本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器。

背景技術(shù)：

太赫茲波(Terahertz，簡稱THz)通常定義為處于0.1THz到10THz頻率范圍內(nèi)的電磁波,在電磁波譜中位于微波與紅外之間，具有不同于其他電磁輻射的特殊性能。太赫茲波具有非電離、安全性高和穿透性好的特性，不會破壞被探測物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及本征屬性，廣泛用于機(jī)場、海關(guān)、車站和碼頭等地方的安全監(jiān)測。太赫茲波還具有很好的指紋譜特性，許多非極性物質(zhì)在太赫茲頻段具有特征吸收峰，是進(jìn)行物質(zhì)鑒別的重要工具。

在通信頻率日漸捉襟見肘的今天，太赫茲波段的利用顯得尤其重要。太赫茲濾波器用于選擇適用的太赫茲波，并祛除不需要的雜質(zhì)信號，太赫茲濾波器是太赫茲技術(shù)廣泛應(yīng)用中不可缺少的關(guān)鍵元件之一。

目前，已有文獻(xiàn)報道的太赫茲帶通濾波器大多是采用金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，這類濾波器制作完成后，只能通過特定頻率或頻帶的太赫茲波，通帶中心頻率位置和透射功率都不可調(diào)節(jié)，因而大大限制了器件的應(yīng)用范圍。然而，在許多實際應(yīng)用領(lǐng)域，要求太赫茲帶通濾波器的中心頻率位置和透射功率能夠進(jìn)行動態(tài)調(diào)控。

超材料是指通過微納加工方法制作而成、具有特殊電磁特性的復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)，一般由覆于電介質(zhì)表面的亞波長尺寸的金屬膜結(jié)構(gòu)周期性排列組合而成，由其實現(xiàn)太赫茲帶通濾波器。但目前出現(xiàn)了的有關(guān)報道中，基于超材料的太赫茲帶通濾波器有些中心頻率不可調(diào)，有些調(diào)節(jié)范圍較窄或調(diào)節(jié)難，仍需改進(jìn)才能實用。例如上海師范大學(xué)的發(fā)明專利申請CN104201443A“一種雙頻太赫茲帶通濾波器”公開了一種基于半絕緣砷化鎵表面采用鏤空的互補(bǔ)型開口諧振環(huán)單元的雙頻率太赫茲帶通濾波器的設(shè)計與制作，通過調(diào)整C-SRR內(nèi)徑、外徑、開口寬度、周期結(jié)構(gòu)，獲得低頻和高頻共振。利用兩種共振的電磁相互作用實現(xiàn)兩個共振頻率之間能量轉(zhuǎn)換，在兩個波段上達(dá)到相同透射強(qiáng)度的太赫茲輸出。但此結(jié)構(gòu)的濾波器制備完成后中心頻率位置和透射功率無法動態(tài)調(diào)控。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器。該雙帶動態(tài)可調(diào)太赫茲帶通濾波器邊緣為雙向靜電梳齒驅(qū)動器，中央為陣列單元。每一個陣列單元包含兩個開口相對的開口環(huán)諧振器和位于中央的一字形結(jié)構(gòu)。一字形結(jié)構(gòu)與可動框架連接，當(dāng)一字形結(jié)構(gòu)位于單元中央時，濾波器對電場矢量E沿著與一字形結(jié)構(gòu)平行方向入射的太赫茲波產(chǎn)生兩個透射功率近似相等的通帶。通過雙向靜電梳齒驅(qū)動器驅(qū)動可動框架和一字形結(jié)構(gòu)運(yùn)動，改變一字形結(jié)構(gòu)和開口環(huán)諧振器之間的間距，從而實現(xiàn)對其中太赫茲帶通濾波器兩個通帶中心頻率處透射功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，使其實現(xiàn)由雙帶向單帶的變換。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：設(shè)計一種雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器，濾波器中央的二維陣列位于硅基底的通孔上，所述二維陣列由多個相連的陣列單元構(gòu)成。每一個陣列單元包括兩個開口環(huán)諧振器和一個一字形結(jié)構(gòu)，開口環(huán)諧振器和一字形結(jié)構(gòu)均為硅主體，其頂面為金屬層，高度相同。開口環(huán)諧振器為矩形環(huán)，其中一邊有開口，開口的中心線與該邊的中心線重合，兩個開口環(huán)諧振器的開口寬度不同，一字形結(jié)構(gòu)位于兩個開口環(huán)諧振器的之間與兩個開口環(huán)諧振器的有開口的邊平行，兩個開口環(huán)諧振器的開口各朝向一字形結(jié)構(gòu)的一側(cè)。

