镀膜太赫兹聚合物管的传输特性研究

朵天波，陈 均，刘子辰，潘 武

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

镀膜太赫兹聚合物管的传输特性研究

朵天波，陈 均，刘子辰，潘 武

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

设计了一种具有良好传输特性的太赫兹聚合物管。利用HFSS仿真分析太赫兹聚合物管的传输特性，其S参数较为理想，传输损耗小且传输系数大于0.96。但是太赫兹聚合物管的场分布中存在仿表面等离子体现象，这会使太赫兹聚合物管的传输特性劣化。进而，采用三种不同的镀膜方式对太赫兹聚合物管镀金属膜，发现镀膜可以有效抑制太赫兹聚合物管场分布的仿表面等离子体现象，使场分布更均匀、更稳定。并且，对比这三种镀膜方式发现内壁镀膜时太赫兹聚合物管的传输特性最优，而内外镀膜时最差。因此，太赫兹聚合物管镀膜宜优先选用内壁镀膜，可以简化工艺和降低成本。

太赫兹;聚合物管;仿等离子体;镀膜

1 前 言

太赫兹波是指频率在0.1～10 THz(波长为30～3000μm，1 THz=1012Hz)范围内的电磁波。它在长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，而在短波段，与红外线相重合，可见，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置［1］。

随着太赫兹技术的发展，它在物理、化学、材料科学［2］、电子信息、生命科学、天文学、大气与环境监测［3］、国家安全［4］与通信等多个重要领域具有的独特优越性和巨大的应用前景逐渐显露。太赫兹波的传输是太赫兹通信系统研究中的一个重要组成部分，由于太赫兹波在自由空间中的传输损耗很大，从某种意义上说很难对它加以引导和控制。把太赫兹辐射限制于一种波导结构内，利用此方法可以更好地发挥太赫兹在尺寸、性能和多功能方面的巨大潜在优势［5］。因此，急需可以传播太赫兹波的波导。

2 不同材料的太赫兹管

由于水蒸气的吸收和大气散射造成太赫兹能量在自由空间传输的大幅衰减［6］。为减少能量损耗，很多研究机构相继深入开展了太赫兹波传输的研究，波导传输是其中最有前途的。目前，比较有实用价值的波导结构主要有四种:金属波导、空心波导、光子晶体波导、聚合物波导。

普通的光纤大多采用石英材料，太赫兹波在石英中的衰减很大，常规的石英光纤难以用作太赫兹波导。研究人员发现太赫兹波在聚合物中具有损耗低［7－8］、色散小的优异传输特性。另外，聚合物还具有很好的柔韧性，且熔化温度也比石英低得多，从而大大地降低了制作工艺的难度［9］。聚合物管是制作太赫兹波导的很好选择。

本文选用三种聚合物作为聚合物管的材料，分别为Teflon，聚乙烯(polyethylene，PE)和聚苯乙烯(polystyrene，PS)，其介电常数εr分别为2.1，2.25，2.6。为了和金属材料制成的金属管比较，选取金(Au)、银(Ag)、铜(Au)、铝(Al)构造相同几何尺寸的金属管，利用基于有限元法(FEM)的专业仿真软件HFSS进行分析。

图1 管在不同金属和聚合物材料下的S参数Fig.1 The S parameters for tube with differentmetal and polymermaterials

从图1可以看出，管材料使用聚合物时的S参数明显优于使用金属材料的，金属在所选用的工作频段内其S11参数彼此接近，均大于－1.3 dB(最小是－1.275 dB，铜)，S21参数均小于－6 dB(最大的是－6.60 dB，铜)。相比较之下，聚合物管的S参数更理想，其 S11参数均小于 －30 dB(最大的是－39.38 dB，PE)，而S21参数均大于－1 dB(最小是－0.6 dB，PE)。其主要原因在于金属的相对介电常数都为1，而且金银铜铝的相对磁导率也相近，而所选聚合物的相对介电常数在2.2～2.6间，且聚合物材料的介电常数在太赫兹频段非常高，从而可以获得高反射率和小的损耗［10］。

3 太赫兹聚合物管

在以0.35太赫兹为中心频率处有一个大概47 GHz带宽的太赫兹大气通信窗口［11］，本文选用的工作频段为0.34～0.36 THz。

表面等离子体波(Surface Plasmons，SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子与电磁波相互作用产生沿着金属表面传播的电子疏密波。它是一种极化波，沿导体表面传播，在与导体表面垂直的方向为以指数衰减的倏逝场，其电磁能量被约束在导体表面较小的范围内，具有很强的近场增强效应。表面等离子体由导电媒质和绝缘体媒质分界面处自由电子的集体振荡产生，波状表面电荷密度与边界处的电磁波模式密切相关［12］。

