CN108598633A - 带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外通信领域，提供一种带阻滤波器，包括滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括第一金属层、第一介质层以及第二金属层；所述第一金属层、所述第一介质层以及所述第二金属层依次层叠设置；所述第一金属层与所述第二金属层的结构相同。本发明通过采用金属层‑介质层‑金属层依次层叠设置形成滤波器单元结构，实现了带阻滤波器的宽滤波频带，并且能够适用于未来高速通信。

Description

带阻滤波器

技术领域

本发明涉及红外通信领域，特别是涉及一种带阻滤波器。

背景技术

超材料是由周期性排列的亚波长结构单元组成的人工电磁材料。与常规自然材料相比，超材料具有负的折射率和负的磁导率等特殊的电磁特性，而这些特性是很难从自然界的材料中获取的，因此，通过对超材料结构单元形状尺寸及材料组分的控制，研究人员可以实现对电磁波的调谐与控制。同时，超材料在电磁隐身、通信系统和成像技术等领域都有着极其重要的应用。

目前，虽然基于超材料可以实现红外频段的带阻滤波器，用以去除红外频段不需要的电磁波。但是，由于其本身具有谐振特性，带宽往往相对比较小，对于未来高速通信所需的大宽带而言，实现带阻滤波器在红外频段的大带宽是亟需解决的问题。此外，如果带阻滤波器的结构不经过特殊的考虑，结构之间的耦合效率也不会很高，从而限制该结构的实际应用。

发明内容

基于此，有必要针对如何实现带阻滤波器在红外频段的大带宽问题，提供一种带阻滤波器。

一种带阻滤波器，包括滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括第一金属层、第一介质层以及第二金属层；所述第一金属层、所述第一介质层以及所述第二金属层依次层叠设置；所述第一金属层与所述第二金属层的结构相同。

在其中一个实施例中，所述第一金属层、所述第二金属层为超材料结构。

在其中一个实施例中，所述第一金属层和所述第二金属层均呈扁平的块状，所述第一金属层中两个相对且面积最大的侧面分别为第一面和第二面，所述第二金属层中两个相对且面积最大的侧面分别为第三面和第四面；所述第一介质层呈方块柱体状，并具有两个端面和四个侧面，其中，两个相对且面积最大的侧面分别为第五面和第六面；

所述第一金属层的第一面暴露、第二面与所述第一介质层的第五面贴合，所述第二金属层的第三面与所述第一介质层的第六面贴合、第四面暴露。

在其中一个实施例中，所述第一金属层在所述第一介质层的投影与所述第二金属层在所述第一介质层的投影重合。

在其中一个实施例中，所述第一金属层在所述第一介质层的完整投影包含在所述第一介质层的第五面内；所述第二金属层在所述第一介质层的完整投影包含在所述第一介质层的第六面内。

在其中一个实施例中，所述第一金属层、所述第一介质层、所述第二金属层的几何中心处于同一条直线上。

在其中一个实施例中，所述滤波器单元结构还包括第二介质层和第三金属层；所述第一金属层、所述第二金属层以及所述第三金属层依次层叠设置；所述第一介质层层叠于所述第一金属层与所述第二金属层之间，所述第二介质层层叠于所述第二金属层与所述第三金属层之间；所述第一金属层、所述第二金属层及所述第三金属层的结构相同。

在其中一个实施例中，所述第一介质层的长度为550nm-650nm，厚度为190nm-200nm，宽度为235nm-245nm；所述第一金属层、所述第二金属层沿所述长度的方向延伸。

在其中一个实施例中，所述第一金属层和第二金属层的结构相同，且长度为315nm-325nm，厚度为24nm-28nm，宽度为75nm-85nm。

在其中一个实施例中，所述带阻滤波器包括多个沿所述第一介质层的长度方向和宽度方向周期排列的滤波器单元结构。

上述带阻滤波器，通过采用金属层-介质层-金属层形成滤波器单元结构，然后通过将多个滤波器单元结构沿介质层的长度方向和宽度方向周期排列形成带阻滤波器，该带阻滤波器可以让红外频段范围内的电磁波通过，而红外频段范围外的电磁波衰减到极低或被反射，同时可通过的红外频段的带宽可达120THz，从而满足了红外频段范围的宽滤波频带，并且能够适用于未来高速通信。

