CN108428978A - 太赫兹带阻滤波器 - Google Patents

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郑渚
杨彬
丁庆
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Abstract

本发明涉及太赫兹通信领域，提供一种太赫兹带阻滤波器，包括滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括依次层叠设置的第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层和第三谐振器；所述第一谐振器包括第一金属条形和从所述第一金属条形的两端垂直于所述第一金属条形延伸的第二金属条形，所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器的结构相同，所述第一介质层和第二介质层的结构相同。本发明通过采用第一谐振器‑介质层‑第二谐振器‑第二介质层‑第三谐振器形成滤波器单元结构，实现了太赫兹带通滤波器的宽滤波频带，并且能够适用于宽带通信。

Description

太赫兹带阻滤波器
技术领域
本发明涉及太赫兹通信领域，特别是涉及一种太赫兹带阻滤波器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz～10THz、波长在30um～3mm范围内的介于微波与红外线之间的电磁波。超材料是由周期性排列的亚波长单元结构组成的人工电磁材料，与常规自然材料不同，具有负的折射率和负的磁导率等特殊的电磁特性，通过对超材料单元结构形状尺寸及材料组分的控制，可以实现对电磁波的调谐与控制。
现有基于超材料的各种太赫兹器件，如太赫兹滤波器、太赫兹吸收器及太赫兹调谐器等太赫兹功能器件。其中太赫兹滤波器由于在高频通信、安全检测和辐射探测等领域具有重要的应用价值而受到重视。但是目前出现最多的太赫兹滤波器大部分是单频带和多频带或可调谐单频带滤波器，滤波频带较窄，在实际应用中，例如宽带通信，受到了严重制约。
发明内容
基于此，有必要针对现有太赫兹滤波器滤波频带窄、受限于宽带通信等问题，提供一种太赫兹带阻滤波器。
一种太赫兹带阻滤波器，包括滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括依次层叠设置的第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层和第三谐振器；所述第一谐振器包括第一金属条形和从所述第一金属条形的两端垂直于所述第一金属条形延伸的第二金属条形，所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器的结构相同，所述第一介质层和第二介质层的结构相同。
在其中一个实施例中，所述第一介质层的长度为80um～84um，厚度为40um～45um，高度为80um～85um；所述长度的方向为第一方向，所述高度的方向为第二方向，所述第一金属条形沿所述第二方向延伸，所述第二金属条形沿所述第一方向延伸。
在其中一个实施例中，所述第一金属条形的高度为50um～60um，长度为14um～18um，厚度为0.4um～0.6um；所述第二金属条形的长度为55um～65um，厚度为0.4um～0.6um，高度为8um～12um。
在其中一个实施例中，所述第一介质层、第二介质层的介电常数为2.5。
在其中一个实施例中，所述第一介质层、第二介质层的损耗角正切为0.002。
在其中一个实施例中，所述第一介质层、第二介质层的磁导率为1。
在其中一个实施例中，所述第一介质层的材料包括硅、石英中的至少一种；所述第二介质层的材料包括硅、石英中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述太赫兹带阻滤波器包括多个沿第一方向和第二方向周期排列的滤波器单元结构，所述第二金属条形延伸的方向为所述第一方向，所述第一金属条形延伸的方向为所述第二方向。
在其中一个实施例中，所述第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层、第三谐振器经过各自的几何中心的法线重合。
在其中一个实施例中，所述第一谐振器、第二谐振器及第三谐振器为超材料结构。
上述太赫兹带阻滤波器，通过采用第一谐振器-第一介质层-第二谐振器-第二介质层-第三谐振器形成滤波器单元结构，然后通过将滤波器单元结构沿第一方向和第二方向周期排列形成太赫兹带阻滤波器，使太赫兹带阻滤波器具有超材料的特性，同时实现了太赫兹带阻滤波器的宽滤波频带，并且能够适用于宽带通信。
附图说明
图1为一实施例中太赫兹带阻滤波器的滤波器单元结构的爆炸图；
图2为一实施例中的太赫兹带阻滤波器的平面结构示意图；
图3为一实施例中的滤波器单元结构的平面数学模型图；
图4为一实施例中的太赫兹带阻滤波器传输特性曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1和图2，为一实施例中的太赫兹带阻滤波器的滤波器单元结构的爆炸图和太赫兹带阻滤波器的平面结构示意图。一种太赫兹带阻滤波器，可以包括滤波器单元结构10，其中，滤波器单元结构10可以包括：第一谐振器100、第一介质层200、第二谐振器300、第二介质层400以及第三谐振器500。第一谐振器100、第一介质层200、第二谐振器300、第二介质层400以及第三谐振器500依次层叠设置。
在一个实施例中，第一谐振器100、第一介质层200、第二谐振器300、第二介质层400以及第三谐振器500经过各自的几何中心的法线重合。可以理解，第一谐振器100、第二谐振器300以及第三谐振器500的结构可以相同，换言之，第一谐振器100、第二谐振器300以及第三谐振器500的形状、构造均相同。示例性地，以第一谐振器100的具体结构为例进行说明，第一谐振器100是一块具有I字形的金属板。第一谐振器100可以包括第一金属条形110和从所述第一金属条形的两端垂直于第一金属条形110延伸的第二金属条形120。在图3所示的实施例中，I字形金属板可以包括第一金属条形110、第三金属条形121、第四金属条形122。第三金属条形121、第四金属条形122和第一金属条形110共同组成I字形。I字形金属板可以通过在一块82um*85um的金属板上进行光刻、电镀等技术加工得到。其中，金属板与加工完成后的I字形金属板的几何中心重合。
