energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2025-68-6-483-490energy-2518Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGМоделирование электромагнитных характеристик приемника терагерцового излученияSimulation of Electromagnetic Characteristics of a Terahertz ReceiverЕсманА. К.EsmanA. K.

г. Минск

Minsk

ЗыковГ. Л.ZykovG. I.

Адрес для переписки:  Зыков Григорий Люцианович Белорусский национальный технический университет просп. Независимости, 65,220013, г. Минск, Республика БеларусьТел.: +375 17 331-00-50

zikov@bntu.by

Address for correspondence:Zykov Gregory L.Belarusian National Technical University 65, Nezavisimosty Ave.,220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 331-00-50

zikov@bntu.by

zikov@bntu.byКулешовВ. К.KuleshovV. K.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202501122025686483490Copyright © Есман А.К., Зыков Г.Л., Кулешов В.К., 20252025Есман А.К., Зыков Г.Л., Кулешов В.К.Esman A.K., Zykov G.I., Kuleshov V.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2518

Электромагнитное излучение терагерцового диапазона (ТГц) находит применение в различных областях науки и технологии (медицинская диагностика, безопасность и контроль, сенсорные технологии, коммуникационные технологии, научные исследования и т.д.). Компьютерное моделирование в разработке и исследовании ТГц-приемников значительно сокращает затраты и время вывода продукта на рынок, заменяя дорогостоящие эксперименты. Современные программные комплексы, такие как HFSS, позволяют точно моделировать сложные трехмерные конфигурации и анализировать электродинамические характеристики компонентов. В рамках исследования параметров ТГц-приемника в диапазоне 0.4–1.4 ТГц использовалось моделирование в HFSS, где точность результатов зависит от корректности модели, включая детализацию геометрии, свойства материалов и параметры симуляции. В данной работе предложена трехмерная модель оригинального селективного компактного приемника электромагнитного излучения терагерцового диапазона длин волн (с эффективностью преобразования ~97 %) для двух резонансных частот, состоящего из чувствительного элемента, выполненного на основе двух открытых аподизированных периодических микрорезонаторных структур с коэффициентом заполнения, изменяющимся по линейному закону, согласующего элемента в виде несимметричной нерегулярной полосковой линии треугольной формы и детектирующего диода. Конструкция обладает ключевыми преимуществами, включая высокую эффективность преобразования, пригодность для матричной архитектуры, высокую селективность к регистрируемому излучению и возможность простых методов считывания, что делает ее привлекательным подходом для терагерцового зондирования – важного инструмента для различных научных и практических приложений.

Electromagnetic radiation of the terahertz range (THz) is used in various fields of science and technology: medical diagnostics, security and control, sensor and communication technologies, scientific research, etc. Computer simulation in the development and research of THz receivers significantly reduces costs and time-to-market by replacing expensive experiments. Advanced software suites, like HFSS, facilitate the accurate modeling of intricate three-dimensional configurations and the analysis of component electrodynamic performance. This study leveraged HFSS to simulate the performance of a THz receiver across the 0.4–1.4 THz band. The accuracy of the simulations relies on the fidelity of the model, encompassing geometric details, material properties, and chosen simulation parameters. This paper proposes a three-dimensional model of an original selective compact receiver of terahertz electromagnetic radiation (with a conversion efficiency of~97 %) for two resonance frequencies, consisting of a sensor based on two open apodized periodic microcavity structures with a fill factor changing according to a linear law, a matching element in the form of an asymmetric irregular triangular strip line, and a detecting diode. The design offers key advantages including high conversion efficiency, suitability for matrix architectures, high selectivity to registered radiation, and the potential for simple readout methods, making it an attractive approach for THz sensing, an important tool across various scientific and practical applications.

