Электронное управление направленными свойствами реконфигурируемых плазмонных антенных решеток на основе графена с частотным сканированием в среднем инфракрасном диапазоне 

Галина Степановна Макеева, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: radiotech@pnzgu.ru 

Актуальность и цели. Антенны, работающие в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне, могут играть решающую роль в продвижении открытий и инноваций для таких применений, как инфракрасная беспроводная связь, визуализация и формирование изображений, дистанционное зондирование, в том числе экологическое и биологическое, дистанционное обнаружение, сканирование безопасности, биомедицинские приложения, астрономия, IoT (интернет вещей) и сенсоры. Целью работы является исследование с помощью программного комплекса CST MWS 2023 электронного управления направленными свойствами реконфигурируемых плазмонных графеновых антенных решеток (АР) – основным лучом диаграммы направленности (ДН) путем электрической перестройки частоты при изменении химического потенциала графена (приложением внешнего электрического поля), сканирование ДН и изменение формы и параметров ДН в среднем ИК-диапазоне. Материалы и методы. В среднем ИК-диапазоне графен демонстрирует плазмоноподобную комплексную поверхностную проводимость с малыми потерями, что обеспечивает большой потенциал для разработки перестраиваемых АР этого диапазона. Исследования по применению поверхностных плазмон-поляритонов в графене сосредоточены на диапазонах от терагерцового до среднего ИК, так как современные технологии позволяют уменьшить ширину графеновых нанолент только до такой степени, что они могут возбуждать плазмонные колебания в среднем ИК-диапазоне. Для решения электродинамической задачи с помощью программы CST MWS 2023, предназначенной для численного моделирования высокочастотных антенн и устройств, используется метод аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA), дополняющий метод конечных интегралов (Finite Integration Technique, FIT), работающий во временной области. Результаты. Получены результаты электродинамического моделирования управляемости ДН плазмонных графеновых АР с различным числом излучателей (N = 16, 64, 256) и электронного сканирования по частоте на резонансных частотах основной моды поверхностных плазмонполяритонов в среднем ИК-диапазоне при изменении значения химического потенциала μс (0,3–1 эВ) и их зависимости от геометрических размеров графеновых элементов и периодов АР. Выводы. В результате электродинамического моделирования показана возможность эффективного электронного управления ДН плазмонных графеновых АР в режиме сканирования в среднем ИК-диапазоне при изменении химического потенциала графена (μс = 0,3–1 эВ): изменение направления главного лепестка ДН, при этом достижимый сектор углов сканирования подтверждает эффективность управления лучом; уменьшение ширины ДН по уровню половинной мощности и уровня боковых лепестков; возрастание эффективности излучения и, как следствие, увеличение коэффициента усиления. 

Ключевые слова

плазмонная графеновая антенная решетка, средний инфракрасный диапазон, поверхностные плазмон-поляритоны, диаграмма направленности 

 Скачать статью в формате PDF

Для цитирования:

Макеева Г. С. Электронное управление направленными свойствами реконфигурируемых плазмонных антенных решеток на основе графена с частотным сканированием в среднем инфракрасном диапазоне // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2024. № 3. С. 86–106. doi: 10.21685/2072-3040-2024-3-8