在一个实施例中，I字形金属板的材料采用本领域技术人员熟知的材料即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选I字形金属板的材料为金、铝、银、铜，更优选为金、铝、银，最优选为金、银。本发明对于形成I字形金属板的金属板的形状没有特别限制，以本领域技术人员熟知的形状即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选形成I字形金属板的金属板的形状为长方体、正方体，更优选为长方体；其中，示例性地列举当形成I字形金属板的金属板的形状为长方体时的参数，形成I字形金属板的金属板的长度可以为82um，厚度可以为0.5um，高度可以为85um。这里可以以形成I字形金属板的金属板长度的方向为第一方向，高度的方向为第二方向，第一金属条形110沿第二方向延伸，第二金属条形沿第一方向延伸。可以理解，这里的第一方向、第二方向可以为水平方向和垂直方向。
请参照图3，为一实施例中的滤波器单元结构的平面数学模型图。如图3中所示，分别以Lx、Ly、a、b、b1、w来表示本实施例中的滤波器单元结构的模型参数。其中，Lx表示滤波器单元结构10的长，也就是第一介质层200和第二介质层400的长。Ly表示滤波器单元结构10的高，也就是第一介质层200和第二介质层400的高。a表示第三金属条形121和第四金属条形122的长；b表示第一金属条形110的长，b1表示第三金属条形121和第四金属条形122的宽；w表示第一金属条形110的宽。a、b、b1、w的物理长度也就是第一谐振器100、第二谐振器300和第三谐振器500的模型参数。可以理解，本发明对于滤波器单元结构10的模型参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的模型参数即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选80um～Lx～84um，80um～Ly～90um，55um～a～65um，50um～b～60um，8um～b1～12um，14um～w～18um，更优选为80um～Lx～82um，80um～Ly～85um，55um～a～60um，50um～b～55um，8um～b1～10um，14um～w～16um，最优选为82um～Lx～84um，85um～Ly～90um，60um～a～65um，55um～b～60um，8um～b1～12um，16um～w～18um。示例性地，以具体的参数模型来描述一下本发明优选的滤波器单元结构的具体结构，即对于滤波器单元结构各模型参数的选取可以为：Lx＝82um，Ly＝85um，a＝60um，b＝55um，b1＝10um，w＝16um。优选这样的参数可以使得滤波器单元结构的整体性能达到最优，并且由于尺寸选取在微米级，所以也不会使得形成太赫兹带阻滤波器之后的整体尺寸过大。
在一个实施例中，太赫兹带阻滤波器可以包括多个沿第一方向和第二方向周期排列的滤波器单元结构10，这里以第二金属条形120延伸的方向作为第一方向，第一金属条形110延伸的方向作为第二方向。可以理解，滤波器单元结构10沿第一方向排列的数量和沿第二方向排列的数量可以相同，也可以不相同，例如，数量相等的情况：滤波器单元结构10沿第一方向排列10个，沿第二方向排列10个；数量不等的情况：滤波器单元结构10沿第一方向排列12个，沿第二方向排列13个。本发明对于滤波器单元结构10沿第一方向和第二方向排列的数量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的数量即可，本领域技术人员可以根据实际操作需要和产品性能进行选择和调整。
在一个实施例中，第一介质层200与第二介质层400的结构相同，换言之，第一介质层200与第二介质层400的形状、构造均相同。示例性地，以第一介质层200的具体结构为例进行说明，第一介质层200的具体结构参数数据可以参照之前实施例中的描述，这里就不再过多的赘述。
在一个实施例中，第一介质层200和第二介质层400可以是非导体材料，本发明对于第一介质层200以及第二介质层400的材料没有特别限制，以本领域技术人员熟知的材料即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选第一介质层200和第二介质层400的材料为硅、石英，最优选为硅。第一介质层200和第二介质层400的材料选取最好是相同的，这样可以保证太赫兹带阻滤波器的整体性能。但是，可以理解，第一介质层200和第二介质层400也可以选取不一样的材料，例如，第一介质层200的材料选取石英，第二介质层400的材料选取硅，当然，也可以是相反的，或者采用其他的材料。通常衡量介质层性能的一些关键参数是介电常数、损耗角正切和磁导率。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场(真空中)的比值即为相对介电常数(relative permittivity或dielectric constant)，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积，以εr表示。损耗角正切又称介质损耗角正切，介电损耗角正切。表征电介质材料在施加电场后介质损耗大小的物理量，以tanδ表示，δ是介电损耗角。它表征每个周期内介质损耗的能量与其贮存能量之比。磁导率表示磁介质磁性的物理量。磁导率μ等于磁介质中磁感应强度B的微分与磁场强度H的微分之比，即μ＝dB/dH。本发明对于第一介质层200和第二介质层400的介电常数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的介电常数即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选的第一介质层200和第二介质层400的介电常数均为2.5。本发明对于第一介质层200和第二介质层400的损耗角正切没有特别限制，以本领域技术人员熟知的损耗角正切即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选第一介质层200和第二介质层400的损耗角正切均为0.002。本发明对于第一介质层200和第二介质层400的磁导率没有特别限制，以本领域技术人员熟知的磁导率即可，本领域技术人员可以根据实际情况以及产品性能进行选择和调整，本发明优选第一介质层200和第二介质层400的磁导率均为1。
