CN113506991A - 超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，所述滤波器包括自上而下层叠设置的第一介质基板、第一金属谐振层、第二介质基板、第二金属谐振层及第三介质基板，所述第一金属谐振层中刻蚀形成有第一内狭缝及包围第一内狭缝的第一外狭缝，第二金属谐振层中刻蚀形成有第二内狭缝及包围第二内狭缝的第二外狭缝，所述第一内狭缝和第二内狭缝上下对应分布，第一外狭缝和第二外狭缝上下对应分布。本发明的滤波器可工作在超低亚开尔文温度，具有带内选择频率窄、带外抑制性能好，体积小、质量小，易于加工等优点。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹滤波器技术领域，具体涉及一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，可应用于可超低温太赫兹安检、空间宇航和宇宙射线观测等领域。
背景技术
频率选择表面(FSS，Frequency Selective Surface)是一种空间滤波器，与电磁波相互作用呈现出明显的带通或带阻的滤波特性。频率选择表面已充分应用于雷达罩、准光探测系统、宇宙射线探测系统和医学成像系统等一系列领域。由于频率选择表面的带通性的滤波特性，FSS在频率选择方面被广泛地应用于毫米波、太赫兹和红外至可见光波段。在测量系统中，滤波器频率选择表面可用于滤除主信号频段以外的干扰信号或者噪声信号，有选择性的通过信号频段范围内的信号。
相比于传统微波滤波器，太赫兹频率选择表面FSS的频率响应不仅由频率范围决定，电磁波入射角度也是影响频率响应的重要因子。传统带通频率选择表面FSS，一般是由单层并联谐振组成，此种设计简单，便于分析，但是在截止频率斩波处，会增加带宽引入其他频率的信号进入系统，所以这种单层频率选择表面可能导致在实际应用中出现通带信号受到较大干扰。
随着频率选择表面的空间滤波器在安检、宇航和医学领域的发展，对系统信噪比的要求极高，因此要求滤波器能最大限度的滤除非带通工作波段。然而，基于频率选择表面的滤波器往往会形成带通波段的二次谐波带通，这样会降低系统内频段的干净程度。
另外，随着频率选择表面的空间滤波器在安检、宇航和医学领域的发展，检测器被要求在超低亚开尔文温度下工作。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其可满足安检、宇航和医疗等频率适用范围，且空间中电磁波入射角度变化时，该器件的频率响应较为稳定。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，所述滤波器包括包括自上而下层叠设置的第一介质基板、第一金属谐振层、第二介质基板、第二金属谐振层及第三介质基板，所述第一金属谐振层中刻蚀形成有第一内狭缝及包围第一内狭缝的第一外狭缝，第二金属谐振层中刻蚀形成有第二内狭缝及包围第二内狭缝的第二外狭缝，所述第一内狭缝和第二内狭缝上下对应分布，第一外狭缝和第二外狭缝上下对应分布。
一实施例中，所述第一内狭缝和第二内狭缝为内十字狭缝，第一外狭缝和第二外狭缝为外十字狭缝。
一实施例中，所述第一内狭缝和第二内狭缝为圆环狭缝，第一外狭缝和第二外狭缝为外十字狭缝。
一实施例中，所述第一内狭缝和第二内狭缝的长度为90～130μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝和第二外狭缝的外边长为100～140μm，内边长为80～120μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘或第二外狭缝与第二金属谐振层边缘的距离为30～50μm。
一实施例中，所述第一内狭缝和第二内狭缝的内径为70～100μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝和第二外狭缝的外边长为100～140μm，内边长为80～120μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘或第二外狭缝与第二金属谐振层边缘的距离为30～50μm。
一实施例中，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的厚度相等，为50～200μm，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的材料相同，介电常数ε为1.5～3。
一实施例中，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的材料为苯并环丁烯，介电常数ε＝2.67。