чувствительный элементдетектирующий диодтерагерцовое излучениетрехмерная модельрезонансная частотаHFSSэффективность преобразованияпотери на отражениекоэффициент направленного действияsensordetecting diodeterahertz radiation3D modelresonance frequencyHFSSconversion efficiencyreflection lossesdirectivityReferencesMakhlouf S., Cojocari O., Hofmann M., Nagatsuma T., Preu S., Weimann N., Hübers H.-W., Stöhr A. (2023) Terahertz Sources and Receivers: Form the Past to the Future. IEEE Journal of Microwaves, 3 (3), 894–912. https://doi.org/10.1109/jmw.2023.3282875.Makhlouf S., Cojocari O., Hofmann M., Nagatsuma T., Preu S., Weimann N., Hübers H.-W., Stöhr A. (2023) Terahertz Sources and Receivers: Form the Past to the Future. IEEE Journal of Microwaves, 3 (3), 894–912. https://doi.org/10.1109/jmw.2023.3282875.Peng K., Morgan N.P., Wagner F.M., Siday Th., Xia Ch. Q., Dede D., Boureau V., Piazza V., Fontcuberta I Morral A., Johnston M.B. (2024) Direct and Integrating Sampling in Terahertz Receivers from Wafer-Scalable InAs Nanowires. Nature Communications, 15, 103. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44345-1.Peng K., Morgan N.P., Wagner F.M., Siday Th., Xia Ch. Q., Dede D., Boureau V., Piazza V., Fontcuberta I Morral A., Johnston M.B. (2024) Direct and Integrating Sampling in Terahertz Receivers from Wafer-Scalable InAs Nanowires. Nature Communications, 15, 103. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44345-1.Rogalin V. E., Kaplunov I. A., Kropotov G. I. (2018) Optical Materials for the THz Range. Ultraviolet, Infrared, and Terahertz Optics, 125, 1053–1064. https://doi.org/10.1134/s0030400x18120172.Rogalin V. E., Kaplunov I. A., Kropotov G. I. (2018) Optical Materials for the THz Range. Ultraviolet, Infrared, and Terahertz Optics, 125, 1053–1064. https://doi.org/10.1134/s0030400x18120172.Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L. (2011) Terahertz Detection Antenna. Patent of the Republic of Belarus No 7220 (in Russian).Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L. (2011) Terahertz Detection Antenna. Patent of the Republic of Belarus No 7220 (in Russian).Wang Zh. (2023) A 285 GHz Tripler Using Planar Schottky Diode. Optics and Photonics Journal, 13 (8), 209–216. https://doi.org/10.4236/opj.2023.138019.Wang Zh. (2023) A 285 GHz Tripler Using Planar Schottky Diode. Optics and Photonics Journal, 13 (8), 209–216. https://doi.org/10.4236/opj.2023.138019.Esman A. K., Potachits V. A., Zykov G. L., Kuleshov V. K. (2015) Detector for Submillimeter Wavelength Range on the Basis of the Man-Made Materials. Pribory i Metody Izmereniy = Devices and Methods of Measurements, 1 (10), 5–9 (in Russian).Esman A. K., Potachits V. A., Zykov G. L., Kuleshov V. K. (2015) Detector for Submillimeter Wavelength Range on the Basis of the Man-Made Materials. Pribory i Metody Izmereniy = Devices and Methods of Measurements, 1 (10), 5–9 (in Russian).Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L., Zalesski V. B. (2011) Infrared Detector on the Basis of the Schottky Junction with the Resonance Nanoand Microstructures. Nanoi Mikrosistemnaya Tekhnika = Journal of Nano and Microsystem Technique, 3 (167), 44–46 (in Russian).Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L., Zalesski V. B. (2011) Infrared Detector on the Basis of the Schottky Junction with the Resonance Nanoand Microstructures. Nanoi Mikrosistemnaya Tekhnika = Journal of Nano and Microsystem Technique, 3 (167), 44–46 (in Russian).Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2020) Simulation of Thin-Film Solar Cells with a CuInSe2 Chalcopyrite Structure. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (1), 5–13. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13.Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2020) Simulation of Thin-Film Solar Cells with a CuInSe2 Chalcopyrite Structure. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (1), 5–13. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13.Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2021) Simulation of Photovoltaic Thermoelectric Battery Characteristics. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (3), 250–258. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-250-258.Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2021) Simulation of Photovoltaic Thermoelectric Battery Characteristics. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (3), 250–258. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-250-258.Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2024) Simulation of Vertical Thin-Film Solar Battery under Exposure of Concentrated Solar Radiation. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 67 (5), 381–392. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-5-381-392 (in Russian).Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2024) Simulation of Vertical Thin-Film Solar Battery under Exposure of Concentrated Solar Radiation. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 67 (5), 381–392. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-5-381-392 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.