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地介绍，显而易见地，下面描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为一实施例中带阻滤波器的滤波器单元结构示意图；

图2为另一实施例中带阻滤波器的滤波器单元结构的爆炸图；

图3为一实施例中带阻滤波器的滤波器单元结构的俯视图；

图4为一实施例中带阻滤波器的滤波器单元结构的正视图；

图5为一实施例中带阻滤波器的滤波器单元结构的侧视图；

图6为一实施例中的带阻滤波器的平面结构示意图；

图7为一实施例中的带阻滤波器的传输特性曲线图。

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。

请参照图1，为一实施例中的带阻滤波器的滤波器单元结构示意图。该滤波器单元结构可以包括：第一金属层10，第一介质层20以及第二金属层30。第一金属层10，第一介质层20以及第二金属层30依次层叠设置。第一金属层10和第二金属层30的结构相同。其中，第一金属层10和第二金属层30为金属导电材料，例如，金、银、铜、铁及铝等金属。第一介质层20的材料可以为非导体材料，例如，硅、石英等材料。也可以是柔性介质材料，例如聚酰亚胺薄膜。当然，也可以是其他介电常数和损耗角相近的柔性介质材料。优选地，第一金属层10和第二金属层30均选用银，第一介质层20采用硅，第一介质层20的介电常数为2.14，损耗角正切为0.002，磁导率为1。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。

在一个实施例中，第一金属层10和第二金属层30均为超材料结构。换言之，第一金属层10与第二金属层30具有超材料结构特性，例如，负的折射率和负的磁导率。

在一个实施例中，请辅助参阅图2，为一实施例中的滤波器单元结构的爆炸图。第一金属层10和第二金属层30的结构相同，均呈扁平的块状，换言之，第一金属层10和第二金属层30的形状、构造均相同。第一金属层10中两个相对且面积最大的侧面分别为第一面110和第二面120，第二金属层30中两个相对且面积最大的侧面分别为第三面310和第四面320；第一介质层20呈方块柱体状，并具有两个端面和四个侧面，其中，两个相对且面积最大的侧面分别为第五面210和第六面220；第一金属层10的第一面110暴露、第二面120与第一介质层20的第五面210贴合，第二金属层30的第三面310与第一介质层20的第六面220贴合、第四面320暴露。第一金属层10和第二金属层30采用相同的结构可以方便使用同一块掩模版进行制备，减少了工艺复杂度，并且还能够降低生产成本。

