瞬变电磁波在色散媒质中的传播与散射

色散媒质中瞬变电磁波的传播与散射等问题的计算分析是比较困难的，特别是在时域直接分析更加困难，本文采用时域的有限差分析来分析色散媒质中的瞬变场能直观可靠地反映其特性，为色散媒质中瞬变场的分析与研究和对目标识别，电磁兼容和隐形技术等领域的理论及应用研究提供了一种简便有效的数值计算方法。     

沙尘暴对太赫兹波传播的影响

为研究太赫兹波在沙尘暴中的传播特性,应用Mie散射理论研究了太赫兹波段沙尘粒子的散射特性,得到沙尘粒子的散射效率因子、消光效率因子和吸收效率因子随粒径、太赫兹波长的变化关系。基于沙尘粒子尺寸的对数正态分布,数值计算了沙尘暴的太赫兹衰减。研究结果表明,沙尘的衰减随能见度的增大而减小,波长越小,沙尘暴引起的太赫兹波衰减越大;波长为40 μm时,沙尘暴对太赫兹波传播影响最大,浮尘对太赫兹波传播影响最小。低能见度沙尘暴对太赫兹波传播影响明显。     

浅层地下目标时域电磁散射问题的数值模拟

本文用时域有限差分法(FD-TD法)计算了浅层地下目标的时域电磁散射。在地下色散媒质的参数r()和r()都是以Debye方程表示时,推出了FD-TD法的迭代分式,并给出了相应的吸收边界条件。通过将FD-TD法计算的结果与其它结果相比较,证实了该方法对计算有耗媒质中电磁场问题的有效性。对瞬态脉冲在色散媒质中的传播特性进行了讨论。分别计算了典型地下目标的时域散射波形和波形堆积图。     

太赫兹波段信号在雾中的传输特性研究

太赫兹（THz）波提供的通信带宽和容量远大于毫米波。与可见光和红外光相比,THz脉冲的波长较长,在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数,分析了不同THz波波长下,雾滴粒子消光系数随粒子尺寸的变化。结合雾滴粒子谱分布,考虑粒子群的平均体系散射特性,得到了不同波长下的平均反照率与相函数。最后分析了THz波段信号在不同能见度雾中的传输特性。结果表明:大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视,不同THz信号的水的折射率虚部的变化严重影响了THz信号在雾中的传输。     

（英）高效锥形太赫兹耦合器

设计了将太赫兹波耦合进入波导的耦合器.耦合器由金属材料铝制成,形状为中空圆锥形和圆柱形的结合.在宽带的脉冲太赫兹信号和单频的连续太赫兹信号两种情况下,模拟并实验测试了耦合器将自由空间传输的平行太赫兹波耦合进入反谐振波导,结果显示该耦合器是宽带太赫兹波耦合器.通过优化耦合器几何参数,在太赫兹时域系统下得到振幅耦合率达到71%,振幅增强因子为6.125.     

高效锥形太赫兹耦合器（英文）

设计了将太赫兹波耦合进入波导的耦合器.耦合器由金属材料铝制成,形状为中空圆锥形和圆柱形的结合.在宽带的脉冲太赫兹信号和单频的连续太赫兹信号两种情况下,模拟并实验测试了耦合器将自由空间传输的平行太赫兹波耦合进入反谐振波导,结果显示该耦合器是宽带太赫兹波耦合器.通过优化耦合器几何参数,在太赫兹时域系统下得到振幅耦合率达到71%,振幅增强因子为6.125.     

介质色散特性的ⅡR数字滤波器模拟及其在FDTD上的应用

在用时域有限差分法（FDTD）分析色散媒质电磁问题过程中,采用无限冲激响应滤波器模拟媒质的色散特性,讨论了包括冲激响应不变法和双线性变换法等滤波器设计方法在这一新领域中的应用。改进的FDTD法利用成熟的数字信号处理技术分析处理了色散媒质瞬变电磁场问题,为数字信号处理技术在时域电磁场分析领域的应用提供了新的思路。为验证此方法的有效性和可靠性,分别用滤波器系统模拟了不同色散媒质。并在此基础上用FDTD对色散媒质电磁问题进行了分析计算,同时验证了结果。     

双各向异性色散介质电磁波传播Z-时域有限差分分析

基于一种改进的Z变换-时域有限差分(Z-Finite-Difference Time-Domain,Z-FDTD)方法,即将双各向异性色散介质的频域本构方程先转化到Z域中,再利用Z变换的性质将其转换到时域,得到离散时域的FDTD迭代式,分析了双各向异性色散介质电磁波传播特性.由于Omega媒质是一种典型的双各向异性色散介质,以此为例编程计算了垂直入射在Omega介质板情形下产生的同极化和交叉极化电磁波的反射和透射情况,并通过算例和解析解对比验证了算法的正确性,最后对其电磁散射特性进行了分析.     