一实施例中，所述第一金属谐振层和第二金属谐振层的厚度相等，为1～20μm。
一实施例中，所述第一金属谐振层和第二金属谐振层的材料为金属铜或其他高电导率金属，比如金，银，钛，铝。
一实施例中，所述第一内狭缝和第一外狭缝、第二内狭缝和第二外狭缝中填充有与第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板相同的材料。
本发明具有以下有益效果：
本发明的滤波器具有插入损耗小、体积小、回波损耗小、群时延小的优点，符合毫米波安检、宇航和空间探测需求；
本发明的滤波器表现出非常好窄带选择特性以及带外抑制特性，特别是通带二次谐波去除杂波性能优良；
本发明的滤波器结构有助于单元尺寸的减小，进而降低对不同电磁波入射角度的敏感度；
本发明使用金属谐振层表面刻蚀图案，介质基板为超低热吸收材料苯并环丁烯，加工工艺简单，支撑介质成本低，体积小，可实现滤波器超低温使用特性，可大规模生产，且各层之间组装简单，易于实现，延长了频率选择表面滤波器的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例中频率选择表面(RCC)滤波器的立体结构示意图；
图2为本发明第一实施例中第一金属谐振层的平面结构示意图；
图3为本发明第二实施例中频率选择表面(RCR)滤波器的立体结构示意图；
图4为本发明第二实施例中第一金属谐振层的平面结构示意图；
图5为本发明第一实施例中频率选择表面(RCC)的传输系数和反射系数曲线图；
图6为本发明第二实施例中频率选择表面(RCR)的传输系数和反射系数曲线图
图7本发明第一实施例和第二实施例中频率选择表面(RCC)和频率选择表面(RCR)的传输系数图；
图8为本发明第一实施例中频率选择表面(RCC)在不同入射角度下对应的传输系数图；
图9为本发明第二实施例中频率选择表面(RCR)在不同入射角度下对应的传输系数图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
由于频率选择表面空间滤波结构在安检、宇航、空间探测以及医疗成像等领域应用越来越广泛，对于滤波器的工作温度，结构、重量、加工难易程度、及工作频带外的抑制性也有了更高的要求。而现有技术此类带通频率选择表面大多体积大、重量重、带外选择性差，尤其在双谐振频率处，表现出带通的特性，极大影响了频率选择表面的使用效果。针对现有技术的不足，本发明提出了一种可工作在超低压开尔文温度、带内选择频率窄、带外抑制性能好，体积小、质量小，易于加工的带通频率选择表面滤波器。
本发明公开了一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，该滤波器包括包括自上而下层叠设置的第一介质基板、第一金属谐振层、第二介质基板、第二金属谐振层及第三介质基板，第一金属谐振层中刻蚀形成有第一内狭缝及包围第一内狭缝的第一外狭缝，第二金属谐振层中刻蚀形成有第二内狭缝及包围第二内狭缝的第二外狭缝，第一内狭缝和第二内狭缝上下对应分布，第一外狭缝和第二外狭缝上下对应分布。
优选地，第一内狭缝和第二内狭缝为内十字狭缝，第一外狭缝和第二外狭缝为外十字狭缝。第一内狭缝和第二内狭缝的长度为90～130μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝和第二外狭缝的外边长为100～140μm，内边长为80～120μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘或第二外狭缝与第二金属谐振层边缘的距离为30～50μm。
优选地，第一内狭缝和第二内狭缝为圆环狭缝，第一外狭缝和第二外狭缝为外十字狭缝。第一内狭缝和第二内狭缝的内径为70～100μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝和第二外狭缝的外边长为100～140μm，内边长为80～120μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘或第二外狭缝与第二金属谐振层边缘的距离为30～50μm。
其中，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的厚度相等，为50～200μm，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的材料相同，介电常数ε为1.5～3。优选地，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的材料为苯并环丁烯，介电常数ε＝2.67。
其中，第一金属谐振层和第二金属谐振层的厚度相等，为1～20μm。优选地，第一金属谐振层和第二金属谐振层的材料为金属铜或其他高电导率金属，比如金，银，钛，铝。
