矩量法分析石墨烯太赫兹频段的电磁特性

摘要

随着通信技术的快速发展，太赫兹技术越来越受到研究者的关注。太赫兹技术以其宽频带、信息传输容量大、速率高等一系列优点展现出广阔的应用前景。而作为太赫兹技术的载体，石墨烯自发现以来，因其独特的电磁学特性，相较于其它纳米材料，在太赫兹技术中有着独特的优势。本文基于石墨烯在太赫兹技术方面的应用发展需求，提出基于矩量法的石墨烯太赫兹频段电磁散射特性的研究。 石墨烯的色散特性是本文研究的基础。Kubo公式表明石墨烯的表面电导率是受其带内和带间传输特性影响，不同频率的电磁波照射到石墨烯表面，石墨烯的表面电导率和阻抗都会不同，带内电导率和带间电导率的贡献也会不一样。本文首先通过Kubo公式计算出石墨烯的电导率，分析研究了太赫兹频段下石墨烯带内和带间电导率的变化规律，并根据电导率求解出石墨烯的表面阻抗。然后通过对石墨烯的色散特性精准建模，根据石墨烯表面阻抗边界条件，建立表面积分方程，并使用矩量法求解积分方程，即使用RWG基函数对积分方程进行离散，将其变为矩阵方程的形式便于求解。在计算阻抗矩阵元素时，由于格林函数的存在，需要对由此产生的奇异性做特殊处理。最终求解出石墨烯的表面感应电流，经过后处理得到石墨烯的散射特性，与仿真结果对比验证了频域结果的正确性。同时，计算了太赫兹频段多频点的石墨烯散射特性，将其结果经过傅里叶逆变换转换到时域，得到石墨烯的时域远场散射，将其与时域积分方程方法的结果作对比，验证了本文结果的正确性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究历史与现状

1.2.1 石墨烯的研究历史与现状

1.2.2 计算电磁学方法的研究历史与现状

1.3 研究内容与创新点

1.4 章节安排

第二章 矩量法与理想电导体积分方程

2.1.1 矩量法的基本原理及步骤

2.1.2 基函数与权函数的选取

2.1.3 RWG基函数

2.1.4 矩量法求解电磁问题的一般步骤

2.2 理想电导体表面积分方程

2.2.1 理想电导体散射模型

2.2.2 理想电导体表面积分方程

2.3 雷达散射截面

2.4 本章小结

第三章 石墨烯的电导率与阻抗特性

3.2 石墨烯的色散模型

3.2.1 石墨烯表面电导率

3.2.2 石墨烯表面阻抗

3.3 本章小结

第四章 求解石墨烯的表面电场积分方程

4.1.2 积分方程的离散

4.2 石墨烯表面积分方程的求解

4.2.1 高斯积分法

4.2.2 阻抗矩阵元素的计算

4.3 数值计算结果分析

4.4 石墨烯频域散射特性到时域的变换

4.4.1 时域远场散射

4.4.2 石墨烯频域散射特性到时域散射特性的变换

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.2 后续研究展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