Плазмонные антенны на основе прямоугольных графеновых нанолент с управляемой поляризацией терагерцового и инфракрасного излучения

Полный текст

Введение

Требования к высокой пропускной способности и скорости передачи данных будущей беспроводной связи, такой как 6G и выше, не могут быть удовлетворены с помощью существующих технологий. Терагерцовый (ТГц) диапазон частот становится все более многообещающим для применения в высокоскоростных сетях беспроводной связи будущего [1]. ТГц излучение активно используют для разработки связи нового поколения. По сравнению с СВЧ-диапазоном использование ТГц излучения позволяет на порядок увеличить скорость передачи информации, в частности для 6G Wi-Fi [2].

В последнее время реализация ТГц устройств и антенн ускорилась за счет появления двумерных (2D) материалов, таких как графен, который решает проблему, связанную с разработкой эффективного управления. Высоколегированный графен становится основной платформой для создания плазмонных антенн [3–7] и устройств, в том числе поляризаторов [8–11] ТГц диапазона благодаря своим уникальным оптоэлектронным свойствам. Графен демонстрирует высокую подвижность носителей, поглощение, не зависящее от длины волны, перестраиваемость свойств при изменении химического потенциала (уровня Ферми) путем электрического стробирования и химического легирования, при этом он химически и механически устойчив благодаря прочной ковалентной связи между атомами углерода. В графене возбуждаются относительно длительные, сильно ограниченные и перестраиваемые плазмонные резонансы, которые проявляются в ТГц и инфракрасном (ИК) диапазонах частот [3].

Если графен интегрировать в антенны, то графеновые аналоги типичных металлических антенн демонстрируют лучшие свойства излучения [4–7]. Это связано не только с хорошей проводимостью графена, но главным образом с тем, что поверхностная проводимость графена зависит от химического потенциала, изменяющегося при приложении напряжения смещения [12]. Ожидается, что такое динамическое управление проводимостью графена может достигать скоростей до терабит в секунду [3].

Для развития новых ТГц систем сверхбыстродействующей и сверхточной связи необходимо эффективное управление направлением поляризации излучаемых волн, однако большинство методов технологически сложные и дорогие [2].

Важные научные проблемы, связанные с проектированием устройств СВЧ, антенн и фазированных антенных решеток, позволяют решать программы электродинамического моделирования CST MWS и HFSS [13; 14].

Целью данной работы является исследования с помощью программы электродинамического моделирования CST Microwave Studio возможности управления поляризацией ТГц и ИК излучения плазмонных антенн на основе прямоугольных графеновых нанолент путем изменения химического потенциала (при приложении внешнего электрического поля).

1. Моделирование характеристик плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты, возбуждаемой TEM-волной s- и p-поляризации, при изменении химического потенциала

Модели возбуждения плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты нормально падающей TEM-волной s-поляризации (рис. 1, а) и p-поляризации (рис. 1, б) с помощью волноводного порта, созданные в программном комплексе CST MWS 2023 [15], приведены на рис. 1. Модель антенны состоит из прямоугольной графеновой наноленты (длиной l, шириной w) (рис. 1), расположенной на диэлектрической подложке (диоксид кремния SiO₂, диэлектрическая проницаемость $\epsilon =\mathrm{2,2})$ с геометрическими размерами a, b, h.

Рис. 1. Модели возбуждения плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты TEM-волной s-поляризации (а) и p-поляризации (б) с помощью волноводного порта в программном комплексе CST MWS 2023

Fig. 1. Models of excitation of a plasmonic antenna based on a rectangular graphene nanoribbon by a TEM wave of s-polarization (a) and p-polarization (b) using a waveguide port in the CST MWS 2023 software package

Рис. 1 демонстрирует ориентацию вектора E напряженности электрического поля падающей TEM-волны относительно графеновой наноленты: в случае возбуждения антенны волной s-поляризации вектор E ориентирован вдоль широкой стороны графеновой наноленты (рис. 1, а), в случае p-поляризации – вдоль узкой (рис. 1, б).

Эти модели с возбуждением волноводным портом падающей TEM-волной s- и p-поляризации (рис. 1) использованы для решения электродинамической задачи с помощью программного комплекса CST Microwave Studio 2023 методом конечного интегрирования во временной области [3].