表面等离子体波产生的物理原理［13］如下:如图2所示，各向同性介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据Maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算出表面等离子体的场分布和色散特性。

图2 表面等离子体波产生的物理原理图Fig.2 The physical principle diagram for producing surface plasma wave

长为6 mm的太赫兹聚合物管模型(如图3所示)的几何尺寸为:外径0.9 mm，内径0.7 mm，中心的管芯中是真空，管层材料选用聚合物。

图3 太赫兹聚合物管的HFSS模型(左)及剖面图(右)Fig.3 The HFSSmodel(left)and positive section(right)for the THz polymer tube

太赫兹聚合物管选用PE、PS两种聚合物，数值模拟聚合物管的S参数，结果如图4所示，其中图4 (a)和4(b)是PE管的S参数和其幅度图，而图4 (c)和4(d)是PS管的S参数及其幅度图。

两种聚合物管的S21都接近于0，两种聚合物管在工作频段下的插入损耗均大于－0.2 dB，聚乙烯PE管的回波损耗小于 －40 dB，PS管的回波损耗小于－35 dB。依据S参数的幅度图，S21的幅度就相当于聚合物管的传输系数，容易发现在工作频段内聚合物管的回波损耗S11幅度小于0.02，传输系数大于0.97。

图4 太赫兹聚合物管的S参数和S参数幅度图Fig.4 The S parameters and itsmagnitude for singlemedium THz polymer tube

PE材料的波导管中，太赫兹波在其径向的场分布如图5所示。从电场和磁场分布图中可以看出，聚合物管的内壁处有仿等离子体波现象，其内壁处的电场有一系列的倏逝波，越向管中心处场强越小，且磁场的仿表面等离子体现象比电场的更明显。

图5 太赫兹聚合物(PE)管的场分布剖面图Fig.5 The field profile for Singlemedium THz polymer(PE)tube

4 镀膜太赫兹聚合物管

为了改进空芯聚合物管的传输特性，对太赫兹聚合物管做镀膜处理［14］，镀膜材料选常用的金属如Au、Ag、Cu等。

长为6 mm的太赫兹PE管，PE的相对介电常数εr为2.25，选用金银铜铝作为金属镀膜层。管的内径为0.5 mm，聚合物层和金属镀膜层的厚度都为0.2 mm，管内为真空。下面分别对外壁镀膜、内壁镀膜和内外镀膜THz聚合物管的传输特性进行研究。

4.1 外壁镀膜太赫兹管

外壁镀膜太赫兹聚合物管的S参数，如图6所示。图6(a)是PE管在不同金属外壁镀层下的S参数图，图6(b)为外镀金的S参数振幅图。太赫兹聚合物管在工作频段内的S21均大于－0.3 dB，其回波损耗均小于－35 dB，且趋于平坦。容易发现在工作频段内聚合物管的回波损耗幅度小于0.015，传输系数大于0.965。

图6 外壁镀膜太赫兹聚合物管的S参数Fig.6 The S parameters for THz polymer tube with outer coat

从电场和磁场分布图(如图7所示)中易看出外壁镀膜聚合物管的空芯处的仿表面等离子体波现象得到抑制，场分布趋于均匀化，磁场的分布更均匀。太赫兹聚合物管内的仿等离子体现象得到抑制的主要原因在于金属层的厚度超过工作频段内金属的趋肤深度［15］。聚合物管的聚合物层内壁的仿等离子体效应减弱，可以减小聚合物层对太赫兹聚合物管的传输损耗。

图7 外壁镀金太赫兹聚合物管的场分布剖面图Fig.7 The field profile for THz polymer tube with gold outer coat

4.2 内壁镀膜太赫兹管

内壁镀膜太赫兹聚合物管的S参数，如图8所示。图8(a)是PE管在不同金属内壁镀层下的S参数图，图8(b)为内镀金的S参数振幅图。太赫兹聚合物管在工作频段内的S21均大于－0.275 dB，其回波损耗均小于－37.7 dB，且趋于平坦。容易发现在工作频段内聚合物管的回波损耗幅度小于0.014，传输系数大于0.968。

图8 内壁镀膜太赫兹聚合物管的S参数Fig.8 The S parameters for THz polymer tube with inner coat

图9 内壁镀金太赫兹聚合物管的场分布剖面图Fig.9 The field profile for THz polymer tube with gold inner coat

