一種基于超穎材料的太赫茲三波段窄帶帶通濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超穎材料的太赫茲三波段窄帶帶通濾波器，包括嵌套的三個(gè)金屬方環(huán)諧振單元與介質(zhì)層和十字形金屬諧振單元組成的濾波器單元。本發(fā)明利用該濾波器單元，在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了三波段窄帶帶通濾波器。該濾波器的結(jié)構(gòu)單元具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，對(duì)太赫茲波入射偏振以及較大角度入射不敏感，依然維持良好的三波段濾波特性。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的三波段濾波特性來源于三個(gè)方環(huán)諧振單元各自所對(duì)應(yīng)的濾波特性的線性疊加，并且通過改變方環(huán)諧振單元的幾何尺寸來調(diào)控對(duì)應(yīng)的濾波頻段。基于此可以在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)更多波段濾波。本發(fā)明的濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、尺寸較小、加工方便，在太赫茲通訊、成像、光譜分析等太赫茲技術(shù)中有很高的實(shí)用價(jià)值。
【專利說明】
一種基于超穎材料的太赫茲三波段窄帶帶通濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超穎材料的太赫茲三波段窄帶 帶通濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波，又稱為亞毫米波，是波長處于毫米波和紅外光波之間的電磁波。近年 來，隨著太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲波在成像、通信、生物探測(cè)和國防 安檢等領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。要使太赫茲波得到廣泛而普遍的應(yīng)用，太赫茲波段器件的設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn)是必要的前提。
[0003] 在通訊系統(tǒng)中，帶通濾波器是一種重要的器件，它可以將特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào) 傳輸過去，而阻斷這個(gè)頻率范圍以外的信號(hào)，達(dá)到選擇傳輸?shù)哪康?。理想的帶通濾波器具有 如下的特征:通帶內(nèi)盡可能平滑、透過率盡可能高、帶外抑制盡可能好、極化不敏感以及大 角度入射穩(wěn)定等。由于樣品制作及測(cè)試的簡(jiǎn)易性，研究人員研究的較為深入的是微波段帶 通濾波器。但是，自然界中能與太赫茲波有效作用的材料非常有限，所以在現(xiàn)有的太赫茲技 術(shù)中太赫茲波段的帶通濾波器的設(shè)計(jì)，尤其是多波段帶的通濾波器，還非常缺乏。
[0004] 最近，一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域?yàn)樘掌澠骷膶?shí)現(xiàn)提供了新的思路，這就是超穎材 料。超穎材料是一種可以人工設(shè)計(jì)、滿足特定等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率要求的電磁材料。超穎 材料的每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于一個(gè)諧振器，在設(shè)計(jì)中優(yōu)化單個(gè)結(jié)構(gòu)的性能，然后將結(jié)構(gòu)單 元按照某種方式周期性地排列在一起，構(gòu)成了對(duì)電磁波進(jìn)行空間濾波的濾波器。比如，一個(gè) 典型的設(shè)計(jì)思路基于金屬-介質(zhì)-金屬(MDM)的三明治結(jié)構(gòu)，利用方環(huán)槽孔諧振結(jié)構(gòu)對(duì)入射 電磁波產(chǎn)生耦合響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了單波段寬帶濾波。然而，多波段帶通濾波器具有功能靈活、寬 角度入射穩(wěn)定和通帶選擇好等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲通訊系統(tǒng)中有著更大的應(yīng)用潛力，所以研究 和制造太赫茲多波段帶通濾波器具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服目前太赫茲單一波段帶通濾波器的不足，本發(fā)明提供一種基 于超穎材料的太赫茲三波段窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)，這種濾波器具有多波段濾波、極化不 敏感、寬角度入射穩(wěn)定和通帶選擇好等優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、尺寸較小、加工方便，在太赫茲 技術(shù)中具有很高的實(shí)用價(jià)值。