Проведен расчет элемента матрицы рассеяния $\left|S_{12}\right|$ графеновой плазмонной антенны, возбуждаемой TEM-волной s- и p-поляризации, в ТГц, дальнем и среднем ИК диапазонах для различных значений химического потенциала  графена.

Результаты расчета частотных зависимостей элемента матрицы рассеяния $\left|S_{12}\right|$ (коэффициента прохождения волны) плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты (с геометрическими размерами $w=1$ мкм, $l=\mathrm{2,5}$ мкм, $a=b=3$ мкм, $h=1$ мкм) для значений химического потенциала ${\mu }_{с1}=\mathrm{0,3}$ эВ, ${\mu }_{с2}=\mathrm{0,7}$ эВ, ${\mu }_{с3}=1$ эВ представлены для случаев возбуждения TEM-волной s- и p-поляризации на рис. 2, а и б, соответственно. Графен имеет следующие параметры: температура $Т=300$ K, параметр рассеяния $\tau =1$ пс.

Рис. 2. Частотные зависимости элемента матрицы рассеяния $\left|S_{12}\right|$ плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты для различных значений химического потенциала ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}}$ в ТГц, дальнем и среднем ИК диапазонах: а – s-поляризация; б – p-поляризация падающей TEM-волны; кривая 1 – ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{3}$ эВ, 2 – ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{2}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{7}$ эВ, 3 – ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}\mathbf{1}$ эВ; $\mathit{w}\mathbf{=}\mathbf{1}$ мкм, $\mathit{l}\mathbf{=}\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{5}$ мкм, $\mathit{a}\mathbf{=}\mathit{b}\mathbf{=}\mathbf{3}$ мкм, $\mathit{h}\mathbf{=}\mathbf{1}$ мкм

Fig. 2. Frequency dependences of the scattering matrix element $\left|S_{12}\right|$ of a plasmonic antenna based on a rectangular graphene nanoribbon for different values of the chemical potential ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}}$ in the THz, far and mid-IR ranges: a – s-polarization; b – p-polarization of the incident TEM wave; curve 1 – ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{3}$ eV, 2 – ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{2}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{7}$ eV, 3 – ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}\mathbf{1}$ eV; $\mathit{w}\mathbf{=}\mathbf{1}$ μm, $\mathit{l}\mathbf{=}\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{5}$ μm, $\mathit{a}\mathbf{=}\mathit{b}\mathbf{=}\mathbf{3}$μm, $\mathit{h}\mathbf{=}\mathbf{1}$ μm

Из результатов моделирования (рис. 2) следует, что при изменении химического потенциала ${\mu }_{с}$ графена положение по частоте и значения минимумов коэффициента прохождения $\left|S_{12}\right|$ изменяются. Минимумы коэффициента прохождения $\left|S_{12}\right|$ (рис. 2, а, б) обусловлены максимумами коэффициента поглощения P в графене и соответствуют плазмонным резонансам [16] на частотах $f_{рез},$ определяемых возбуждением основной и высших мод поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) [11]. Эти резонансные частоты $f_{рез}^{s,p}$ зависят от поляризации падающей волны [11].

При s-поляризации возбуждающей TEM-волны (резонанс поверхностного электрического тока вдоль широкой стороны прямоугольной графеновой наноленты) наблюдается продольный плазмонный резонанс [11]. Для s-поляризации первая резонансная частота $f_1^{s1}$ определяется основной модой ППП (рис. 2, а), для которой максимальна плотность поверхностного электрического тока $j_s$ на графеновой наноленте, и поэтому максимально и поглощение. Для p-поляризации возбуждающей TEM-волны – это поперечный резонанс поверхностного электрического тока $j_s$ вдоль узкой стороны прямоугольной графеновой наноленты [11], и резонансные частоты $f_{рез}^p$ выше, чем $f_{рез}^s$ для s-поляризации (рис. 2, б). Наблюдаются несколько резонансных частот ближайших высших мод ППП как при s-поляризации (рис. 2, а), так и p-поляризации (рис. 2, б). В случае прямоугольной графеновой наноленты продольный при s-поляризации (рис. 2, а) и поперечный при p-поляризации (рис. 2, б) резонансы ППП разнесены по частоте.

Результаты расчета управляемости элемента матрицы рассеяния $\left|S_{12}\right|$ на резонансных частотах $f_{рез}^{s,p}$ основной моды и моды второго порядка ППП, возбуждаемых TEM-волной s- и p-поляризации, при изменении химического потенциала ${\mu }_{с}$ (0,3, 0,7, 1 эВ) приведены в таблице.

Таблица. Расчетные значения элемента матрицы рассеяния $\left|S_{12}\right|$ на резонансных частотах $f_{рез}^{s,p}$основной и второй мод ППП, возбуждаемых TEM-волной s- и p-поляризации, для различных значений химического потенциала ${\mu }_{с}$

Table. Calculated values of the scattering matrix element $\left|S_{12}\right|$ at the resonant frequencies $f_{рез}^{s,p}$ of the fundamental and second modes of the SPP excited by a TEM wave of s- and p-polarization for different values of the chemical potential ${\mu }_{с}$

2. Моделирование управляемости поляризацией ТГц и ИК излучения плазмонных антенн на основе прямоугольных графеновых нанолент

Результаты моделирования с помощью пакета прикладных программ CST MWS 2023 диаграммы направленности (ДН) плазмонной графеновой антенны на диэлектрической подложке и распределения вектора плотности поверхностного электрического тока $j_s$ на графеновой наноленте на резонансных частотах $f_1^{s1},$ $f_2^{s1},$ $f_3^{s1}$ основной моды ППП при s-поляризации возбуждающей TEM-волны для различных значений химического потенциал ${\mu }_{с}$ (0,3, 0,7, 1 эВ) приведены на рис. 3.

Рис. 3. ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на диэлектрической подложке на резонансных частотах ${\mathit{f}}_{\mathbf{р}\mathbf{е}\mathbf{з}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}$ основной моды ППП при s-поляризации возбуждающей TEM-волны и сканирование по частоте в ТГц диапазоне при изменении значения химического потенциала ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}}\mathbf{\text{:}}$ 2D ДН в E-плоскости (в зависимости от   (а), в E-плоскости (в зависимости от   (б) в полярной (а, б) и 3D ДН в сферической (в) системах координат и распределение вектора плотности поверхностного электрического тока  на графеновой наноленте (г); 3.1 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{1}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{3}\mathbf{,}\mathbf{652}$ ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{3}\mathbf{;}$ 3.2 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{2}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{5}\mathbf{,}\mathbf{563}$ ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{2}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{7}$ эВ; 3.3 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{6}\mathbf{,}\mathbf{616}$ ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}$1 эВ; интенсивность излучения и плотности поверхностного электрического тока  обозначены цветом в электронной версии статьи

Fig. 3. The plasmonic antenna pattern based on a rectangular graphene nanoribbon on a dielectric substrate at resonant frequencies ${\mathit{f}}_{\mathbf{рез}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}$ of the fundamental SPP mode with s-polarization of the exciting TEM wave and frequency scanning in the THz range with a change in the value of the chemical potential of ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}}\mathbf{\text{:}}$ 2D RP in the E-plane (depending on   (a), in the E-plane (depending on   (b) in the polar (a, b) and 3D RP in the spherical (c) coordinate systems and the distribution of the surface electric current density vector on the graphene nanoribbon (d); 3.1 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{1}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{3}\mathbf{,}\mathbf{652}$ THz, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{3}\mathbf{;}$ 3.2 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{2}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{5}\mathbf{,}\mathbf{563}$THz, eV; 3.3 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{6}\mathbf{,}\mathbf{616}$ THz, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}$1 eV; the radiation intensity and surface electric current density are indicated by color in the electronic version of the article

Результаты, представленные на рис. 3.1–3.3, а–в, демонстрируют возможность перестройки рабочей частоты плазмонной графеновой антенны (сканирование по частоте) на резонансных частотах $f_{рез}^{s1}$ основной моды ППП при s-поляризации возбуждающей TEM-волны в ТГц диапазоне при изменении химического потенциала ${\mu }_{с}$ в интервале значений 0.3 – 1 эВ (приложением внешнего электрического поля).

