[發明專利]基于頻率選擇表面的多層互補結構太赫茲帶通濾波器

無效

• 申請號: 201310475925.7
• 申請日: 2013-10-12
• 公開（公告）號: CN103490125A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 蘭峰;楊梓強;史宗君
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01P1/20
• 分類號: H01P1/20
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所 51215
• 代理人: 劉勛

技術領域

本發明屬于電磁波傳輸功能器件技術領域，特別涉及太赫茲帶通濾波器。

背景技術

太赫茲（THz）波通常是指頻率范圍在0.1THz～10THz內的電磁波，介于毫米波與紅外光之間，同時具有微波與紅外光的特性，其特點是波束寬度適中、系統帶寬較大，十分有利于目標探測成像、高速率大容量通信。

人工電磁材料（Electromagnetic?metamaterial）或復合材料（composite?material）可以突破自然界已有材料的介電常數和磁導率變化自由度的限制，在調控電磁波方面展現出巨大的應用潛力。人工電磁材料是通過在兩種或兩種以上的傳統媒質材料中（如金屬和介質）設計某種人工結構單元，周期性或非周期性的組合在一起，構成可以自由調控電磁波傳輸性質的人工超材料。頻率選擇表面（FSS-Frequency?Selective?Surfaces）是人工電磁材料中的熱點研究領域，是一種能夠對電磁波的不同諧振頻率、入射角、極化方式發生全反射或全透射的二維周期陣列結構,與電磁波相互作用表現出明顯的帶通（孔徑型單元）或帶阻（貼片型單元）的濾波特性。由于FSS對電磁波具有選擇透過性，可以廣泛應用于雷達罩的RCS減縮、空間濾波器、極化器、吸波材料改性等領域。

濾波器是微波電路和系統中極為重要的無源器件，但隨著波長的進一步縮短，傳統波導型濾波器難以滿足太赫茲波段的實際需求。FSS實現太赫茲波段帶通濾波器主要是通過CELCs(Complementary?Electric–LC?Structure)和SRRs(（Split?ring?resonances）兩種周期諧振結構形式實現濾波。2011年4月美國的Mingzhi?Lu等人在文獻中給出了一種250GHz的互補ELC諧振結構的二階帶通濾波器。該濾波器具有具有二階帶通濾波的特點，Q值較高，帶外陡峭。但插入損耗較大，帶內平坦度較差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種Q值高、插入損耗小、帶內波紋平坦、帶外抑制明顯、結構簡單、尺寸小、調控方便、易于加工的一種基于頻率選擇表面的太赫茲通濾波器。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，基于頻率選擇表面的多層互補結構太赫茲帶通濾波器，其特征在于，包括襯底介質基片和設置于襯底介質基片上下表面的兩個頻率選擇表面層；兩個頻率選擇表面層相對設置，結構相同；每個頻率選擇表面層包括N×N矩陣排列的諧振單元；N≥30。

所述諧振單元由中間鏤空的正方形金屬片形成，鏤空區域為圓形；在鏤空區，沿金屬片對角線方向，每隔90度通過支臂跨接一個環形加載。

進一步的說，4個支臂和環形加載為中心對稱設置，對稱中心和鏤空區域的圓心重合，也和金屬片的中心重合。

所述襯底介質基片材料采用晶向為0001的單晶石英晶體，介電常數為4.41，磁導率為1，損耗正切為0.0004，厚度為d,d為百微米量級。

正方形金屬片的邊長為a,中間圓形鏤空的半徑為r₁，a和r₁為百微米量級。

每個支臂的長度為w₁，寬度為s，w₁和s為十微米量級。

通過支臂跨接的環形加載的內外半徑分別是r₂和r₃，環形加載在沿方形金屬邊框中心線方向斷開，開口寬度為w₂，r₂、r₃和w₂為十微米量級。

金屬諧振結構的線條材料為Au、Ag、Cu、Al或Ti/Pt/Au合金，厚度h為百納米量級。

本發明首次利用四支臂環形加載CELCs諧振結構，插入損耗小，帶內波紋平坦，帶外抑制明顯。具體的說，具有如下優點：

1）本發明利用微納制造技術加工，相對于利用表面等離子體、電光晶體等結構實現太赫茲濾波器，本發明結構簡單、體積小、易于加工、可控精度高、成本較低；

2）本發明通過對諧振單元關鍵結構參數和基底厚度的調整改善單元間的耦合效應和諧振效應，可以實現理想的矩形系數、降低帶內傳輸損耗、提高帶內平坦度；

3）本發明可以在微波到太赫茲頻段內靈活調節工作的通帶范圍，實現二階、三階甚至更高階的帶通濾波。本發明對太赫茲傳輸功能器件和檢測器件的發展有重要的應用價值。

附圖說明

圖1為本發明提供的基于頻率選擇表面的多層互補結構太赫茲帶通濾波器的三維結構示意圖；