进一步地，第一内狭缝和第一外狭缝、第二内狭缝和第二外狭缝中填充有与第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板相同的材料。
本发明通过将多个单层频率选择表面层叠的方式来达到增强斩波截止频率的性能，从而实现窄带带通滤波。
本发明在结构制作中不仅实现滤波器有超窄的的带内选择性，而且不产生带外二次和高次谐波。
本发明采用苯并环丁烯和空气间隔的办法，滤波绝缘材料不再吸收电磁辐射热量而造成测量系统热负载增加，使得滤波器适合于在超低温测试环境中使用。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图1、图2所示，本发明第一实施例中一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面(RCC)滤波器，该滤波器包括包括自上而下层叠设置的第一介质基板11、第一金属谐振层14、第二介质基板12、第二金属谐振层15及第三介质基板13，第一金属谐振层14中刻蚀形成有第一内狭缝141及包围第一内狭缝的第一外狭缝142，第二金属谐振层15中刻蚀形成有第二内狭缝151及包围第二内狭缝的第二外狭缝152，第一内狭缝141和第二内狭缝151上下对应分布，第一外狭缝142和第二外狭缝152上下对应分布。
本实施例中第一介质基板11、第二介质基板12及第三介质基板13的长度和宽度均为297.82μm，厚度均为121μm，材料为苯并环丁烯，其相对介电常数ε＝2.67。第一金属谐振层14和第二金属谐振层15的长度和宽度均为297.82μm，厚度均为2μm，材料为金属铜。
参图2所示，本实施例中的第一内狭缝141和第二内狭缝151为内十字狭缝，第一外狭缝142和第二外狭缝152为外十字狭缝。第一内狭缝141和第二内狭缝151、第一外狭缝142和第二外狭缝152中均填充有苯并环丁烯。
以第一内狭缝141和第一外狭缝142为例，第一内狭缝141的长度l1-1为110.0μm，宽度w1-1为11.6μm，第一外狭缝142的外边长l1-2为126μm，l1-3为46.71μm，内边长l1-4为102.2μm，l1-5为46.71μm，宽度w1-2为11.9μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘的距离d1-1为39.2μm。第二内狭缝151和第二外狭缝152的尺寸与第一内狭缝141和第一外狭缝142的尺寸完全相同，此处不再进行赘述。
参图3、图4所示，本发明第二实施例中一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面(RCR)滤波器，该滤波器包括包括自上而下层叠设置的第一介质基板21、第一金属谐振层24、第二介质基板22、第二金属谐振层25及第三介质基板23，第一金属谐振层24中刻蚀形成有第一内狭缝241及包围第一内狭缝的第一外狭缝242，第二金属谐振层25中刻蚀形成有第二内狭缝251及包围第二内狭缝的第二外狭缝252，第一内狭缝241和第二内狭缝251上下对应分布，第一外狭缝242和第二外狭缝252上下对应分布。
本实施例中第一介质基板21、第二介质基板22及第三介质基板23的长度和宽度均为297.6μm，厚度均为121μm，材料为苯并环丁烯，其相对介电常数ε＝2.67。第一金属谐振层24和第二金属谐振层25的长度和宽度均为297.6μm，厚度均为2μm，材料为金属铜。
参图4所示，本实施例中的第一内狭缝241和第二内狭缝251为内圆环狭缝，第一外狭缝242和第二外狭缝252为外十字狭缝。第一内狭缝241和第二内狭缝251、第一外狭缝242和第二外狭缝252中均填充有苯并环丁烯。
以第一内狭缝241和第一外狭缝242为例，第一内狭缝241的内直径l2-1为86.8μm，宽度w2-1为11.6μm，第一外狭缝242的外边长l2-2为126μm，l2-3为44.6μm，内边长l2-4为102.2μm，l2-5为44.6μm，宽度w2-2为11.9μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘的距离d2-1为41.2μm。第二内狭缝251和第二外狭缝252的尺寸与第一内狭缝241和第一外狭缝242的尺寸完全相同，此处不再进行赘述。
参图5、图6所示分别为本发明第一实施例和第二实施例中频率选择表面的传输系数和反射系数曲线图。从图中可以看出滤波器在工作频段275GHz的插入损耗接近0dB，工作带宽被控制在15-25％之间，并且在二次谐波频率550GHz处谐振被完全抑制。
