CN108428977A

CN108428977A - 基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器

Info

Publication number: CN108428977A
Application number: CN201810326408.6A
Authority: CN
Inventors: 亓丽梅; 武明静; 陈智娇; 姚远; 俞俊生
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2018-08-21

Abstract

本发明公开了一种基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，包括：频率选择表面层，频率选择表面层为单层结构；频率选择表面层的外表面为金属材料；在频率选择表面层上设置有多个通孔，多个通孔在频率选择表面层上等间隔排列，形成周期性通孔阵列，通过太赫兹波与周期性通孔阵列之间发生的耦合作用对此太赫兹波进行选频。本发明的太赫兹宽带带通滤波器，具有孔状结构的单层频率选择表面结构，带内通过率高，结构简单，加工难度大大降低；对x和y偏振光具有相同的带通滤波特性，即具有极化不敏感特性；由于周期单元的尺寸和厚度都较大，可采用激光打孔等技术完成，加工速度快。

Description

基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器

技术领域

本发明涉及太赫兹滤波器技术领域，尤其涉及一种基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器。

背景技术

太赫兹(THz)波通常是指频率在0.3～3THz(或波长在0.1～1mm)的电磁波。太赫兹波在物理、化学和生命科学等基础研究学科以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信和武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景。常规材料很难在太赫兹波段发生电磁响应，特别是磁响应，太赫兹波段范围内的科学研究和技术应用上的空白点很多。人工电磁材料可以突破自然界已有材料的介电常数和磁导率变化自由度的限制，在调控太赫兹波方面展现出巨大的应用潜力。人工电磁材料又叫超材料、左手材料，是指电磁参数(介电常数和磁导率)可人为控制的一类人工复合周期结构。频率选择表面(FSS-FrequencySelective Surface)是一种二维周期阵列结构，它与电磁波相互作用时通常表现出带通或带阻的滤波特性，从而广泛应用于雷达罩的RCS缩减、空间滤波器、极化器和吸波材料等领域。

基于频率选择表面的太赫兹滤波器由于具有小型化、频率选择性好、低插损、寄生通带更远等优点，受到了越来越多人的关注和研究。FSS一般是由金属贴片或金属屏的缝隙单元二维周期性排列所形成，可以在两侧或单侧加载介质，它最本质的特征就是能够对不同频率、入射角及极化状态下的电磁波呈现滤波特性。单层结构的频率选择表面滤波器比较容易实现滤波性能，但带通或带阻对应的频带范围往往非常窄。采用多层金属孔结构的FSS 级联可实现平顶和陡截止的带通滤波器特性，但是这种结构在调节层间距离方面存在较大难度，在加工上存在较大困难：一方面，多层频率选择表面金属结构的图形相同，加工时需要对齐，若介质不透明，很难使两层金属结构完全对准，影响滤波器性能；另一方面，由于太赫兹波段要求介质的厚度较薄，通常为几百微米甚至更小，因此在介质双面做频率选择表面结构图形时很容易造成介质的破碎。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器。

根据本发明的一个方面，提供一种基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，包括：频率选择表面层，所述频率选择表面层为单层结构；所述频率选择表面层的外表面为金属材料；在所述频率选择表面层上设置有多个通孔，所述多个通孔在所述频率选择表面层上等间隔排列，形成周期性通孔阵列；其中，通过太赫兹波与所述周期性通孔阵列之间发生的耦合作用对此太赫兹波进行选频。

可选地，在金属材料的基片上通过激光或光刻技术形成所述周期性通孔阵列。

可选地，所述频率选择表面层的材料包括：铜、铝、金、银；所述频率选择表面层的厚度为50μm-5000μm；频率选择表面层周期为100-2000μm。

可选地，在介质基片上通过激光或光刻技术形成所述周期性通孔阵列，在所述介质基片的表面以及形成所述周期性通孔阵列的通孔表面镀有金属材料薄膜。

可选地，所述金属材料薄膜的材料包括：铜、铝、金、银；所述金属材料薄膜的厚度大于或等于200nm。

可选地，所述介质基片的介质材料包括：硅、氧化硅、石英；所述介质基片的厚度为150-5000μm。

可选地，所述频率选择表面层由多个周期单元组成，所述多个周期单元沿同一个方向周期排列，形成N×N个周期单元的排列结构，其中，在每个周期单元上都设置有一个所述通孔。

可选地，所述周期单元为正方形，所述周期单元的边长长度为 100-2000μm。

可选地，所述多个周期单元的材质都为金属材料；或者，所述多个周期单元的材质都为镀有金属材料薄膜的介质材料。

可选地，所述通孔包括：圆孔、方孔；所述圆孔的直径或所述方孔的边长与所述频率选择表面层周期的比值范围为0.3-0.7；其中，太赫兹波垂直所述频率选择表面层的表面入射，所述通孔的上、下端口分别为入射端口、出射端口，所述通孔对太赫兹波进行滤波处理。

本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，具有孔状结构的单层频率选择表面结构，带内通过率高，结构简单，加工难度大大降低；对 x和y偏振光具有相同的带通滤波特性，具有极化不敏感特性；周期单元的尺寸和厚度都较大，可采用激光打孔等技术完成，加工速度快。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的一个实施例中的周期单元模型的示意图；

