CN111162354A - 一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，包括高阻硅基底、位于高阻硅基底之上的绝缘层表面固定二维阵列。每个阵列单元包括一个冂形金属结构、2个T形金属结构、2个I形金属结构及1条引线。内相变垫片处于单元内的二I形结构相对端的下方，间相变垫片处于行间相对的T形结构横条下方。二维阵列两侧各固定一电极，分别连接直流电源的正负极，不通电时，相变垫片低电导，本滤波器工作于带阻滤波状态；通电加热时，相变垫片高电导，本滤波器工作于带通滤波状态。本发明电控实现太赫兹滤波器的带通滤波/带阻滤波状态的转换，无需繁琐的更换不同功能太赫兹滤波器，适用于不同场合，操作简单，本太赫兹滤波器的应用范围显著地被拓展。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器。
背景技术
第六代移动通信系统将使用太赫兹波段的超高频谱资源，因此必须加快对太赫兹源、探测器和相关功能器件的研发。目前，由于微波和光学理论的研究方法直接用于太赫兹领域仍面临许多问题，太赫兹器件十分缺乏，因此开发高性能的太赫兹器件是太赫兹技术快速发展的关键。太赫兹滤波器可以用来提取或滤除太赫兹信号，以消除环境噪声，满足许多实际应用需要，是太赫兹领域必不可少的一类功能器件。目前，太赫兹滤波器分为带阻滤波器和带通滤波器两类，这两类滤波器不能实现带通-带阻功能的转换，极大地限制了此两类太赫兹滤波器的实际应用范围。
发明内容
本发明的目的是公开一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，包括高阻硅基底、位于高阻硅基底之上的绝缘层和固定于绝缘层表面的二维阵列，每个阵列单元包括一个冂形金属结构、2个T形金属结构、2个I形金属结构、1条引线和相变垫片。二维阵列左右两侧各有一电极，分别连接直流电源的正负极，两个电极分别与二维阵列左侧第一列和右侧最后一列的各行的引线相连接。电极连接直流电源的开关开启时，两个相变垫片均为低电导率，即行与行之间T形金属结构不连通，同一阵列单元内的2个I形金属结构也不连通，此时本滤波器工作于带阻滤波状态。电极连接直流电源的开关闭合时，引线和冂形金属结构、T形金属结构通电生热，二相变垫片被加热转为高电导率，即二维阵列行与行之间T形金属结构连通，同一阵列单元内的2个I形金属结构也连通。此时本滤波器工作于带通滤波状态。本发肯解决了现有太赫兹滤波器功能单一的缺陷，实现了同一滤波器的带通工作状态和带阻工作状态的电控转换。
本发明设计的一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，包括高阻硅基底、位于高阻硅基底之上的绝缘层和固定于绝缘层表面的二维阵列，所述二维阵列的边长为入射太赫兹波束直径的1.0～1.5倍。绝缘层和高阻硅基底的长和宽均大于二维阵列的长和宽。所述绝缘层为氮化硅层或者氧化硅层，厚度为0.5微米～2.0微米。太赫兹波从二维阵列上方正入射，穿过二维阵列得到滤波，并穿过绝缘层和高阻硅基底后射出。
所述二维阵列的每个阵列单元包括一个冂形金属结构、2个T形金属结构、2个I形金属结构、1条引线和相变垫片。
所述各金属结构和引线为金片、铜片或铝片中任意一种的金属片条。
所述冂形金属结构的冂形横置，两平行的金属条的一端与另一作为冂顶的金属条两端垂直连接构成冂形。冂顶的垂直平分线为冂形金属结构的中心线。
所述2个T形金属结构的T形下方的竖条底端分别与冂形金属结构两平行条的另一端连接，2个T形金属结构相对于冂形金属结构的中心线呈对称。T形的竖条与冂形的二平行条垂直，T形顶部横条平行于冂形金属结构的中心线。
所述2个I形金属结构处于冂形金属结构的冂顶的一侧，2个I形金属结构的中心线处于同一直线上，且该直线垂直于冂形金属结构的中心线；2个I形金属结构相对于冂形金属结构的中心线呈对称。I形金属结构主体金属条与冂形金属结构冂顶金属条平行，二者有间隙。
一个内相变垫片处于一个阵列单元内，位于2个I形金属结构相对一端的下方，内相变垫片的宽度大于I形顶或底的短条的长，长度大于2个I形金属结构相对的一端的短条内侧之间距离。即2个I形金属结构相对一端和I形金属结构部分主体位于相变垫片上且与之相接触。
间相变垫片处于相邻的阵列单元行间，位于相邻的两行阵列单元的相对的2个T形金属结构下方，间相变垫片的宽度大于T形顶横条的长，长度大于2个T形金属结构相对的T形顶横条内侧之间距离。即相邻的阵列行间2个相对T形金属结构T形顶横条和它们的部分T形竖条位于相变垫片上且与之相接触。
