CN110767968B - 基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器 - Google Patents
基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器。它包括外开口谐振环、内长枝开口U形环、第一个二氧化矾间隙块体、第二个二氧化矾间隙块体、内短枝开口U形环、介质层；外开口谐振环、内长枝开口U形环、第一个二氧化矾间隙、第二个二氧化矾间隙和内短枝口U形环处于顶层，谐振环图案和二氧化钒间隙下层为介质层。通过改变温度，使得二氧化矾材料发生相变形成金属态，从而改变了结构单元的谐振特性，实现了二氧化钒相变前的三通带滤波器到相变后金属态的单通带滤波器的切换。本发明的基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器具有结构紧凑、成本低廉、性能优越等优点，满足太赫兹成像与太赫兹通信系统的应用需要。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹滤波器，尤其涉及一种基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器。
背景技术
太赫兹一般指的是频率为0.1～10THz的电磁波，相应波长为0.03mm～3mm，其频率范围位于电子学和光子学的交叉区域。近年来，作为连接电磁波谱上发展已相当成熟的毫米波和红外光之间的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域，其在各方面都潜藏着巨大的价值。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，与传统的微波技术和光学技术相比较，人们对该波段电磁辐射性质的了解甚少，以至于该波段成为了电磁波谱中的太赫兹空隙。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是新一代信息产业以及基础科学发展的重大需求。太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。太赫兹滤波器作为太赫兹探测器的重要部件，扮演着十分重要的角色。
当前国内外研究的太赫兹滤波器主要是通过设计不同的几何形态和尺寸参数的金属微结构实现对太赫兹波的吸收，器件一旦确定其吸收功能并不可调，这样就制约了滤波器的应用，而且成本较高。所以设计一种能灵活可切换功能的太赫兹波滤波器具有十分重要的意义。针对上述太赫兹滤波器存在的问题，本发明提出了一种改变温度来控制相变材料变性，从而达到切换滤波器的滤波功能，其控制方法新颖、结构简单紧凑、成本低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器。本发明的技术方案如下：
基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器，它包括外开口谐振环、内长枝开口U形环、第一个二氧化矾间隙、第二个二氧化矾间隙、内短枝开口U形环、介质层；包括外开口谐振环、内长枝开口U形环、第一个二氧化矾间隙、第二个二氧化矾间隙、内短枝开口U形环在内的超材料谐振单元图案处于顶层，外开口谐振环是一个由外正方形轮廓和内正方形轮廓夹持而成的正方形环体，其一条边的中部切割有矩形开口，内长枝开口U形环和内短枝开口U形环以开口相对的形式嵌套置于外开口谐振环内部，其中内长枝开口U形环由一个内长枝主长方体两端分别垂直连接一个内长枝副长方体作为侧边组合而成，内短枝开口U形环由一个内短枝主长方体两端分别垂直连接一个内短枝副长方体作为侧边组合而成，内长枝开口U形环与内短枝开口U形环的两侧边相互正对但留有间隙，两侧的间隙位置分别夹持有结构尺寸相同的第一个二氧化矾间隙块体、第二个二氧化矾间隙块体，超材料谐振单元图案下层为介质层；通过改变温度，使得第一个二氧化矾间隙块体和第二个二氧化矾间隙块体发生相变形成金属态，实现二氧化钒相变前的三通带滤波器到相变后金属态的单通带滤波器的切换。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
所述的外开口谐振环材料为金，外正方形轮廓的边长为160μm，内正方形轮廓体边长为130μm，其矩形开口长度为10μm，宽度为15μm，外开口谐振环的高度为0.2μm。
所述的内长枝开口U形环材料为金，内长枝主长方体长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内长枝副长方体长度为59～60μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。
所述的第一个二氧化矾间隙块体和第二个二氧化矾间隙块体的材料为二氧化矾，长度为10μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。
所述的内短枝开口U形环材料为金，内短枝主长方体长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内短枝副长方体长度为30～31μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。
