CN104409803A - 基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器 - Google Patents

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沈晓鹏
付文悦
李建东
何韦刚
余晴
李海鹏
韩奎
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China University of Mining and Technology CUMT
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Abstract

本发明公开了基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层。介质层位于第一结构化金属层和第二结构化金属层间，第一结构化金属层和第二结构化金属层均为周期性排列的结构化金属基本单元构成。所述的结构化金属基本单元由两个金属圆片和两个中心开设有圆孔的金属方片交错排列构成的2行2列单元。对角线位置为两个完全等同的结构，分别为金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片。本发明结构简洁新颖，制作简单、加工方便、便于携带、容易集成，同时具有偏振不明感性，在天线、通信领域、成像技术等领域有着广阔的应用前景。

Description

基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，属于新型人工电磁材料领域。
背景技术
太赫兹波指频率在0.1THz～10THz范围、相应波长在0.03mm～3mm间的电磁波，介于微波与红外之间。太赫兹波具有一些独特的性质，比如瞬时性、安全性、高透射性、宽带性等。
人工电磁材料(亦称为超材料)指电磁波在其中传播时具有特殊传导或辐射特性的人工复合材料，比如光子晶体材料、左手材料等。它是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。通过改变新型人工电磁材料单元结构形状和尺寸来改变等效介电常数和磁导率，从而达到改良传统器件性能甚至创造出具有新颖性能的光学器件的目的。通过近十多年发展，人工电磁材料在隐身技术、通信领域、成像技术等有着广泛的应用。
2009年，韩家广等人提出了一种金属-介质-金属三明治结构的人工电磁材料，该结构通过在介质层两边镀上周期排列的方形开槽金属阵列，实现了一种通带为0.95THz～1.28THz、1dB下相对带宽达29.5％的太赫兹宽带带通滤波器。现阶段滤波器多采用类似的金属-介质-金属三层结构，单元结构大多采用单个嵌套的、周期排列的方环或圆环等，通过在单元结构金属层上开设“十”字、“井”形、“回”形等槽型结构实现带通滤波。这些结构设计相对较为复杂，给加工带来很多的不便，继而限制其在实际中的应用。不同于以往的单个嵌套结构，专利所述为一种2行2列交错排列的复合单元结构，在2行2列阵列对角位置分别放置金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片，实现了太赫兹宽带带通滤波。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，介质层位于第一结构化金属层和第二结构化金属层间。所述第一结构化金属层和第二结构化金属层由完全一样的、周期性排列的结构化金属基本单元构成。所述结构化金属基本单元由两个金属圆片和两个中心开设有圆孔的金属方片在长宽两个方向上交错排列构成的2行2列单元，对角线位置为两个完全等同的结构，分别为金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片。以这种2行2列单元结构在中间介质层两个表面的长宽两个方向上周期性地排列构成基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器。
作为优选，所述的金属圆片和金属方片采用的材料为金或铜。
作为优选，所述的介质层采用的材料为聚酰亚胺。
作为优选，所述的金属圆片的直径小于开设的圆孔直径。
作为优选，所述的金属圆片直径为54μm，开设的圆孔直径为65μm。
作为优选，所述金属方片边长为70μm；第一结构化金属层和第二结构化金属层厚度均为0.5μm，介质层厚度为38μm。
本发明三层式太赫兹宽带带通滤波器的滤波机理如下：
导电金属屏上周期性布满的金属圆片和开设有圆孔的金属方片可有效控制入射波的反射和传输特性，其对电磁波的散射特性随频率而变化，对某些频带内入射的电磁波几乎全部透射，而对另一些频带内的入射波接近全反射。当谐振单元在某一频率谐振时，这一频率处的电磁波对于金属方片开设的圆孔来说被全透射、对金属圆片和金属方片则被全反射，通过金属方片和金属圆片恰当的尺寸组合可构成带通滤波器。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、结构单元由两个金属圆片和两个中心开设有圆孔的金属方片交错排列而构成的2行2列组合，对角线位置为两个完全等同的结构，分别为金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片，结构简洁新颖、加工方便。不同于微波段(结构尺寸单位为毫米级)设计的滤波器、本发明滤波器工作在太赫兹波段(结构尺寸单位为微米级)，使得其具有便于携带、容易集成的特点，同时具有偏振不明感性。
2、根据仿真结果可知，本发明滤波器具有通带较宽、带外抑制好及衰减斜率较高的优良特性，在天线、通信领域、成像技术等领域有着广阔的应用前景。
3、采用对称性的基本单元结构，在小角度入射范围内对入射电磁波无偏振依赖性，两种极化的电磁波都具有较高的透射率。
4、在0～45度的较大入射角范围内通用有良好的滤波性能，其中，TM波对入射角变化不敏感，在0～45度的入射角范围内具有良好的滤波特性；TE波随入射角增加，带宽有减小趋势，但依然保持较高的透过率。
附图说明
图1为本发明滤波器结构单元正视图及参数设置。其中，p为周期、b为金属方片的边长、r1为金属圆片的半径、r2为圆孔的半径；
图2为本发明滤波器基本单元透视图及参数设置。其中，td为介质层厚度，tm为第一、第二结构化金属层厚度，tu为滤波器厚度；
图3为本发明基本单元周期性排列构成的滤波器结构示意图；
图4是本发明滤波器在电磁波正入射下TE、TM两种极化方式下的仿真结果，由于结构单元的对称性，两种极化方式下的仿真结果完全一样，滤波器表现为极化不敏感的特性；
图5是本发明滤波器在TE极化方式下在0～45度多角度入射扫描的仿真结果；
图6是本发明滤波器在TM极化方式下在0～45度多角度入射扫描的仿真结果。
具体实施方式
本发明滤波器采用第一结构化金属层、介质层、第二结构化金属层构成的三明治结构，金属圆片和金属方片可采用金或铜制备，介质层通常采用聚酰亚胺材料。第一结构化金属层和第二结构化金属层由完全一样的、周期性排列的结构化金属基本单元构成，如图2所示。结构化金属基本单元由两个金属圆片和两个中心开设有圆孔的金属方片交错排列构成的2行2列单元，对角线位置为两个完全等同的结构，分别为金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片，如图1所示。结构化金属基本单元周期性排列构成了覆盖于介质层上表面和下表面的结构化金属层。图1、图2和图3中深色区域表示金属区域，浅色区域表示介质。
本具体实施中，金属圆片半径r1，金属方片边长b，其上开设圆孔半径为r2，第一结构化金属层和第二结构化金属层厚度均为tm，介质层边长p、厚度td，其介电常数ε＝3、磁导率μ＝1、损耗角正切tanδ＝0.02。滤波器厚度为tu。
本具体实施设计了工作在太赫兹波、通带为0.84～1.40THz(-3dB)的太赫兹宽带带通滤波器，如图2所示为滤波器基本单元模型，其中上下层为尺寸、排列一致的结构化金属基本单元，中间为介质层。上下层均由两个半径为r1的金属圆片和两个中心开设有半径为r2的圆孔的金属方片(边长为b)构成的2行2列矩阵式交错排列结构，结构化金属基本单元采用材料金，其电导率为δ＝4.561×107S/m，介质层材料采用聚酰亚胺。
利用电磁仿真软件CST仿真、优化，获得性能表现较为优异的太赫兹宽带带通滤波器，介质层的相关参数和滤波器结构参数设置如下：
滤波器基本单元尺寸为140μm×140μm，厚39μm。基本单元在空间以p＝140μm周期排列。
上述滤波器在电磁波正入射下TE、TM两种极化方式下的仿真结果如图4所示。其中虚线表示透射谱线，实线表示反射谱线。由图4可以看出，本发明滤波器对入射电磁波极化方式不敏感，由于基本单元的旋转对称性，因此对两种偏振极化的电磁波具有相似的滤波性能。TE、TM两种极化方式下电磁波多角度入射扫描仿真结果如图5、图6所示。对于TE极化方式，随着入射角度增加，滤波性能逐渐下降；对于TM极化方式，则一直维持着良好的滤波性能。
本发明将金属圆片及开设有圆孔的金属方片在空间中交错排列构成2行2列单元，即结构化金属基本单元，结构化金属基本单元中对角线位置为两个完全等同的结构，分别为金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片。这种设计使得滤波器在较低太赫兹波段内具有较好的带通滤波性能，相比于传统材料不仅可大大降低滤波器厚度，并且对入射电磁波无偏振依赖性，两种极化方式下均有着较好的性能表现。此外，在不同电磁波极化下，对较大角度入射的电磁波也有良好的滤波效果，在太赫兹波信息通信及成像等领域可能有广泛的应用。