图3为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的一个实施例的x或者y线极化波的模拟曲线示意图；

图4a为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的一个实施例的周期变化对滤波器传输曲线的影响示意图；

图4b为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的一个实施例的厚度变化对滤波器传输曲线的影响示意图；

图4c为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的一个实施例的半径变化对滤波器传输曲线的影响示意图；

图5为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的另一个实施例中的周期单元模型的示意图；

图6为本发明的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器的另一个实施例的方孔的旋转角度变化对滤波器性能的影响示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本实例可广泛应用于太赫兹宽带通信中，为太赫兹功能器件的发展和应用提供重要的理论和技术指导。

在一个实施例中，本发明提供一种基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，包括：频率选择表面层，频率选择表面层为单层结构。频率选择表面层的外表面为金属材料，金属材料可以为多种。在频率选择表面层上设置有多个通孔，多个通孔在频率选择表面层上等间隔排列，形成周期性通孔阵列。

上述实施例中的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，针对现有技术中基于单层结构的频率选择表面太赫兹带通滤波器带宽窄(通常相对带宽小于5％)，而宽带带通滤波器的结构层数较多(3层或3层以上)，提出了一种单层频率选择表面太赫兹宽带带通滤波器，该带通滤波器具有制作简单、带宽宽、透过率高和极化不敏感等优点。

如图1所示，基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器包括：频率选择表面层01，频率选择表面层01为单层结构。频率选择表面层01的外表面为金属材料。在频率选择表面层01上设置有多个通孔2，多个通孔2在频率选择表面层01上等间隔排列，形成周期性通孔阵列，通过太赫兹波与周期性通孔阵列之间发生的耦合作用对此太赫兹波进行选频，实现滤波。

生成频率选择表面层01可以有多种方法。例如，可以在金属材料的基片上通过激光或光刻技术形成周期性通孔阵列。频率选择表面层的材料包括铜、铝、金、银等。频率选择表面层01的厚度为50μm-5000μm。频率选择表面层周期为100-2000μm。也可以在介质基片上通过激光或光刻技术形成周期性通孔阵列，在介质基片的表面以及形成周期性通孔阵列的通孔表面镀有金属材料薄膜。金属材料薄膜的材料包括：铜、铝、金、银等。金属材料薄膜的厚度大于或等于200nm。介质基片的介质材料包括硅、氧化硅、石英等，介质基片的厚度为150-5000μm。

在一个实施例中，频率选择表面层由多个周期单元组成，多个周期单元以N×N个周期单元的结构进行排列，并且多个周期单元沿同一个方向周期排列，在每个周期单元上都设置有一个通孔，通孔包括：圆孔、方孔等。圆孔的直径或方孔的边长与频率选择表面层周期的比值范围为0.3-0.7，例如，频率选择表面层周期为100μm，圆孔的直径与频率选择表面层周期的比值范围为0.5，圆孔的直径为50μm。太赫兹波垂直频率选择表面层01的表面入射，通孔2的上、下端口分别为入射端口、出射端口，通孔对太赫兹波进行滤波处理。

如图1、2所示，单层结构的频率选择表面层01是由多个周期单元1组成的，至少包括15×15＝225个周期单元1，周期单元1也称为基本单元，每个基本单元结构均相同，且在xy平面上沿同一个方向周期排列。宽带带通滤波器的每个基本单元的边长长度为100-2000μm。单层结构的频率选择表面层 01的材料可为金属铜、铝、金、银等，厚度为50μm-5000μm，或者是镀金属膜的介质材料，介质材料包括硅、氧化硅、石英等，厚度为150-5000μm。例如，金属材料选取金属铜，铜的电导率为σ＝2.74×10⁷S/m，周期单元1的结构参数为：周期P＝900μm，圆孔半径R＝280μm，厚度h＝500μm。

首先设置一个xyz坐标系，周期表面位于xy轴，z轴垂直于频率选择表面层01的周期表面。太赫兹波垂直入射时，x线偏振光的电磁场分布为：当 x线偏振光沿z轴正向垂直入射到周期单元的表面后，可得到x线偏振光的传输曲线T_x。同理，当y线偏振光(电场平行于y轴方向，磁场平行于x轴方向)沿z轴正向垂直入射到周期单元的表面后，可得到y线偏振光的传输曲线T_y。

在一个实施例中，利用微波高频仿真软件HFSS或CST可以直接得到透射率T_x和T_y。在仿真时只需要建立一个周期单元，如图2所示，将x，y方向设置为周期边界条件，而将z方向即入射波方向设置为开放边界条件并作为入射和出射端口。由于结构的对称特性，x或y方向线偏振光的传输特性完全相同，从而实现了太赫兹频段的极化不敏感特性。

对应的带通滤波器的传输曲线如图3所示。图3横坐标的频率范围为 0.2-0.42THz，纵坐标为传输幅度，用dB表示。该滤波器结构对应的带内最大插入损耗为-0.5dB，3dB带宽范围为0.31-0.36THz。因此，其中心频率为 0.335THz，3dB相对带宽为15％，实现了太赫兹频段的极化不敏感的宽带带通滤波特性。