所述的内长枝开口U形环的三条外边缘与外开口谐振环的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm。
所述的内短枝开口U形环的三条外边缘与外开口谐振环的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm。
所述的介质层材料为硅，长度和宽度均为200μm，高度为10～11μm。
本发明提出了一种基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器，它能够通过改变温度来控制相变材料变性，从而达到切换滤波器的滤波功能，其控制方法新颖、结构简单紧凑、成本低，满足太赫兹成像与太赫兹通信系统的应用需要。
附图说明
图1是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器三维示意图(图中虚线并非结构轮廓线，仅用于相应器件或结构的大致分区，实际轮廓需去除虚线后看待)；
图2是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器结构俯视图；
图3是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器性能曲线图；
图4是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器在温度为25℃二氧化钒相变前第一个通带中心频率能量图；
图5是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器在温度为25℃二氧化钒相变前第二个通带中心频率能量图；
图6是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器在温度为25℃二氧化钒相变前第三个通带中心频率能量图；
图7是基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器在温度为70℃二氧化钒相变前通带中心频率能量图。
具体实施方式
如图1～2所示，一种基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器，它包括外开口谐振环1、内长枝开口U形环2、第一个二氧化矾间隙3、第二个二氧化矾间隙4、内短枝开口U形环5、介质层6。其中外开口谐振环1、内长枝开口U形环2、第一个二氧化矾间隙3、第二个二氧化矾间隙4、内短枝开口U形环5处于整个滤波器的顶层，组成了超材料谐振单元图案。外开口谐振环1是一个由外正方形轮廓7和内正方形轮廓8夹持而成的正方形环体，环体任意位置的横截面尺寸均相同，其一条边的正中部切割有矩形开口9。内长枝开口U形环2和内短枝开口U形环5以开口相对的形式嵌套置于外开口谐振环1内部，且三者均相互不直接接触。其中内长枝开口U形环2以一个内长枝主长方体10作为底边，两端分别垂直连接一个内长枝副长方体11作为侧边，由此组合而成。同样的，内短枝开口U形环5以一个内短枝主长方体12作为底边，两端分别垂直连接一个内短枝副长方体13作为侧边，由此组合而成。内长枝开口U形环2与内短枝开口U形环5的两侧边相互正对但留有间隙，两侧的间隙位置分别夹持有结构尺寸相同的第一个二氧化矾间隙块体3、第二个二氧化矾间隙块体4。超材料谐振单元图案下层为介质层6。通过改变温度，使得第一个二氧化矾间隙块体3和第二个二氧化矾间隙块体4发生相变形成金属态，即可实现二氧化钒相变前的三通带滤波器到相变后金属态的单通带滤波器的切换。
各部件的具体材料和参数如下：外开口谐振环1材料为金，外正方形轮廓7的边长为160μm，内正方形轮廓8体边长为130μm，其矩形开口9长度为10μm，宽度为15μm，外开口谐振环1的高度为0.2μm。内长枝开口U形环2材料为金，内长枝主长方体10长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内长枝副长方体11长度为59～60μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。第一个二氧化矾间隙块体3和第二个二氧化矾间隙块体4的材料为二氧化矾，长度为10μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。内短枝开口U形环5材料为金，内短枝主长方体12长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内短枝副长方体13长度为30～31μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。内长枝开口U形环2的三条外边缘与外开口谐振环1的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm。内短枝开口U形环5的三条外边缘与外开口谐振环1的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm。介质层6材料为硅，长度和宽度均为200μm，高度为10～11μm。
