CN110994091A - 基于超表面的太赫兹可调谐滤波器 - Google Patents

基于超表面的太赫兹可调谐滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超表面的太赫兹可调谐滤波器，该滤波器包含多个阵列排布的滤波单元，该滤波单元包括依次层叠的基底介质层、相变材料层以及开口谐振环单元，开口谐振环单元包括圆柱形环体以及水平放置于圆柱形环体内的十字单元。当电磁波入射时，与电场方向垂直的开口两边由于电场的作用聚集了大量电荷，等效为电容，而圆柱形环体则等效为电感，形成了电磁谐振回路，所以在入射频率670GHz附近产生了明显的谐振，因此对应位置的电场强度较大。当相变材料层受到热/电刺激后，当前的非晶态模式转变为晶态模式，其材料特性的介电常数发生显著变化，从而使透射峰蓝移，实现了可调谐。

Description

基于超表面的太赫兹可调谐滤波器
技术领域
本发明涉及电磁滤波领域，具体涉及一种基于超表面的太赫兹可调谐滤波器。
背景技术
超材料是由是一种人工复合材料，由天然材料以亚波长单元结构周期性排列构成，具有自然材料所不具备的超常电磁特性，例如负磁导率，负折射率，负介电常数等。在超材料的基础上就构成了超表面。与超材料不同的是，超表面克服了超材料三维结构加工难的挑战是一种二维平面结构。所以超表面技术近年来一直是一个具有吸引力的研究前沿，研究者设计了一系列基于超表面的器件，如频率选择表面(FSS)，开口谐振环(SRR)和其他类型的滤波器。但是，超表面的结构单元，材料等一旦被确定，其电磁特性就被固定了，所以这滤波器只能工作在固定频段，缺乏灵活性。
为了实现超表面电磁特性的可调谐，这些年来众多的研究者付出了许多努力。可调谐的方法包括微机电系统Micro-electro-mechanical systems(MEMS),物理调谐(Geometrical tuning)，液晶和半导体掺杂等一系列措施。然而，使用这些方法来实现调谐是比较难的，比如MEMS难以与CMOS控制电路接口的高驱动电压；物理调谐所需要的控制机构的设计和制造都很复杂，并且需要在模拟中考虑它们；液晶则很难实现集成设计，使整个器件集成化、芯片化；半导体则是需要较大的偏置电压，这显然不符合我们的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种入射角度稳定性好、高品质因数以及可调频的带通滤波器。基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
基于超表面的太赫兹可调谐滤波器，所述滤波器包含多个阵列排布的滤波单元；所述滤波单元包括依次层叠的基底介质层、相变材料层以及开口谐振环单元，所述开口谐振环单元包括圆柱形环体以及水平放置于所述圆柱形环体内的十字单元，所述圆柱形环体与所述十字单元同心设置，且所述十字单元的端部与所述圆柱形环体的内表面不接触。
进一步的，所述滤波单元中，所述基底介质层和所述相变材料层在投影方向上呈正方形，所述圆柱形环体的高度与所述十字单元的高度相同。
进一步的，所述十字单元由两条一字型长臂相互垂直交叠组成，所述圆柱形环体以及所述十字单元均呈中心对称。
进一步的，所述圆柱形环体的厚度是所述十字单元的一字型长臂宽度的一半，所述正方形的边长为265-275μm。
进一步的，所述开口谐振单元采用贵金属材料。
进一步的，所述圆柱形环体的外圆半径为50-54μm，所述圆柱形环体的厚度为13-15μm；所述一字型长臂的臂长为48-52μm，其宽度为26-30μm；所述圆柱形环体和十字单元的高度均为0.2-0.3μm。
进一步的，所述开口谐振单元的材料选用铜，所述相变材料层选用Ge3Sb2Te6，所述基底材料层选用Rogers RT/duriod5880材料。
进一步的，所述相变材料层的厚度为330-335μm，所述基底介质层的材料的厚度为125-130μm。
进一步的，所述相变材料在非晶态时其节点常数为εa＝12.8+0.01i，在晶态时其介电常数为εc＝40.0+0.8i，所述基底材料的介电常数为2.2。
