CN110011008A - 一种基于超表面的太赫兹宽带带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面的太赫兹宽带带阻滤波器，包括若干层堆叠的滤波单元层，所述滤波单元层包括介质层和开口谐振环即谐振结构，所述开口谐振环位于介质层上表面；所述开口谐振环包括方形外环和耶路撒冷十字单元，所述耶路撒冷十字单元位于方形外环的中心。所述耶路撒冷十字单元包括两个相互垂直的长臂，每个长臂的两端连接与之垂直的短臂。该滤波器的原理是当电磁波入射时，耶路撒冷十字单元和方形外环等效为电容，与入射波产生电谐振。层与层之间金属结构的金属臂会出现反向平行电流，与入射波产生一个磁谐振。调整金属结构的尺寸可以控制电谐振和磁谐振的谐振波长，从而得到较好的滤波性能。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波段电磁波滤波特性领域，具体涉及一种基于超表面的太赫兹宽带带阻滤波器。
背景技术
超表面是一种基于广义斯涅尔定律的超薄型二维阵列平面。它由超材料结构单元组成，可以灵活有效地操控电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性，因而在可控智能表面、新型波导结构、电磁波滤波和小型谐振器件等方面展现了广阔的应用前景。
滤波器主要分为高通、低通、带阻、带通四种类型，其主要功能是在通讯系统中实现选频、分频和隔离信号。随着无线通信系统的迅猛发展，不同协议、不同频段之间的干扰也越来越严重，滤波器的重要性越发凸显。带阻滤波器作为滤波器的一种,在通信系统中也起着十分重要的作用。通常在许多通信系统中,要求信号传输时，衰减应尽可能的小,而对不需要的噪声、干扰、杂散等则要抑制掉，即需具有很高的衰减度。带阻滤波器适于在宽频范围滤除某窄带频，无线通信系统中抑制高功率发射机、非线性功放的杂散频谱以及带通滤波器的寄生通带等。
在现有的技术中，大多数基于超表面的带阻滤波器都工作在狭窄的滤波频带，一旦远离谐振频率，滤波效果迅速变差，只适用于单频滤波。如在申请号为201510364166.6的专利文献中公开了一种基于新型开口谐振环结构的共面波导传输线带阻滤波器，将共面波导与开口谐振环结合起来。通过谐振环优化了结构尺寸，达到小型化的要求，而引入金属通孔则增强了谐振环和共面波导之间的耦合，提升了滤波性能。但不足的地方是该带阻滤波器的滤波带宽非常窄，对实际加工工艺要求高，不利于应用。除此之外，电磁波的入射角对滤波器的滤波性能也有很大的影响。如文献《Self-Complementary Metasurface forDesigning Narrow Band Pass/Stop Filters》提出了一种基于材料的带阻滤波器，滤波性能非常好，但是该结构受限于电磁波的入射方向。
因此，需要一种入射角稳定性较好、滤波带宽较宽的带阻滤波器，才能更好的应用于复杂的电磁环境中。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明目的在于提出一种基于超表面的太赫兹宽带带阻滤波器，通过太赫兹波段的滤波器结构的仿真、滤波特性仿真，得到分别在TE、TM模式下的电磁波照射下的多角度宽带滤波特性的S参数曲线。本发明的带阻滤波器包括多层滤波单元层，可以通过改变谐振结构来调整阻带带宽和抑制深度，具有超宽阻带、高调制深度以及较好的入射角稳定性等特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种太赫兹波段的多层超表面宽带带阻滤波器，包括若干层从上往下堆叠的滤波单元层；所述滤波单元层包括介质层和开口谐振环即谐振结构，所述开口谐振环位于介质层上表面；所述开口谐振环包括方形外环和耶路撒冷十字单元，所述耶路撒冷十字单元位于方形外环的中心。
作为本发明的进一步技术方案，所述耶路撒冷十字单元包括两个相互垂直的长臂，每个长臂的两端连接与之垂直的短臂，并且耶路撒冷十字单元中心对称。四个短臂相同，两个长臂也相同。所述耶路撒冷十字单元处于方形外环的正中间，并且两者是没有相连的。
