CN209133658U - 太赫兹单元、太赫兹器件及滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及太赫兹超材料技术领域，公开了一种太赫兹单元、太赫兹器件及滤波器，具体的，太赫兹单元包括上下依次设置的顶部结构层、中间介质层以及基底金属层；顶部结构层包括从内向外依次套设抵靠布置的内金属片、中间温控材料环以及外金属片；外金属片的数量为多片，多片外金属片沿中间温控材料环的周向间隔设置。本实用新型是具有双功能的太赫兹超材料器件，器件工作的频段分为低频通带和高频阻带，在低频通带，温度可以控制器件的低频通带带宽，可应用在温控带宽可调的滤波器；在高频阻带，温度可以控制其吸收率，可应用在温控吸收率可调的滤波器或者应用于温度传感等方面。

Description

太赫兹单元、太赫兹器件及滤波器

技术领域

本实用新型涉及太赫兹超材料技术领域，尤其是涉及一种太赫兹单元、太赫兹器件及滤波器。

背景技术

超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，即自然界本身不存在的材料。太赫兹波段指的是频率为0.1-10THz的电磁波，其相关的技术研究是当今的热门领域。由于超材料的想法及太赫兹技术的潜力，人们将目标转移到太赫兹超材料上。而基于超材料的太赫兹器件有着很多的优势，比如结构的体积小，结构本身比较简单等很多的优点。而太赫兹技术的应用也是非常广泛。正是因为这些优点，越来越多的基于超材料的太赫兹器件被提出。

人们对可调谐的超材料也做了一些研究，比如通过在超材料中加入可以被外加激励改变特性的材料来实现对超材料的控制。其中被广泛应用于信息技术中的半导体硅也引起了超材料科研人员的重视。同时，人们也设计了一些可调谐的超材料吸收器。目前，在广泛关注的太赫兹频段，开展可调谐的超材料吸收器的研究还比较少。并且现有的基于超材料的太赫兹器件功能总是相对单一，应用价值也较小。

实用新型内容

本实用新型的第一目的在于提供一种太赫兹单元，以解决现有技术中存在的太赫兹单元功能单一的技术问题。

本实用新型的第二目的在于提供一种太赫兹器件，以解决现有技术中存在太赫兹器件的功能单一的技术问题。

本实用新型的第三目的还在于提供一种滤波器，以解决现有技术中存在的太赫兹器件功能单一的技术问题。

基于上述第一目的，本实用新型提供了一种太赫兹单元，包括上下依次设置的顶部结构层、中间介质层以及基底金属层；所述顶部结构层包括从内向外依次套设抵靠布置的内金属片、中间温控材料环以及外金属片；

所述外金属片的数量为多片，多片外金属片沿所述中间温控材料环的周向间隔设置；

所述内金属片、所述中间温控材料环的中心点重合，且所述基底金属层、中间介质层以及顶部结构层的中心点位于同一直线上。

进一步地，所述顶部结构层的面积小于所述中间介质层的面积，且所述顶部结构层的最外侧边缘位于所述中间介质层的边缘内侧。

进一步地，所述基底金属层为正方形，所述中间介质层为正方形；

且所述基底金属层四条侧边与所述中间介质层的四条侧边分别平行设置。

进一步地，所述中间介质层与所基底金属层的边长相同，且所述中间介质层与所述基底金属层的侧边分别对齐平行设置。

进一步地，所述内金属片为正方形，所述中间温控材料环的内沿为与所述内金属片的外沿适配的正方形。

进一步地，所述中间温控材料环的外沿呈正方形。

进一步地，所述外金属片包括三片，分别为第一外金属片、第二外金属片和第三外金属片，所述第一外金属片和第二外金属片分别呈L型，所述第三外金属片呈条形；

所述第一外金属片和第二外金属片的顶角分别对应包覆在所述中间温控材料环的两个相邻的顶点上，且第一外金属片和第二外金属片位于所述中间温控材料环的同一侧边上的侧边间隔第一预设空隙设置，所述第一外金属片远离所述第二外金属片的侧边与所述第三外金属片设置在所述中间温控材料环的同一侧边上，且所述第一外金属片远离所述第二外金属片的侧边与所述第三外金属片间隔第二预设空隙设置；所述第二外金属片远离所述第一外金属片的侧边完全覆盖其对应的所述中间温控材料环的侧边。