具体地，以第一金属层10的具体结构为例进行说明，可以理解，由于第二金属层30的结构和第一金属层10相同，所以，对于第二金属层30结构的描述可以参照对第一金属层10的描述。第一金属层10为扁平的块状结构，可以是规则的块状，也可以是不规则的块状结构，这里对不规则的界定为：1、平面布置复杂，凹进凸出的尺寸超规、长宽比例超规、严重不对称；2、竖向布置挑出、退进超规、严重不对称，其中，“规”是指高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010。优选地，第一金属层10为规则的块状结构。进一步地，第一金属层10可以为规则的扁平状长方体，也可以为规则的扁平状正方体，也可以是其他规则的扁平块状结构。优选地，第一金属层10采用规则的扁平状长方体。可以参阅图2，第一金属层10为扁平状长方体，其中，有两个相对并且面积最大的侧面分别为第一面110和第二面120，相应地，在第二金属层30也采用长方体形状的情况下，也会有两个相对并且面积最大的侧面分别为第三面310和第四面320。这里相对的意思可以理解为呈镜像对称，面积最大指的是在采用长方体形状的情况下，相对面积最大的两个侧面，这里第一金属层10中的“第一”、“第二”、第二金属层30中的“第三”“第四”以及后面第一介质层中的“第五”、“第六”在顺序或者组成上没有任何联系，不作限定作用，仅仅是为了区别以及描述出所需要的平面，同时也是为了使本发明描述的更为清楚、详细。可以理解，这里只是列出了其中两个面，由于是长方体结构，所以还存在有四个面，这里就不再进一步描述。第一介质层20呈方块柱体状，示例性地，第一介质层20可以为长方体状，其中，第一介质层20具有两个端面和四个侧面，端面也即是相对面积最小的两个面。两个端面可以为长方形，也可以是正方形，也可以是其他形状。优选地，第一介质层20为端面为长方形的长方体，其中，两个相对并且面积最大的侧面分别为第五面210和第六面220。这里相对的意思可以理解为呈镜像对称，面积最大指的是在采用长方体形状的情况下，相对面积最大的两个侧面。第一金属层10的第一面110暴露、第二面120与第一介质层20的第五面210贴合，第二金属层30的第三面310与第一介质层20的第六面220贴合、第四面320暴露，具体地，第一金属层10的第一面110裸露出来，第二面120与第一介质层20的第五面210贴合，可以理解，第一金属层10的其他几个面也处于裸露的状态，仅有与第一介质层20的第五面210贴合的一面即第二面120未裸露，相应地，第二金属层30的其他几个面也处于裸露的状态，仅有与第一介质层20的第六面220贴合的一面即第三面310未裸露。

在一个实施例中，第一金属层10在第一介质层20的投影与第二金属层30在第一介质层20的投影重合。

具体地，第一金属层10与第二金属层30的结构相同，这里以同为规则的扁平状长方体为例，第一金属层10在第一介质层20的投影与第二金属层30在第一介质层20的投影重合，也就是说，第一金属层10的第二面120、第二金属层30的第三面310与第一介质层20的第五面210、第六面220贴合的位置呈镜像对称的关系，并且由于结构相同，所以二者的整体结构也呈镜像对称。这样使得电磁波在入射时，第一金属层10与第二金属层30之间的耦合作用增强，从而降低谐振频率，拓宽了可通过的红外频段范围内的电磁波的带宽。

在一个实施例中，第一金属层10在第一介质层20的完整投影包含在第一介质层20的第五面210内；第二金属层30在第一介质层20的完整投影包含在第一介质层20的第六面220内。

具体地，第一金属层10在第一介质层20的完整投影可以理解为一束光从第一金属层10的第一面110垂直入射后在第一介质层20上形成的投影。这个投影完全包含在第一介质层20的第五面210内，也就是说第一金属层10处在第一介质层20的第五面210的范围内，可以是范围内的任何位置，只要保证完整投影不超出第五面210的范围就可以。相应地，第二金属层30和第一金属层10一样，可以是范围内的任何位置，只要保证完整投影不超出第六面220的范围。这样可以最大程度的保证器件的稳定性，同时提高金属层的利用率。

在一个实施例中，第一金属层10、第一介质层20、第二金属层30的几何中心处于同一条直线上。

具体地，第一金属层10、第一介质层20以及第二金属层30的几何中心处于同一条直线上，也就是说经过三者的几何中心的直线重合。这样的好处是进一步保证器件的整体规则性，使得第一金属层10、第三金属层30之间的耦合作用进一步增强。