Claims (4)

1.基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，其特征在于：
包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，介质层位于第一结构化金属层和第二结构化金属层间，第一结构化金属层和第二结构化金属层均为周期性排列的结构化金属基本单元构成；所述的结构化金属基本单元由两个金属圆片和两个中心开设有圆孔的金属方片在长宽两个方向上交错排列构成的2行2列单元，对角线位置为两个完全等同的结构，分别为金属圆片和中心开设有圆孔的金属方片；以这种2行2列单元结构在中间介质层两个表面的长宽两个方向上周期性地排列构成基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器。
2.如权利要求1所述的基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，其特征在于：
所述单元中两金属圆片完全等同，两中心开设有圆孔的金属方片也完全等同，金属圆片的直径小于开设的圆孔直径。
3.如权利要求2所述的基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，其特征在于：
所述的金属圆片直径为54μm，开设的圆孔直径为65μm。
4.如权利要求1所述的基于人工电磁材料的太赫兹宽带带通滤波器，其特征在于：
所述的金属方片边长为70μm；所述第一结构化金属层和第二结构化金属层厚度均为0.5μm，均由金或铜制成；所述介质层厚度为38μm，选用聚酰亚胺材料制成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105609908A (zh) * 2016-03-07 2016-05-25 中国矿业大学 极化和大角度入射不敏感双波段带通滤波器
CN105633588A (zh) * 2015-12-29 2016-06-01 中国计量学院 一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置
CN117559094A (zh) * 2023-11-21 2024-02-13 曲阜师范大学 一种太赫兹波带通带阻滤波器件及其使用方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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