CN105206906A - 一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹功能器件，特别是一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器。复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器，包括两个尺寸不同的周期结构圆柱状中空金属波导，波导a和波导b，两个波导轴向连接组合；复合波导管壁材料为低损耗金属，周期结构波导的结构参数是由色散曲线得到的。本发明体积小、结构简单、容易生产、操作简便；频带窄、所滤出的太赫兹电磁波的带宽可达到0.24MHz，透过率大于99％；无方向要求，滤波器双向可用；中心波长可以通过调节两个周期结构波导尺寸来控制，透过率可通过改变两个波导的周期个数来控制；滤波器为完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题。

Description

一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹功能器件，特别是一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器。

背景技术

太赫兹波技术在物理学、化学、通信、材料科学、生物学、医学、地球物理、天文学、环境科学及空间科学等方面有着重要的应用，要实现对太赫兹波技术的有效的实际应用，与之相关的太赫兹功能器件如传导、分束、滤波等器件至关重要。尤其是太赫兹通信及检测等应用领域迫切需要太赫兹窄带滤波及频分复用等损耗小、可集成的器件。

目前太赫兹滤波器主要基于二维光子晶体、超颖材料、表面等离子体等结构。国内外的研究都取得了不少成果。2010年美国莱斯大学的RajindMendis等人在Appl.Phys.Lett.发表文章“Atunableuniversalterahertzfilterusingarti-ficialdielectricsbasedonparallel-platewaveguides”，研究了基于人造电介质的平行板波导的低通、高通、带通和带阻的太赫兹滤波器。2011年赵冬梅等在《红外》上发表文章《太赫兹波段可调窄带滤波器》，研究了基于亚波长阵列结构，最小带宽为0.04THz的可调谐的太赫兹滤波器。2011年天津大学的吕英进等人在《激光与红外》发表文章《基于液晶的可调谐太赫兹双折射滤波器的设计》，研究了液晶的可调谐的太赫兹双折射滤波器，实现了调谐范围0.691—0.866THz和透射带宽0.1THz的窄带输出。2012年StefanF.Busch等人在Appl.Phys.Lett.发表文章“Opticallygatedtunableterahertzfilters”，研究了基于衍射光栅和光控调节器原理、带宽可达到12GHz的太赫兹滤波器；2014年SamiyeMatloub等人在Optik上发表文章“ThenarrowbandTHzfilterinmetallicphotoniccrystalslabframe-work:Designandinvestigation”，研究了基于金属光子晶体原理的带宽可达到3GHz的太赫兹波窄带滤波器。近些年也有很多相关专利发表，2011年何金龙等人发表了专利《一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器》(专利申请号：201110187816.6)，提出了一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹窄带滤波器，滤波范围在100GHz—10THz、带宽在500MHz以下可调；2012年刘埇等人发表了专利《一种基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器》(专利申请号：201210580434.4)，提出了一种EMXT腔体滤波器，是基于太赫兹波段光子晶体结构的带通滤波器，工作的频带范围在0.45—0.55THz。上述这些结构的太赫兹滤波器与波导型滤波器相比，结构比较复杂、制作工艺难度较大，有的需要加热，空间结构抗干扰能力差、需要封装，造价相对比较昂贵。

在太赫兹系统中，太赫兹滤波器用于滤除环境噪声和不需要的频率成分，来提高系统的性能。本发明将提供一种复合波导型可调太赫兹波窄带滤波器。由于波导滤波器是完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题，相比于其他类型的滤波器有高Q值、低插损、功率容量大等特点。深入研究太赫兹波器件与技术有着重要的科学意义，并将对国民经济发展起到重要的推动作用。

发明目的

本发明的目的在于提供一种避免了电磁辐射和介质损耗，无需要考虑封装问题的复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器。

本发明的目的是这样实现的：

复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器，包括两个尺寸不同的周期结构圆柱状中空金属波导，波导a和波导b，两个波导轴向连接组合；复合波导管壁材料为低损耗金属，周期结构波导的结构参数是由色散曲线得到的：

$\stackrel{\‾}{r}=\sqrt{\frac{k_r^{{\left(m\right)}^2}}{{\left(\frac{f_r^{\left(m\right)}2\mathrm{\π}}{c}\right)}^2-{(\mathrm{\β}+\frac{2n\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}})}^2}}$