从电场和磁场分布图(如图9所示)中易看出内壁镀膜聚合物管内的仿表面等离子体波现象得到抑制，场分布趋于均匀化，磁场的分布更均匀，并且电场分布的周期性比较突出。依据周期电场变化与周期磁场的互相转换过程，这种场的分布可以使太赫兹聚合物管的传输特性更稳定。

4.3 内外壁镀膜太赫兹管

内外壁镀膜太赫兹聚合物管的S参数，如图10所示。图10(a)是PE管在不同金属外壁镀层下的S参数图，图10(b)为外镀金的S参数振幅图。太赫兹聚合物管在工作频段内的S21均大于－0.36 dB，其回波损耗S11均小于－27.4 dB，且趋于平坦。容易发现在工作频段内聚合物管的回波损耗S11幅度小于0.045，传输系数大于0.958。

图10 内外壁镀膜太赫兹聚合物管的S参数Fig.10 The S parameters for THz polymer tube with inside and outside coat

从电场和磁场分布图(如图11所示)中易看出内外镀膜THz聚合物管内的仿表面等离子体波现象得到抑制，场分布趋于均匀化，且THz聚合物管的电场和磁场分布的周期性都比较明显。同样，由于这种场的周期化可以使太赫兹聚合物管的传输特性趋于更稳定。

图11 内外壁镀金太赫兹聚合物管的场分布剖面图Fig.11 The field profile for THz polymer tube inside and outside with gold coat

4.4 镀膜太赫兹管的传输特性对比

对三种镀膜方式下太赫兹聚合物管的传输特性进行对比，如表1所示。

表1 镀膜太赫兹聚合物管在0.34～0.36THz内传输特性对比Tab.1 The transmission properties comparation of coated THz polymer tube in 0.34～0.36THz

在工作频段内，对于插入损耗S21越小越好;相同地，对于回波损耗S11也是越小越好;同时，传输系数mag(S21)越大越好，回波损耗幅度mag(S11)越小越好。对比三种镀膜方式下THz聚合物管的传输特性，由表1易知，内壁镀膜THz聚合物管的传输特性最好，外壁镀膜次之，而内外镀膜THz聚合物管的传输特性最差。因此，对于所设计的THz聚合物管的镀膜可以排除内外壁镀膜方式，而内壁镀膜稍优于外壁镀膜，在THz聚合物管镀膜时宜优先考虑内壁镀膜。

5 结论

太赫兹波导的研究是推广太赫兹技术能广泛应用的关键部分。相比于纯金属管，太赫兹聚合物管的传输特性更加良好，其回波损耗低于－35 dB，插入损耗小于－0.3 dB，而且太赫兹聚合物管传输的回波损耗幅度小于0.02 dB，传输系数大于0.96。太赫兹聚合物管的场分布中存在仿表面等离子体现象，使得传输特性变差。为了改善太赫兹聚合物管的传输特性，采用外壁镀膜、内壁镀膜和内外镀膜三种镀膜方式对太赫兹聚合物管进行镀膜处理，镀膜太赫兹聚合物管的S参数虽比普通的太赫兹聚合物管的S参数稍微变差点，但是传输系数和回波损耗幅度几乎相近，并且镀膜处理可有效抑制仿表面等离子体现象，使太赫兹聚合物管的场分布均匀化和稳定化。通过对三种镀膜THz聚合物管的传输特性对比，发现内壁镀膜最优，而内外镀膜最差，故在选择镀膜时可以排除内外镀膜而优先选择内壁镀膜方式，这样会大大简化工艺和降低成本。

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Transm ission properties research of the coated THz polymer tube

DUO Tian-bo，CHEN Jun，LIU Zi-chen，PANWu
(College of Electronics Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

In this paper，a kind of terahertz(THz)polymer tube is designed which has better transmission properties.The THz polymer tube has ideal S parameters，low transmission loss，and the transmission coefficient is above 0.96 with HFSSanalysis.Nevertheless，there ismimicking surface plasma phenomenon in the field distribution of the THz polymer tube，whichmakes the transmission propertiesworse.And coatedmetalon the terahertz polymer tube outer or inner wall can restrain this phenomenon，which will make the field distribution more uniform and stable.Contrasting three coated pattern，the terahertz transmission characteristics of the inner coated THz polymer tube is the best，and polymer tube with inside and outside coat is the worst.Therefore，the coated pattern should be preferred to choose inner coated，which can simplify the process and reduce cost.

THz;polymer tube;mimicking surface plasmons;coated

O441

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.01.019

1001-5078(2014)01-0084-06

重庆市自然科学基金项目(No.CSTC2010BB2414)资助。

朵天波(1988－)，男，研究生，研究方向为太赫兹技术。E-mail:duotianbo@sohu.com

2013-05-13;

2013-06-07