所述二维阵列每一行有一条引线，由最左至最右，每行引线的中心线与该行的各阵列单元冂形金属结构的中心线重合，每行引线与该行的各阵列单元冂形金属结构的冂顶金属条垂直相嵌合连接；此行各阵列单元的2个I形金属结构分别处于引线的上下两侧，靠近引线的I形顶端或底端的短金属条与引线保持间隙。每行的引线压在位于该行各阵列单元2个I形金属结构相对一端下方的内相变垫片上并与之接触。
二维阵列左右两侧绝缘层上各固定一电极，分别连接直流电源的正负极，连接线路上各有一个开关，二开关的启闭同步。两侧的电极分别与二维阵列左侧第一列和右侧最后一列的各行的引线相连接。
电极连接直流电源的开关开启时，两个相变垫片均为低电导率，即行与行之间T形金属结构是阻断的，同一阵列单元内的2个I形金属结构也是阻断的。此时本滤波器工作于带阻滤波状态。
电极连接直流电源的开关闭合时，引线和冂形金属结构、T形金属结构通电产生焦耳热，热量转递到与其接触的内相变垫片和间相变垫片，二相变垫片被加热转为高电导率，即二维阵列行与行之间T形金属结构连通，同一阵列单元内的2个I形金属结构也连通。此时本滤波器工作于带通滤波状态。
所述直流电源的电压为12伏～24伏。
所述二维阵列中一个阵列单元的横向宽度为40微米～48微米、纵向长度为64微米～72微米。
所述冂形金属结构、T形金属结构、I形金属结构和引线为为金片、铜片或铝片中任意一种的金属片条，厚度为0.2微米～0.8微米，宽度为3微米～5微米。
所述内相变垫片和间相变垫片是二氧化钒垫片、二硫化钼垫片和锗锑碲垫片中的任意一种，厚度为0.1微米～0.15微米。
所述内相变垫片的长度为23微米～27微米，宽度为10微米～14微米；所述间相变垫片的长度为14微米～18微米，宽度为10微米～14微米。
所述冂形金属结构中，冂顶金属条的长度为40微米～48微米，二平行金属条的长度为冂顶长度的1/4至1/3。
所述T形金属结构中，T形结构的下竖条长度为4微米～8微米，T形结构上横条长度为5微米～8微米。
所述I形金属结构主体的长度为10微米～16微米，上下两端的横条长为主体长度的1/2至2/3。
所述I形金属结构主体金属条与冂形金属结构冂顶金属条之间的间距为6.0微米～10微米。
靠近引线的I形金属结构的顶端或底端的横条与引线之间的间距为4.0微米～8.0微米。
与现有技术相比，本发明一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器的优点为：1、通过控制直流电源开关的闭合，即可实现太赫兹滤波器的带通滤波状态和带阻滤波状态的转换，无需繁琐的更换不同功能的太赫兹滤波器，适用于不同场合，本发明的太赫兹滤波器的应用范围被显著地拓展；2、其结构与现有的一般太赫兹滤波器差别不大，仅增加了电极和直流电源，易于实现，且方便操作。
附图说明
图1为本电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器实施例的俯视图；
图2为图1中A-A剖面示意图；
图3为图1中一个阵列单元结构的示意图；
图4为3中B-B剖面示意图；
图5为本电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器实施例在电极通电和断电情况下太赫兹波透过率随频率变化的曲线图。
图中标号：1、高阻硅基底，2、绝缘层，3、电极，4、二维阵列，41、冂形金属结构，42、T形金属结构，43、I形金属结构，44、引线，45、内相变垫片，46、间相变垫片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细介绍本发明一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器的方案。
本电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器实施例示意图如图1和2所示，包括高阻硅基底1、位于高阻硅基底1之上的绝缘层2和固定于绝缘层表面的二维阵列4。本例正入射的太赫兹波束的直径500微米，本例二维阵列4共有13×8个阵列单元，边长为572微米×544微米。
本例绝缘层2和高阻硅基底1的长和宽均大于二维阵列4的长和宽。本例绝缘层2为氮化硅层，厚度为0.5微米。本例高阻硅基底1的厚度为50微米。从二维阵列4上方正入射的太赫兹波，穿过二维阵列4得到滤波，并穿过绝缘层2和高阻硅基底1后射出。
如图3和4所示，本例二维阵列4的每个阵列单元包括一个冂形金属结构41、2个T形金属结构42、2个I形金属结构43、1条引线44和相变垫片。一个阵列单元的长a＝44微米,宽b＝68微米。
本例冂形金属结构41、T形金属结构42、I形金属结构43和引线44为厚度0.2微米，宽度4微米的金片条。