基于电磁理论和热力学方法的太赫兹波空-天-地-海衰减模型

太赫兹(Terahertz, THz)频段(0.1～10 THz)可以提供数十GHz的连续带宽,以实现6G通信系统中的天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN)。然而,太赫兹波与SAGIN中信道介质的相互作用仍然是一个谜。太赫兹波在太空-大气-地表-海面(空-天-地-海)信道中所遭受到的吸收和散射效应可被建模为太赫兹光子与介质粒子的碰撞过程,在此基础上结合电磁理论和热力学方法提出了通用的太赫兹波空-天-地-海衰减模型。相比已有模型,该模型考虑了各类粒子(包括凝聚态粒子、单个分子和自由电子)所导致的衰减效应,涵盖了太赫兹波在传播过程中所能遇到的衰减效应。基于该模型对太赫兹波在大气和外层空间的传播损耗进行数值计算,计算结果表明,除自由空间损耗(Free-Space Path Loss, FSPL)外,其他衰减效应在50 km以上的大气都可以忽略不计,而在50 km以下的大气中则需要考虑这些衰减效应。     

太赫兹波通信技术研究现状及展望

太赫兹波是介于微波与光波之间的尚未被完全开发利用的频段,基于太赫兹波的通信技术将是下一代通信技术的重点发展方向,并具有广阔的应用前景。首先介绍了太赫兹波通信的基本特性、太赫兹波通信系统的架构组成、以及太赫兹波通信的关键技术,然后对国内外太赫兹波通信的辐射源技术、信号调制技术、信号探测技术以及通信系统的研究进展情况进行了重点阐述,最后对太赫兹通信技术研发过程中面,l盏的困难进行了分析,并对未来太赫兹波通信技术的应用进行了展望。     

弱电离高超声速流场对太赫兹波传播影响

在再入飞行过程中生成的等离子体鞘套对电磁波传播的影响引起了很多的关注。包覆飞行器的等离子体鞘套通常为一团弱电离的气体。等离子体鞘套的存在会影响飞行器与地面间的通信,甚至带来通讯黑障问题。为了解决这一问题,进行了大量的研究并提出提高电磁波频率可以成为一种解决方式。随着可以生成高强度太赫兹源的设备出现,电磁波与等离子体间相互作用在微波波段的研究局限被打破,高频率的太赫兹波与等离子体间的相互作用也引起了更多关注。通过计算流体力学方法对包覆飞行器的热力学和化学动力学非平衡流体进行数值计算可以得到包覆高超声速飞行器的流场分布, 以此可以得到等离子体鞘套的电磁特性。通过数值计算得到四种飞行场景下的等离子体鞘套,并分析了不同传播路径下太赫兹波与等离子体鞘套的相互作用,结果表明:当飞行高度较低,鞘套等离子体密度较大时,太赫兹波具有穿过等离子体鞘套的能力,可以为通讯黑障问题的解决提供理论支持。     

Multi-ray channel modeling for programmable wireless environments in the terahertz band

Terahertz communication system based on programmable wireless environment allowed programming customization of electromagnetic wave propagation in the most suitable ways for different wireless devices.It could not only improve serious fading,interference and non-line-of-sight problems,but also significantly enhance the security and privacy of the system.The channel modeling of terahertz wireless communication in programmable wireless environment was focused.Firstly,a multi-ray channel model for terahertz-band programmable wireless environment was established based on ray tracing technology as well as the propagation model of line-of-sight and non-line-of-sight.Then,based on the established propagation model,reflection coefficient,the broadband channel capacity under the water-filling power allocation algorithm and the RMS delayed extension were further studied.The simulation and analysis results show that the programmable wireless environment greatly reduces the influence of path loss and multipath fading in terahertz wireless transmission through active interference in electromagnetic wave transmission,improves the transmission capacity of terahertz communication system,which provides a reference for the later design of terahertz communication system,especially indoor terahertz communication system.     

Tailoring Terahertz Propagation by Phase and Amplitude Control in Metasurfaces

Metasurfaces have been very successful at demonstrating the ability to control the wave propagation over the broad electromagnetic spectrum in recent years. The output wavefronts can be controlled at will, by encoding specially designed abrupt changes of electromagnetic parameters into the metasurfaces, such as phase and amplitude. Constituted by a single- or few-layer of planar structures, metasurfaces are straightforward in design and fabrication, thus promising many credible applications. Moreover, such control concept can be further extended to the surface wave regime. In this review, we present our recent progress on metasurfaces capable of tailoring the propagation of both free-space and surface terahertz waves. Following an introduction of the basic concept and theory, a number of unique terahertz metasurfaces are presented, showing the ability to device ultra-thin and compact functional terahertz components.     