作为本发明的进一步技术方案，每一层的开口谐振环尺寸完全相同，每一层的介质层的也都相同。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质层的沿左右方向和沿前后方向的宽度相等。
作为本发明的进一步技术方案，所述方形外环和耶路撒冷十字单元的厚度相等，每个长臂和每个短臂的边宽相等，各层的方形外环和耶路撒冷十字单元的厚度也相等，所述开口谐振环中心对称。
作为本发明的进一步技术方案，所述短臂长为32μm，宽均为16μm，厚度是0.9μm；所述长臂的长为40-64μm，边宽为10-16μm，厚度是0.9μm。
作为本发明的进一步技术方案，所述方形外环和耶路撒冷十字单元的厚度均为0.9μm。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质层的边长为240μm，介质层的厚度为127μm；。
作为本发明的进一步技术方案，所述谐振结构的边长是160μm。
作为本发明的进一步技术方案，所述方形外环的边长是160μm，边宽为8-20μm，厚度为0.9μm。
作为本发明的进一步技术方案，所述方形外环和耶路撒冷十字单元均为金属。
作为本发明的进一步技术方案，所述方形外环和耶路撒冷十字单元为金、铜和镍中的一种，电导率为σ=4.52×107S/m。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质层的材料为介电常数实部ε=2.2，损耗角正切为0.0009的Rogers RT/duriod5880。
作为本发明的进一步技术方案，所述滤波单元层为正方体。
作为本发明的进一步技术方案，三层滤波单元层从上到下堆叠形成单个滤波单元，多个滤波单元向四周呈周期性延拓形成本发明的滤波器，单个滤波单元的周期为240μm。
该滤波器的原理是当电磁波入射时，耶路撒冷十字单元的短臂和方形外环可以等效为电容，与入射波产生电谐振。介质层与介质层之间的谐振结构会出现反向平行电流，与入射波产生一个磁谐振。调整谐振结构的尺寸可以控制电谐振和磁谐振的谐振波长，从而得到较好的滤波性能。
本发明的有益效果如下：
(1)极化独立性。由于整个谐振结构采用的是具有对称性的方形外环和耶路撒冷十字单元，所以在TE和TM模式下的滤波效果是高度一致的，具有极化独立性。
(2)宽阻带。该滤波器是在保持单层谐振结构优异的滤波效果的情况下，纵向堆叠多层结构，每一层对应一个谐振点，从而拓宽阻带。
(3)超高抑制深度。电磁波垂直入射时，该滤波器的开口谐振环中耶路撒冷十字单元与方形外环间的间隙等效为电容产生电谐振，耦合电场分量，层与层之间耶路撒冷十字单元会产生反向平行电流，耦合磁场分量。因此，通过调整开口谐振环的结构尺寸可以达到很高的抑制深度。
(4)较好的入射角稳定性。由于整个谐振结构具有高度的对称性，当电磁波的入射方向改变不是特别大时，不会影响滤波效果。
附图说明
图1是本发明的一种基于超表面的多层宽带带阻滤波器的结构示意图；
图2为实施例中单个周期的宽带带阻滤波器的结构示意图；
图3为实施例中中单层滤波器的TE和TM极化的谐振曲线图；
图4a为实施例中单层滤波器的TE极化电场分布图；
图4b为实施例中单层滤波器的TM极化电场分布图；
图5为实施例中滤波器TE模式下对应的谐振曲线图；
图6a为实施例中滤波器396GHz的谐振频率下电场的分布图；
图6b为实施例中滤波器437GHz的谐振频率下电场的分布图；
图6c为实施例中滤波器498GHz的谐振频率下电场的分布图；
图7a为实施例中滤波器在396GHz的谐振频率下电流的分布图；
图7b为实施例中滤波器在396GHz的谐振频率下磁场的分布图；
图8为实施例中滤波器TE模式下在不同入射角的谐振曲线图；
图9为实施例中滤波器TM模式下在不同入射角的谐振曲线图；
其中：1—短臂、2—长臂、3—方形外环、4—第一层谐振结构、5—第二层谐振结构，6—第三层谐振结构、7—第一层滤波单元层、8—第二层滤波单元层、9—第三层滤波单元层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施中的附图，来对本发明实施例中的技术方案进行更加清楚完整地描述。