上述太赫兹带阻滤波器，通过采用第一谐振器-第一介质层-第二谐振器-第二介质层-第三谐振器形成滤波器单元结构，然后通过将滤波器单元结构沿第一方向和第二方向周期排列形成太赫兹带阻滤波器，使太赫兹带阻滤波器具有超材料的特性，同时实现了太赫兹带阻滤波器的宽滤波频带，并且能够适用于宽带通信。
在一个实施例中，一种太赫兹带阻滤波器，可以包括滤波器单元结构，其中，滤波器单元结构可以包括：第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层、第三谐振器、第三介质层以及第四谐振器。第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层、第三谐振器、第三介质层以及第四谐振器依次层叠设置。
在一个实施例中，第三介质层和第一介质层200、第二介质层400的结构、形状均相同。并且对于第三介质层的材料选取以及具体的模型参数均可以参照之前实施例中对于第一介质层200的描述，这里不再赘述。同样，对于第四谐振器(图中未标示)和第一谐振器100、第二谐振器300以及第三谐振器500的形状、结构均相同。并且对于第四谐振器的材料选取以及具体的模型参数均可以参照之前实施例中对于第一谐振器100的描述，这里不再赘述。第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层、第三谐振器、第三介质层以及第四谐振器的具体设置以及滤波器单元结构的排列、数量可以参照之前实施例的描述，这里也不再进行赘述。
上述太赫兹带阻滤波器，通过采用第一谐振器-第一介质层-第二谐振器-第二介质层-第三谐振器-第三介质层-第四谐振器形成滤波器单元结构，然后通过将滤波器单元结构沿第一方向和第二方向周期排列形成太赫兹带通滤波器，使太赫兹带通滤波器具有超材料的特性，同时实现了太赫兹带通滤波器的宽滤波频带，并且能够适用于宽带通信。
为了使本发明描述得更加详尽，下面结合图4进一步描述本发明的原理。
请参阅图4，为一实施例中的太赫兹带阻滤波器传输特性曲线图。基于上述实施例的描述，通过在三维电磁仿真软件中建立滤波器单元结构的模型，设定好特定的仿真条件，在X轴方向施加磁场，在Y轴方向施加电场，电磁波垂直入射到太赫兹带阻滤波器表面(即电磁波沿着Z轴方向入射到太赫兹带阻滤波器表面)。通过仿真得到本发明太赫兹带阻滤波器透过率-频率的变化关系曲线。如图4所示，可以从图中获知，中心频率f0约等于0.94THz，而太赫兹带阻滤波器的3dB带阻带宽为580GHz，对应的频率为0.65THz～1.23THz，对应的波长46.15mm～24.3mm，其带宽囊括了电磁波大气窗口90GHz，综上可以得知，本发明为带通滤波器，并且可以应用于毫米波点对点通信系统中。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹带阻滤波器，其特征在于，包括滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括依次层叠设置的第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层和第三谐振器；所述第一谐振器包括第一金属条形和从所述第一金属条形的两端垂直于所述第一金属条形延伸的第二金属条形，所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器的结构相同，所述第一介质层和第二介质层的结构相同。
2.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一介质层的长度为80um～84um，厚度为40um～50um，高度为80um～90um；所述长度的方向为第一方向，所述高度的方向为第二方向，所述第一金属条形沿所述第二方向延伸，所述第二金属条形沿所述第一方向延伸。
3.根据权利要求2所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属条形的高度为50um～60um，长度为14um～18um，厚度为0.4um～0.6um；所述第二金属条形的长度为55um～65um，厚度为0.4um～0.6um，高度为8um～12um。
4.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层的介电常数为2.5。
5.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层的损耗角正切为0.002。
6.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层的磁导率为1。
7.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一介质层的材料包括硅、石英中的至少一种；所述第二介质层的材料包括硅、石英中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述太赫兹带阻滤波器包括多个沿第一方向和第二方向周期排列的滤波器单元结构，所述第二金属条形延伸的方向为所述第一方向，所述第一金属条形延伸的方向为所述第二方向。
9.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一谐振器、第一介质层、第二谐振器、第二介质层、第三谐振器经过各自的几何中心的法线重合。
10.根据权利要求1所述的太赫兹带阻滤波器，其特征在于，所述第一谐振器、第二谐振器及第三谐振器为超材料结构。
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