二維陣列中同一行內(nèi)相鄰的開口環(huán)諧振器相互連接并固定于二維陣列外側(cè)硅基底的錨點上，同一行的一字形結(jié)構(gòu)相互連接。

本發(fā)明的太赫茲帶通濾波器還有一個可動框架和多個靜電梳齒驅(qū)動器?？蓜涌蚣転榫匦慰蚣埽自诙S陣列外圍，二維陣列結(jié)構(gòu)中的一字形結(jié)構(gòu)與可動框架相連。多個靜電梳齒驅(qū)動器對稱地固定安裝于可動框架左右外側(cè)的硅基底上。靜電梳齒驅(qū)動器的固定梳齒和活動梳齒交錯排列、各連接不同的電極，靜電梳齒驅(qū)動器的活動梳齒與可動框架外側(cè)相連接。多個靜電梳齒驅(qū)動器分為驅(qū)動力相等的兩組，兩組的靜電梳齒驅(qū)動器的活動梳齒移動方向相反。

靜電梳齒驅(qū)動器的活動梳齒在直流電壓驅(qū)動下移動時帶動可動框架移動?？蓜涌蚣軒右蛔中谓Y(jié)構(gòu)運(yùn)動，改變一字形結(jié)構(gòu)和兩個開口環(huán)諧振器之間的間距，從而調(diào)節(jié)本帶通濾波器兩個通帶中心頻率處的透射幅值。當(dāng)一字形結(jié)構(gòu)向窄口開口環(huán)諧振器運(yùn)動時，高頻帶的幅值將逐漸增加，低頻帶的幅值將逐漸減小近于零，本濾波器的高頻帶歸一化透射功率達(dá)到最大。相反，當(dāng)一字形結(jié)構(gòu)向?qū)捒陂_口環(huán)諧振器運(yùn)動時，低頻帶的幅值將逐漸增加，高頻帶的幅值將逐漸減小近于零，最終本濾波器的低頻帶歸一化透射功率達(dá)至最大。即通過一字形結(jié)構(gòu)的移動來動態(tài)調(diào)節(jié)本濾波器兩個頻帶的透射功率。

所述開口環(huán)諧振器和一字形結(jié)構(gòu)頂面的金屬層為金層、銀層、銅層和鋁層中的任一種，厚度為0.05～1.0微米。

所述的開口環(huán)諧振器和一字形結(jié)構(gòu)的硅主體厚度為10～100微米。

所述二維陣列每個陣列單元的長或?qū)挒?0～300微米。

所述每個陣列單元中的開口環(huán)諧振器的線寬度相同為3～15微米，窄口開口環(huán)諧振器的開口寬度為2～10微米，寬口開口環(huán)諧振器的開口寬度為10～55微米，一字形結(jié)構(gòu)的線寬度為6～20微米。

所述每個陣列單元中的開口環(huán)諧振器的有開口的邊及其對邊的長度為100～150微米、線寬度為6～15微米，另兩邊，即開口環(huán)諧振器的兩腰長度為35～55微米、線寬度為3～20微米。