下面基于该可切换滤波器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换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：外开口谐振环材料为金，外正方形轮廓的边长为160μm，内正方形轮廓边长为130μm，其矩形开口长度为10μm，宽度为15μm，外开口谐振环高度为0.2μm，宽度为15μm。所述的内长枝开口U形环材料为金，内长枝主长方体长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内长枝副长方体11长度为59μm，宽度为10μm，高度为0.2μm。所述的第一个二氧化矾间隙块体、第二个二氧化矾间隙块体的材料均为二氧化矾，长度均为10μm，宽度均为10μm，高度均为0.2μm。所述的内短枝开口U形环材料为金，内短枝主长方体长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内短枝副长方体长度均为31μm，宽度均为10μm，高度为均0.2μm。内长枝开口U形环的三条外边缘与外开口谐振环的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm。内短枝开口U形环的三条外边缘与外开口谐振环的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm。所述的介质层6材料为硅，长度和宽度均为200μm，高度为10μm。通过改变温度，使二氧化钒相变为金属态，达到由三频带到单频带可切换滤波器设计。该基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器的各项性能指标均采用COMSOL Multiphysics 5.4软件进行计算获取。图3为基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器性能曲线图，由图3中的传输线可知本发明的滤波器随着二氧化钒材料相变前后的切换，其透射特性也发生了切换。相变前的三个通带中心频率分别为4.48THz、5.62THz、6.50THz，所对应的50％带宽分别为4.45～4.55THz、5.55～5.72THz、6.49～6.51THz；相变后的通带中心频率为4.76THz，所对应的50％带宽为4.66～4.90THz。图4～6为基于二氧化矾相变超材料单频带和三频带可切换滤波器在温度为25℃二氧化钒相变前对应三个透射峰中心频率处电场图，图4为透射峰中心频率为4.48THz处电场图；图5为透射峰中心频率为5.62THz处电场图；图6为透射峰为6.50THz处电场图。图7为基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器在温度为25℃二氧化钒相变后对应的透射峰电场图，其透射峰中心频率为4.76THz。
Claims (1)
1.一种基于二氧化矾相变超材料的单频带和三频带可切换滤波器，其特征在于它包括外开口谐振环（1）、内长枝开口U形环（2）、第一个二氧化矾间隙（3）、第二个二氧化矾间隙（4）、内短枝开口U形环（5）、介质层（6）；包括外开口谐振环（1）、内长枝开口U形环（2）、第一个二氧化矾间隙（3）、第二个二氧化矾间隙（4）、内短枝开口U形环（5）在内的超材料谐振单元图案处于顶层，外开口谐振环（1）是一个由外正方形轮廓（7）和内正方形轮廓（8）夹持而成的正方形环体，其一条边的中部切割有矩形开口（9），内长枝开口U形环（2）和内短枝开口U形环（5）以开口相对的形式嵌套置于外开口谐振环（1）内部，其中内长枝开口U形环（2）由一个内长枝主长方体（10）两端分别垂直连接一个内长枝副长方体（11）作为侧边组合而成，内短枝开口U形环（5）由一个内短枝主长方体（12）两端分别垂直连接一个内短枝副长方体（13）作为侧边组合而成，内长枝开口U形环（2）与内短枝开口U形环（5）的两侧边相互正对但留有间隙，两侧的间隙位置分别夹持有结构尺寸相同的第一个二氧化矾间隙块体（3）、第二个二氧化矾间隙块体（4），超材料谐振单元图案下层为介质层（6）；通过改变温度，使得第一个二氧化矾间隙块体（3）和第二个二氧化矾间隙块体（4）发生相变形成金属态，实现二氧化钒相变前的三通带滤波器到相变后金属态的单通带滤波器的切换；
所述的外开口谐振环（1）材料为金，外正方形轮廓（7）的边长为160μm，内正方形轮廓（8）体边长为130μm，其矩形开口（9）长度为10μm，宽度为15μm，外开口谐振环（1）的高度为0.2μm；所述的内长枝开口U形环（2）材料为金，内长枝主长方体（10）长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内长枝副长方体（11）长度为59μm，宽度为10μm，高度为0.2μm；所述的第一个二氧化矾间隙块体（3）和第二个二氧化矾间隙块体（4）的材料为二氧化矾，长度为10μm，宽度为10μm，高度为0.2μm；所述的内短枝开口U形环（5）材料为金，内短枝主长方体（12）长度为120μm，宽度为10μm，高度为0.2μm，两个内短枝副长方体（13）长度为31μm，宽度为10μm，高度为0.2μm；所述的内长枝开口U形环（2）的三条外边缘与外开口谐振环（1）的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm；所述的内短枝开口U形环（5）的三条外边缘与外开口谐振环（1）的三条内边缘之间保持等宽的距离，为5μm；所述的介质层（6）材料为硅，长度和宽度均为200μm，高度为10μm。
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