На резонансных частотах $f_1^{s1},$ $f_2^{s1},$ $f_3^{s1}$ основной моды ППП при s-поляризации возбуждающей TEM-волны наблюдается резонанс электрического тока, создаваемого стоячей полуволной ППП вдоль широкой стороны прямоугольной наноленты [11] и, следовательно, полуволновое распределение поверхностного электрического тока $j_s$ по длине прямоугольной графеновой наноленты с максимумом в центре (рис. 3.1–3.3, г). Форма 3D ДН излучения, создаваемого этим полуволновым (по длине волны ППП) электрическим излучателем, тороидальная (рис. 3.1–3.3, в). Ось 2D ДН ориентирована в экваториальной плоскости параллельно относительно продольного излучающего тока (рис. 3.1–3.2, б), ДН в E-плоскости (в зависимости от $\theta$ при $\phi =0°)$ соответствует ДН полуволнового симметричного вибратора [17]; в E-плоскости (в зависимости от $\theta$ при $\phi =90°)$ – это окружность (рис. 3.1–3.3, а).

При увеличении значения химического потенциала ${\mu }_{с}$ происходит возрастание интенсивности плотности поверхностного электрического тока $j_s$ на графеновой наноленте (рис. 3.1–3.3, г), так как добротность резонанса уменьшается и, следовательно, коэффициент поглощения в графене увеличиваются [11], при этом возрастает и эффективность излучения плазмонной графеновой антенны (рис. 3.1–3.3, в).

Для сравнения на рис. 4 представлены результаты моделирования ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на металлизированной диэлектрической подложке (с такими же геометрическими размерами $w=1$ мкм, $l=\mathrm{2,5}$ мкм, $a=b=3$ мкм, $h=1$ мкм) на резонансной частоте $f_3^{s1}$ основной моды ППП равной $f_3^{s1}=\mathrm{5,252}$ ТГц при s-поляризации возбуждающей TEM-волны для значения химического потенциала ${\mu }_{с}=1$ эВ.

Рис. 4. ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на металлизированной диэлектрической подложке при s-поляризации возбуждающей TEM-волны на резонансной частоте основной моды ППП ${\mathit{f}}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{5}\mathbf{,}\mathbf{252}$ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}$1 эВ: 2D ДН в H-плоскости (в зависимости от $\mathit{\phi }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\theta }\mathbf{=}\mathbf{90}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (а) и в E-плоскости (в зависимости от $\mathit{\theta }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\phi }\mathbf{=}\mathbf{90}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (б) в полярной (а, б) и 3D ДН в сферической (в) системах координат

Fig. 4. RP of a plasmonic antenna based on a rectangular graphene nanoribbon on a metallized dielectric substrate with s-polarization of the exciting TEM wave at the resonant frequency of the fundamental mode of the SPP ${\mathit{f}}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{s}\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{5}\mathbf{,}\mathbf{252}$ THz, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}$1 eV: 2D RP in the H-plane (depending on $\mathit{\phi }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\theta }\mathbf{=}\mathbf{90}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (a) and in the E-plane (depending on $\mathit{\theta }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\phi }\mathbf{=}\mathbf{90}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (b) in the polar (a, b) and 3D RP in the spherical (c) coordinate systems

Из сравнения ДН плазмонных антенн на основе прямоугольных графеновых нанолент с диэлектрической (рис. 3.3) и металлизированной (рис. 4) подложкой на резонансных частотах $f_3^{s1}$ основной моды ППП следует, что ось ДН направленности, а следовательно, и плоскость поляризации ТГц излучения полуволнового (по длине волны ППП) электрического излучателя во вором случае развернулась на 90°.

Таким образом, плазмонные антенны на основе прямоугольных графеновых нанолент с диэлектрической и металлизированной подложкой излучают ТГц волны двух ортогональных поляризаций, и, следовательно, поляризация ТГц излучения таких антенн управляема нанесением металлизации на диэлектрическую подложку.

Результаты моделирования с помощью пакета прикладных программ CST MWS 2023 ДН плазмонной графеновой антенны на диэлектрической подложке и распределения вектора плотности поверхностного электрического тока  на графеновой наноленте на резонансных частотах основной моды ППП $f_1^{p1},$ $f_1^{p1},$ $f_1^{p1}$ при p-поляризации возбуждающей TEM-волны для различных значений химического потенциала ${\mu }_{с}$ (0,3, 0,7, 1 эВ) приведены на рис. 5.

Результаты, представленные на рис. 5.1–5.3, а–в, демонстрируют возможность перестройки рабочей частоты плазмонной графеновой антенны (сканирование по частоте) на резонансных частотах $f_{рез}^{p1}$ основной моды ППП при p-поляризации возбуждающей волны из ТГц в дальний и средний ИК диапазоны при изменении химического потенциала ${\mu }_{с}$ в интервале значений 0,3 –1 эВ (приложением внешнего электрического поля).

Рис. 5. ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на диэлектрической подложке на резонансных частотах ${\mathit{f}}_{\mathbf{р}\mathbf{е}\mathbf{з}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}$ основной моды ППП при p-поляризации возбуждающей TEM-волны и сканирование по частоте в ТГц, дальнем и среднем ИК диапазонах при изменении значения химического потенциала ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}}\mathbf{\text{:}}$ 2D ДН в E-плоскости (в зависимости от $\mathit{\theta }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\phi }\mathbf{=}\mathbf{90}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (а), в E-плоскости (в зависимости от $\mathit{\theta }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\phi }\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (б) в полярной (а, б) и 3D ДН в сферической (в) системах координат и распределение вектора плотности поверхностного электрического тока ${\mathit{j}}_{\mathbf{s}}$ на прямоугольной графеновой наноленте (г); 5.1 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{1}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}\mathbf{=}$7,747 ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{1}}\mathbf{=}$0,3; 5.2 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{2}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}\mathbf{=}$11,803 ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{2}}\mathbf{=}$0,7 эВ; 5.3 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}\mathbf{=}$14,104 ТГц, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}$1 эВ; интенсивность излучения и плотности поверхностного электрического тока  обозначены цветом в электронной версии журнала

Fig. 5. The plasmonic antenna pattern based on a rectangular graphene nanoribbon on a dielectric substrate at resonant frequencies ${\mathit{f}}_{\mathbf{рез}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}$ of the fundamental SPP mode with p-polarization of the exciting TEM wave and frequency scanning in the THz, far and mid-IR ranges with a change in the value of the chemical potential of ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}}\mathbf{\text{:}}$ 2D RP in the E-plane (depending on $\mathit{\theta }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\phi }\mathbf{=}\mathbf{90}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (a), in the E-plane (depending on $\mathit{\theta }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathit{\phi }\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{°}\mathbf{)}$ (b) in the polar (a, b) and 3D RP in the spherical (c) coordinate systems and the distribution of the surface electric current density vector ${\mathit{j}}_{\mathbf{s}}$ on a rectangular graphene nanoribbon (d); 5.1 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{1}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}\mathbf{=}$7,747 THz, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{1}}\mathbf{=}$0,3; 5.2 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{2}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}\mathbf{=}$11,803 THz, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{2}}\mathbf{=}$0,7 eV; 5.3 – ${\mathit{f}}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{p}\mathbf{1}}\mathbf{=}$14,104 THz, ${\mathit{\mu }}_{\mathbf{с}\mathbf{3}}\mathbf{=}$1 eV; the radiation intensity and surface electric current density  are indicated by color in the electronic version of the journal

На резонансных частотах $f_1^{p1},$ $f_2^{p1},$ $f_3^{p1}$ основной моды ППП при p-поляризации возбуждающей волны наблюдается резонанс электрического тока, создаваемого стоячей полуволной ППП вдоль узкой стороны прямоугольной наноленты [11] и, следовательно, полуволновое распределение поверхностного электрического тока $j_s$ по ширине прямоугольной графеновой наноленты с максимумом в центре (рис. 5.1–5.3, г). Форма 3D ДН излучения, создаваемого этим полуволновым (по длине волны ППП) электрическим излучателем, тороидальная (рис. 5.1–5.3, в). Ось 2D ДН в экваториальной плоскости ориентирована параллельно относительно поперечного излучающего тока (рис. 5.1–5.3, г), и ДН соответствует ДН полуволнового симметричного вибратора [17] в E-плоскости (в зависимости от $\theta , \phi =90°)$ (рис. 5.1–5.2, а); в E-плоскости (в зависимости от $\theta , \phi =0°)$ – это окружность (рис. 5.1–5.3, б).

Из сравнения ДН антенн на резонансных частотах основной моды ППП $f_3^{s1}=$6,616 ТГц при s-поляризации (рис. 3.3) и $f_3^{p1}=$14,104 ТГц при p-поляризации (рис. 5.3), следует, что ось ДН направленности, ориентирована параллельно в первом случае продольному, а во втором случае – поперечному излучающему току, а следовательно, и ориентация плоскости поляризации излучения полуволнового (по длине волны ППП) электрического излучателя [17] развернулась на 90° в меридианальной плоскости.