进一步地，所述第一预设空隙设置在其对应的所述中间温控材料环的侧边的中部，且第一预设空隙以所述其对应的所述中间温控材料环的侧边的中线对称；

所述第二预设空隙设置在其对应的所述中间温控材料环的侧边的中部，且第二预设空隙以其对应的所述中间温控材料环的侧边的中线对称。

基于上述第二目的，本实用新型还提供了一种太赫兹器件，所述太赫兹器件包括多个本实用新型提供的所述的太赫兹单元；

多个所述太赫兹单元依次成行成列排列，且相邻太赫兹单元的基底金属层抵靠对齐设置，相邻太赫兹单元的中间介质层抵靠对齐设置。

基于上述第三目的，本实用新型还提供了一种滤波器，所述滤波器上设置有本实用新型提供的太赫兹器件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的太赫兹单元包括上下依次设置的顶部结构层、中间介质层以及基底金属层；所述顶部结构层包括依次从内向外套设抵靠布置的内金属片、中间温控材料环以及外金属片；所述外金属片的数量为多片，多片外金属片沿所述中间温控材料环的周向间隔设置。本实用新型太赫兹单元是具有温控可调的太赫兹超材料器件单元，温度可以控制中间温控材料环的电导率，进而控制整个器件单元的性能。同时，本实用新型是具有双功能的太赫兹超材料器件单元，器件单元工作的频段分为低频通带和高频阻带，在低频通带，温度可以控制器件单元的低频通带带宽，可应用在温控带宽可调的滤波器；在高频阻带，温度可以控制其吸收率，可应用在温控吸收率可调的滤波器或者应用于温度传感等方面。

本实用新型提供的太赫兹器件包括多个本实用新型提供的太赫兹单元，多个所述太赫兹单元依次成行成列排列。相比现有技术，本实用新型太赫兹器件与本实用新型提供的太赫兹单元具有相同的有益效果，通过对本实用新型提供的太赫兹单元的有益效果的描述，也能够直观的获知，在此不再详细赘述。

本实用新型提供的滤波器上设置有本实用新型提供的太赫兹器件。相比现有技术，本实用新型滤波器与本实用新型提供的太赫兹器件以及太赫兹单元具有相同的有益效果，通过对本实用新型提供的太赫兹单元的有益效果的描述，也能够直观的获知，在此不再详细赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例太赫兹单元的示意图；

图2为本实用新型实施例太赫兹单元对不同频率电磁波在不同极化角下的吸收率图；

图3为本实用新型实施例太赫兹单元(以极化角为30度为测量基准)在不同的电导率情况下的吸收图；

图4为图3中低频通带在不同电导率下的10dB的带宽图；

图5为图3中在不同电导率下高频阻带吸收率最小值及对应的频率值图；

图6是本实用新型实施例太赫兹单元的极化角的说明示意图。

图标：100-太赫兹单元；110-基底金属层；120-中间介质层；130-顶部结构层；131-内金属片；132-中间温控材料环；133-外金属片；133a-第一外金属片；133b-第二外金属片；133c-第三外金属片；140-第一预设空隙；150-第二预设空隙。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

参见图1至图6所示，本实施例提供了一种太赫兹单元100，包括上下依次设置的顶部结构层130、中间介质层120以及基底金属层110。其中，顶部结构层130包括依次从内向外套设抵靠布置的内金属片131、中间温控材料环132以及外金属片133。外金属片133的数量为多片，多片外金属片133沿所述中间温控材料环132的周向间隔设置。

具体的，内金属片131、中间温控材料环132的中心点重合，且基底金属层110、中间介质层120以及顶部结构层130的中心点位于同一直线上。一般而言，基底金属层110、中间介质层120和顶部结构层130的中心点的连线是垂直于基底金属层110、中间介质层120和顶部结构层130的层平面，换言之，如图1所示，顶部结构层130、中间介质层120和基底金属层110的中心点上下对齐。

顶部结构层130的面积可小于所述中间介质层120的面积，且顶部结构层130的最外侧边缘位于所述中间介质层120的边缘内侧。也即，如图1所示的，顶部结构层130是位于中间介质层120的中部的上方，顶部结构层130不完全覆盖中间介质层120。

本实用新型实施例太赫兹单元100对不同频率的电磁波的吸收率不同，其对一定频率范围内的高频电磁波有弱吸收作用，该频率范围内的电磁波被大量反射也即其能够形成一定频率范围内的高频阻带；同时，本实施例太赫兹单元100对一定频率范围内的低频电磁波有强吸收能力，也即其能够形成一定频率范围内的低频通带。换言之，本实用新型太赫兹单元100具有电磁波低频吸收过滤和高频低吸收的双重作用，功能性更强。同时，本实用新型实施例太赫兹单元100在不同温度下，中间温控材料环132的电导率不同，相应的不同温度下，能够被太赫兹单元100强吸收的电磁波的频率范围不同(一般被强吸收的为低频电磁波)，能够被太赫兹单元100弱吸收的电磁波的频率范围也不同(一般被弱吸收的电磁波能够被大量反射，该频率范围的电磁波一般为高频电磁波)。从而，通过改变温度，可改变本实用新型实施例太赫兹单元100的低频通带的宽度以及高频阻带的宽度，相应的使得太赫兹单元的可应用在更广泛的器件或场景中。