进一步的，所述滤波单元中，所述相变材料层的厚度为3.31μm，所述基底介质层的厚度为127μm，所述正方形的边长为270μm，所述圆柱形环体的厚度为14μm，所述一字型长臂的臂长为50μm，所述一字型长臂的宽度为28μm，所述圆柱形环体和十字单元的高度均为0.25μm。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明的滤波器在金属超表面和基底介质层之间设置一相变材料层，实现了入射角度稳定性好、高品质因数以及可调频的优点，该滤波器在相变材料层上设置一金属材料的开口谐振环单元，该开口谐振环单元中包含一圆柱形环体以及位于环体内的十字单元，当电磁波入射时，与电场方向垂直的开口两边由于电场的作用聚集了大量电荷，等效为电容，而圆柱形环体则等效为电感，形成了电磁谐振回路，所以在入射频率670GHz附近产生了明显的谐振，因此对应位置的电场强度较大。调整金属结构的尺寸(例如圆柱形环体的外圆半径和宽度，十字单元的臂长和宽度)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。并且当相变材料层受到热/电刺激后，当前的非晶态模式转变为晶态模式，其材料特性的介电常数发生显著变化，从而使透射峰蓝移，实现了可调谐。另外该滤波器的开口谐振环单元呈中心称性，无论是在TE还是TM模式下都具有很好的宽带滤波效果，并且入射角小于30°时，入射角的改变不会影响滤波性能。
附图说明
图1是本发明基于超表面的太赫兹可调谐滤波器的完整结构示意图。
图2是本发明单个周期的可调谐滤波器的结构示意图。
图3是本发明单个周期的可调谐滤波器的TE及TM极化的谐振曲线图。
图4a是本发明单个周期的可调谐滤波器的TE极化对应的电场分布图。
图4b是本发明单个周期的可调谐滤波器的TM极化对应的电场分布图。
图4c是本发明单个周期的可调谐滤波器的TE极化对应的电流矢量图。
图4d是本发明单个周期的可调谐滤波器的TM极化对应的电流矢量图。
图5是本发明单个周期的可调谐滤波器在非晶态和晶态模式下对应的谐振曲线图。
图6是本发明单个周期的可调谐滤波器在不同入射角的谐振曲线图。
附图标记：1、基底介质层，2、相变材料层，3、开口谐振环单元，4、圆柱形环体，5、十字单元。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。本发明中，高度是指沿图1以及图2中Z方向的尺寸，圆柱形环体的厚度是指圆柱形环体沿其外圆的半径方向上的尺寸。
图1为本发明一实施例的基于超表面的太赫兹可调谐滤波器的结构示意图，图2是图1中单个周期的可调谐滤波器，即滤波单元的结构示意图，如图所示，本发明基于超表面的太赫兹可调谐滤波器由多个阵列排布的滤波单元组成，该滤波单元包括依次层叠的基底介质层1、相变材料层2以及开口谐振环单元3，滤波单元中基底介质层1与相变材料层2为边长相等的正方形，该正方形的边长为265-275μm，该实施例中该正方形的边长优选270μm。基底介质层的厚度为125-130μm，该实例选用127μm。相变材料层2的厚度为3.30-3.35μm，该实施例中该相变材料的厚度优选3.31μm。开口谐振环单元3设置于相变材料层2的正中心。
开口谐振环单元3包括圆柱形环体4以及十字单元5，十字单元5水平放置于圆柱形环体4内，圆柱形环体4与十字单元5同心设置，且十字单元5的端部与圆柱形环体的内表面不接触。圆柱形环体4的高度与十字单元5的高度相同，该高度范围为0.2-0.3μm，优选的，其高度为0.25μm。该高度不同会影响谐振频率，导致滤波效果较差。开口谐振环单元选用贵金属材料。
圆柱形环体4的外圆半径为50-54μm，优选52μm，其厚度为13-15μm，优选14μm。十字单元5由两条一字型长臂相互垂直交叠组成，圆柱形环体4以及十字单元5均呈中心对称结构。圆柱形环体4的宽度是十字单元5中长臂宽度的一半。十字单元5的一字型长臂的臂长为48-52μm，其宽度为26-30μm。该实施例中，该臂长优选50μm，其宽度优选28μm。
该实施例中，开口谐振环单元的材料优选铜。基底介质层优选Rogers RT/duriod5880，其介电常数为2.2，其厚度优选127μm。相变材料层选用Ge3Sb2Te6，其厚度优选3.31μm。该相变材料层在非晶态时其介电常数为εa＝12.8+0.01i，在晶态时其介电常数为εc＝40.0+0.8i。本发明优选数据实现高品质因素和高调谐率，其谐振曲线图以及电场分布图详见图3-5。
