CN204614907U - 基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，属于电磁波传输功能器件技术领域。本实用新型由可以透射太赫兹波的衬底介质基片和设置于衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层构成，两个频率选择表面层相对设置，结构相同，每个频率选择表面层包含多个矩阵排列的谐振单元。本实用新型具有三通带滤波、偏振不敏感性、插入损耗小、带内波纹平坦、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工等特点。

Description

基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器

技术领域

本实用新型属于电磁波传输功能器件技术领域，特别涉及一种基于频率选择表面结构的三通带太赫兹带通滤波器及其设计。

背景技术

太赫兹(THz)波通常指频率在0.1～10THz(波长在0.03～3mm)的电磁波，介于微波与红外光之间，同时具有微波与红外光的特性，其特点是波束宽度适中、系统带宽较大，十分有利于目标探测成像、高速率大容量通信。THz波具有很多微波和光波所不具备的特点，例如THz光子能量低，只有几个毫电子伏特，不会对检测物质造成破坏，大多数非金属非极性材料对THz波吸收较小，使得它可以用于检测材料内部信息。THz脉冲源只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带能覆盖从GHz到几十THz的频率范围,很多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体、超导材料等的声子振动能级都在THz波段内。超快THz脉冲具有很高的峰值功率，在太赫兹时域光谱系统中具有很高的信噪比。由于具备上述优势，太赫兹技术可在安检、传感和成像等领域发挥巨大的作用，近年来受到了研究者们的高度关注，与此同时，许多工作在太赫兹波段的新材料、新器件也应运而生。

人工电磁材料(Electromagnetic materials)或超材料(metamaterials，MMs)通常指具有天然材料所不具备的超常电磁特性的一类人工复合材料，其结构尺寸远小于工作波长，在亚波长量级，因此在工作波长内可视为一种均匀电磁媒质。通过在两种或两种以上的传统媒质材料中(如金属和介质)设计某种周期排列的人工结构单元，实现对所设计超材料的等效介电常数和等效磁导率的改变，构成可以自由调控电磁波传输性质的人工超材料。频率选择表面(FSS-Frequency Selective Surfaces)是人工电磁材料中的热点研究领域，它是一种能够对电磁波的不同谐振频率、入射角、极化方式发生全反射或全透射的二维周期阵列结构，基于FSS结构的人工电磁材料对电磁波具有选择透过性，可以广泛应用于雷达罩的RCS减缩、空间滤波器、极化器、吸波材料改性等 领域。

由于太赫兹波的独特性质，在自然界中能够对太赫兹波进行响应的材料比较少，以致当前工作在太赫兹波段的功能器件较少，制约了太赫兹科学与技术的发展和应用，而太赫兹超材料的提出，弥补了这一缺陷，使得太赫兹功能器件的实现成为可能，通过对周期排列的微结构的设计，可以得到在太赫兹波段进行响应的器件，从而使太赫兹波调控成为可能。当前太赫兹波功能器件主要集中在吸波器，滤波器、波片等等，针对太赫兹带通滤波器更为广泛的应用(太赫兹波选频及太赫兹波通信领域)，因此我们设计了太赫兹带通滤波器。然而，目前大多数的太赫兹带通滤波器都是单通带滤波，只能进行单一频段的选频，并且都是偏振敏感的器件，当改变电场或者磁场的方向时，其滤波特性大大降低甚至消失，大大制约了器件的使用范围，实用性较差。基于此，我们提出一种偏振不敏感的多通带的带通滤波器的设计，增加了选频范围，增强了调制特性，可以同时进行不同频段的太赫兹产生和探测，使其在太赫兹通信，传感，探测以及物质鉴别方面具有更加广泛的应用。

发明内容

为了解决现有太赫兹带通滤波器只能进行单一频段的选频滤波，并且都是偏振敏感的器件，当改变电场或者磁场的方向时，其滤波特性减弱甚至消失的技术问题，本实用新型提供了一种基于频率选择表面结构的太赫兹带通滤波器。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特殊之处在于：包括衬底介质基片和设置于衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层，两个频率选择表面层结构相同，每个频率选择表面层包括按M×N矩阵紧密排列的谐振单元,M与N为大于1的整数，每个谐振单元由3个正方形金属环构成，位于上下表面的两个谐振单元的金属环共轴。

