本发明专利技术公开了一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，包括嵌套的三个金属方环谐振单元与介质层和十字形金属谐振单元组成的滤波器单元。本发明专利技术利用该滤波器单元，在太赫兹波段实现了三波段窄带带通滤波器。该滤波器的结构单元具有旋转对称性，对太赫兹波入射偏振以及较大角度入射不敏感，依然维持良好的三波段滤波特性。这种复合结构的三波段滤波特性来源于三个方环谐振单元各自所对应的滤波特性的线性叠加，并且通过改变方环谐振单元的几何尺寸来调控对应的滤波频段。基于此可以在太赫兹波段实现更多波段滤波。本发明专利技术的滤波器设计简单、尺寸较小、加工方便，在太赫兹通讯、成像、光谱分析等太赫兹技术中有很高的实用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太赫兹波
，尤其涉及一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器。
技术介绍
太赫兹波，又称为亚毫米波，是波长处于毫米波和红外光波之间的电磁波。近年来，随着太赫兹波的产生和探测技术的不断发展，太赫兹波在成像、通信、生物探测和国防安检等领域的应用备受关注。要使太赫兹波得到广泛而普遍的应用,太赫兹波段器件的设计与实现是必要的前提。在通讯系统中，带通滤波器是一种重要的器件，它可以将特定频率范围内的信号传输过去，而阻断这个频率范围以外的信号，达到选择传输的目的。理想的带通滤波器具有如下的特征：通带内尽可能平滑、透过率尽可能高、带外抑制尽可能好、极化不敏感以及大角度入射稳定等。由于样品制作及测试的简易性，研究人员研究的较为深入的是微波段带通滤波器。但是，自然界中能与太赫兹波有效作用的材料非常有限，所以在现有的太赫兹技术中太赫兹波段的带通滤波器的设计，尤其是多波段带的通滤波器，还非常缺乏。最近，一个快速发展的领域为太赫兹器件的实现提供了新的思路，这就是超颖材料。超颖材料是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。超颖材料的每一个结构单元相当于一个谐振器，在设计中优化单个结构的性能，然后将结构单元按照某种方式周期性地排列在一起，构成了对电磁波进行空间滤波的滤波器。比如，一个典型的设计思路基于金属-介质-金属(MDM)的三明治结构，利用方环槽孔谐振结构对入射电磁波产生耦合响应，实现了单波段宽带滤波。然而，多波段带通滤波器具有功能灵活、宽角度入射稳定和通带选择好等优点，在太赫兹通讯系统中有着更大的应用潜力，所以研究和制造太赫兹多波段带通滤波器具有非常重要的意义。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服目前太赫兹单一波段带通滤波器的不足，本专利技术提供一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器的设计，这种滤波器具有多波段滤波、极化不敏感、宽角度入射稳定和通带选择好等优点，而且设计简单、尺寸较小、加工方便，在太赫兹技术中具有很高的实用价值。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层依次设置形成金属-介质-金属三明治结构；所述第一结构化金属层为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)；所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元(6)按正方周期排列而构成的金属栅格；其中，嵌套的三个金属方环谐振单元分别与介质层(5)和十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元。优选的：所述第一结构化金属层、第二结构化金属层分别镀在介质层两面。优选的：所述带通滤波器模块的个数为25×25个，且25×25个滤波器单元在空间周期正方排列。优选的：所述第一结构化金属层和第二结构化金属层采用的材料为铜。优选的：所述介质层(5)采用的材料为聚酰亚胺，且介质层(5)的相对介电常数ε＝2.9，损耗角正切tan(δ)＝0.02。优选的：第一、第二结构化金属层的厚度均为180-220nm，所述介质层(5)的厚度为5μm。优选的：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为57.2～58.2μm、42.8～43.2μm和30.8～31.2μm，宽均为2.8～3.2μm，所述十字形金属谐振单元长为59.8～60.2μm，宽为0.8～1.2μm。优选的：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为58μm、43μm和31μm，宽均为3μm，所述十字形金属谐振单元长为60μm，宽为1μm。有益效果：本专利技术提供的一种太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，相比现有技术，具有以下有益效果：1、本专利技术太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器兼有多波段滤波、极化不敏感、大角度入射稳定以及通带选择好等特性，有望在太赫兹通讯技术和光谱分析等中发挥重要的作用。2、本专利技术太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器与传统的通滤波器相比，可同时工作在三个频段，而且性能稳定，通带选择性高、插入损耗较低。3、本专利技术太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器结构设计简单，在介质板两侧分别周期性的刻蚀方环和十字形金属谐振单元即可容易实现。模型优化过程简便，调节各个方环的长度和宽度即可达到所需滤波性能。附图说明图1是本专利技术的滤波器结构单元正视图及参数尺寸；图2是本专利技术的滤波器结构单元立体示意图；图3是本专利技术的滤波器在电磁波斜入射时的多重反射-干涉过程物理模型示意图；图4是本专利技术的滤波器P2/空气界面和P1/空气界面处透射和反射的幅度分布图；图5是本专利技术的滤波器P2/空气界面和P1/空气界面处透射和反射的相位分布图；图6是本专利技术的滤波器电磁波垂直入射时的仿真(实线)和理论计算(虚线)透射谱S21-f，其中S21是透射系数，f是频率,单位是THz；图7是本专利技术的滤波器电磁波TE极化下电磁波多角度入射(0°～30°)透射谱S21-f；图8是本专利技术的滤波器电磁波TM极化下电磁波多角度入射(0°～30°)透射谱S21-f。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本专利技术提供的一种太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层(4)、介质层(5)和第二结构化金属层，采用典型的金属-介质-金属(MDM)三明治结构。所述介质层(5)两面镀有金属层，分别为第一结构化金属层(4)和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层(4)为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)。所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元6按正方周期排列而构成的金属栅格。对应的嵌套的三个金属方环谐振单元、介质层(5)和一个十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元。25×25个带通滤波器模块在空间周期正方排列组成所述太赫兹三波段超材料窄带带通滤波器。所述第一结构化金属层和第二结构化金属层采用的材料为铜。所述介质层(5)采用的材料为聚酰亚胺，且介质层(5)的相对介电常数ε＝2.9，损耗角正切tan(δ)＝0.02。第一、第二结构化金属层的厚度均为180-220nm，所述介质层(5)的厚度为5μm。三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为57.2～58.2μm、42.8～43.2μm和30.8～31.2μm，宽均为2.8～3.2μm，所述十字形金属谐振单元长为59.8～60.2μm，宽为0.8～1.2μm，这样大小的滤波器电磁波耦合小。最佳的大小为：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为58μm、43μm和31μm，宽均为3μm，所述十字形金属谐振单元长为60μm，宽为1μm。本专利技术应用大型三维电磁仿真软件CST Microwa本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，其特征在于：包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层依次设置形成金属‑介质‑金属三明治结构；所述第一结构化金属层为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)；所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元(6)按正方周期排列而构成的金属栅格；其中，嵌套的三个金属方环谐振单元分别与介质层(5)和十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元。
【技术特征摘要】
1.一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，其特征在于：包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层依次设置形成金属-介质-金属三明治结构；所述第一结构化金属层为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)；所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元(6)按正方周期排列而构成的金属栅格；其中，嵌套的三个金属方环谐振单元分别与介质层(5)和十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元。2.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一结构化金属层、第二结构化金属层分别镀在介质层正反两面。3.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：所述带通滤波器模块的个数为25×25个，且25×25个滤波器单元在空间周期正方排列。4.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：李海鹏，付文悦，沈晓鹏，韩奎，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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