本例冂形金属结构41的冂形横置，两平行条的一端与另一作为冂顶的金条两端垂直连接构成冂形。冂顶的垂直平分线为冂形金属结构41的中心线。本例冂形金属结构41的两平行条长c＝12微米，冂顶长d＝44微米。本例2个T形金属结构42的T形下方的竖条底端分别与冂形金属结构41两平行条的另一端连接，2个T形金属结构42相对于冂形金属结构41的中心线呈对称。T形的竖条与冂形的二平行条垂直，T形顶部横条平行于冂形金属结构41的中心线。本例T形金属结构42的T形的竖条长e＝8.0微米，T形顶部横条长f＝5.0微米。
本例2个I形金属结构43处于冂形金属结构41的冂顶的一侧，2个I形金属结构43的中心线处于同一直线上，且该直线垂直于冂形金属结构41的中心线；2个I形金属结构43相对于冂形金属结构41的中心线呈对称。I形金属结构43主体金属条与冂形金属结构41冂顶金属条平行，二者的间隙i＝8.0微米。本例I形金属结构43的主体长g＝13微米，主体两端的横条长h＝8.0微米。
一个内相变垫片45处于一个阵列单元内，位于2个I形金属结构43相对一端的下方，本例内相变垫片45是二氧化钒片，厚度为0.1微米，长j＝25微米,宽k＝12微米。2个I形金属结构43相对一端和I形金属结构43的部分主体位于内相变垫片45上且与之相接触。
间相变垫片46位于相邻的两行阵列单元的相对的2个T形金属结构42下方，本例间相变垫片46是二氧化钒片，厚度为0.1微米，长m＝18微米,宽l＝12微米。图3所示的单元结构内有上、下两个半片的间相变垫片46，下方的间相变垫片46上半片处于本单元结构，下半片处于下一行的单元结构，如图3中的虚线所示。与之相似，上方的间相变垫片46下半片处于本单元结构，上半片处于上一行的单元结构。相邻的阵列单元行间2个相对T形金属结构42T形顶横条和它们的部分T形竖条位于间相变垫片46上且与之相接触。
本例二维阵列4每一行有一条引线44，由最左至最右，每行引线44的中心线与该行的各阵列单元冂形金属结构41的中心线重合，每行的引线44长为二维阵列的宽476微米；每行引线44与该行的各阵列单元冂形金属结构41的冂顶金属条垂直相嵌合连接；此行各阵列单元的2个I形金属结构43分别处于引线44的上下两侧，靠近引线44的I形金属结构43主体顶端或底端的短金属条与引线44的间隙n＝4.0微米。每行的引线44压在内相变垫片45上并与之接触。
本例二维阵列4左右两侧各有一电极3，分别连接直流电源的正负极，连接线路上各有一个开关，二开关的启闭同步。两侧的电极3分别与二维阵列4左侧第一列和右侧最后一列的各行的引线44相连接。本例电极3为边长为44微米×476微米的金属板。本例直流电源的电压为18伏。
本例电极3连接直流电源的开关开启时，内相变垫片45和间相变垫片46均为低电导率，即行与行之间T形金属结构42是阻断的，同一阵列单元内的2个I形金属结构43也是阻断的，此时本滤波器工作于带阻滤波状态，此时正入射本滤波器的太赫兹波透过率随频率变化的曲线如图5中的实线曲线所示。
电极3连接直流电源的开关闭合时，引线44和冂形金属结构41、T形金属结构42通电，内相变垫片和间相变垫片被加热转为高电导率，即二维阵列4行与行之间T形金属结构42连通，同一阵列单元内的2个I形金属结构43也连通。此时本滤波器工作于带通滤波状态。此时正入射本滤波器的太赫兹波透过率随频率变化的曲线如图5中的虚线曲线所示。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，包括高阻硅基底(1)、位于高阻硅基底(1)之上的绝缘层(2)和固定于绝缘层(2)表面的二维阵列(4)，所述二维阵列(4)的边长为入射太赫兹波束直径的1.0～1.5倍；绝缘层(2)和高阻硅基底(1)的长和宽均大于二维阵列(4)的长和宽；所述绝缘层(2)为氮化硅层或者氧化硅层，厚度为0.5微米～2.0微米；太赫兹波从二维阵列(4)上方正入射，穿过二维阵列(4)得到滤波，并穿过绝缘层(2)和高阻硅基底(1)后射出；其特征在于：
所述二维阵列(4的每个阵列单元包括一个冂形金属结构(41)、2个T形金属结构(42)、2个I形金属结构(43)、1条引线(44)和相变垫片；
所述冂形金属结构(41)的冂形横置，两平行的金属条的一端与另一作为冂顶的金属条两端垂直连接构成冂形；冂顶的垂直平分线为冂形金属结构(41)的中心线；
所述2个T形金属结构(42)的T形下方的竖条底端分别与冂形金属结构(41)两平行条的另一端连接，2个T形金属结构(42)相对于冂形金属结构(41)的中心线呈对称；T形的竖条与冂形的二平行条垂直，T形顶部横条平行于冂形金属结构(41)的中心线；
所述2个I形金属结构(43)处于冂形金属结构(41)的冂顶的一侧，2个I形金属结构(43)的中心线处于同一直线上，且该直线垂直于冂形金属结构(41)的中心线；2个I形金属结构(43)相对于冂形金属结构(41)的中心线呈对称；I形金属结构(43)主体金属条与冂形金属结构(41)冂顶金属条平行，二者有间隙；