其中，代表透射谱的中心频率，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，是周期结构波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，Λ是起伏结构的周期长度；波导a的结构参数是由相同横模间的共振条件给出的，波导b的结构参数是由不同横模间的共振条件给出的；每个波导的半径其中n＝1,2；称为短半径，称为长半径；ε为周期波导壁的起伏高度，长半径与短半径部分的长度相同为Λ/2。

通过改变所述结构波导的周期个数、平均半径和周期大小是可变的，周期大小和平均半径改变两个波导的周期个数可以改变滤波器的滤波带宽以及透过率。

所述周期结构波导为中空波导，其填充物为空气。

本发明的有益效果在于：

体积小、结构简单、容易生产、操作简便；频带窄、所滤出的太赫兹电磁波的带宽可达到0.24MHz，透过率大于99％；无方向要求，滤波器双向可用；中心波长可以通过调节两个周期结构波导尺寸来控制，透过率可通过改变两个波导的周期个数来控制；滤波器为完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题；相比于其他类型的滤波器有高Q值、低插损、结构简单、使用方便、体积小、运用的材料普遍、透射率高、带宽窄且可调、中心频率可调。

附图说明

图1为本发明中采用的圆柱状周期结构波导的剖面图；

图2为本发明一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器的剖面图；

图3为可调太赫兹波窄带滤波器的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器。它由两段周期结构圆柱状中空金属波导(波导a，N_a个周期；波导b，N_b个周期)组合连接而成。波导a的平均半径和周期长度都略小于波导b，波导结构参数由。

色散曲线上的布拉格与非布拉格共振条件给出。每个波导的半径呈周期性变化。通过分别改变两个波导的周期个数、周期大小和平均半径可实现太赫兹波透射中心波长和透射带宽的有效调控。本发明结构简单、体积小、频带窄、工作效率高、可调谐，并且具有良好的频率选择性。将在太赫兹应用领域如：通信、材料科学、生物学、地球物理、空间科学等领域中得到广泛的应用。

为克服现有技术的不足如：滤波性能不好、结构复杂、材料昂贵、制作困难、需要封装、加热等。本发明采用完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，无需要考虑封装问题。

本发明提供了一种复合波导结构太赫兹波窄带滤波器，它由两段周期结构圆柱状中空金属波导(波导a，波导b)组合连接而成，其半径函数为周期为Λ与输入波的频率、平均半径等有关。波导a的平均半径和周期长度都略小于波导b，波导a的周期结构参数是由相同横模间的共振条件给出的，波导b的结构参数是由不同横模间的共振条件给出的。两个周期结构波导的周期个数、平均半径和周期大小是可变的，通过改变周期大小和平均半径等参数可以改变滤波的中心频率，通过改变两个波导的周期个数可以改变滤波器的滤波带宽以及透过率。

所述复合波导管壁材料为低损耗金属，比如银、铝或金。复合波导结构为中空波导，其填充物为空气。其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上加工所述矩形周期起伏结构；成型之后利用X-LIGA工艺在上述结构的表面涂覆一层金属层(厚度为微米量级即可)，再将聚合物腐蚀掉，最后获得金属管壁波导。

在周期结构的波导中由于周期的存在，横向模式之间会发生共振而产生频率禁带，使得某些频率范围的电磁波无法透过周期结构。相同横向模式之间的布拉格共振产生的禁带成为布拉格禁带，而不同横向模式间的共振将导致非布拉格共振将产生非布拉格禁带，两种禁带在产生机理上有着本质的区别。将两种不同特性的禁带叠加起来，不但不能更加有效的抑制电磁波的透射，反而由于局部共振的影响在原来的禁带内产生了一个极窄的通带。通过结构参数的调节可以得到一个较宽的禁带并在其中实现窄带透过，因此，利用多波导禁带耦合原理我们可以实现一种复合波导结构的可调太赫兹窄带滤波器。

两个周期结构波导的结构参数是由色散曲线给出的，其表达式如下：

$f_r^{\left(m\right)}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_r^{{\left(m\right)}^2}}{{\stackrel{\‾}{r}}^2}+{(\mathrm{\β}+\frac{2n\mathrm{\π}}{A})}^2}$