[0006] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 一種基于超穎材料的太赫茲三波段窄帶帶通濾波器，包括一個(gè)以上的在空間周期 正方排列的帶通濾波器模塊，所述帶通濾波器模塊包括第一結(jié)構(gòu)化金屬層、介質(zhì)層和第二 結(jié)構(gòu)化金屬層，所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層、介質(zhì)層和第二結(jié)構(gòu)化金屬層依次設(shè)置形成金屬-介 質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu);所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層為三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元按正方周期排 列構(gòu)成的金屬表面，這三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元分別為第一方環(huán)諧振單元（1)、第二方環(huán) 諧振單元(2)和第三方環(huán)諧振單元(3);所述第二結(jié)構(gòu)化金屬層為單個(gè)十字形金屬諧振單元 (6)按正方周期排列而構(gòu)成的金屬柵格;其中，嵌套的三個(gè)金屬方環(huán)諧振單元分別與介質(zhì)層 (5)和十字形金屬諧振單元(6)組成一種濾波器單元。
[0008] 優(yōu)選的:所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層、第二結(jié)構(gòu)化金屬層分別鍍?cè)诮橘|(zhì)層兩面。
[0009] 優(yōu)選的：所述帶通濾波器模塊的個(gè)數(shù)為25 X 25個(gè)，且25 X 25個(gè)濾波器單元在空間 周期正方排列。
[0010]優(yōu)選的:所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層和第二結(jié)構(gòu)化金屬層采用的材料為銅。
[0011] 優(yōu)選的:所述介質(zhì)層(5)采用的材料為聚酰亞胺，且介質(zhì)層(5)的相對(duì)介電常數(shù)ε = 2.9,損耗角正切 tan( δ) = 〇.〇2。
[0012] 優(yōu)選的：第一、第二結(jié)構(gòu)化金屬層的厚度均為180-220nm，所述介質(zhì)層(5)的厚度為 5ym〇
[0013]優(yōu)選的：三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元由外向內(nèi)其外邊長分別為57.2~58.2μπι、 42.8~43.2μπι和30.8~31.2μπι，寬均為2.8~3.2μπι，所述十字形金屬諧振單元長為59.8~ 60.24111，寬為0.8~1.241]1。
[0014] 優(yōu)選的：三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元由外向內(nèi)其外邊長分別為58μηι、43μηι和31μηι， 寬均為3μηι，所述十字形金屬諧振單元長為60μηι，寬為Ιμπι。
[0015] 有益效果:本發(fā)明提供的一種太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，相比現(xiàn)有 技術(shù)，具有以下有益效果：
[0016] 1、本發(fā)明太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器兼有多波段濾波、極化不敏感、 大角度入射穩(wěn)定以及通帶選擇好等特性，有望在太赫茲通訊技術(shù)和光譜分析等中發(fā)揮重要 的作用。
[0017] 2、本發(fā)明太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器與傳統(tǒng)的通濾波器相比，可同時(shí) 工作在三個(gè)頻段，而且性能穩(wěn)定，通帶選擇性高、插入損耗較低。
[0018] 3、本發(fā)明太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在介質(zhì)板兩側(cè)分 別周期性的刻蝕方環(huán)和十字形金屬諧振單元即可容易實(shí)現(xiàn)。模型優(yōu)化過程簡(jiǎn)便，調(diào)節(jié)各個(gè) 方環(huán)的長度和寬度即可達(dá)到所需濾波性能。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的濾波器結(jié)構(gòu)單元正視圖及參數(shù)尺寸；