需要说明的是，本实施例中，被弱吸收的电磁波的频率范围称为高频阻带；能够被太赫兹单元100弱吸收的电磁波频率范围可称为高频阻带。相应的，低频通道的宽度以及高频阻带的宽度指的是，各自对应的频率范围，宽度越大其对应的频率范围越广。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种具体的太赫兹单元100的结构形式。其基底金属层110、中间介质层120分别为正方形，顶部结构层130的内金属片131以及中间温控材料环132均呈正方形。

具体而言，基底金属层110、中间介质层120的边长相同，且上下对齐设置，也即如图1所示，基底金属层110、中间介质层120是厚度不同，但是宽度、长度等大的正方形，其两者的四条边对应对齐设置。

顶部结构层130的内金属片131的四边与中间介质层120和基底金属层110的四边分别平行，且内金属片131较小，其设置在中间介质层120的中部的上方。中间温控材料环132的内沿与内金属片131的外沿适配，且中间温控材料环132的内沿紧靠抵接在内金属片131的外沿上。中间温控材料环132的外沿也呈正方形，且中间温控材料环132的正方形的三面的外侧设置有外金属片133。

如图1所示，外金属片133包括三片，分别为第一外金属片133a、第二外金属片133b和第三外金属片133c，第一外金属片133a和第二外金属片133b分别呈L型，第三外金属片133c呈条形。第一外金属片133a和第二外金属片133b的顶角分别对应包覆在所述中间温控材料环132的两个相邻的顶点上，且第一外金属片133a和第二外金属片133b位于所述中间温控材料环132的同一侧边上的侧边间隔第一预设空隙140设置。第一外金属片133a远离第二外金属片133b的侧边与第三外金属片133c设置在中间温控材料环132的同一侧边上，且第一外金属片133a远离第二外金属片133b的侧边与第三外金属片133c间隔第二预设空隙150设置。第二外金属片133b远离第一外金属片133a的侧边完全覆盖其对应的中间温控材料环132的侧边。

其中，第一预设空隙140设置在其对应的所述中间温控材料环132的侧边的中部，且第一预设空隙140以所述其对应的所述中间温控材料环132的侧边的中线对称。第二预设空隙150设置在其对应的中间温控材料环的侧边的中部，且第二预设空隙150以其对应的中间温控材料环132的侧边的中线对称。第一预设空隙140的长度与所述第二预设空隙150的长度(该长度指的是预设空隙沿其对应的中间温控材料环132的侧边的延伸方向的延伸距离)不同。

需要说明的是，第一外金属片133a、第二外金属片133b以及第三外金属片133c的宽度(外金属片133的宽度指的是外金属片133的外沿与外金属片133的内沿之间的距离，也即，图1所示的，外金属片133远离中间温控材料环132的一侧与外金属片133接触中间温控材料环132的一侧之间的距离)相同。换言之，第一外金属片133a、第二外金属片133b以及第三外金属片133c可以理解为：大致呈U型的金属片套设抵靠在中间温控材料环132的外侧上形成，同时，该大致U型的金属片的一条竖边和底边上分别设置一个缺口，以形成第一预设空隙140和第二预设空隙150。

可以理解的是，中间温控材料环132其中一条侧边的外侧没有设置外金属片，且中间温控材料环132设置外金属片的三条侧边的外金属片形成的状态也不相同，从而，使得本实施例太赫兹单元100形成了非对称结构形式。经过仿真实验检验，该种形式的太赫兹单元100的低频吸收性能以及高频阻带性能更好。

本实用新型实施例太赫兹单元100的基底金属层110、内金属片131和外金属片133可以采用相同材质的金属也可以是不同材质的金属，具体的可以是铜材质、金材质等等。中间介质层120可以是聚酰亚胺材料，具体的聚酰亚胺材料的介电常数可以是2.9，并具有少量的介电损耗。中间温控材料环132可采用温度控制其电导率的半导体材料，具体的可以是硅，中间温控材料环的电导率的至少能够在1S/m到30000S/m之间变化。