优选的，上述谐振单元的行、列间距为零，此改进的优点是：通过对结构行列间距的设计，当行列间距为零时可以得到最佳的三带滤波效果，其它数值的行列间距滤波效果都没有上述优异。

优选的，上述M×N矩阵为正方形矩阵，此改进的优点是：该结构的三带滤 波特性是建立在以单元为基础上的周期排列结构，故该结构为M×N的正方形排列时，具有最佳的三带滤波效果。

优选的，上述衬底介质基片为柔性高分子衬底介质基片。

优选的，上述衬底介质基片为在太赫兹波段具有高透过率的聚酰亚胺衬底介质基片。

优选的，上述金属环为铜金属环。

优选的，上述衬底介质基片的厚度为35μm，所述三个同心正方形金属环的宽度从外向里依次为6μm、5μm、5μm，金属环厚度为0.2μm。

本实用新型与现有技术相比，优点是：

1、本实用新型提供的基于频率选择表面结构的三通带太赫兹带通滤波器，在一块柔性高分子衬底上集成了三个频率的太赫兹波带通滤波，可以对三个不同频带的太赫兹波进行滤波，并具有偏振不敏感特性，解决了传统太赫兹带通滤波器只能单频滤波、偏振敏感的不足。

2、本实用新型提供的三通带响应太赫兹带通滤波器结构简单，制备工艺流程短，有利于降低制备成本。

3、本实用新型提供的带通滤波器具有多通带滤波、偏振不敏感、插入损耗小、带内波纹平坦、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、易于加工等优点，在太赫兹通信、选频、物质检测等领域具有巨大的潜在应用价值。

附图说明

图1a为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器周期排列图。

图1b为单个谐振单元的结构示意图。

图1c为图1b的俯视图。

图2为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器透射曲线仿真图。

图3a为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器TE偏振模式的透射曲线仿真图。

图3b为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器TM偏振模式的透射曲线仿真图。

图4为改变金属环形状模拟得到的透射曲线仿真图。

图5为改变金属环材料模拟得到的透射曲线仿真图。

图6为改变介质基底厚度模拟得到的透射曲线仿真图。

图7a-图7c为不同结构的谐振单元，图7d为图7a-图7c所对应的谐振单元的透射曲线仿真图。

图8为理论计算分析模型图。

图9为模拟结果与计算结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做详细说明：

如图1a、1b、1c所示，本实用新型提供的基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器包括衬底介质基片和衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层。每个频率选择表面层由周期性正方形同心金属环排列的谐振单元构成，周期排列的行、列间距相等，且两个表面层的金属谐振单元排列结构和形状相同。谐振单元上下表面层由三个正方形同心金属环构成，最外面的正方形金属环的边长为P，环的宽度为W₁，中间金属环的边长为L，宽度为W₂，最里面的金属环宽度为W₃。

在设计频率选择表面层结构的过程中，首先我们考虑了要实现器件的偏振不敏感特性，因此，我们所要设计的结构应该是对称结构,即在介质基底的上下两个面上正方形金属环结构共轴，同时我们也进行了其它形状的模拟(比如圆形)，如图4，最终发现只有当上下两个平面的结构为共轴正方形金属排列时才具有很好三通带滤波特性。

在确定了基本结构之后，我们对结构的尺寸进行了优化，得到了最佳的滤波效果，包括对基底周期，厚度的优化，正方形金属环尺寸的优化。图6为改变介质基底厚度模拟得到的透过率曲线，由图可知，单元介质基底材料为聚酰亚胺，上下表面金属材料为铜，金属环厚度为0.2μm，三个金属环宽度依次为6μm，5μm，5μm，当介质基底厚度为35μm时，滤波效果最好；同时我们也对三个金属环的尺寸大小进行了优化模拟，当单元介质基底材料为聚酰亚胺，厚度为35μm，上下表面金属材料为铜，金属环厚度为0.2μm时，三个正方形金属环的宽度依次为6μm，5μm，5μm时，可以得到最好的三带滤波特性。

如图1b、1c所示谐振单元的优化结构参数为：P＝88μm，L＝66μm，d＝35μm，h＝200nm，W₁＝6μm，W₂＝W₃＝5μm，W＝36μm。

在设计的过程中，选取不同金属环材料(比如铝，金，银，铜等)，我们发现材料对其滤波特性的影响不是很明显，当材料为铜时效果最好，如厚度为h,电导率5.96×10⁷S/m的金属铜，如图5。此外，为使该器件具有更为广泛的应用，我们选取介质基底材料为在太赫兹波段具有高透过率的柔性介质，如柔性高分子材料聚酰亚胺，介电常数为3.5，磁导率为1，损耗正切为0.0027，厚度为d。而没有选取其它的半导体材料比如硅，二氧化硅等。

