CN205752470U - 基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，由三层级联的复合结构组成，其中所述复合结构包括金属层和介质层，所述介质层附着在金属层下，所述金属层的中央具有圆形孔，在圆形孔的中间设置三极子单元。本实用新型的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器通带位于300.27‑372.73GHz频段，可利用300‑376GHz频段的大气吸收窗口实现特定条件下的通信等特点，具有优良的频率响应和滤波稳定性。

Description

基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及太赫兹无源器件技术领域，特别涉及一种适用于太赫兹大气通信窗口300-376GHz频段的带通滤波器。

背景技术

由于现在同行行业大力发展，因电磁资源自身有限，低频电磁资源已经分割完毕，因此光学技术逐渐向太赫兹高频频段延伸，同时个人通信设备向微小化、便携式发展，太赫兹波段的器件应运而生。滤波器是成像系统和通信系统的关键器件之一，对其进行深入研究将会极大地促进太赫兹技术的发展。频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）结构是一类一个或多个金属图形组成的二维平面结构，底部由介质衬底撑持，结构的功能由单元的几何尺寸、排列形式和介质衬底的材料决定。将其应用于太赫兹滤波器中，可通过改变结构本身的特性对器件的滤波特性进行优化。在制作工艺方面，一个太赫兹FSS滤波器结构单元只有几十到几百微米，通过传统的细微加工技术就能制得。因此，对太赫兹FSS滤波器进行深入研究将会极大地促进太赫兹通信系统、成像系统以及化学生物监测等太赫兹领域新型技术的发展。

随着太赫兹技术和频率选择表面技术的不断发展，近年来人们提出了很多种基于频率选择表面的太赫兹滤波器。根据其频率响应特性，现有的基于频率选择表面的滤波器可分为带阻、带通两类。其中带阻滤波器通常是周期性地在介质衬底表面标贴相同的金属单元，而带通滤波器则是周期地在金属板上开金属单元的槽孔。

目前，大多数太赫兹带通滤波器的响应频段未处在太赫兹大气通信窗口，无法将其用于大气通信系统，使其应用受限；同时其带宽较窄，纹波较大，对不同极化方式和不同入射角度的太赫兹入射波较为敏感，忽略栅瓣衍射的影响，不能满足太赫兹通信系统的要求，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本实用新型旨在针对现有滤波器在太赫兹大气通信频段上的不足，提供一种可应用于太赫兹大气通信窗口300-376GHz频段的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器。

为了实现上述目的本实用新型采用如下技术方案：基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，由三层级联的复合结构组成，其中所述复合结构包括金属层和介质层，所述介质层附着在金属层下，所述金属层的中央具有圆形孔，在圆形孔的中间设置三极子单元。

所述金属层选用的材料为铝，其厚度H _Al为2μm，圆形孔的半径R为115.22μm，三极子单元的长度W ₁为60μm，三极子单元的宽度W ₂为12.293μm。该尺寸有利于带宽达到最大值，有较好的滤波稳定性。

所述的介质层选用的材料为硅，该材料在太赫兹波段具有高透明度和低色散性，可提高滤波器的透射率。

所述介质层的厚度为22μm，有效地避免了发生法布里-珀罗现象，有利于纹波达到最小值。

所述复合结构的单元间距为300μm，有效地防止栅瓣出现，使达到的滤波效果更好。

本实用新型的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器的滤波原理是：当所有频率的电磁波入射到复合结构时，因为带通滤波器的局域选频作用，只有复合滤波器通带频率的电磁波才可以有效地进入结构，继而得到输出。通过改变圆形孔的半径，三极子单元的宽度和长度，介质衬底层的厚度以及级联层间距，以加强滤波器对电磁波能量的束缚，减小滤波过程中的散射损耗，从而提高滤波器的滤波性能。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器通带位于300.27-372.73GHz频段，可利用300-376GHz频段的大气吸收窗口实现特定条件下的通信等特点，具有优良的频率响应和滤波稳定性。

附图说明

本实用新型可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本实用新型的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器立体结构示意图；

图2为本实用新型的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器的X-Z平面结构示意图；

图3是本实用新型的频率响应示意图；

图4(a)、4(b)是本实用新型的滤波稳定性示意图；

图中：1-金属层；2-三极子单元；3-介质层；4-圆形孔。

具体实施方式

本实用新型提供的基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，如图1和图2所示，基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，由三层级联的复合结构组成，其中复合结构包括金属层1和介质层3，所述介质层3附着在金属层1下，所述金属层1的中央具有圆形孔4，在圆形孔4的中间设置三极子单元2，三极子单元2贴附在介质层3上。

在本实用新型的一具体实施例中，所述介质层3选用的材料为硅。金属层1和三极子单元2选用相同的材料，本实施例中为铝。所述金属层1的厚度H _Al为2μm。所述介质层3的厚度H _si为22μm。所述三极子单元2的长度W ₁为60μm，三极子单元2的宽度W ₂为12.293μm。圆形孔4的半径R为115.22μm。三层级联的层间距H为220μm。通过改变圆形孔的半径，三极子单元的宽度和长度，介质衬底的厚度以及级联层间距，减小滤波过程中的散射损耗，从而提高滤波器的滤波性能。

所述的滤波器，具有局域选频作用，只有符合通带频率的电磁波才能进入结构，继而实现对300.27-372.73GHz范围的滤波。

在本实施例的基础上，改变所述金属层的尺寸大小，介质层的材料和尺寸大小，以及级联间距能根据需要设计出不同频率范围内的滤波器。

为了适应高速率、超宽带太赫兹通信系统的发展，本实用新型提供的滤波器，使其工作在太赫兹大气吸收窗口波段，具有实际的应用价值。如图2所示，采用三极子单元和圆形孔组合的结构，实现了对300.27-372.73GHz的滤波，中心频率为338GHz，带宽为69.5GHz，带内纹波小于0.1dB，回波损耗小于-13.46dB。

当300.27-372.73GHz范围的太赫兹波入射到滤波器时，其在不同极化波和相同极化波倾角在0°到30°范围内的频率特性如图4(a)、4(b)所示，图4(a)为不同极化方式太赫兹波入射复合型滤波器频率响应特性，图4(b)为不同倾角入射波入射复合型FSS滤波器频率响应特性。从频率特性可知该滤波器在水平和垂直极化波以及相同极化波倾角在0°到30°范围内有较好的频率稳定性。

有必要在此提出的是，上面的实施例只是用于进一步阐述本实用新型，以便于本领域的普通技术人员更好地理解本实用新型。本实用新型已通过文字揭露了其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下进行改进，但这样的改进仍属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：由三层级联的复合结构组成，其中复合结构包括金属层（1）和介质层（3），所述介质层（3）附着在金属层（1）下，所述金属层（1）的中央具有圆形孔（4），在圆形孔（4）的中间设置三极子单元（2）。

2.根据权利要求1所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述介质层（3）选用材料为硅。

3.根据权利要求1所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述金属层（1）选用材料为铝。

4.根据权利要求1所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述金属层（1）的厚度H _Al为2μm。

5.根据权利要求1所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述介质层（3）的厚度H _si为22μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述三极子单元（2）的长度W ₁为60μm，三极子单元（2）的宽度W ₂为12.293μm。

7.根据权利要求6所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述圆形孔（4）的半径R为115.22μm。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述基于频率选择表面的复合型太赫兹带通滤波器，其特征在于：所述三层级联的层间距H为220μm。