CN109585988A - 雪花状双频段太赫兹滤波器 - Google Patents

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李九生
马宏宇
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Abstract

本发明公开了一种雪花状双频段太赫兹滤波器。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。结构单元包括镂空有雪花状金属物的金属结构层，金属结构层是由四个相同的分叉结构旋转而成。分叉结构包含有二级分叉，第一级分叉是由根部枝干最上端作为起始点向外延伸出三个相同的一级分叉枝干；第二级分叉为3个与第一级分叉构成图形相似但比例缩小的分叉枝干，且第二级分叉中3个分叉的起始点分别是第一级分叉中3个第一级分叉枝干的末端。本发明具有结构简单、滤波性能高、成本低、制作方便等优点，满足太赫兹波段移动通信、生物探测、医疗成像等应用要求。

Description

雪花状双频段太赫兹滤波器
技术领域
本发明涉及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种雪花状双频段太赫兹滤波器。
背景技术
从赫兹发现电磁波以来，在随后的一百多年，电磁波谱的研究让人类更加深入地认识了世界。微波频段在无线通信领域得到广泛应用，可见光是人们最为熟悉的电磁波，X射线在医学检测领域也大有用武之地。但是在很长的一段时间里，电磁波谱中一个未知的领域被人们忽略，它就是太赫兹波。现如今，国际社会已经达成共识，都认识到太赫兹波是一种具有宽频谱、高透射、低能量等独特优点的辐射源，太赫兹技术作为一个前沿的交叉学科领域，值得世界上各个国家的科研投入，因为更加深入认识理解和应用太赫兹波，能够给科技进步和社会发展带来巨大机遇。
太赫兹滤波器是太赫兹通讯、成像系统的重要功能器件之一，太赫兹技术的迅速发展，使得人们对太赫兹波功能器件的需求日益增长。因此，太赫兹滤波器件的深入研究对太赫兹科学与技术的发展及应用具有深远意义。近年来，各国研究人员陆续提出了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滤波器的发展。然而现有的太赫兹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、制作方便的太赫兹滤波器意义重大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种雪花状双频段太赫兹滤波器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种雪花状双频段太赫兹滤波器，其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，金属结构层是一个镂空有雪花状的金属物，每个金属物是由4个完全相同的分叉结构以底部端点为中心点旋转而成，旋转角度为90度；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；所述的分叉结构具有二级分叉，且二级分叉之间具有图形自相似性；在分叉结构中，第一级分叉是由以根部枝干最上端作为分叉的起始点向外延伸出3个第一级分叉枝干，且根部枝干与其中2个第一级分叉枝干间均为135度夹角，3个第一级分叉枝干中相邻两两之间夹角均为45度；第二级分叉为3个与第一级分叉构成图形相似但比例缩小的分叉枝干，且第二级分叉中3个分叉的起始点分别是第一级分叉中3个第一级分叉枝干的末端。每一个第一级分叉枝干向外延伸出3个第二级分叉枝干，而这个第一级分叉枝干刚好与其中的2个第二级分叉枝夹角均为135度，3个第二级分叉枝干相邻两两之间夹角均为45度。
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，正方形边长为360µm~370µm。
所述的金属结构层的材料为铜，厚度为8µm~12µm。
所述的分叉结构中，根部枝干长度为45µm~55µm，第一级分叉枝干长度为70µm~80µm，第二级分叉枝干长度为30µm~40µm；分叉结构中所有枝干的宽度均为8µm~12µm。
本发明具有结构简单、滤波性能高、成本低、制作方便等优点，满足太赫兹波段移动通信、生物探测、医疗成像等应用要求。
附图说明
图1是雪花状双频段太赫兹滤波器的结构单元三维示意图；
图2是雪花状双频段太赫兹滤波器的雪花图案示意图；
图3是雪花状双频段太赫兹滤波器的整体正视图（示出4×4个结构单元）；
图4是雪花状双频段太赫兹滤波器的传输效率曲线；
图5是雪花状双频段太赫兹滤波器在低频点处结构表面能量图；
图6是雪花状双频段太赫兹滤波器在高频点处结构表面能量图。
具体实施方式
如图1~3所示，一种雪花状双频段太赫兹滤波器，它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，可根据具体需要进行调整。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，连续拼接。每个结构单元的结构均相同，其主体为金属结构层4，其主体为金属结构层4，金属结构层4是一个镂空有雪花状的金属物，每个金属物是由4个完全相同的分叉结构5以底部端点为中心点旋转而成，旋转角度为90度，如图2所示。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。每一个分叉结构5具有二级分叉，且二级分叉之间具有图形自相似性。本发明中所说的图形自相似，是指两个图形形状相同，对应角相等，对应边成比例。在分叉结构5中，第一级分叉是由以根部枝干最上端作为分叉的起始点向外延伸出3个第一级分叉枝干，且根部枝干与其中2个第一级分叉枝干间均为135度夹角，3个第一级分叉枝干中相邻两两之间夹角均为45度；第二级分叉为3个与第一级分叉构成图形相似但比例缩小的分叉枝干，且第二级分叉中3个分叉的起始点分别是第一级分叉中3个第一级分叉枝干的末端，由此第二级分形中共有9条分叉枝干。每一个第一级分叉枝干向外延伸出3个第二级分叉枝干，而这个第一级分叉枝干与其中2个第二级分叉枝均成135度夹角，3个第二级分叉枝干相邻两两之间夹角均为45度。
另外，各器件的参数如下：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，正方形边长为360µm~370µm。所述的金属结构层4的材料为铜，厚度为8µm~12µm。所述的分叉结构5中，根部枝干长度为45µm~55µm，第一级分叉枝干长度为70µm~80µm，第二级分叉枝干长度为30µm~40µm；分叉结构5中所有枝干的宽度均为8µm~12µm。
实施例1
本实施例中，雪花状双频段太赫兹滤波器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=50。每个结构单元的正视图均为正方形，正方形边长为365µm。所述的金属结构层的材料为铜，厚度为10µm，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。分叉结构中，根部枝干长度为50µm，第一级分叉枝干长度为75µm，第二级分叉枝干长度为35µm；分叉结构中所有枝干的宽度均为10µm。图4为雪花状双频段太赫兹滤波器的传输效率曲线，由图4可知，当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在频率f 1=0.296THz处太赫兹波传输效率为95.8%，且50%传输效率处的带宽为92.2GHz；在频率f 2=0.573THz处太赫兹波传输效率为92.2%，且50%传输效率处的带宽为98.6GHz，实现了双频段太赫兹滤波功能。图5为低频点（即f 1=0.296THz）处，雪花状双频段太赫兹滤波器的结构表面能量图。图6为高频点（即f 2=0.573THz）处，雪花状双频段太赫兹滤波器的结构表面能量图。