[0020] 圖2是本發(fā)明的濾波器結(jié)構(gòu)單元立體示意圖；
[0021] 圖3是本發(fā)明的濾波器在電磁波斜入射時(shí)的多重反射-干涉過程物理模型示意圖； [0022]圖4是本發(fā)明的濾波器P2/空氣界面和P 1/空氣界面處透射和反射的幅度分布圖； [0023]圖5是本發(fā)明的濾波器P2/空氣界面和P 1/空氣界面處透射和反射的相位分布圖； [0024]圖6是本發(fā)明的濾波器電磁波垂直入射時(shí)的仿真(實(shí)線)和理論計(jì)算(虛線)透射譜 S21-f，其中S21是透射系數(shù)，f是頻率，單位是THz ;
[0025]圖7是本發(fā)明的濾波器電磁波TE極化下電磁波多角度入射(0°~30°)透射譜S21_f;
[0026] 圖8是本發(fā)明的濾波器電磁波TM極化下電磁波多角度入射(0°~30°)透射譜S21_f。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說明本 發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種 等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0028] 本發(fā)明提供的一種太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，包括一個(gè)以上的在空 間周期正方排列的帶通濾波器模塊，所述帶通濾波器模塊包括第一結(jié)構(gòu)化金屬層(4)、介質(zhì) 層(5)和第二結(jié)構(gòu)化金屬層，采用典型的金屬-介質(zhì)-金屬(MDM)三明治結(jié)構(gòu)。所述介質(zhì)層(5) 兩面鍍有金屬層，分別為第一結(jié)構(gòu)化金屬層(4)和第二結(jié)構(gòu)化金屬層，所述第一結(jié)構(gòu)化金屬 層(4)為三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元按正方周期排列構(gòu)成的金屬表面，這三個(gè)嵌套金屬方 環(huán)諧振單元分別為第一方環(huán)諧振單元(1)、第二方環(huán)諧振單元(2)和第三方環(huán)諧振單元(3)。 所述第二結(jié)構(gòu)化金屬層為單個(gè)十字形金屬諧振單元6按正方周期排列而構(gòu)成的金屬柵格。 對(duì)應(yīng)的嵌套的三個(gè)金屬方環(huán)諧振單元、介質(zhì)層(5)和一個(gè)十字形金屬諧振單元(6)組成一種 濾波器單元。25 X 25個(gè)帶通濾波器模塊在空間周期正方排列組成所述太赫茲三波段超材料 窄帶帶通濾波器。
[0029] 所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層和第二結(jié)構(gòu)化金屬層采用的材料為銅。
[0030] 所述介質(zhì)層(5)采用的材料為聚酰亞胺，且介質(zhì)層(5)的相對(duì)介電常數(shù)ε = 2.9,損 耗角正切tan(5) = 〇.〇2。
[0031 ]第一、第二結(jié)構(gòu)化金屬層的厚度均為180_220nm，所述介質(zhì)層(5)的厚度為5μηι。 [0032] 三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元由外向內(nèi)其外邊長分別為57.2~58.2μπι、42.8~43.2 μL?和30.8~31.2μL?，寬均為2.8~3.2μL?，所述十字形金屬諧振單元長為59.8~60.2μL?，寬為 0.8~1.2μηι，這樣大小的濾波器電磁波親合小。最佳的大小為:三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元 由外向內(nèi)其外邊長分別為58μηι、43μηι和31μηι，寬均為3μηι，所述十字形金屬諧振單元長為60μ m，寬為 Ιμπι。
[0033]本發(fā)明應(yīng)用大型三維電磁仿真軟件CST Microwave Studio?對(duì)濾波器進(jìn)行濾波特 性仿真，獲得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)單元幾何參數(shù)。如圖1所示，本發(fā)明的濾波器結(jié)構(gòu)單元正視圖，單元 周期為Ρ = 60μηι，金屬方環(huán)諧振單元⑴的外邊長為sli = 58ym，寬度為wi = 3ym，金屬方環(huán)諧 振單元⑵的外邊長為sl2 = 43ym，寬度為W2 = 3ym，金屬方環(huán)諧振單元(3)的外邊長為sh = 31μηι，寬度為W3 = 3ym，十字形金屬諧振單元(6)的長度為sl4=60ym，寬度為W4=lym。如圖2 所示，本發(fā)明的濾波器結(jié)構(gòu)單元立體示意圖，所示第一、第二結(jié)構(gòu)化金屬層的厚度均為U = 180~220nm，介質(zhì)層的厚度為td = 5ym。