本实用新型实施例太赫兹单元的一个具体方案中，基底金属层110的尺寸为100um*100um，厚度(厚度指的是层与层之间连线的延伸方向的距离)为0.25um；基底金属层110和顶部结构层130中的内金属片131和外金属片133为同一铜材料，铜的电导率为5.96×10⁷S/m。中间介质层的宽度和长度与基底金属层一致，为100um*100un，材质为聚酰亚胺，其介电常数为2.9，有一定的损耗，厚度为28um。顶部结构层130包括正方形内金属片131、中间正方形的中间温控材料环132以及外金属片133，其几何中心点都是与整个单元的几何中心点在一条直线上。内金属片131的边长为40um，外金属片133以及中间温控材料环132的宽度为10um，其中，外金属片133之间的预设空隙均关于单元的几何中心点对称，相较于第二预设空隙150，第一预设空隙140长度更长。正方形的中间温控材料环132是温度控制的半导体材料，其介电常数为11.7，电导率可在不同温度下在1S/m到30000S/m之间变化。

针对上述具体方案的本实用新型实施例太赫兹单元通过仿真软件进行检测后的结果如图2-5所示。仿真过程中，电磁波垂直于太赫兹单元，从顶部结构层垂直入射，电磁波依次可经过顶部结构层、中间介质层和顶部结构层。

如图6所示，针对太赫兹单元建立图示的坐标系，定义极化方向E为与水平方向(x轴)呈夹角的方向，相应的该夹角为极化角θ，极化角θ可以理解为电场(电磁波)与水平方向的夹角。

图2所示的是本实用新型实施例太赫兹单元不同极化角下、不同频率电磁波的吸收率图；纵坐标是吸收率(Absorption)、横坐标是频率(Frequency)，不同的曲线表示的是不同的极化角(degree)。通过图2仿真结果发现极化角为30度时，本实施例太赫兹单元的吸收率最高，吸收率达到90％以上的低频带宽更宽(也即，能够被太赫兹单元吸收的吸收率达到90％以上的电磁波的频率范围更宽)，所以极化角为30度时，太赫兹单元的性能最优。

图3所示的是本实用新型实施例太赫兹单元(以极化角为30度为测量基准)对不同频率的电磁波在不同的电导率(该电导率指的是，中间温控材料环的电导率，所以不同电导率对应于不同的温度)情况下的吸收图；纵坐标是吸收率(Absorption)、横坐标是频率(Frequency)，不同的曲线表示的是不同的电导率(Conductivity)。从图3中可以明显看出，该器件是工作在0.4-2THz，有一个低频通带和一个高频阻带，低频通带的中心频率大致在1.1THz，吸收率在90％以上的低频通带的带宽在不同电导率时各不相同；高频阻带中心频率大致在1.8THz，高频阻带的吸收率随硅电导率的升高而升高。

图4所示的是图3中低频通带在不同电导率下的10dB(10dB也即吸收率达到90％以上)的带宽图；纵坐标是10dB带宽(bandwidth)，横坐标是电导率(Conductivity)。从图4中能够看出，带宽先增加后降低，当电导率在10000S/m，低频通带带宽最宽为0.45THz，也即吸收率能够达到90％以上的电磁波的最高频率与最低频率的差值为0.45THz。

图5是图3中在不同电导率下高频阻带吸收率最小值及对应的频率值图；左侧纵坐标是吸收率(Absorption)，右侧纵坐标是频率(Frequency)，横坐标是电导率(Conductivity)。从图5中看，最低点的频率变化较小，大致都在1.8THz，而最低点的吸收率随电导率的提高而逐渐提高。

综合图2-5所示，本实用新型实施例具体方案的太赫兹单元的低频通带的中心频率大约在1.1THz，图3中低频通带的带宽变化在图4中可以清晰看到，温控可调带宽成为了低频通带的应用。而高频阻带的中心频率大约在1.8THz，其阻带的最小值及对应的频率如图5所示。温度可控制中间温控材料环的电导率，从而可通过温度控制高频阻带的吸收率，温控可调吸收率的滤波器是高频阻带的主要应用，或者应用到温度传感等方面，应用范围较广，有一定的应用价值。

本实施例中附图2-5中的吸收率定义为A＝1-R-T，R为仿真中金属基底层的反射系数绝对值的平方，T是仿真中透射系数绝对值的平方，由于金属基底层存在，其可作为反射层，所以透射系数趋近于0，因此吸收率可简化为：A＝1-R。需要说明的是，R受不同金属影响，本实施例附图2-5是以铜为金属基底层来进行的仿真实验，R可通过相应的测量获知。

