CN109585985B - 同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器。它包括太赫兹波输入端、太赫兹波输出端、N×N个结构单元，N为自然数，N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上。结构单元包括金属结构层，金属结构层是一个具有三级分形变化的金属镂空物，一级分形变化包括由两个同心正方形所形成的第一镂空、第二镂空、第三镂空、第四镂空，根据分形的自相似性，二级分形变化包括第五镂空、第六镂空、第七镂空、第八镂空；三级分形变化包括第九镂空、第十镂空、第十一镂空、第十二镂空。本发明的同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器具有结构简单紧凑、制作方便、成本低廉，满足在太赫兹波段成像、移动通信、生物探测、医疗诊断等领域的应用要求。

Description

同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器
技术领域
本发明涉及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器。
背景技术
对于太赫兹频段，其早在19世纪就有被关注过的记载，只是太赫兹在那个时候并没有被作为一个独立的频段进行系统性的研究。在当时，科学家们将这一频段划分到了远红外线波段的范围里进行研究。直到20世纪80年代，研究人员才将这一频段的研究慢慢推进到了太赫兹频段并成为单独的领域进行研究。该段的电磁波拥有很多独特的特性，使其能够应用使到许多光子学与电子学不曾涉足或者使用效果不尽人意的领域中去。太赫兹波在太赫兹成像、太赫兹雷达、太赫兹生物医学、太赫兹通信等领域都有广泛的应用。其中，将太赫兹波应用到通信系统中来实现更快的信息传输成为了研究人员的共识，但是在信息传输过程中无用的杂波会对信息的传输产生干扰。太赫兹滤波器作为通信系统中的一种功能器件能够在无线通信系统中过滤特定的电磁频段。
随着对太赫兹滤波器研究的进一步深入，研究人员近年来陆续提出太赫兹滤波器的具体实现结构，极大地促进了应用于太赫兹领域的滤波器的研究。然而现有的太赫兹波滤波器大都存在着结构复杂、滤波性能低、成本高等诸多缺点，所以研究结构简单、成本低、尺寸小的太赫兹波滤波器意义重大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器，包括太赫兹波输入端、太赫兹波输出端、N×N个结构单元，N为自然数，N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个结构单元包括金属结构层，金属结构层是一个具有三级分形变化的金属镂空物，且三级分形变化之间具有自相似性；一级分形变化包括第一镂空、第二镂空、第三镂空、第四镂空，二级分形变化包括第五镂空、第六镂空、第七镂空、第八镂空；三级分形变化包括第九镂空、第十镂空、第十一镂空、第十二镂空；每一级分形变化中的4个镂空均由两个同心正方形夹持而成，4个镂空的形状均为两条直角边等长的L形直角，且相邻两个镂空之间保持间隔不接触；所述一级分形变化嵌套于二级分形变化内，二级分形变化嵌套于三级分形变化内；金属结构层的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端和太赫兹波输出端。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式。
所述的周期排列的N×N个结构单元中，每个结构单元的正视图均为正方形，正方形的边长为345μm～355μm。
所述的金属结构层的材料是铝，厚度为5μm～15μm。
所述的一级分形变化包括的第一镂空、第二镂空、第三镂空、第四镂空尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为18μm～22μm，较短的内边长度为8μm～12μm，宽度为6μm～14μm，两个相邻镂空之间的距离为16μm～24μm。
所述的二级分形变化包括的第五镂空、第六镂空、第七镂空、第八镂空尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为48μm～52μm，较短的内边长度为33μm～37μm，宽度为11μm～19μm，两个相邻镂空之间的距离为26μm～34μm。
所述的三级分形变化包括的第九镂空、第十镂空、第十一镂空、第十二镂空尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为98μm～102μm，较短的内边长度为83μm～87μm，宽度为11μm～19μm，两个相邻镂空之间的距离为36μm～44μm。
所述的一级分形变化的任一条对角线与二级分形变化的任一条对角线之间的夹角均为45°；所述的二级分形变化的任一条对角线与三级分形变化的任一条对角线之间的夹角均为45°。
本发明的同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器具有结构简单紧凑、制作方便、成本低廉，满足在太赫兹波段成像、移动通信、生物探测、医疗诊断等领域的应用要求。
附图说明
图1是同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器中的结构单元三维示意图；
图2是同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器中的结构单元正视图；
图3是同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器的整体正视图(示出4×4个结构单元)；
图4是同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器的S参数曲线；
图5是同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器的能量图；
具体实施方式
如图1～3所示，一种同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器，包括太赫兹波输入端1、太赫兹波输出端2、N×N个结构单元3，N为自然数，可根据需要进行调整。N×N个结构单元3周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，相邻两个单元紧密衔接。如图1和2所示，每个结构单元3的本体均是金属结构层4，金属结构层4是一个具有三级分形变化的金属镂空物，且三级分形变化之间具有自相似性，即三级分形变化结构的形状构成相似图形。一级分形变化包括第一镂空5、第二镂空6、第三镂空7、第四镂空8，二级分形变化包括第五镂空9、第六镂空10、第七镂空11、第八镂空12；三级分形变化包括第九镂空13、第十镂空14、第十一镂空15、第十二镂空16。每一级分形变化中的4个镂空均由两个同心正方形夹持而成，即两个同心正方形夹持形成一个正方形环，该正方形环去除每条边的位于中心的一段后，得到4个L形直角，这4个L形直角即为每一级分形变化中的4个镂空。且4个镂空的L形直角中两条直角边等长，相邻两个镂空之间保持间隔不接触。一级分形变化嵌套于二级分形变化内，二级分形变化嵌套于三级分形变化内.金属结构层4的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端1和太赫兹波输出端2。
各器件的具体参数如下：周期排列的N×N个结构单元3中，每个结构单元3的正视图均为正方形，正方形的边长为345μm～355μm。金属结构层4的材料是铝，厚度为5μm～15μm。一级分形变化包括的第一镂空5、第二镂空6、第三镂空7、第四镂空8尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为18μm～22μm，较短的内边长度为8μm～12μm，宽度为6μm～14μm，两个相邻镂空之间的距离为16μm～24μm。二级分形变化包括的第五镂空9、第六镂空10、第七镂空11、第八镂空12尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为48μm～52μm，较短的内边长度为33μm～37μm，宽度为11μm～19μm，两个相邻镂空之间的距离为26μm～34μm。所述的三级分形变化包括的第九镂空13、第十镂空14、第十一镂空15、第十二镂空16尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为98μm～102μm，较短的内边长度为83μm～87μm，宽度为11μm～19μm，两个相邻镂空之间的距离为36μm～44μm。上述L形直角的镂空中，较长的外边是构成阳角的边，较短的内边是指构成阴角的边，两个相邻镂空之间的距离是指两个镂空相对的两条直角边之间的最短距离。另外，一级分形变化、二级分形变化、三级分形变化虽然图形相似，但其旋转角不同，一级分形变化与二级分形变化之间具有45°的旋转角，即一级分形变化的任一条对角线与二级分形变化的任一条对角线之间的夹角均为45°。二级分形变化与三级分形变化之间也具有45°的旋转角，即二级分形变化的任一条对角线与三级分形变化的任一条对角线之间的夹角均为45°。各级分形变化结构中，所有镂空均贯通金属结构层4。
实施例1
本实施例中，同心正方形分形镂空结构的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
选择结构单元个数N＝40。周期排列的N×N个结构单元中，每个单元的正视图为正方形，正方形的边长为350μm。金属结构层的材料是铝，厚度为10μm。一级分形变化包括的第一镂空、第二镂空、第三镂空、第四镂空尺寸相同，较长的外边长度为20μm，较短的内边长度为10μm，宽度为10μm，两个相邻镂空之间的宽度为20μm。二级分形变化包括的第五镂空、第六镂空、第七镂空、第八镂空尺寸相同，较长的外边长度为50μm，较短的内边长度为35μm，宽度为15μm，两个相邻镂空之间的宽度为30μm。三级分形变化包括的第九镂空、第十镂空、第十一镂空、第十二镂空尺寸相同，较长的外边长度为100μm，较短的内边长度为85μm，宽度为15μm，两个相邻镂空之间的宽度为40μm。由图4中S参数曲线可知，当太赫兹波从输入端输入时，频率为0.6THz太赫兹波传输系数S21达到0.99，反射系数S11为0.01，3dB带宽为62GHz，实现太赫兹滤波功能。太赫兹滤波器的能量图如图5所示。