一个内相变垫片(45)处于一个阵列单元内，位于2个I形金属结构(43)相对一端的下方，内相变垫片(45)的宽度大于I形金属结构(43)主体顶端或底端短条的长、长度大于2个I形金属结构(43)相对的一端的短条内侧之间距离；即2个I形金属结构(43)相对一端和I形金属结构(43)的部分主体位于内相变垫片(45)上且与之相接触；
间相变垫片(46)处于相邻的阵列单元行间，位于相邻的两行阵列单元的相对的2个T形金属结构(42)下方，间相变垫片(46)的宽度大于T形金属结构(42)T形顶横条的长，长度大于2个T形金属结构(42)相对的T形顶横条内侧之间距离；即相邻的阵列行间2个相对T形金属结构(42)T形顶横条和它们的部分T形竖条位于间相变垫片(46)上且与之相接触；
所述二维阵列(4)每一行有一条引线(44)，由最左至最右，每行引线(44)的中心线与该行的各阵列单元冂形金属结构(41)的中心线重合，每行引线(44)与该行的各阵列单元冂形金属结构(41)的冂顶金属条垂直相嵌合连接；此行各阵列单元的2个I形金属结构(43)分别处于引线(44)的上下两侧，靠近引线(44)的I形金属结构(43)I形主体的顶端或底端的短条与引线(44)保持间隙；每行的引线(44)压在位于该行各阵列单元2个I形金属结构(43)相对一端下方的内相变垫片(45)上并与之接触；
二维阵列(4)左右两侧绝缘层(2)上各固定一电极(3)，分别连接直流电源的正负极，连接线路上各有一个开关，二开关的启闭同步；两侧的电极(3)分别与二维阵列(4)左侧第一列和右侧最后一列的各行的引线(44)相连接；
电极(3)连接直流电源的开关开启时，两个相变垫片(45、46)均为低电导率，即行与行之间T形金属结构(42)是阻断的，同一阵列单元内的2个I形金属结构(43)也是阻断的，此时本滤波器工作于带阻滤波状态；
电极(3)连接直流电源的开关闭合时，引线(44)和冂形金属结构(41)、T形金属结构(42)通电，二相变垫片(45、46)被加热转为高电导率，即二维阵列(4)行与行之间的T形金属结构(42)连通，同一阵列单元内的2个I形金属结构(43)也连通，此时本滤波器工作于带通滤波状态。
2.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述直流电源的电压为12伏～24伏。
3.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述二维阵列(4)中一个阵列单元的横向宽度为40微米～48微米、纵向长度为64微米～72微米。
4.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述冂形金属结构(41)、T形金属结构(42)、I形金属结构(43)和引线(44)为金片、铜片或铝片中任意一种的金属片条，厚度为0.2微米～0.8微米，宽度为3微米～5微米。
5.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器)，其特征在于：
所述内相变垫片(45)和间相变垫片(46)是二氧化钒垫片、二硫化钼垫片和锗锑碲垫片中的任意一种，厚度为0.1微米～0.15微米。
6.根据权利要求5所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述内相变垫片(45)的长度为23微米～27微米，宽度为10微米～14微米；所述间相变垫片(46)的长度为14微米～18微米，宽度为10微米～14微米。
7.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述冂形金属结构(41)中，冂顶金属条的长度为40微米～48微米，二平行金属条的长度为冂顶长度的1/4至1/3。
8.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述T形金属结构(42)中，T形结构的下竖条长度为4微米～8微米，T形结构上横条长度为5微米～8微米。
9.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
所述I形金属结构(43)主体的长度为10微米～16微米，顶端或底端的横条长度为主体长度的1/2至2/3。
10.根据权利要求1所述的电控转换的太赫兹带通/带阻滤波器，其特征在于：
靠近引线(44)的I形金属结构(43)的顶端或底端的横条与引线(44)之间的间距为4.0微米～8.0微米；和/或，I形金属结构(43)主体金属条与冂形金属结构(41)冂顶之间的间距为6.0微米～10微米。
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