旁瓣干擾。這驗(yàn)證了該相控陣在大角度掃描下的優(yōu)異性能，充分體現(xiàn)了小尺寸超表面單元在減小相位梯度、提升波束質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)。

DOI：10.1109/JLT.2022.3150170

來(lái)源：液晶太赫茲樂(lè)園