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1、河北工业大学硕士学位论文太赫兹波在椭圆波导中的传播特性的研究姓名：张忠亚申请学位级别：硕士专业：理论物理指导教师：张勇20091201河北工业大学硕士学位论文 i 太赫兹波在椭圆波导中的传播特性的研究 摘 要 太赫兹波在椭圆波导中的传播特性的研究 摘 要 太赫兹波段是覆盖了电磁波谱上从远红外线到毫米波间的区域，由于其在众多科学技术领域都具重要的潜在应用前景，是当前研究的热点之一。近几年来，以美、日为首的各个发达国家正投入大量人力和物力致力于这方面的研究，太赫兹研究对于我国同样也具有重要的战略意义。目前人们对太赫兹波的研究主要集中在太赫兹辐射源、探测、成像、传输等几个方面。在传输方面，由于在自由
2、空间中传输时损耗太大，太赫兹波只能在一定的波导系统中才能进行远距离传输。而太赫兹波远距离传输的成功实现则又是利用其一切功能特性的基础，因此对传输系统等功能器件的研究是太赫兹系统向实用化发展的核心环节之一。本论文作为太赫兹波传输方面研究的重要组成部分，专门研究太赫兹波在椭圆波导中的传输特性。 本文内容共分为三个部分: 1. 概述了太赫兹波的发展概况和国内外的研究现状，介绍了太赫兹波的基本性质和其应用的主要方面。 2. 推导出了太赫兹波在双层介质波导中的传输特征方程，分析了偶模和奇模的传输特性，得到了在不同椭圆比下归一化频率和有效折射率的曲线图，随着归一化频率的增大有效折射率增加。得出了偶模和奇模
3、的传输特性曲线基本一致。分析了太赫兹波在双层介质波导中传输频率和传播常数之间的关系。 3. 计算了太赫兹波在几种金属中的趋肤深度，从麦克斯韦方程组出发推导了太赫兹波在金属空芯椭圆波导中的传输方程，分析了模式关系，并且推导出了太赫兹波在金属空芯椭圆波导中的传输衰减系数方程，数值计算了太赫兹波在不同金属镀层空芯椭圆波导中的传输衰减系数， 通过分析得出了衰减系数和金属的电导率、 椭圆偏心率、 椭圆长半轴之间的关系。得到了适合太赫兹波传输的最佳椭圆偏心率。 关键词关键词：太赫兹波，镀层空芯椭圆波导，传输特性，衰减常数 太赫兹波在椭圆波导中的传播特性的研究 ii STUDY ON PROPAGATION
4、 CHARA CTERISTICS OF TERAHERTZ RADIATION IN ELLIPTICAL WAVEGUIDE ABSTRACT The terahertz (THz) spans a frequency band ranging from the far-infrared to the millimeter microwave on the electromagnetic spectrum. It is one of the hot research issues due to its great potential applications in many scienti
5、fic and technological fields. In recent years, America and Japan are devoting plenty of human and material resources to the THz research. And fully expanding research on THz science and technology has also been of important strategic meaning for our country. Nowadays, the researches on the THz are m
6、ainly focused on the radiation source, detecting, imaging and propagating of THz radiation. Due to the presence of large attenuation coefficient in free space, the long-range propagating of the THz radiation can only been achieved in some waveguide systems. The successful realization of the long-ran
7、ge propagating is just the foundation upon which all the functional characteristics of the THz radiation can be efficiently utilized. As a consequence, the researches on the functional apparatus such as transmission systems associated with the propagating of THz radiation are one of the key steps to
8、 achieve the development of the practical use for the THz radiation. As a portion of the systemic researches on the transmission of THz radiation, the present dissertation is mainly devoted to investigating the propagating characteristics of the THz radiation in elliptical waveguides. This dissertat
9、ion can be divided into three chapters: 河北工业大学硕士学位论文 iii 1. The general situation of the development and actuality of the investigations as well as the characteristics and applications of the THz radiation are summarized. 2. The analytical solutions of THz wave equations for double-layer elliptical
10、waveguide have been studied. The mode field distribution and the mode characteristic equations are obtained when THz wave transfers the double-layer dielectric waveguide and analyze transmission characteristics of even and odd mode. The curves about normalized frequency and effective refractive inde
11、x at different elliptical ratio are obtained. The effective refractive index becomes large with increase of the normalized frequency. The propagation characteristics of even and odd mode are basically similar. Analyze the relationship between the THz transmission frequency and propagation characteri
12、stic. 3. The skin depths of the THz wave range within several metals are calculated. By using Maxwell equations, the mode field distribution and the mode characteristic equations are obtained. The loss equation of the radiation propagating in hollow waveguides coated with metal films are deduced. Th
13、e attenuation coefficient of THz radiation propagating in various hollow waveguide coated with metal films are also simulated theoretically. The relationship among metal conductivity, elliptical eccentricity, elliptical semi-major axis and attenuation coefficient are obtained. The optimal elliptical
14、 eccentricity of THz propagation has obtained. KEY WORDS: THz radiation,film-coated hollow elliptical waveguide,transmission characteristics, attenuation coefficient 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体
15、，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论
16、 1-1 太赫兹波概述 1-1 太赫兹波概述 1-1-1 太赫兹波简介 1-1-1 太赫兹波简介 太赫兹（Terahertz，简称THz，1THz1012Hz）辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称。它在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间。太赫兹辐射源于它的震荡频率在指频率1012Hz左右。在电子学领域里，这一频段的电磁波又被称作毫米波和亚毫米波；而在光谱学领域，它也被称为远红外射线，其频率范围在0.1THz10THz（303），是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，也是电子学向光子学过渡的频段1。其在电磁波谱的位置如图1.1所示。早在上个世纪初，科学家就对该波段产生了浓厚的兴趣。但是在20世纪80年代中期之前，由于缺乏太赫兹波段的高效率的发射源和灵敏的探测器，这一波段的电磁辐射并没有得到深入的研究，也只有极少量的技术和应用。与之相对的在电磁波谱中处于太赫兹波两侧的微波和红外辐射则早已经被广泛的应用在通讯、探测、光谱、成像等众