Таким образом, плазмонная антенна на основе прямоугольной графеновой наноленты на диэлектрической подложке имеет возможность излучать волны двух ортогональных поляризаций при изменении рабочей частоты с резонансной частоты моды ППП $f_{рез}^s$ при s-поляризации на резонансную частоту моды ППП $f_{рез}^p$ при p-поляризации возбуждающей TEM-волны. Следовательно, поляризация ТГц, ИК излучения таких антенн управляема выбором рабочих частот в зависимости от характера плазмонного резонанса (продольный или поперечный) в прямоугольной графеновой наноленте.

Заключение

В результате моделирования показано, что плазмонные антенны на основе прямоугольных графеновых нанолент могут излучать ТГц, ИК волны двух ортогональных поляризаций. Выявлены способы управления поляризацией ТГц, ИК-излучения таких антенн, основанные на выборе рабочих частот, соответствующих плазмонным резонансам мод ППП, и нанесении металлизации на диэлектрическую подложку.

Возможность управления поляризацией ТГц, ИК-излучения позволит создавать как новые элементы плазмонных графеновых антенных решеток [18], так и новые коммуникационные технологии, в том числе будущих сетей 6G [2]. Эти технологии включают энергоэффективную связь, сети когнитивного радио, которые могут перестраиваться самостоятельно, и внутриполосный полнодуплексный режим, который способен увеличить пропускную способность в два раза [2].

Об авторах

Галина Степановна Макеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: galina.makeeva@gmail.com

доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиотехники и радиоэлектронных систем

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Модели возбуждения плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты TEM-волной s-поляризации (а) и p-поляризации (б) с помощью волноводного порта в программном комплексе CST MWS 2023

Скачать (493KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Частотные зависимости элемента матрицы рассеяния плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты для различных значений химического потенциала в ТГц, дальнем и среднем ИК диапазонах: а – s-поляризация; б – p-поляризация падающей TEM-волны; кривая 1 – эВ, 2 – эВ, 3 – эВ; мкм, мкм, мкм, мкм

Скачать (866KB)

Метаданные

4. Рис. 3. ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на диэлектрической подложке на резонансных частотах основной моды ППП при s-поляризации возбуждающей TEM-волны и сканирование по частоте в ТГц диапазоне при изменении значения химического потенциала 2D ДН в E-плоскости (в зависимости от (а), в E-плоскости (в зависимости от (б) в полярной (а, б) и 3D ДН в сферической (в) системах координат и распределение вектора плотности поверхностного электрического тока на графеновой наноленте (г); 3.1 – ТГц, 3.2 – ТГц, эВ; 3.3 – ТГц, 1 эВ; интенсивность излучения и плотности поверхностного электрического тока обозначены цветом в электронной версии статьи

Скачать (1MB)

Метаданные

5. Рис. 4. ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на металлизированной диэлектрической подложке при s-поляризации возбуждающей TEM-волны на резонансной частоте основной моды ППП ТГц, 1 эВ: 2D ДН в H-плоскости (в зависимости от (а) и в E-плоскости (в зависимости от (б) в полярной (а, б) и 3D ДН в сферической (в) системах координат

Скачать (465KB)

Метаданные

6. Рис. 5. ДН плазмонной антенны на основе прямоугольной графеновой наноленты на диэлектрической подложке на резонансных частотах основной моды ППП при p-поляризации возбуждающей TEM-волны и сканирование по частоте в ТГц, дальнем и среднем ИК диапазонах при изменении значения химического потенциала 2D ДН в E-плоскости (в зависимости от (а), в E-плоскости (в зависимости от (б) в полярной (а, б) и 3D ДН в сферической (в) системах координат и распределение вектора плотности поверхностного электрического тока на прямоугольной графеновой наноленте (г); 5.1 – 7,747 ТГц, 0,3; 5.2 – 11,803 ТГц, 0,7 эВ; 5.3 – 14,104 ТГц, 1 эВ; интенсивность излучения и плотности поверхностного электрического тока обозначены цветом в электронной версии журнала

Скачать (1MB)

Метаданные