来源：微波仿真论坛 序言：介于微波和红外之间，频段为100GHz~10THz的太赫兹波段是电磁波谱中最少研究的区域。仅仅在最近的几年中，为了T射线技术的成熟和广泛商用，THz波导技术开始被人们关注。Rice大学的研究者在这方面的研究中取得了一些重要的发现，并正在利用COMSOL Multiphysics研究太赫兹波导，以及如何实现波导与天线及其他系统元件的互联。
图1 Jason Deibel博士正使用实验装置测量光导太赫兹天线的性能 潜在应用 随着波导效率和接口 技术的发展，T射线技术由于其独特的辐射特性将会得到广泛的应用。T射线可以和X射线一样，穿透塑料、纸、干木材、和玻璃，但是却不能穿透金属和其他的导电体。有别于X射线，T射线对人体没有危险性。这些突出的优点使得T射线具有很多潜在的应用：爆炸和走私物品侦测、缺陷分析、水分检测、医学诊断、示踪气体探测、和生物医学成像。实际上，NASA在哥伦比亚空 难发生之后就已经开始在宇宙航天飞机上使用太赫兹成像技术来检测油箱绝缘泡沫材料的缺陷。
图2 太赫兹系统的侧面照。该系统有多面反射镜、透镜以及其他灵敏光学元件组成 由于缺少合适的传输T赫兹波的波导，如今大部分的系统都是静态的，而且体积庞大。因此，当Rice大学Daniel Mittleman教授领导的小组发现一种在太赫兹频率具有低损耗、低色散特性的圆柱形金属波导时，太赫兹波导研究有了重要的突破进展。然而，为了实现全面的应用，研究小组还需要研发新的太赫兹光导天线来更好的匹配线形波导。 第一个太赫兹光导天线本质上是利用线性偏振辐射的线性双偶极子发射器。研究小组将水平极化的太赫兹脉冲聚焦在0.9mm的不锈钢线形波导上时，大约只能耦合1%的入射波功率。为了提高性能，他们模拟了互相垂直的两个金属线的耦合效率，结构小于0.42%。 研究小组最近发现，通过产生偏振辐射能有效的耦合到简单金属线形波导中。因为金属线的长度是波长的许多倍，通过激发小范围区域的结构，使得能量以光速沿着金属线的表面传播。随着能量的运动，会引起载流子的震荡，进而出现表面等离子体极化效应。在金属线的末端，偏振辐射将能量释放到自由空间形成太赫兹波。通过模拟他们研究了多种效应，正在使用有限元分析（FEA）技术深入研究影响太赫兹波传播的损耗机制，以及介质薄膜的曲率的影响。 新型天线设计和模拟 如前所述，太赫兹波导的突破进展需要一个新型的天线。他们使用COMSOL Multiphysics模拟新型的天线设计方案，希望得到一个放射状的辐射场。对天线进行建模仿真，需要在径向对称坐标系中建立一个多物理场模型，包括天线内的3D电磁波传播应用模式和DC场的静电学分析。
图3 在第一个发射太赫兹的天线模型中，研究者采用理想化的天线和低反射率的边界条件。图片是辐射功率的模拟结果。 他们提出的模型设计不仅可以产生极化波束，实验结果与分析模型仿真结果非常吻合。仿真结果显示实际的极化天线不能形成完美的径向极化的太赫兹极化波束，很大程度上波束被径向极化。他们之后又模拟了极化天线的输出与线形波导之间的耦合，耦合效率接近56%，相比双金属线情况提高了近2个数量级。 |
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