Claims (5)

1.一种雪花状双频段太赫兹滤波器，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）是一个镂空有雪花状的金属物，每个金属物是由4个完全相同的分叉结构（5）以底部端点为中心点旋转而成，旋转角度为90度；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）；所述的分叉结构（5）具有二级分叉，且二级分叉之间具有图形自相似性；在分叉结构（5）中，第一级分叉是由以根部枝干最上端作为分叉的起始点向外延伸出3个第一级分叉枝干，且根部枝干与其中2个第一级分叉枝干间均为135度夹角，3个第一级分叉枝干中相邻两两之间夹角均为45度；第二级分叉为3个与第一级分叉构成图形相似但比例缩小的分叉枝干，且第二级分叉中3个分叉的起始点分别是第一级分叉中3个第一级分叉枝干的末端。
2.每一个第一级分叉枝干向外延伸出3个第二级分叉枝干，而这个第一级分叉枝干刚好与其中的2个第二级分叉枝夹角均为135度，3个第二级分叉枝干相邻两两之间夹角均为45度。
3.如权利要求1所述的一种雪花状双频段太赫兹滤波器，其特征在于所述的周期排列的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，正方形边长为360µm~370µm。
4.如权利要求1所述的一种雪花状双频段太赫兹滤波器，其特征在于所述的金属结构层（4）的材料为铜，厚度为8µm~12µm。
5.如权利要求1所述的一种雪花状双频段太赫兹滤波器，其特征在于所述的分叉结构（5）中，根部枝干长度为45µm~55µm，第一级分叉枝干长度为70µm~80µm，第二级分叉枝干长度为30µm~40µm；分叉结构（5）中所有枝干的宽度均为8µm~12µm。
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