Claims (1)

1.一种同心正方形分形镂空结构的太赫兹滤波器，其特征在于包括太赫兹波输入端（1）、太赫兹波输出端（2）、N×N个结构单元（3），N为自然数，N×N个结构单元（3）周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个结构单元（3）包括金属结构层（4），金属结构层（4）是一个具有三级分形变化的金属镂空物，且三级分形变化之间具有自相似性；一级分形变化包括第一镂空（5）、第二镂空（6）、第三镂空（7）、第四镂空（8），二级分形变化包括第五镂空（9）、第六镂空（10）、第七镂空（11）、第八镂空（12）；三级分形变化包括第九镂空（13）、第十镂空（14）、第十一镂空（15）、第十二镂空（16）；每一级分形变化中的4个镂空均由两个同心正方形夹持而成，4个镂空的形状均为两条直角边等长的L形直角，且相邻两个镂空之间保持间隔不接触；所述一级分形变化嵌套于二级分形变化内，二级分形变化嵌套于三级分形变化内；金属结构层（4）的顶面和底面分别作为太赫兹波输入端（1）和太赫兹波输出端（2）；
结构单元（3）个数N=40；所述的周期排列的N×N个结构单元（3）中，每个结构单元（3）的正视图均为正方形，正方形的边长为350μm；所述的金属结构层（4）的材料是铝，厚度为10μm；所述的一级分形变化包括的第一镂空（5）、第二镂空（6）、第三镂空（7）、第四镂空（8）尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为20μm，较短的内边长度为10μm，宽度为10μm，两个相邻镂空之间的距离为20μm；所述的二级分形变化包括的第五镂空（9）、第六镂空（10）、第七镂空（11）、第八镂空（12）尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为50μm，较短的内边长度为35μm，宽度为15μm，两个相邻镂空之间的距离为30μm；所述的三级分形变化包括的第九镂空（13）、第十镂空（14）、第十一镂空（15）、第十二镂空（16）尺寸相同；每个镂空中，较长的外边长度为100μm，较短的内边长度为85μm，宽度为15μm，两个相邻镂空之间的距离为40μm；所述的一级分形变化的任一条对角线与二级分形变化的任一条对角线之间的夹角均为45°；所述的二级分形变化的任一条对角线与三级分形变化的任一条对角线之间的夹角均为45°。
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