图2为基于频率选择表面结构的太赫兹带通滤波器透射曲线的仿真图，该滤波器在0.64～0.79THz,1.02～1.20THz,1.89～1.99THz频带获得很高的透过率，三个通频带的插入损耗分别为-1.89dB、-1.88dB、-1.58dB，而且获得的透射曲线具有带外抑制明显、带内波纹平坦等特点。

由于本实用新型涉及的太赫兹带通滤波器为旋转对称结构，对于垂直入射的TEM波，透过率具有偏振不敏感特性。图3a、图3b分别为TE、TM偏振入射模式下的透射曲线仿真图，在TE偏振模式下，当入射角小于40度时，该结构仍然可以保持很高的透过率；在TM偏振模式下，当入射角小于30度时，同样具有很高的透过率。所述偏振不敏感特性将大大提高该器件的实际应用领域。

本实用新型的机理解释：

为了说明所设计的结构产生三通带滤波的特性，我们将结构分为两部分进行分析，一个只有单面三环如图7(a)，另一个只有最外面的一对金属环结构如图7(b)，同时我们分别模拟了这两种结构的透过率，从透过率曲线可知，当结构如图7(a)所示时，我们可以明显看到该结构具有三个通带，但是透过特性并不好，尤其是第三个通带；当如结构7(b)时，可以知道该结构在频率f₂处有共振透过；当我们将这两种结构结合到一起时，也就是我们所设计的结构，我们可以得到效果非常好的透过率曲线。因此，我们可以推断出，我们所设计的三通带滤波的特性，来自于同一面上的三环之间的相互作用以及上下两个金属面间的相互耦合作用，前两个通带是由于同一平面的三个金属环的相互作用，第三个通带则是最外面一个环与同一平面的其它金属环以及相对面的金属环的相 互作用的叠加(Δf＝f₁-f₂),由于它们之间的相互作用，得到了性能优异的三通带滤波。此外，我们通过对三个通带处电场强度分布的分析以及通过理论计算模型公式，验证了该结构产生三通带滤波特性的原因。

下面为理论计算模型公式，图8为该理论计算的模型图，其中P₁，P₂为单元结构的上下面，结构的透过率

$\tilde{r}=r{e}^{\mathrm{i\φ}},\tilde{t}=t{e}^{\mathrm{i\θ}},{\tilde{r}}_1={\tilde{t}}^{\′}=t^{\′}{e}^{i{\mathrm{\θ}}^{\′}},{\tilde{r}}^{\′}=r^{\′}{e}^{i{\mathrm{\φ}}^{\′}},$

其中α入射波与平面法线的夹角，为入射波在上表面的反射率，为经过上表面后的透过率，为上表面的二次反射率,为经过下表面反射之后透过上表面的透过率，δ＝-4πε^1/2dcosα'/λ₀为反射波的相位差，λ₀为自由空间波长。

图9为理论计算与模拟结果的对比，由图9可知理论计算与模拟非常匹配，从而证明了该结构滤波特性的正确性。

Claims (7)

1.一种基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：包括衬底介质基片和设置于衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层，两个频率选择表面层结构相同，每个频率选择表面层包括按M×N矩阵紧密排列的谐振单元,M与N为大于1的整数，每个谐振单元由3个正方形同心金属环构成，位于上下表面的两个谐振单元的金属环共轴。

2.根据权利要求1所述的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述谐振单元的行、列间距为零。

3.根据权利要求2所述的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述M×N矩阵为正方形矩阵排列。

4.如权利要求1或2或3所述的基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述衬底介质基片为柔性高分子衬底介质基片。

5.根据权利要求4所述的基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述衬底介质基片为在太赫兹波段具有高透过率的聚酰亚胺衬底介质基片。

6.根据权利要求5所述的基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述金属环为铜金属环。

7.根据权利要求6所述的基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述衬底介质基片的厚度为35μm，三个正方形金属环的宽度从外向里依次为6μm、5μm、5μm，金属环厚度为0.2μm。