本实施例中，入射电磁沿z方向垂直于结构入射谐振结构单元(如图2所示)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670GHz，透射系数为-25dB。TE和TM模式的谐振曲线几乎完全重合，这是因为所设计的开口谐振环结构是完全对称的，因此不受极化模式的影响。在670GHz的谐振频率下分别测得TE模式和TM模式下的电场和电流分布图如图4a-4d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两边由于电场的作用聚集了大量电荷，等效为电容，而圆柱形环体则等效为电感，形成了谐振回路，所以在入射频率670GHz附近产生了明显的谐振，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。并且从电流分布图中可以看出，圆形环和十字的电流方向是相反的，这主要是由磁场决定的。透射峰的产生是谐振环产生了偶极子谐振导致的。
图5是本发明的滤波器在非晶态和晶态两种模式下对应的谐振曲线图。有两个谐振频率点，分别是非晶态模式下的670GHz和晶态模式下的490GHz，-3db带宽为81GHz,品质因数Q为8.27，上升沿和下降沿都非常陡峭。从图中可以很清晰的得到，当此滤波器受到外界的刺激使相变介质层发生相变后，谐振频率从670GHz变为490GHz，调谐率达到了27％，这是此滤波器最重要的性能。
传统开口谐振环(SRR)超材料对电磁波的极化非常敏感，然而在实际应用中，电磁波不会是简单的TEM波。图6是本发明的可调谐滤波器在电磁波极化角为0°到75°范围内的谐振曲线的变化。我们可以很清晰的看出，0°到75°的3条谐振曲线高度重合。这就意味着，电磁波入射角度对此滤波器的滤波效果影响不大。
本发明的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，该对称的结构设计使其滤波器在TE和TM模式下都能实现一个很好的滤波效果，同时具有较好的入射角稳定性，还可以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、极化角度稳定性、设计灵活和滤波效果好等特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于超表面的太赫兹可调谐滤波器，其特征在于，所述滤波器包含多个阵列排布的滤波单元；所述滤波单元包括依次层叠的基底介质层、相变材料层以及开口谐振环单元，所述开口谐振环单元包括圆柱形环体以及水平放置于所述圆柱形环体内的十字单元，所述圆柱形环体与所述十字单元同心设置，且所述十字单元的端部与所述圆柱形环体的内表面不接触。
2.根据权利要求1的所述滤波器，其特征在于，所述滤波单元中，所述基底介质层和所述相变材料层在投影方向上呈正方形，所述圆柱形环体的高度与所述十字单元的高度相同。
3.根据权利要求2的所述滤波器，其特征在于，所述十字单元由两条一字型长臂相互垂直交叠组成，所述圆柱形环体以及所述十字单元均呈中心对称。
4.根据权利要求3的所述滤波器，其特征在于，所述圆柱形环体的厚度是所述十字单元的一字型长臂宽度的一半，所述正方形的边长为265-275μm。
5.根据权利要求1-4之一的所述滤波器，其特征在于，所述开口谐振单元采用贵金属材料。
6.根据权利要求4的所述滤波器，其特征在于，所述圆柱形环体的外圆半径为50-54μm，所述圆柱形环体的厚度为13-15μm；所述一字型长臂的臂长为48-52μm，其宽度为26-30μm；所述圆柱形环体和十字单元的高度均为0.2-0.3μm。
7.根据权利要求5的所述滤波器，其特征在于，所述开口谐振单元的材料选用铜，所述相变材料层选用Ge3Sb2Te6，所述基底材料层选用Rogers RT/duriod5880材料。
8.根据权利要求7的所述滤波器，其特征在于，所述相变材料层的厚度为330-335μm，所述基底介质层的材料的厚度为125-130μm。
9.根据权利要求7或8的所述滤波器，其特征在于，所述相变材料在非晶态时其节点常数为εa＝12.8+0.01i，在晶态时其介电常数为εc＝40.0+0.8i，所述基底材料的介电常数为2.2。
10.根据权利要求4、7或8的所述滤波器，其特征在于，所述滤波单元中，所述相变材料层的厚度为3.31μm，所述基底介质层的厚度为127μm，所述正方形的边长为270μm，所述圆柱形环体的厚度为14μm，所述一字型长臂的臂长为50μm，所述一字型长臂的宽度为28μm，所述圆柱形环体和十字单元的高度均为0.25μm。
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