请参照图3、图4和图5，分别为一实施例中的滤波器单元结构的俯视图、正视图以及侧视图。如图3中所示，分别以Lx、Ly、Sx、Sy、h1、h2、h3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的长，也就是第一介质层20的长。Ly表示滤波器单元结构的宽，也就是第一介质层20的宽。Sx表示第一金属层10和第二金属层30的长；Sy表示第一金属层10和第二金属层30的宽；h1表示第一金属层10的厚度；h2表示第一介质层20的厚度；h3表示第二金属层30的厚度。第一金属层10和第二金属30沿第一介质层20的长度方向延伸，也就是沿着图中X轴的方向延伸。可以理解，本发明对于滤波器单元结构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550nm-Lx-650um，235nm-Ly-245nm，190nm-h2-200nm，315nm-Sx-325nm，75nm-Sy-85nm，24nm-h1-28nm，24nm-h3-28nm。更优选为550nm-Lx-600um，235nm-Ly-240nm，190nm-h2-195nm，315nm-Sx-320nm，75nm-Sy-80nm，24nm-h1-26nm，24nm-h3-26nm最优选为600nm-Lx-650um，240nm-Ly-245nm，195nm-h2-200nm，320nm-Sx-325nm，80nm-Sy-85nm，26nm-h1-28nm，26nm-h3-28nm。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＝600nm，Ly＝240nm，Sx＝320nm，Sy＝80nm，h1＝26nm，h2＝195nm，h3＝26nm。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。

请参阅图6，为一个实施例中的带阻滤波器的平面结构示意图，该带阻滤波器可以包括多个沿第一介质层20的长度方向和宽度方向周期排列的滤波器单元结构，这里长度的方向和宽度的方向可以理解为水平方向和垂直方向。可以理解，滤波器单元结构沿水平方向(长度方向)排列的数量和沿垂直方向(宽度方向)排列的数量可以相同，也可以不相同，例如，数量相等的情况：滤波器单元结构沿水平方向(长度方向)排列10个，沿垂直方向(宽度方向)排列10个；数量不等的情况：滤波器单元结构沿水平方向(长度方向)排列12个，沿垂直方向(宽度方向)排列13个。本发明对于滤波器单元结构沿水平方向(长度方向)和垂直方向(宽度方向)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。优选地，本发明的带阻滤波器为3*2的阵列结构，即水平方向(长度方向)排列3个滤波器单元结构，垂直方向(宽度方向)排列2个滤波器单元结构。

上述实施例，通过采用金属层-介质层-金属层形成滤波器单元结构，然后通过将多个滤波器单元结构沿介质层的长度方向和宽度方向周期排列形成带阻滤波器，该带阻滤波器可以让红外频段范围内的电磁波通过，而红外频段范围外的电磁波衰减到极低或被反射，同时可通过的红外频段的带宽可达120THz，从而满足了红外频段范围的宽滤波频带，并且能够适用于未来高速通信。

在一个实施例中，一种带阻滤波器，可以包括多个周期排列的滤波器单元结构，滤波器单元结构可以包括：第一金属层10、第一介质层20、第二金属层30、第二介质层(图未标示)和第三金属层(图未标示)。第一金属层10、第二金属层30以及第三金属层(图未标示)依次层叠设置。第一介质层20层叠于第一金属层10与第二金属层30之间，第二介质层(图未标示)层叠于第二金属层30与第三金属层(图未标示)之间。第一金属层10、第二金属层30以及第三金属层(图未标示)的结构相同。其中，多个滤波器单元结构可以沿着第一介质层20的长度方向和宽度方向周期排列形成带阻滤波器。

在一个实施例中，对于第三金属层(图未标示)的结构描述可以参照前述实施例对于第一金属层10的描述，对于第三金属层(图未标示)、第二金属层30、第二介质层(图未标示)之间的相对位置关系可以参照前述对与第一金属层10、第一介质层20以及第二金属层30之间的相对位置关系的描述，对于第三金属层(图未标示)与第二介质层(图未标示)的贴合关系，以及第二介质层(图未标示)与第二金属层30的贴合关系可以参照前述对第一金属层10、第一介质层20、第二金属层30的贴合关系的描述，在此不再进一步赘述。