所述開口環(huán)諧振器有開口的邊與相鄰的一字形結(jié)構(gòu)的邊之間的距離為2～10微米。

所述可動框架和靜電梳齒驅(qū)動器主體也為硅，其厚度等于開口環(huán)諧振器或一字形結(jié)構(gòu)硅主體的厚度。

所述靜電梳齒驅(qū)動器的固定梳齒的主體硅與硅基體之間有絕緣層。

可動框架的前后外側(cè)連接復(fù)位彈簧的一端，復(fù)位彈簧另一端固定于硅基底。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種雙帶動態(tài)可調(diào)太赫茲帶通濾波器的優(yōu)點為：1、陣列單元中一字形結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，改變一字形結(jié)構(gòu)和兩個開口環(huán)諧振器之間的間距，即可動態(tài)調(diào)節(jié)太赫茲帶通濾波器兩個通帶中心頻率對應(yīng)的透射功率，以實現(xiàn)雙帶向單帶的轉(zhuǎn)變，提高了太赫茲帶通濾波器的頻率選擇能力，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍；2、若將本濾波器通過雙帶視為編碼“11”，則調(diào)節(jié)為單帶后編碼即為“10”或“01”，本帶通濾波器即可用于對通過的太赫茲光譜進(jìn)行二進(jìn)制編碼。

附圖說明

圖1為本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例俯視示意圖；

圖2為本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例一個陣列單元立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例一個陣列單元俯視示意圖；

圖4為圖1中A-A剖面示意圖；

圖5為圖3的P向視圖；

圖6為本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例2X2陣列俯視示意圖；

圖7為本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例中一字形結(jié)構(gòu)向窄口開口環(huán)諧振器移動，間距g₁分別為4微米，2微米，1微米，0微米時對應(yīng)的歸一化透射功率曲線圖；

圖8本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例中一字形結(jié)構(gòu)向?qū)捒陂_口環(huán)諧振器移動，間距分別為4微米，2微米，1微米，0微米時對應(yīng)的歸一化透射功率曲線圖。

圖中標(biāo)號：1、陣列單元，11、寬口開口環(huán)諧振器，12、一字形結(jié)構(gòu)，13、窄口開口環(huán)諧振器，14、金屬層，15、硅主體，2、可動框架，3、A電極，4、靜電梳齒驅(qū)動器，41、絕緣層，5、錨點，6、B電極，7、C電極，8、復(fù)位彈簧，9、D電極，10、硅基底。

a、開口環(huán)諧振器的矩形長度，b、開口環(huán)諧振器的矩形寬度，c、一字形結(jié)構(gòu)的線寬，d、開口環(huán)諧振器的長邊(開口邊和對邊)的線寬，e、窄口開口環(huán)諧振器的短邊線寬，f、寬口開口環(huán)諧振器的短邊線寬，W₁、窄口開口環(huán)諧振器的開口寬度，W₂、寬口開口環(huán)諧振器的開口寬度，g₁、一字形結(jié)構(gòu)與窄口開口環(huán)諧振器的間距，g₂、一字形結(jié)構(gòu)與寬口開口環(huán)諧振器的間距。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例。

本雙帶動態(tài)可調(diào)的太赫茲帶通濾波器實施例如圖1所示，包括由多個陣列單元1相連構(gòu)成的二維陣列，一個可動框架2，多個靜電梳齒驅(qū)動器4，多個錨點5以及多個電極。

如圖5所示，濾波器中央的二維陣列位于硅基底9的通孔上，所述二維陣列由多個相連的陣列單元1構(gòu)成。如圖2和3所示，每一個陣列單元包括兩個開口環(huán)諧振器11、13和一個一字形結(jié)構(gòu)12。開口環(huán)諧振器11、13為矩形環(huán)，其中一邊有開口，開口的中心線與該邊的中心線重合。本例窄口開口環(huán)諧振器的開口寬度為3微米，寬口開口環(huán)諧振器的開口寬度為26微米。兩個開口環(huán)諧振器11、13有開口的邊及對邊長度均為120微米、線寬均為12微米，兩個開口環(huán)諧振器11、13的兩腰、即另一對邊的長度均為44微米。窄口開口環(huán)諧振器的兩腰線寬度為7微米，寬口開口環(huán)諧振器的兩腰線寬為8微米。

一字形結(jié)構(gòu)12位于兩個開口環(huán)諧振器11、13之間，與兩個開口環(huán)諧振器11、13的有開口的邊平行，兩個開口環(huán)諧振器11、13的開口各朝向一字形結(jié)構(gòu)12的一側(cè)。一字形結(jié)構(gòu)3的線寬度為14微米，長度為120微米。