其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，是周期结构波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长度。当m相同时是由相同横向模式之间发生的共振产生的频率禁带，被称为布拉格共振，这里的波导a是由相同横模间的共振条件(m＝1，n＝0和m＝1，n＝1)给出的。当m不同时是由不同的横向模式之间发生的共振产生的频率禁带，被称为非布拉格共振，这里的波导b是由不同横模间的共振条件(m＝1，n＝1和m＝2，n＝0)给出的。在设计两个周期结构波导时，设定在工作频带附近分别出现布拉格共振和非布拉格共振频率禁带，由于它们的结构尺寸不同，两个不同特性的禁带连接后，在分界面上发生局域共振使得在特定频率处出现了一个极窄的通带，从而形成一个高性能的波导型太赫兹滤波器。根据上述布拉格和非布拉格及局部共振原理，我们可以来设计两波导的结构参数，从而获得满足特定需要的太赫兹器件。当改变两波导的结构参数(包括周期个数、周期大小和平均半径)时，其频带将发生改变，可实现对窄带滤波器特性的有效调控。

本发明优点：

体积小、结构简单、容易生产、操作简便；

频带窄、所滤出的太赫兹电磁波的带宽可达到0.24MHz，透过率大于99％；

无方向要求，滤波器双向可用；

中心波长可以通过调节两个周期结构波导尺寸来控制，透过率可通过改变两个波导的周期个数来控制；

滤波器为完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题；

相比于其他类型的滤波器有高Q值、低插损、结构简单、使用方便、体积小、运用的材料普遍、透射率高、带宽窄且可调、中心频率可调。

图1为本发明中采用的圆柱状周期结构波导的剖面图：

为平均半径，r₁为周期结构波导的短半径

r₂为周期结构波导的长半径

Λ为周期结构波导的一个周期长度；

N为周期个数，ε为周期波导壁的起伏。

图2为本发明一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器的剖面图：

Λ_a和N_a分别为波导a的平均半径、周期和周期个数；

Λ_b和N_b分别为波导b的平均半径、周期和周期个数。

图3为可调太赫兹波窄带滤波器的频谱图：

波导a：Λ_a＝191μm，ε_a＝20.8μm，15个周期；

波导b：Λ_b＝348μm，ε_b＝27.5μm，16个周期。

一种复合波导结构太赫兹波窄带滤波器，如图1所示为本发明中所述的周期结构波导的结构图，一个周期长度Λ内半径为r₁和r₂的部分各占一半，且半径为r₁的在前半部分，半径为r₂的在后半部分，两部分直接连接，这里所述的周期结构波导就是呈这样周期性变化的圆柱状波导。

如图2所示，本发明包括两个尺寸的周期结构波导，理论上设计的这两个周期结构波导的尺寸分别为：波导a：Λ_a＝191μm，ε_a＝20.8μm，N_a个周期，波导b：Λ_b＝348μm，ε_b＝27.5μm，N_b个周期。

改变复合结构波导周期数时，滤波带宽在10^-1—10³MHz范围内可调。图3为一典型的滤波频谱图。波导a：15个周期，波导b：16个周期。由图可知滤波中心频率约为1THz、带宽为0.24MHz、Q值为4.17×10⁶、透过率大于99％。

这里所涉及的两个周期结构波导的周期个数、尺寸是可以调节的，通过调节这些参数会使本复合结构太赫兹波窄带滤波器的滤波性能发生改变。通过调整两个周期结构波导的尺寸可以调节所滤出的太赫兹的中心频率，通过调整两个周期结构波导的周期个数可以调节太赫兹的透过率和带宽。

以上所述的实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式、尺寸等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均不应该排除在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器，其特征在于：包括两个尺寸不同的周期结构圆柱状中空金属波导，波导a和波导b，两个波导轴向连接组合；复合波导管壁材料为低损耗金属，周期结构波导的结构参数是由色散曲线得到的：

$\stackrel{\‾}{r}=\sqrt{\frac{k_r^{{\left(m\right)}^2}}{{\left(\frac{f_r^{\left(m\right)}2\mathrm{\π}}{c}\right)}^2-{(\mathrm{\β}+\frac{2n\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}})}^2}}$

其中，代表透射谱的中心频率，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，是周期结构波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，Λ是起伏结构的周期长度；波导a的结构参数是由相同横模间的共振条件给出的，波导b的结构参数是由不同横模间的共振条件给出的；每个波导的半径其中n＝1,2；称为短半径，称为长半径；ε为周期波导壁的起伏高度，长半径与短半径部分的长度相同为

2.根据权利要求1所述的一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器，其特征在于：通过改变所述结构波导的周期个数、平均半径和周期大小是可变的，周期大小和平均半径改变两个波导的周期个数可以改变滤波器的滤波带宽以及透过率。

3.根据权利要求1所述的一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器，其特征在于：所述周期结构波导为中空波导，其填充物为空气。