在一个实施例中，第二介质层(图未标示)可以和第一介质层20一样，为非导体材料，也可以是柔性介质材料，本发明对于第二介质层(图未标示)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，本发明优选第二介质层(图未标示)和第一介质层20的材料一样，均为硅或石英，最优选为硅。第一介质层20和第二介质层(图未标示)的材料选取最好是相同的，这样可以保证带阻滤波器的整体性能。但是，可以理解，第一介质层20和第二介质层(图未标示)也可以选取不一样的材料，例如，第一介质层20的材料选取石英，第二介质层(图未标示)的材料选取硅，当然，也可以是相反的，或者采用其他的材料。本发明对于第二介质层(图未标示)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，本发明优选的第二介质层(图未标示)的介电常数与第一介质层20的介电常数一样，为2.14。本发明对于第二介质层(图未标示)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，本发明优选第二介质层(图未标示)的损耗角正切与第一介质层20一样，均为0.002。本发明对于第二介质层(图未标示)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，本发明优选第二介质层(图未标示)的磁导率和第一介质层20一样，均为1。

上述实施例，通过采用金属层-介质层-金属层-介质层-金属层形成滤波器单元结构，然后通过将多个滤波器单元结构沿介质层的长度方向和宽度方向周期排列形成带阻滤波器，该带阻滤波器可以让红外频段范围内的电磁波通过，而红外频段范围外的电磁波衰减到极低或被反射，使带阻滤波器具有超材料的特性，同时满足了红外频段范围的宽滤波频带，并且能够适用于未来高速通信。

为了使本发明描述得更加详尽，下面结合图7进一步描述本发明的原理。

请参阅图7，为一实施例中的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，电磁波垂直入射到带阻滤波器表面(即电磁波沿着Z轴方向入射到带阻滤波器表面)，也就是沿着第一介质层20的端面入射。通过仿真得到本发明带阻滤波器透过率-频率的变化关系曲线。如图7所示，可以从图中获知，中心频率f₀约等于255THz，而带阻滤波器的3dB带阻带宽为120THz，对应的频率为195THz-315THz，综上可以得知，本发明为带阻滤波器，并且可以应用于红外通信系统中。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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第一金属层、第一介质层以及第二金属层；所述第一金属层、所述第一介质层以及所述第二金属层依次层叠设置；所述第一金属层与所述第二金属层的结构相同。

2.根据权利要求1所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属层、所述第二金属层为超材料结构。

3.根据权利要求2所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层均呈扁平的块状，所述第一金属层中两个相对且面积最大的侧面分别为第一面和第二面，所述第二金属层中两个相对且面积最大的侧面分别为第三面和第四面；所述第一介质层呈方块柱体状，并具有两个端面和四个侧面，其中，两个相对且面积最大的侧面分别为第五面和第六面；

所述第一金属层的第一面暴露、第二面与所述第一介质层的第五面贴合，所述第二金属层的第三面与所述第一介质层的第六面贴合、第四面暴露。

4.根据权利要求3所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属层在所述第一介质层的投影与所述第二金属层在所述第一介质层的投影重合。

5.根据权利要求4所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属层在所述第一介质层的完整投影包含在所述第一介质层的第五面内；所述第二金属层在所述第一介质层的完整投影包含在所述第一介质层的第六面内。

6.根据权利要求3所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属层、所述第一介质层、所述第二金属层的几何中心处于同一条直线上。

7.根据权利要求3-6中任一项权利要求所述的带阻滤波器，其特征在于，所述滤波器单元结构还包括第二介质层和第三金属层；所述第一金属层、所述第二金属层以及所述第三金属层依次层叠设置；所述第一介质层层叠于所述第一金属层与所述第二金属层之间，所述第二介质层层叠于所述第二金属层与所述第三金属层之间；所述第一金属层、所述第二金属层及所述第三金属层的结构相同。

8.根据权利要求3-6中任一项权利要求所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一介质层的长度为550nm-650nm，厚度为190nm-200nm，宽度为235nm-245nm；所述第一金属层、所述第二金属层沿所述长度的方向延伸。

9.根据权利要求3-6中任一项权利要求所述的带阻滤波器，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层的结构相同，且长度为315nm-325nm，厚度为24nm-28nm，宽度为75nm-85nm。

10.根据权利要求8所述的带阻滤波器，其特征在于，所述带阻滤波器包括多个沿所述第一介质层的长度方向和宽度方向周期排列的滤波器单元结构。