如圖3所示，本例窄口開口環(huán)諧振器11的有開口的邊與相鄰的一字形結(jié)構(gòu)12的邊之間的距離為二者的間距g₁，寬口開口環(huán)諧振器13的有開口的邊與相鄰的一字形結(jié)構(gòu)12的邊之間的距離為二者的間距g₂，本例g₁和g₂均為0～10微米，即g₁和g₂最小值為0微米，一字形結(jié)構(gòu)12的側(cè)邊可以與兩個開口環(huán)諧振器11、13中的一個相接觸。

如圖6所示，本例二維陣列中同一行內(nèi)相鄰的開口環(huán)諧振器11、13相互連接并固定于錨點5，錨點5固定安裝于二維陣列外側(cè)硅基底10上，同一行的一字形結(jié)構(gòu)12相互連接，兩端與可動框架2相連接。

如圖4、5所示，開口環(huán)諧振器11、13和一字形結(jié)構(gòu)12均為硅主體15，厚度均為25微米；硅主體15頂面為金屬層15，本例為金層，厚0.65微米。

如圖1所示，本例可動框架2為矩形框架，套在二維陣列外圍，N個相同的靜電梳齒驅(qū)動器4對稱地固定安裝于可動框架2左右外側(cè)的硅基底10上。N個靜電梳齒驅(qū)動器4分為驅(qū)動力相等的前后兩組，前組左右各N/4個，后組也是左右各N/4個。前組的靜電梳齒驅(qū)動器4的固定梳齒分別與左、右的B電極連接，B電極固定安裝于二維陣列外側(cè)硅基底10上，前組的靜電梳齒驅(qū)動器的活動梳齒與二維陣列前半部的可動框架2連接，可動框架2連接其前方的A電極，A電極固定安裝于二維陣列外側(cè)硅基底10上。后組情況與前組類似，后組的靜電梳齒驅(qū)動器的固定梳齒分別與左、右的C電極連接，C電極固定安裝于二維陣列外側(cè)硅基底10上，后組的靜電梳齒驅(qū)動器的活動梳齒與二維陣列后半部的可動框架2連接，可動框架2連接其后方的D電極，D電極固定安裝于二維陣列外側(cè)硅基底10上。

本例可動框架2和靜電梳齒驅(qū)動器4的主體也為硅，其厚度等于25微米。本例靜電梳齒驅(qū)動器4的固定梳齒的主體硅與硅基體10之間有絕緣層41。

本例可動框架2的前后外側(cè)連接復(fù)位彈簧8的一端，復(fù)位彈簧8另一端固定于硅基底10。

本例當(dāng)驅(qū)動電壓U₁施加在A電極和B電極之間時前組的靜電梳齒驅(qū)動器4的活動梳齒帶動可動框架2向前方移動，即一字形結(jié)構(gòu)12向窄口開口環(huán)諧振器11靠近，圖7所示為間距g₁為4微米，2微米，1微米，0微米時對應(yīng)的歸一化透射功率曲線對比圖。圖7中可明顯看到g₁為0微米時，頻率低于0.8THz的歸一化透射功率近于0，但在高頻0.98THz歸一化透射功率達(dá)到峰值0.69。

本例當(dāng)驅(qū)動電壓U₂施加在C電極和D電極之間時后組的靜電梳齒驅(qū)動器4的活動梳齒帶動可動框架2向后方移動，即一字形結(jié)構(gòu)12向?qū)捒陂_口環(huán)諧振器13靠近，圖8所示為間距g₂為4微米，2微米，1微米0微米時對應(yīng)的歸一化透射功率曲線對比圖。圖8中可明顯看到g₂為0微米時，在頻率高于0.8THz的歸一化透射功率近于0，但在低頻0.63THz歸一化透射功率達(dá)到峰值0.69。

由圖7和8中可見，隨著施加的驅(qū)動電壓不同，一字形結(jié)構(gòu)12向不同方向移動，引起間距g₁和g₂的改變，即可調(diào)節(jié)本太赫茲帶通濾波器的高頻和低頻通帶中心頻率的歸一化透射功率。

上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。