如图1和图2所示的一种基于超表面的太赫兹宽带带阻滤波器，图1是实施例的带阻滤波器的完整结构图，带阻滤波器由单个三层滤波单元周期延拓而成。图2是单个滤波单元的结构图，包括三层堆叠的滤波单元层而成，从上到下为第一层滤波单元层7、第二层滤波单元层8和第三层滤波单元层9，所述滤波单元层包括开口谐振环4和介质层5，所述开口谐振环4放置在介质层5上表面的正中心，所述开口谐振环4包括方形外环3和耶路撒冷十字单元，并且两者是没有相连的。所述耶路撒冷十字单元包括是两个相互垂直的长臂1和短臂2，短臂2位于每个长臂1的两端并与长臂1垂直，耶路撒冷十字单元中心对称。
方形外环3和耶路撒冷十字单元各有一个属于自己的谐振频率，调整结构尺寸使两者的结构频率接近后，它们之间能产生相互影响，使滤波效果达到最好。除此之外，方形外环和3耶路撒冷十字单元同心设置，方形外环3、耶路撒冷十字单元的厚度相等。如果厚度不一致的的话，直接会影响滤波效果，会对谐振频率产生影响，导致滤波效果较差。方形外环的边长为160μm，厚度为0.9μm，边宽为8-20μm，本实施例选用16μm。耶路撒冷十字长臂的长为40-64μm，本实施例选用选用56μm，宽度为10-16μm，本实施例选用16μm。四个短臂的长为32μm，宽为16μm。三层谐振结构均采用贵金属材料，本实施例中选用金，厚度均为0.9μm，所示开口谐振环中心对称，三层介质层均选用Rogers RT/duriod5880材料,其介电常数为2.2，厚度为127μm。
本实施例中，入射电磁波沿z方向垂直于结构入射单层谐振结构时，得到如图3所示的TE和TM模式下的谐振曲线图，谐振频率在500GHz，透射系数为-32db。TE和TM模式的谐振曲线完全重合，这是因为开口谐振环结构是中心对称的，因此不受极化模式的影响。在500GHz的谐振频率下分别测得TE模式和TM模式下的电场分布图如图4a和图4b所示。其中，电场强度较大的地方都出现在与电场方向垂直的位置，这是因为当电磁波入射时，与电场方向垂直的开口（方形外环和耶路撒冷十字单元短臂的间隙处）可以等效为电容，并与电磁波产生电谐振，因此对应位置的电场强度较大。而TE和TM模式的电场分布图几乎完全相同，所以两种模式下的谐振曲线是一致的。图5是该三层谐振结构对应的谐振曲线图，有三个396、437和498GHz三个谐振频率点，-3db带宽为256.7GHz,-20db带宽为143GHz，上升沿和下降沿都非常陡峭，上升沿和下降沿分别高达464.4db/Thz和193.8db/GHz。显而易见，多层谐振结构的滤波器无论是在带宽还是在滤波效果上都远远优于单层谐振结构。
图6a、图6b和图6c是该谐振结构在三个谐振频率处分别测得的电场分布图，在三个谐振频率处，都是第一层谐振结构4的开口处（方形外环和十字短臂的间隙处）的电场强度最强，这说明了在电磁波入射时，与入射波发生强烈作用的是第一层谐振结构4，第二层谐振结构5和第三层谐振结构6则是通过与第一层谐振结构4之间的耦合作用，进一步加强第一层谐振结构4与入射波的电谐振。三个谐振频率中，在498GHz处的电场强度是最强的，这与单层谐振结构时的500GHz谐振频率相呼应，侧面证明了第一层谐振结构4与入射波的作用最强。第三层谐振结构6在三个频点处的电场强度都是最小的，这是因为入射波经过第一层谐振结构4和第二层谐振结构5后，大部分的入射波已经过滤掉，所以与第三层谐振结构6没有很强的谐振作用。
图7a和图7b是该谐振结构在396GHz谐振频率下的电流与磁场分布图。三层谐振结构中依旧是第一层谐振结构4的电流最强，第二层谐振结构5次之，第三层谐振结构6最弱，这与上述电场的分析吻合。第一层谐振结构4的方形外环3的电流走向是从垂直电场方向的臂的中心处沿着两端流向与之相对的臂的中心，并且电流在与磁场方向垂直的臂上的强度是最大的。而中心的耶路撒冷十字单元电流流向也是垂直电场方向的臂流向与之相对的臂，与外环的电流构成一个环形电流回路，但整个耶路撒冷十字单元结构的电流都比较弱。第二层谐振结构5的方形外环和耶路撒冷十字单元的电流流向与第一层谐振结构4的方形外环3和耶路撒冷十字单元的电流流向刚好相反，电流强度分布与第一层谐振结构4类似，第三层谐振结构6的电流流向又与第二层谐振结构5的相反。这主要是由磁场决定的，从右边的磁场分布图可以看出，第一层谐振结构4与磁场方向的垂直的臂的位置处磁场强度最强，产生了偶极子谐振，所以对应位置电流的强度也是最大的，同理可得第二层谐振结构5和第三层谐振结构6电流较弱的原因。而不同结构电流流向相反的原因是交变的磁场在介质中穿过时，由于偶极子谐振，会耶路撒冷十字单元中产生反向平行的电流。
