TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5185 ~ 51 9 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.533 5          5185     Re cei v ed  De cem ber 1 0 , 2013; Re vi sed  March 12, 20 14; Accepted  March 29, 20 14   The Transmission Properties o f  Coated THz Teflon  Tube      Pan Wu, Du o Tianbo, Liu Zichen, Ch en Jun   Coll eg e of Pho t oelectro n ic En gin eeri ng, Ch o ngq i ng U n iv ers i t y  of Posts an d T e lecommun i catio n s,  Cho ngq in g 40 0 065, Ch in a       A b st r a ct  T he S para m eters, attenuati o n char act e ristic s and gr ou p d e lay ch aracter i stics of the T e flon tu be   have  be en  an aly z e d  in  the  pap er. F i rstly, the S p a ra met e rs of  meta l a nd p o ly mer tu be w i th the  sa me   structure are  compar ed.  T hen the trans mission  prop erti es of t he simple tera hert z   T e flon tubes  an d   terahert z  T e flo n  tubes w h ic h  are coate d   meta l fi l m  by  three differ ent  w a ys are simu late d, and  the   adva n tag e s an d disa dva n tag e s are contrast ed. T he S par ameters of T e flon tub e  are  more id eal, b u t it is   not pl ai n, the a ttenuatio n w i thi n  the w o rki ng f r equ ency is  les s  than  10.7 7dB /m, the gr ou p d e lay  is less  tha n   10 -1 0 s, coati n g  T e flon  tub e  w i th fil m  can   make S  p a ra met e rs p l ai n. T e fl on tu be  ca n tr ans mit T H z  w a ve   effectively, and  if the T e flon tube is co ated  w i th f ilms, the trans missi on ch aracteristics ca n be i m prov ed  i n   concl u sio n .    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Tera hert z  refers to th e fre quen cy 0.1 ~ 10THz (wav elength i s  30  ~ 300 0 m, 1THz=  10 12 Hz) withi n  the ele c tro m agneti c  sco pe. It overla p s  with  sub - mi llimeter wave  (SMMW) in t he  long wave ba nd,  an d collo cate s  the   infrared   in sh ort wave band.   So  THz wave  has  very spe c ial   positio n in the electroma g netic spe c tru m  [1].  With the dev elopme n t of THz radi ation  sou r ce [2] and dete c tion i m aging te chn o logy [3],  its uniq ue a d vantage s a nd great ap plicatio n pr o s pe ct  have emerged  in material scie nce,   electroni c inf o rmatio n, life  scien c e,  astronomy,  at mosp he ric a nd e n viron m ental mo nitoring,  national  secu rity, comm uni cation s, a nd  other i m po rta n t are a s g r a dually. Limiti ng the  tera h e rtz  radiatio n wit h in a waveg u ide [4] stru cture  ca n b e  better to  give play to huge p o ten t ial  advantag es  of the tera h e rtz i n  si ze,  perfo rm an ce, and the  multi-fun c tion . Therefo r e,  THz  waveg u ide s  a r e nee ded u r gently.      2. THz Tu be  w i th Differ en t Mate rials   THz energy in free sp aces seri o u sly attenuate d  beca u se of the ab sorption of vapor an d  atmosp he ric  scattering  [5]. In orde r to  redu ce  en erg y  loss,  a lot  of re sea r ch i n stitution s  ha ve   carrie d out t he re se arch  on THz  wav e  tran smi ssi o n  pro p e r ties.  Polymer tub e  ha s better  loss   cha r a c teri stics than  soli d  waveg u ide. I n  additio n ,  it is ea sy to de sign  and  pro c e ss, the  are a  of  the mode fiel d is larg e. So polymer tub e  is the ne w kin d  of THz  wav eguid e  [6].  In this  part, t h ree  ki nd s of  polyme r  mat e rial  are  sele cted to  de sig n  polyme r  tu be, they  are Teflo n , polyethylene (PE) and poly s tyrene  ( PS),  respe c tively, dielectri c   co nstant  r  are 2.08,  2.25, 2.6. To  comp are poly m er tub e s wit h  metal tub e s, the metal tu bes  whi c h  wa s ma de of Au ,  Ag, Au, Al wit h  the s a me geometric  s i z e .  The S pa ram e ter is  analy z ed by the finite eleme n t me thod (FEM ). As ca n be  se en from   the Figu re  1, S paramete r s of p o lymer  tube i s  supe rior to  metal  tubes, th e S 11  para m eter  of  metal tubes  are  closed to  each oth e r  within t he sel e cted  workin g freque ncy  band. They a r e all  less than  -1. 3dB (the  ma ximum is  -1. 275dB,  cop p e r), S 21  pa ra meters a r e le ss than  7dB  (the  maximum i s   6.60dB, copp er). By  comp arison,  the  S paramete r s  of polyme r  tube s a r e m o re   ideal, its S 11   are l e ss tha n   30dB (th e  ma ximum is  39. 38dB, PE), a nd the S 21  parameters  ar e less   than 1 d B (th e  minimu m i s   0.6dB, PE). T he m a in  rea s on i s  that  the  relative di ele c tri c   con s tant  of  metal is 1, and the relative perme abilit y of Au 、 Ag 、 Cu 、 Al are  also si milar,  and the relati ve   diele c tric  con s tant of sele cted polymer i s  betw een 2. 0 ~ 2.6, and the dielect r ic  con s tant of the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5185 – 51 90   5186 polymer  mat e rial at te ra hertz freq ue ncy is  ve ry  high, which  can  help to  obtain the  high  reflectivity and small lo ss [ 7 ].      Figure 1. The  S Parameters for Tub e  wit h  Different M e tal and Polymer Mate rial s      Acco rdi ng to the tradition al theory of circul ar wavegui de [8], the main mode of ci rcula r   waveg u ide is  TE 11  mode, when the main  workin g mod e  is just si ngl e-mo de (TE 11  mode), the  wavele ngth range a s  follo ws:     2.62R< λ <3. 4 1R     There, R is th e inner di ame t er of the circular wavegui de.  Whe n  the ce nter freq uen cy  f  = 0.350THz, the co rre sp ondin g  wavel ength   i s  ab out  857 m.  Usi ng the work co ndition s o f  single mod e ,  we can d e d u ce the  rang e  of the waveg u ide  radiu s :     251.34 9 m<R<327.1 3 7 m ，     Take th e average of the ra nge 28 9.2 m  as the diam eter of the initial radiu s  of tube, and the  initial values  of tube thickn ess and  coati ng thickne s s are all  /4 ≈ 21 4 m.      3. THz Te flo n  Tube   There is a ro ughly 47G Hz  band width of ter ahe rtz  com m unication at mosp he re wi ndo w at  the freque ncy   f =0.35T Hz [9 ], the worki n g  frequen cy is   0.33THz  ~ 0.38THz in this  pape r.  As Figure 2 shows, 3 mm long Te rahe rt z polym e r  tube’s geo metry size, outer di ameter  is 50 3.2 m, inner  diamete r  is 2 89.2 m, the air i s  filled in the  core  of tube an d  the layer of the   tube is Teflon .      Figure 2. The  HFSS Model  (left) and Po sitive Section  (right) fo r the  THzT eflon T ube       As sho w n i n  Figu re 3, th e tran smi s sio n  prope rties  of terah e rt z  Teflon tub e   have b een  simulate d nu meri cally, incl uding the S p a ram e ters  (shown in Figure 3(a )),  the attenuation  curves  (Figu r e 3 ( b))  and group d e l a y (Figure 3(c)).  聚 合 物 层 空 气 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Tran sm ission Prope rties of  Co ated  THz Teflon T ube (Pa n  Wu )  5187 Propa gation con s tant  = +j , there,    is the attenu ation co nsta n t  and   is the pha se   c o ns ta n t. In  F i gu r e   3 ( b)   r e (G amma ) is  , its  unit  is Np/m, and 1Np/m   =(2 0 /ln10 )dB/ m ≈ 8.68 6dB/m.  Grou p Del a y (G D) of the waveguid e  is d e fined a s :    2 2 d = d cd d ,    There,    is the angul ar fre quen cy,    is the co rrespon ding wavelen g th,  c  is the speed of light.       Figure 3. The  Tran smi ssio n  Prope rties  of Teflon Tub e   (a) S pa ramet e rs; (b) Atten uation curve; (c) Group del ay       Teflon tube’ s Insertio n loss is as low a s  4.21dB  at ce nter freq uen cy, and the return lo ss  is as lo w a s  -57.58dB, but there a r e larg e cha nge s wit h in the ban d, and it is not smooth eno ug h.  Within the wo rkin g freq uen cy band, the  attenuati on of  Teflon tube i s  less than  1.24Np/m, abo ut  10.77dB/m.  For  gro up d e lay, namely  gro up di sp e r sio n  i s  le ss than 2 10 -1 1 s, and it  ra pidly  increa sed to  9.36 10 -11 s a t  0.380THz.   For the Teflo n  waveg u ide,  THz  wave di stributio n  in the radi al is shown in Figu re 4. From  the electri c  field and ma gn etic field distri bution, it ’s ea sy to see that  the field distribution of air  core focu se s  on the tube wall.              Figure 4. The  Field Profile for Single Me dium THz  Tef l on tube: Electric Field  (left) and Magn etic  Field (ri ght)        4. THz  Coa t e d  Teflon Tub e  In orde r to improve the transmi ssion  p r ope rtie s of Teflon tube, try to coat films on the   terahe rtz T e flon tube [10], and Au, Ag, Cu are co mm only use d  as  coatin g material.  For  3mm-l o n g  THz  Teflon  tube, its rel a tive diele c tri c   con s tant  r  is  2.08. G o l d , silver,   cop per, i r on  and alu m inu m  are  usually cho s e n  a s  t he metal coati ng layer. T h e  inner  diamet er of   tube i s  2 89.2 m, the thickness  of Teflo n  laye r a nd  coated  metal l a yer  are  21 4 m, and the  core   of tube is filled with air. Th e transmissio n prop ertie s  of the coated  THz Teflon tu be we re stu d i e d   in detail, as shown belo w .       () c () b () a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5185 – 51 90   5188 4.1. The Outer Coa t ing T H z T e flon Tu be         Figure 5. The  Tran smi ssio n  Prope rties  of Te flon Tube Outer  Coat ed with Different Metal  Material s; (a ) S paramete r s; (b)  Attenuati on cu rve; (c)  Grou p delay;       As shown in  Figure 5, the  transmissio n  prop er tie s  of  THz Teflon tu be with  outer coatin g.  The S p a ra meters of T e flon tube  out er  coate d  u n der different metals sh ows  in Figu re 5 ( a),  Figure 5 ( b )  i s  the  atten u a tion  cu rve,  and th e  gro u p  del ay of  T e flon tub  out er  co ated  wi th   different meta ls sh ows in Fi gure 5 ( c). S param eter an d  group d e lay of THz Teflo n  tube are poo r   within the  wo rkin g fre que n c y ban d. It’s  easy to fin d  t hat the atten uation of  Teflon tube  coat ed   with silver i s  minimal withi n  the work in g  band, and th e coate d  co p per is  se con d .     4.2. The inne r coating T H z Teflon  tub e   As sho w n in  Figure 6, the  tran smissio n  pro per tie s  of  inne r coatin g THz T e flon  tube, S  para m eter of  Teflon tub e  inner coati ng with  different metal s   sho w s in Fi gure  6(a), t h e   attenuation  curves shows  in Figu re 6 ( b ) . T he in sertio n loss of T e rahert z  Teflo n  tube S 21  is less  than 0.20dB (except iro n  coating)  within  the worki ng  band, its retu rn loss i s  less than -30 d B, and   it tends to b e   more  smooth.  Within  the  worki ng f r eq ue ncy b and, th e  attenuatio n o f  Teflon tu be i s   less than 5.2 N p/m (ab out 45.17dB/m ), the attenuatio n for silver c oated is still  minimal, cop per  follows .        Figure 6. The  Tran smi ssio n  Prope rties  of Tefl on Tub e  Inner Coate d  with Differe nt Metal  Material s; (a ) S paramete r s; (b)  Attenuati on cu rve; (c)  Grou p delay;       4.3. The Inne r and Outer Coa t ing THz  Teflon Tub e       Figure 7. The  Tran smi ssio n  Prope rties  of Teflon  Tub e  with Insid e  and Out s ide  Coate d  Different  Metal Materia l s; (a) S pa ra meters; (b) At tenuation  curve; (c) G r ou p delay;     () c () b () a () c () b () a () c () b () a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Tran sm ission Prope rties of  Co ated  THz Teflon T ube (Pa n  Wu )  5189 As sh own in  Figure  7, it is the tran smi ssi on p r op erties  of inn e r an d oute r  coated  terahe rtz Tefl on tub e . Fig u r e  7(a )  i s  S   para m eters o f  the Teflo n  t ube i nne r  an d oute r   co ating   with the  different m e tals,  Figure 7 ( b )  is the atten uation  curve s , Fi gure  7 ( c) i s  t he g r ou p d e l a y  curve. T he in sertio n lo ss  S 21  of terahertz Teflon tub e  is le ss tha n  0.25dB (ex c ept iron  coati ng)  within the wo rking fre que ncy band, its return lo ss S 11  is less than -3 2dB, and it tends to be mo re  flat. The attenuation of T e flon tube is greate r  tha n  6.8Np/m  (about 50.0 6 d B /m) within the  workin g freq u ency ba nd, a nd the gro up  delay is le ss t han 1.5 10 -11 s.   Within th e  worki n g  ba nd,  the in se rtion  loss S 21  is  as sm all a s  po ssi ble. Simila rly, the   retur n  los s  S 11  is as sm all as po ssible.  Mean while, the attenuatio n and group  delay is a s  small  as p o ssible,  as flat as  po ssible  a s   well.  Make th e co mpari s o n  of the tran smi s sion prope rties of  terahe rtz Tefl on tub e  am o ng thi s  three  co ating  m e thod s, then  it sh ow s th at the tra n smissi on  prop ertie s  of  outer  co ating  THz Teflon  tu be is t he  worst, inne r an d  outer  co ating  is la st but o n e .  The mai n  re aso n  is th at these th ree  coatin g Te flo n  tube  with the differe nt refractive in d e x  distrib u tion a nd the differe nt reflectio n  interf aces  an d the structu r e paramete r s are n eed to  be  further optimi z ed. But the coating can  make S  pa ramete rs mo re flat. Therefore, terah e r tz  coatin g Teflo n  tube ca n ob tain better tra n smi ssi on ch ara c teri stics.       5. Conclusio n   Take the att enuatio n of terah e rt z in the open  spa c e into acco unt, and in orde r to  transmit the  THz (te r ah ert z )  wave i n  th e wave guid e , terah e rtz Tef l on tube  whi c h ha s the  go od   transmissio n  cha r a c teri stic is de sign ed  and  an alyze d  in  this pa p e r. Th en  the  S pa ram e te rs,  attenuation chara c te risti c s and grou p  delay char acteri stics of  the Teflon tube also h a ve  analyzed in the pape r. Compa r ed to  the pure m e tal tube, the transmi ssio n prop ertie s  o f   terahe rtz poly m er tu be i s   b e tter, its  retu rn lo ss is  le ss  than  -35dB,  a nd in se rtion l o ss i s  le ss th an   0.3dB. Firstly ,  the S parameters of metal and  pol ymer tube with the same  stru cture a r e  comp ared. T hen  acco rdin g to the t h e o ry of tr aditi onal  circul ar wave guide s, the ge ome t ric  para m eters o f  the Teflo n   tube a r e  det ermin ed.  Se condly, the  transmi ssion  p r ope rtie s of  the  simple  tera he rtz Teflo n  tub e s a r e  analy z ed by u s ing   HFSS sim u la tion. Finally, the tra n smi s si on   cha r a c teri stics of terahe rtz Teflon tube s whi c h a r e  co ated metal fil m  by three  di fferent way s   are  simulate d, an d the advantage s and  di sadvantag es are  contra ste d .  The con c l u sio n  is that the   polymer tu be  com pared t o  the T H z  metal tube  i s  mo re  suita b le for tran smissi on, the  S  para m eters o f  Teflon tu be  are  mo re i d e a l, but it i s   no t plain; T he  a ttenuation  wit h in the  worki n g   freque ncy i s  less than 1 0 .7 7 dB/m; the group  delay is  less than 1 0 -10 s; Coatin g T e flon tube  with  film can  ma ke S pa ram e te rs  plain. In  co nclu sio n , Tefl on tub e   can t r an smit T H z  wave  effectively,  and if the Teflon tube is  co ated with films, the  tran smi ssi on charact e risti cs  can b e  improve d .      Ackn o w l e dg ement  The  wo rk is  sup porte d by  Scie nce a n d  Te ch nolog y Re sea r ch  proje c t  of Ch ongqi ng  Educatio n co mmission in 2 011 (item n u m ber: KJ110 518).       Referen ces   [1]  Yao  J i an qu an. Introductio n  of T H z- w a ve an d its  ap plic atio ns,  Journ a l  of C h ong qin g   Univ er sity of Posts   and T e l e co mmunic a tions (N atural Sci ence E d itio n) . 201 0; 22(6): 703- 70 7.  [2]  F M  Z hu, YY  Zhan g, et al. Sub w av ele ngth g u idi ng  of tera h e rtz radiati on b y  sha l l o w l y cor r ugate d  met a l   surfaces.  Jour nal of Electro m agn etic W a ves  and App lic atio ns . 2012; 2 6 (1) :  120-12 9.  [3]  Z hangfa ng H u , Chao Ji, Yu a n  Luo. SVD- b ased MEMS d y n a mic testin g  technol og y.  TEL K OMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (1): 5 7 -62.   [4]  Ardava n  Ra hi mian. Mod e li n g  an d perform ance  of micro w a v e a nd mi lli meter  w a ve  la yer ed  w a ve gui d e   filters.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna l of Electrical E ngi neer ing . 2 013;  11(7): 35 23- 35 33.   [5]  Yang Yi ho ng,  Mahbo ube h M, Daniel R  G. Broadb a nd T H z pulse transmissio n  throug h th e   atmosphere.  IEEE transaction s on terahert z   scienc e an d techno logy . 2 011 ; 1(1): 264-27 3 .   [6]  Daru  Che n , Ha ibin  Ch en. A n o vel  lo w - loss t e rah e rtz  w a ve gui de: p o l y mer  tube.  Optics express . 2 010;  18(4): 37 62- 37 67.   [7]  Benj amin B Ya ng, Sarah  L Ka tz, Keel y  JW , et al.  A high-Q terah e rtz reson a tor for the measurem ent o f   electro n ic pro p e rties of con d u ctors and  lo w - loss di electric s.  IEEE transactions on ter a hert z  sc ienc e  and tech no logy . 2012; 2(4): 44 9-45 9.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5185 – 51 90   5190 [8]  W enting D o n g ,  Junga ng Mi a o . Desig n  of  a  w i d e   b eam millim eter- w av e  ante n n a ,  IEEE .  2010 9 th   intern ation a l sy mp osi u m  on A n tenn as  Prop a gatio n an d EM Theory (ISAPE) . 2010: 33- 36.   [9]  Rad o sla w   Pie s ie w i cz, T homas Kle i ne-Ost m ann,  N o rma n K, et al. S hort-ran ge u l tra-bro adb an d   terahertz c o m m unic a tions: c once p ts a nd  p e rspectiv e s.  IEEE antennas  and pr opagation maga z i ne ,  200 7; 49(6): 24 -39.  [10] Che n  Dar u , Ch en H a ib in. A n o vel  lo w - loss t e rah e rtz  w a ve gui de: p o l y mer  tube.  Optics express . 2 010.  18(4): 37 62- 37 67.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.