太赫兹缝隙衍射的严格求解方法

基于严格电磁场理论和结构拓展思想,提出了太赫兹缝隙结构衍射的严格物理模型,得到了太赫兹缝隙衍射情形下入射、衍射和透射区域内电磁场基本模式的严格表达。数值计算表明太赫兹波在晶体(砷化镓)、非金属(FR-4)等材料缝隙的透射系数与太赫兹波频率的变化趋势大体相似,得出缝隙材料对太赫兹波的透射系数影响不明显;但是,缝隙的个数、材料的种类以及基底材料的厚度对太赫兹缝隙衍射最大透射系数的影响明显。本文方法也可用于研究太赫兹波亚波长区域内、微纳光学元件体内衍射传输等问题。     

Excitation and Propagation of Sommerfeld–Zenneck Surface Waves on a Conducting Strip in the Centimeter-Wave Band

The paper presents the results of experimental studies and the analysis of the surface electromagnetic wave propagation along metal conducting strips in the centimeter-wave band, which is convenient for simulation of open waveguides for the optical and terahertz bands of electromagnetic radiation.     

太赫兹波辐射源的研究进展

电磁波谱中的太赫兹波段拥有许多比传统光源更独特的性质,在生物、材料、安检和通信等领域有着非常重要的研究价值,而高功率和高效率的太赫兹辐射源则是太赫兹技术转化为实际生产力的一个重要因素和前提条件。文章分别从以气体、固体和液体作为激发介质的角度,总结了激光与不同激发介质相互作用产生太赫兹波的研究进展。对气体介质中常用的四波混频、有质动力、切伦科夫和光电流模型的物理机制以及固体介质中的光电导和光整流模型的物理机制进行了详细撰述,并对影响这几种激发介质产生出太赫兹波的因素进行了分析与总结。最后,对液体激发介质产生出太赫兹辐射源的方法进行了展望。     

电波在有耗分层媒质中传播的频域特性研究

本文在频率域上研究了电波在分层媒质中的传播特性，提出了一种新的电波在有耗分层媒质中的传播的频域模型，利用计算机仿真分析了电波在层状媒质中的传播的频率特性，得出了各介质参数及电波频率与传播持性的关系。     

太赫兹波在均匀磁化等离子体中的传播特性

研究了太赫兹波通过均匀磁化等离子体的传播特性,给出了太赫兹波衰减和相移随等离子体密度、碰撞频率、太赫兹波频率和磁感应强度的变化规律。等离子体电子密度越大,衰减和相移越大;随着碰撞频率的增大,电磁波的衰减先增加到峰值后逐渐减小,且随着磁感应强度的增加,衰减的峰值变大,峰值向碰撞频率减小的方向移动;当电子碰撞频率接近电磁波频率时等离子体对右旋极化波的衰减达到极大值。太赫兹波频率增大,衰减逐渐减小,而相移先增加后逐渐减小。     

等离子体鞘套中太赫兹波传输特性研究

采用散射矩阵方法(SMM)研究太赫兹波在非磁化、非均匀等离子体鞘套中的传输特性。在假定等离子体电子密度分布为双指数分布条件下,对太赫兹波斜入射等离子体时的功率反射系数、透射系数及吸收系数进行了仿真,还对其随太赫兹波的入射角度、太赫兹波的频率、等离子体的碰撞频率、等离子体分布形态的变化规律进行了总结。研究结果表明,在上述条件下,太赫兹波在等离子体中均有较好的传输特性。总体上来说,随着太赫兹波频率的提高,太赫兹波在等离子体中的透射性更好,可以考虑提升载频至太赫兹波段来解决通信黑障问题。     

基于石墨烯的太赫兹波调制器

石墨烯由于其优异的电学性能,在微波、毫米波、太赫兹波等领域显示出潜在的应用前景。本文设计了毫米波和亚太赫兹波频段的基于石墨烯的相位和幅值波导调制器。该石墨烯调制器可以通过调节石墨烯的表面阻抗来调控电磁波在波导中传播的振幅和相位;分析了石墨烯片的长度和位置对电磁波在波导中的透射和反射系数的影响,同时还分析了石墨烯化学势对电磁波在波导中传输和反射的影响。结果表明,通过调节石墨烯片的长度及其在矩形金属波导中的位置,可以调控调制器的反射系数、透射系数和透射相位调制范围,并满足器件级应用需求。