参图7所示为本发明第一实施例和第二实施例中频率选择表面的传输系数图。可以看出两种实施例均具有优良的通带二次谐波去除杂波性能，尤其第二实施例有着更为窄带的频率选择滤波功能。
参图8、图9所示分别为本发明第一实施例和第二实施例中频率选择表面在不同入射角度下对应的传输系数图。两种实施例都可工作在入射角从0-45°的工作范围内，275GHz工作频段没有收到任何局部干扰。
应当理解的是，上述实施例中分别以具体尺寸的内狭缝和外狭缝为例进行说明，在其他实施例中，内狭缝和外狭缝的结构及尺寸并不限于上述实施例中的结构和尺寸。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明的滤波器具有插入损耗小、体积小、回波损耗小、群时延小的优点，符合毫米波安检、宇航和空间探测需求；
本发明的滤波器表现出非常好窄带选择特性以及带外抑制特性，特别是通带二次谐波去除杂波性能优良；
本发明的滤波器结构有助于单元尺寸的减小，进而降低对不同电磁波入射角度的敏感度；
本发明使用金属谐振层表面刻蚀图案，介质基板为超低热吸收材料苯并环丁烯，加工工艺简单，支撑介质成本低，体积小，可实现滤波器超低温使用特性，可大规模生产，且各层之间组装简单，易于实现，延长了频率选择表面滤波器的使用寿命。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述滤波器包括自上而下层叠设置的第一介质基板、第一金属谐振层、第二介质基板、第二金属谐振层及第三介质基板，所述第一金属谐振层中刻蚀形成有第一内狭缝及包围第一内狭缝的第一外狭缝，第二金属谐振层中刻蚀形成有第二内狭缝及包围第二内狭缝的第二外狭缝，所述第一内狭缝和第二内狭缝上下对应分布，第一外狭缝和第二外狭缝上下对应分布。
2.根据权利要求1所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一内狭缝和第二内狭缝为内十字狭缝，第一外狭缝和第二外狭缝为外十字狭缝。
3.根据权利要求1所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一内狭缝和第二内狭缝为圆环狭缝，第一外狭缝和第二外狭缝为外十字狭缝。
4.根据权利要求2所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一内狭缝和第二内狭缝的长度为90～130μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝和第二外狭缝的外边长为100～140μm，内边长为80～120μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘或第二外狭缝与第二金属谐振层边缘的距离为30～50μm。
5.根据权利要求3所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一内狭缝和第二内狭缝的内径为70～100μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝和第二外狭缝的外边长为100～140μm，内边长为80～120μm，宽度为10～13μm，第一外狭缝与第一金属谐振层边缘或第二外狭缝与第二金属谐振层边缘的距离为30～50μm。
6.根据权利要求2或3所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的厚度相等，为50～200μm，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的材料相同，介电常数ε为1.5～3。
7.根据权利要求6所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的材料为苯并环丁烯，介电常数ε＝2.67。
8.根据权利要求2或3所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一金属谐振层和第二金属谐振层的厚度相等，为1～20μm。
9.根据权利要求8所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一金属谐振层和第二金属谐振层的材料为金属铜和其他高电导率金属，比如金，银，钛，铝。
10.根据权利要求6所述的超低温毫米波窄带带通频率选择表面滤波器，其特征在于，所述第一内狭缝和第一外狭缝、第二内狭缝和第二外狭缝中填充有与第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板相同的材料。
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