需要说明的是，本实施例太赫兹单元的基底金属层、中间介质层以及顶部结构层的内金属片、中间温控材料环形状不限于实施例中给出的正方形的形式。经过仿真实验，基底金属层、中间介质层、内金属片、中间温控材料环分别为边长不等的长方形，或基底金属层、中间介质层、内金属片、中间温控材料环分别为圆形，或基底金属层、中间介质层、内金属片、中间温控材料环分别为不规则形状等，太赫兹单元均具有高频阻带和低频通带的特性，且均具有温度可以控制低频通带的宽度以及高频阻带吸收率的特性。

综上所述，本实用新型太赫兹单元是具有温控可调的太赫兹超材料器件单元，温度可以控制温控材料的电导率，进而控制整个器件单元的性能。同时，本实用新型太赫兹单元是具有双功能的太赫兹超材料器件单元，器件单元工作的频段分为低频通带和高频阻带，在低频通带，温度可以控制器件的低频通道的带宽，可应用在温控带宽可调的滤波器。在高频阻带，温度可以控制其吸收率，可应用为温控吸收率可调的滤波器或者应用于温度传感等方面。

本实施例还提供一种太赫兹器件，所述太赫兹器件通过多个本实用新型实施例提供的太赫兹单元周期性排列而成，具体的，也即多个所述太赫兹单元依次成行成列排列，且相邻太赫兹单元的基底金属层抵靠对齐设置，相邻太赫兹单元的中间介质层抵靠对齐设置。

具体的，太赫兹单元的数量以及行、列的排列数量，根据具体的使用情况具体确定。

本实施例太赫兹器件是通过多个太赫兹单元抵靠周期排列而成的，其具有与本实用新型提供的太赫兹单元相同的有益效果。

本实用新型实施例还提供一种滤波器，所述滤波器上设置有本实用新型实施例提供的太赫兹器件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹单元，其特征在于，所述太赫兹单元包括上下依次设置的顶部结构层、中间介质层以及基底金属层；所述顶部结构层包括依次从内向外套设抵靠布置的内金属片、中间温控材料环以及外金属片；

所述外金属片的数量为多片，多片外金属片沿所述中间温控材料环的周向间隔设置；

所述内金属片、所述中间温控材料环的中心点重合，且所述基底金属层、中间介质层以及顶部结构层的中心点位于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的太赫兹单元，其特征在于，所述顶部结构层的面积小于所述中间介质层的面积，且所述顶部结构层的最外侧边缘位于所述中间介质层的边缘内侧。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹单元，其特征在于，所述基底金属层为正方形，所述中间介质层为正方形；

且所述基底金属层四条侧边与所述中间介质层的四条侧边分别平行设置。

4.根据权利要求3所述的太赫兹单元，其特征在于，所述中间介质层与所基底金属层的边长相同，且所述中间介质层与所述基底金属层的侧边分别对齐平行设置。

5.根据权利要求4所述的太赫兹单元，其特征在于，所述内金属片为正方形，所述中间温控材料环的内沿为与所述内金属片的外沿适配的正方形。

6.根据权利要求5所述的太赫兹单元，其特征在于，所述中间温控材料环的外沿呈正方形。

7.根据权利要求6所述的太赫兹单元，其特征在于，所述外金属片包括三片，分别为第一外金属片、第二外金属片和第三外金属片，所述第一外金属片和第二外金属片分别呈L型，所述第三外金属片呈条形；

所述第一外金属片和第二外金属片的顶角分别对应包覆在所述中间温控材料环的两个相邻的顶点上，且第一外金属片和第二外金属片位于所述中间温控材料环的同一侧边上的侧边间隔第一预设空隙设置，所述第一外金属片远离所述第二外金属片的侧边与所述第三外金属片设置在所述中间温控材料环的同一侧边上，且所述第一外金属片远离所述第二外金属片的侧边与所述第三外金属片间隔第二预设空隙设置；所述第二外金属片远离所述第一外金属片的侧边完全覆盖其对应的所述中间温控材料环的侧边。

8.根据权利要求7所述的太赫兹单元，其特征在于，所述第一预设空隙设置在其对应的所述中间温控材料环的侧边的中部，且第一预设空隙以所述其对应的所述中间温控材料环的侧边的中线对称；

所述第二预设空隙设置在其对应的所述中间温控材料环的侧边的中部，且第二预设空隙以其对应的所述中间温控材料环的侧边的中线对称。

9.一种太赫兹器件，其特征在于，所述太赫兹器件包括多个上述权利要求1-8任一项所述的太赫兹单元；

多个所述太赫兹单元依次成行成列排列，且相邻太赫兹单元的基底金属层抵靠对齐设置，相邻太赫兹单元的中间介质层抵靠对齐设置。

10.一种滤波器，其特征在于，所述滤波器上设置有权利要求9所述的太赫兹器件。