传统开口谐振环(SRR)超材料对电磁波的极化和入射角非常敏感，然而在实际应用中，电磁波入射到滤波器表面时通常不会恰好垂直入射，都会有一定的倾斜入射角。图8和图9分别是该宽带滤波器在TE和TM两种极化模式下测得的入射角在-30°到30°范围内的谐振曲线的变化。在TE模式下，-30°到30°的7条谐振曲线高度重合，而在TM模式下，随着入射角度的增大，谐振频率会发生小幅度的红移，透射系数也会变大，但整体上来看，对结构的宽带滤波效果影响不大。
该滤波器通过同时实现电谐振与磁谐振来达到优异的滤波效果，对称性结构使其在TE和TM模式下都能实现一个很好的宽带滤波效果，同时具有较好的入射角稳定性，根据尺寸调整阻带的范围，整个结构具有宽阻带、极化不敏感、入射角稳定性、结构灵活和滤波效果好等特点，还可以通过调整开口谐振环的结构尺寸，如方形外环的边宽，耶路撒冷十字单元的短臂和长臂的长和边宽，还有改变开口（方形外环和十字短臂的间隙处）的大小，通过改变这些参数都可以达到调整谐振频率、滤波性能的效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于超表面的太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，包括若干层从上往下堆叠的滤波单元层；所述滤波单元层包括介质层和开口谐振环即谐振结构，所述开口谐振环位于介质层上表面；所述开口谐振环包括方形外环和耶路撒冷十字单元，所述耶路撒冷十字单元位于方形外环的中心。
2.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述耶路撒冷十字单元包括两个相互垂直的长臂，每个长臂的两端连接与之垂直的短臂，并且耶路撒冷十字单元中心对称，所述长臂的长度大于短臂的长度。
3.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述方形外环和耶路撒冷十字单元的厚度相等，每个长臂和每个短臂的边宽相等；所述开口谐振环中心对称。
4.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述短臂长为32μm，宽均为16μm，厚度是0.9μm；所述长臂的长为40-64μm，边宽为10-16μm，厚度是0.9μm。
5.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述方形外环和耶路撒冷十字单元的厚度均为0.9μm。
6.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述介质层的边长为240μm，介质层的厚度为127μm；。
7.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述方形外环的边长为160μm，边宽为8-20μm，厚度为0.9μm。
8.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述介质层的材料为介电常数实部ε=2.2，损耗角正切为0.0009的Rogers RT/duriod5880。
9.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述方形外环和耶路撒冷十字单元均为金属，电导率为σ=4.52×107S/m。
10.根据权利要求1所述的超表面太赫兹宽带带阻滤波器，其特征在于，所述滤波单元层为正方体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190712 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |