CN112186314B - 一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器及其谐振模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器及其谐振模块，所述谐振模块，包括四层等间距设置的频率选择面电磁谐振单元，每个所述频率选择面电磁谐振单元包括方块层，该方块层设有以所述方块层的中心为中心、由内而外依次嵌套的三个正方形边框，所述三个正方形边框均由镂空形成，每相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接。与现有技术相比，本发明面向第六代移动通讯，实现了0.7THz带宽，同时具备90％高透过率。

Description

一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器及其谐振模块
技术领域
本发明涉及带通滤波器领域，尤其是涉及一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器及其谐振模块。
背景技术
第六代移动通讯技术（6G）是5G蜂窝技术的后继者。6G网络比5G网络工作在更高的频率，达到太赫兹(1 THz=1012 Hz）并提供更高的通讯容量和更低的传输延迟。 6G有望支持每秒1 TB的数据速率（Tbps）。这种级别的容量和延迟将是前所未有的，并将扩展5G应用的性能和功能范围，以支持无线连接、认知、感测和成像领域中越来越多的创新应用。 6G所在的太赫兹频率除了提供明显更好的吞吐量和更高的数据速率外，还将实现更快的采样速率。由此可见，任何6G相关的电磁波调控与传输的元器件的研究开发，都有望导致无线传感技术的潜在重大进步。
在信号传输领域，德国卡尔斯鲁厄理工大学（KIT）下属的光子学和量子电子学研究所（IPQ）、微结构技术研究所（IMT）、射频工程和电子学研究所（IHE），联合弗赖堡的弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）的科学家现在已经开发出一种有前途的转换方法太赫兹和光域之间的数据流（S. Ummethala et al. Nature Photonics volume 13:519–524(2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0475-6）。他们使用超快速电光调制器将太赫兹数据信号直接转换为光信号，并将接收器天线直接耦合至玻璃纤维。在他们的实验中，科学家选择了约0.29 THz的载波频率，并达到了50 Gbit / s的传输速率。该调制器基于等离子体纳米结构，带宽超过0.36 THz。研究人员展示的概念将大大降低未来无线电基站的技术复杂性，并能够以很高的数据速率（>100Gbit / s）实现太赫兹频段的互联通讯。如何通过进一步提升带宽，并且提高工作频率，就成为了上述技术发展的一大挑战。
太赫兹波段的带通滤波器一直是通讯的重要元器件。如已超过20年的美国VDI公司和英国的THz instruments公司提供的金属网格滤波器，该产品具有高透过率 （<80%）的优点，但带宽不到0.2 THz。当今太赫兹波段的带通滤波器的核心问题，就是要同步提高透过滤和宽带这两大关键指标。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高透过滤和宽带的面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器及其谐振模块。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于宽带带通滤波器的谐振模块，包括四层等间距设置的频率选择面电磁谐振单元，每个所述频率选择面电磁谐振单元包括方块层，该方块层设有以所述方块层的中心为中心、由内而外依次嵌套的三个正方形边框，所述三个正方形边框均由镂空形成，每相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接。
进一步地，相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接具体为，
相邻的两个所述正方形边框分别视为内侧正方形边框和外侧正方形边框，所述内侧正方形边框的四个顶点分别与所述外侧正方形边框的四个边的中间位置连接。
进一步地，每相邻的两个所述频率选择面电磁谐振单元间的间距为30微米，所述方块层为长度为100微米、宽度为100微米、厚度为0.2微米的平板结构。
进一步地，所述三个正方形边框的边长分别为60微米、38微米和22微米，所述三个正方形边框每条边的宽度均为8微米。
进一步地，所述方块层的材质采用黄金。
本发明还提供一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器，该宽带带通滤波器的谐振模块包括四层等间距设置的频率选择面电磁谐振单元，每个所述频率选择面电磁谐振单元包括方块层，该方块层设有以所述方块层的中心为中心、由内而外依次嵌套的三个正方形边框，所述三个正方形边框均由镂空形成，每相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接。
进一步地，相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接具体为，
相邻的两个所述正方形边框分别视为内侧正方形边框和外侧正方形边框，所述内侧正方形边框的四个顶点分别与所述外侧正方形边框的四个边的中间位置连接。
进一步地，相邻的两个所述频率选择面电磁谐振单元间的间距为30微米，所述方块层为长度为100微米、宽度为100微米、厚度为0.2微米的平板结构。
进一步地，所述三个正方形边框的边长分别为60微米、38微米和22微米，所述三个正方形边框每条边的宽度均为8微米。
进一步地，所述方块层的材质采用黄金。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明用于宽带带通滤波器的谐振模块中层与层之间为自由空间，无任何填充物，避免电介质吸收，最小化了能量损耗。
（2）方块层的材质采用纯黄金，成分简单，无需退火既可获得良好黏附性，提高的器件的可靠性和可集成性。
（3）本发明进一步对谐振模块各部分的尺寸进行优化，结合本发明谐振模块形状和材质优化的共同作用，使得本发明的最大透过率达到96%，突破了90%这一指标瓶颈，使得本发明能面向第六代移动通讯技术中，迄今为止，尚无相关论文和专利报道过在2.2 THz中心频率上，实现0.7 THz带宽，同时具备90%高透过率，以及偏振不敏感的太赫兹带通滤波器。
附图说明
图1为本发明用于宽带带通滤波器的谐振模块的三维结构示意图；
图2为本发明用于宽带带通滤波器的谐振模块的频率选择面电磁谐振单元的正面二维结构示意图；
图3为本发明用于宽带带通滤波器的谐振模块的顶部示意图；
图4为本发明用于宽带带通滤波器的谐振模块的侧面示意图；
图5为本发明宽带带通滤波器经过电磁仿真获得的透射频谱图，入射波为TE波；
图6为本发明宽带带通滤波器经过电磁仿真获得的透射频谱图，入射波为TM波；
图中，1、频率选择面电磁谐振单元，2、外层正方形边框，3、中层正方形边框，4、内层正方形边框。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
为了满足提高透过滤和宽带这两大关键指标，本发明运用两组不同的耦合方式，平面内导体耦合，多层平面之间衍射耦合概念。前者依据论文OPTICS EXPRESS 25(20):22401 (2017) 所阐述的物理原理：当三个谐振器两暗一明组合下，通过导体耦合，仅仅产生一个单一的谐振模式，而非多模式谐振。后者依据论文PHYSICAL REVIEW B 80, 201401-R（2009），在两组谐振单元满足小于电磁波波长的衍射距离之间相互耦合，从而获得较高的电磁波通过率。有鉴于此，本实施例提供一种用于宽带带通滤波器的谐振模块，包括四层等间距设置的频率选择面电磁谐振单元，每个频率选择面电磁谐振单元包括方块层，该方块层设有以所述方块层的中心为中心、由内而外依次嵌套的三个正方形边框，所述三个正方形边框均由镂空形成，每相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接。
此处，相邻的两个正方形边框以45度角衔接具体为，
相邻的两个所述正方形边框分别视为内侧正方形边框和外侧正方形边框，所述内侧正方形边框的四个顶点分别与所述外侧正方形边框的四个边的中间位置连接。
相邻的两个频率选择面电磁谐振单元间的间距为30微米，方块层为长度为100微米、宽度为100微米、厚度为0.2微米的平板结构。
本实施例中，通过围绕着此方块层的中心位置，分别用镂空线条获得3个大小不等，相互之间旋转45度角度衔接的正方形边框，用来满足导体耦合的要求。
如图1-4所示，三个正方形边框包括外层正方形边框1，中层正方形边框2，内层正方形边框3，其中，外层正方形边框1的边和中层正方形边框2的顶点相交，中层正方形边框2的顶点位于外层正方形边框1的边的中间位置，中层正方形边框2的边和内层正方形边框3的顶点相交，内层正方形边框3的顶点位于中层正方形边框2的边的中间位置，呈相互之间旋转45°角度衔接的结构排列。
进一步地，外层正方形边框1每边的长度，即图2中a的长度为60微米，宽8微米；
中层正方形边框2每边的长度，即图2中b的长度为38微米，宽8微米；
内层正方形边框3每边的长度，即图3中c的长度为22微米，宽8微米；
进一步地，外层正方形边框1的边的中间位置的下缘与中层正方形边框2顶端中心正交；中层正方形边框2的边的中间位置的下缘与内层正方形边框3顶端中心正交。
方块层的材质采用黄金。
本实施例还提供一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器，该宽带带通滤波器采用上述的谐振模块。
如图5和图6所示，通过实验验证上述宽带带通滤波器的性能，得出结论：其中心谐振频率位于2.2 THz，远高于0.29 THz的载波频率；该宽带带通滤波器对TE模式和TM模式的电磁波均能够实现滤波，具有偏振不敏感的属性，两种工作模式下，器件在2.2 THz处最大透过率为96 %，其透过率曲线的半高全宽值（Full Maximum Half Width: FMHW）达到0.7THz。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于宽带带通滤波器的谐振模块，其特征在于，包括四层等间距设置的频率选择面电磁谐振单元，每个所述频率选择面电磁谐振单元包括方块层，该方块层设有以所述方块层的中心为中心、由内而外依次嵌套的三个正方形边框，所述三个正方形边框均由镂空形成，每相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接；
相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接具体为，
相邻的两个所述正方形边框分别视为内侧正方形边框和外侧正方形边框，所述内侧正方形边框的四个顶点分别与所述外侧正方形边框的四个边的中间位置连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽带带通滤波器的谐振模块，其特征在于，每相邻的两个所述频率选择面电磁谐振单元间的间距为30微米，所述方块层为长度为100微米、宽度为100微米、厚度为0.2微米的平板结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于宽带带通滤波器的谐振模块，其特征在于，所述三个正方形边框的边长分别为60微米、38微米和22微米，所述三个正方形边框每条边的宽度均为8微米。
4.根据权利要求1所述的一种用于宽带带通滤波器的谐振模块，其特征在于，所述方块层的材质采用黄金。
5.一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器，其特征在于，该宽带带通滤波器的谐振模块包括四层等间距设置的频率选择面电磁谐振单元，每个所述频率选择面电磁谐振单元包括方块层，该方块层设有以所述方块层的中心为中心、由内而外依次嵌套的三个正方形边框，所述三个正方形边框均由镂空形成，每相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接；
相邻的两个所述正方形边框以45度角衔接具体为，
相邻的两个所述正方形边框分别视为内侧正方形边框和外侧正方形边框，所述内侧正方形边框的四个顶点分别与所述外侧正方形边框的四个边的中间位置连接。
6.根据权利要求5所述的一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器，其特征在于，相邻的两个所述频率选择面电磁谐振单元间的间距为30微米，所述方块层为长度为100微米、宽度为100微米、厚度为0.2微米的平板结构。
7.根据权利要求6所述的一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器，其特征在于，所述三个正方形边框的边长分别为60微米、38微米和22微米，所述三个正方形边框每条边的宽度均为8微米。
8.根据权利要求5所述的一种面向第六代移动通讯的宽带带通滤波器，其特征在于，所述方块层的材质采用黄金。
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