[0034] 本發(fā)明實(shí)例中，所述第一、第二結(jié)構(gòu)化金屬層采用的材料為銅，所述介質(zhì)層采用的 材料為PI(聚酰亞胺，相對(duì)介電常數(shù)ε = 2.9,損耗角正切tan(S)=〇.〇2)。
[0035] 為了闡明濾波器的物理機(jī)制，本發(fā)明采用多重反射-干涉理論，對(duì)本發(fā)明的帶通濾 波器的電磁特性進(jìn)行理論計(jì)算，并與CST軟件仿真結(jié)果對(duì)比。
[0036] 如圖3所示，本發(fā)明的濾波器在電磁波斜入射時(shí)的多重反射-干涉過程物理模型示 意圖。物理模型中包含兩個(gè)交界面:上層金屬超表面PdP下層金屬柵格p 2。假定一束入射角 度為Ct1的電磁波入射到本發(fā)明的濾波器上，在空氣/P1界面，入射波被分成兩個(gè)部分，一部分
被反射到空氣中，相應(yīng)的反射系數(shù)? 同時(shí)另一部分透射到介質(zhì)中，相應(yīng)的透 Q
射系數(shù)） 然后透射的電磁波入射到P2/空氣界面，一部分通過介質(zhì)被反射到 O P1，相應(yīng)的反射系數(shù)為
另一部分穿過P2透射到空氣中，相應(yīng)的透射系數(shù)為
同樣地，整個(gè)過程的反射和透射是在相應(yīng)的空氣/P1界面和P 2/空氣界面處 多次反射和透射的疊加：
[0037]
[0038] 其中，所有的變量以及含義均標(biāo)注在圖3中，f表示透射系數(shù)的復(fù)數(shù)形式，t12表示空 氣/P1界面處透射系數(shù)的幅度，t 23表示P2/空氣界面處透射系數(shù)的幅度，θ12表示空氣/^界面 處透射系數(shù)的相位，θ 23表示P2/空氣界面處透射系數(shù)的相位，r21表示空氣/P1界面處反射系 數(shù)的幅度，r 23表示P2/空氣界面處反射系數(shù)的幅度，Φ21表示空氣/P1界面處反射系數(shù)的相 位，Φ 23表示P2/空氣界面處反射系數(shù)的相位，i表示虛數(shù)單位，β是入射波在介質(zhì)中來回傳播 的相位差，即為：
[0039] y 、 ⑵
[0040] ⑶
[0041] 其中，k〇表不自由空間波矢，d表不介質(zhì)層厚度，式paeei.表不介質(zhì)層材料介電常數(shù)的 復(fù)數(shù)形式，as表示P2/空氣界面處的反射角度。
[0042] 本發(fā)明的濾波器透射系數(shù)T計(jì)算為：
[0043]
(4)
[0044] 其中，Γ表示透射系數(shù)?的復(fù)共輒。
[0045]本發(fā)明的濾波器理論計(jì)算利用CST仿真軟件建立解耦模型來計(jì)算空氣/P1界面和 P2/空氣界面的透射系數(shù)和反射系數(shù)。在濾波器結(jié)構(gòu)單元中移除P1來計(jì)算P2/空氣界面處透 射和反射的幅度和相位分布，移除P 2來計(jì)算P1/空氣界面處透射和反射的幅度和相位分布。 [0046]如圖4和圖5所示，本發(fā)明的濾波器P 2/空氣界面和P1/空氣界面處透射和反射的幅 度和相位分布。將圖中對(duì)應(yīng)的參數(shù)值帶入到公式(4)中計(jì)算得到本發(fā)明的濾波器透射系數(shù)。 [0047]如圖6所示，本發(fā)明的濾波器電磁波垂直入射時(shí)的CST仿真(實(shí)線）和理論計(jì)算(虛 線)透射譜s 21-f，其中S21是透射系數(shù)，f是頻率，單位是THz。理論計(jì)算和CST仿真的結(jié)果吻合 的很好。由于濾波器結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，在電磁波垂直入射時(shí)，本發(fā)明的帶通濾波器濾波 器在頻率€i = 0.42THz、f 2 = 1.26THz、f 3 = 1.86THz存在三個(gè)透射峰，通帶狹窄，屬于窄帶帶 通濾波器，其通帶選擇性高，插入損耗較低。
[0048]本發(fā)明濾波器不僅在電磁波垂直入射時(shí)具有好的性能表現(xiàn)，而且在大角度入射時(shí) 依然具有很穩(wěn)定的性能。應(yīng)用CST軟件進(jìn)行仿真，獲得本發(fā)明的濾波器在在TE、TM兩種極化 方式下電磁波多角度入射(0°~30°)透射譜S 21-f。如圖7和圖8所示，分別為電磁波TE和TM極 化下電磁波多角度入射(0°~30°)透射譜S21-f。可以看出，盡管在大角度入射下，三個(gè)透射 峰依然維持較高的透過率，并且透射峰的位置沒有出現(xiàn)很明顯的頻移，表明本發(fā)明的太赫 茲三波段帶通濾波器具有大角度入射穩(wěn)定和無偏振依賴性的優(yōu)點(diǎn)。