图4a给出了滤波器周期长度P变化对传输曲线的影响，其中半径R和厚度取值为R＝280μm和h＝500μm。点线、实线和划线分别对应P＝1100，1000 和900μm的结果。可见，随着周期半径的减小，带通滤波器左侧的传输特性变化基本保持不变，而右侧带内通过率往高频方向移动，使得通带带宽明显增大，并且带内插入损耗也周期的减小而变小。

图4b给出了滤波器的厚度h变化对传输曲线的影响，其中周期P和半径 R取值为P＝1000μm和R＝280μm。点线、实线和划线分别对应h＝600，500 和400μm的结果。可见，随着滤波器厚度的减小，带通滤波器的中心频率基本保持不变，带宽明显增大，但带内的插入损耗也随之增大。

图4c给出了滤波器的半径R变化对传输曲线的影响。滤波器周期P和厚度h取值分别为P＝300μm和R＝200μm。点线、实线和划线分别对应R＝150， 130和110μm的结果。可见，随着滤波器半径的减小，带通滤波器的带宽明显增大，带内插入损耗减小。其中对应R＝110μm相对带宽为29％，带内最低插入损耗为0.6dB。

在一个实施例中，图5给出了具有方孔结构的滤波器的一个周期单元的结构图。图中灰色填充区域为铜，白色填充区域为空气方孔。P为滤波器的周期长度，L为长方孔的长度，h为金属厚度。该方孔结构可在xy平面上沿 x轴旋转从而得到旋转的方孔，θ为方孔与x轴的夹角。

图6给出了旋转角度变化对滤波器传输性能的影响。滤波器参数选取周期P＝1000μm，L＝560μm，铜的厚度h＝500μm。点线、实线和划线分别对应θ＝0o， 15o和45o的结果。可见，随着旋转角度的变化，滤波器的通带特性变化较小。其中在没有进行角度旋转，即θ＝0o时，带通滤波器的中心频率为0.295THz， 3dB相对带宽为24％，带内最低插损为1dB。当角度分别旋转为θ＝15o和45o 时，对应的滤波特性基本相同，中心频率为0.297THz，3dB相对带宽为 24.6％，带内最低插损增大至1.1dB。与θ＝0o时相比，可见，随着旋转角度的增大，通带往高频方向移动，带宽有增加趋势，带内插损略有增大。但是随着角度的继续增大，通带的滤波特性基本保持不变。

上述实施例中提供的基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，具有孔状结构的单层频率选择表面结构，相对于现有的金属孔结构的频率选择表面滤波器，相对带宽大于15％，带内通过率高；由单层结构构成，相比现有的三层和多层结构的宽带带通滤波器，结构简单，加工难度大大降低。对x 和y偏振光具有相同的带通滤波特性，具有极化不敏感特性；周期单元的尺寸和厚度都较大，可采用激光打孔技术完成，加工速度快，容易实现。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种基于频率选择表面的太赫兹宽带带通滤波器，其特征在于，包括：

频率选择表面层，频率选择表面层为单层结构；所述频率选择表面层的外表面为金属材料；在所述频率选择表面层上设置有多个通孔；所述多个通孔在所述频率选择表面层上等间隔排列，形成周期性通孔阵列；其中，通过太赫兹波与所述周期性通孔阵列之间发生的耦合作用对此太赫兹波进行选频。

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，

在金属材料的基片上通过激光或光刻技术形成所述周期性通孔阵列。

3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，

所述频率选择表面层的材料包括：铜、铝、金、银；

所述频率选择表面层的厚度为50μm-5000μm；频率选择表面层周期为100-2000μm。

4.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，

在介质基片上通过激光或光刻技术形成所述周期性通孔阵列，在所述介质基片的表面以及形成所述周期性通孔阵列的通孔表面镀有金属材料薄膜。

5.如权利要求4所述的滤波器，其特征在于，

所述金属材料薄膜的材料包括：铜、铝、金、银；

所述金属材料薄膜的厚度大于或等于200nm。

6.如权利要求4所述的滤波器，其特征在于，

所述介质基片的介质材料包括：硅、氧化硅、石英；所述介质基片的厚度为150-5000μm。

7.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，

所述频率选择表面层由多个周期单元组成，所述多个周期单元沿同一个方向周期排列，形成N×N个周期单元的排列结构，其中，在每个周期单元上都设置有一个所述通孔。

8.如权利要求7所述的滤波器，其特征在于，

所述周期单元为正方形，所述周期单元的边长长度为100-2000μm。

9.如权利要求6所述的滤波器，其特征在于，

所述多个周期单元的材质都为金属材料；或者，

所述多个周期单元的材质都为镀有金属材料薄膜的介质材料。

10.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，

所述通孔包括：圆孔、方孔；所述圆孔的直径或所述方孔的边长与所述频率选择表面层周期的比值范围为0.3-0.7；

其中，太赫兹波垂直所述频率选择表面层的表面入射，所述通孔的上、下端口分别为入射端口、出射端口，所述通孔对太赫兹波进行滤波处理。