[0049] 我們分析了濾波器結(jié)構(gòu)單元與濾波器透射譜的關(guān)系，揭示了本發(fā)明窄帶帶通濾波 器三波段濾波機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn):三個(gè)透射峰的頻率分別來源于第一方環(huán)諧振單元 (1)、第二方環(huán)諧振單元(2)和第三方環(huán)諧振單元(3)的獨(dú)立諧振，而且諧振頻率與方環(huán)邊長 成反比。因此，可以利用多個(gè)閉合環(huán)的嵌套組合來實(shí)現(xiàn)多波段的濾波器設(shè)計(jì)，同時(shí)通過改變 方環(huán)諧振單元的幾何尺寸來調(diào)控對(duì)應(yīng)的濾波頻段。本發(fā)明也為其他太赫茲多波段帶通濾波 器的設(shè)計(jì)提供了重要的參考。
[0050] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超穎材料的太赫茲三波段窄帶帶通濾波器，其特征在于:包括一個(gè)以上的 在空間周期正方排列的帶通濾波器模塊，所述帶通濾波器模塊包括第一結(jié)構(gòu)化金屬層、介 質(zhì)層和第二結(jié)構(gòu)化金屬層，所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層、介質(zhì)層和第二結(jié)構(gòu)化金屬層依次設(shè)置 形成金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu);所述第一結(jié)構(gòu)化金屬層為三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元按 正方周期排列構(gòu)成的金屬表面，這三個(gè)嵌套金屬方環(huán)諧振單元分別為第一方環(huán)諧振單元 (1 )、第二方環(huán)諧振單元(2)和第三方環(huán)諧振單元(3);所述第二結(jié)構(gòu)化金屬層為單個(gè)十字形 金屬諧振單元(6)按正方周期排列而構(gòu)成的金屬柵格;其中，嵌套的三個(gè)金屬方環(huán)諧振單元 分別與介質(zhì)層(5)和十字形金屬諧振單元(6)組成一種濾波器單元。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于:所述第 一結(jié)構(gòu)化金屬層、第二結(jié)構(gòu)化金屬層分別鍍?cè)诮橘|(zhì)層正反兩面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于:所述帶 通濾波器模塊的個(gè)數(shù)為25 X 25個(gè)，且25 X 25個(gè)濾波器單元在空間周期正方排列。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于:所述第 一結(jié)構(gòu)化金屬層和第二結(jié)構(gòu)化金屬層采用的材料為銅。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于:所述介 質(zhì)層(5)采用的材料為聚酰亞胺，且介質(zhì)層(5)的相對(duì)介電常數(shù)ε = 2.9,損耗角正切tan(S) =0.02〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于：第一、 第二結(jié)構(gòu)化金屬層的厚度均為180-220nm〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于:三個(gè)嵌 套金屬方環(huán)諧振單元由外向內(nèi)其外邊長分別為57 · 2~58 · 2μπι、42 · 8~43 · 2μπι和30 · 8~31 · 2 μπι，寬均為2.8~3.2μπι，所述十字形金屬諧振單元長為59.8~60.2μπι，寬為0.8~1.2μπι。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲三波段超穎材料窄帶帶通濾波器，其特征在于:三個(gè)嵌 套金屬方環(huán)諧振單元由外向內(nèi)其外邊長分別為58μηι、43μηι和31μηι，寬均為3μηι，所述十字形 金屬諧振單元長為60μηι，寬為Ιμπι。
【文檔編號(hào)】H01P1/20GK106058394SQ201610659935
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月11日 公開號(hào)201610659935.X, CN 106058394 A, CN 106058394A, CN 201610659935, CN-A-106058394, CN106058394 A, CN106058394A, CN201610659935, CN201610659935.X
【發(fā)明人】李海鵬, 付文悅, 沈曉鵬, 韓奎
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)