一种基于机械调节的可调超材料滤波器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于机械调节的可调超材料滤波器。滤波器由两个相互平行的平面超材料组成。这两个平面超材料具有相同的谐振结构分布周期和排布方向。当使用机械结构改变它们之间的相对位置时，谐振结构间的耦合状态就会发生改变，从而引起谐振频率的变化。本实用新型专利技术使用常规微结构加工工艺即可完成加工和装配，无需MEMS技术的支持，因而大幅降低了加工成本。同时本实用新型专利技术滤波器的可调谐范围较大，调谐过程中品质因子变动较小。本实用新型专利技术适用于微波、太赫兹波和光波波段。

An adjustable metamaterial filter based on mechanical adjustment

The utility model discloses an adjustable metamaterial filter based on mechanical adjustment. The filter consists of two parallel metamaterials. The two planar metamaterials have the same resonance structure distribution period and arrangement direction. When the mechanical structure is used to change the relative position between them, the coupling state between the resonant structures will change, which will cause the change of the resonant frequency. The utility model can be processed and assembled by using conventional microstructural processing technology without the support of MEMS technology, thus greatly reducing the processing cost. At the same time, the tunable range of the filter is large, and the quality factor changes little during tuning. The utility model is suitable for microwave, terahertz wave and light wave band.

【技术实现步骤摘要】
一种基于机械调节的可调超材料滤波器
本技术涉及一种基于机械调节的频率可调超材料滤波器，属于可调谐超材料

技术介绍
超材料（Metamaterial）是由周期排列的亚波长微结构构成的功能器件。其电磁特性仅与构成它的微结构有关，因此可以通过不同的结构设计得到相应的电磁特性。同时由于其体积较小，仅有薄薄的一层，因此具有巨大的应用前景。其中使用超材料作为滤波器就是一个例子。目前，多种基于超材料的滤波器已经应用到成像、传感等领域。但是相对于仅具有固定频率的滤波器，可调节频率的滤波器显然更加适应复杂的应用需求。一般常用的超材料谐振频率调节方式主要有基于半导体材料的光控调节，基于石墨烯材料的电控调节和基于结构重构的机械调节等。其中，机械调节方式虽然调节速度比较慢，但是其频率调节范围宽，调频过程中谐振的品质因子的变化较小。机械调节方式一般需要将超材料的每个谐振单元都加工为固定和可动两部分，通过调节两者的相对距离实现频率的调节。因此目前采用机械调节方式的超材料，如文章AMicromachinedReconfigurableMetamaterialviaReconfigurationofAsymmetricSplit-RingResonators（AdvancedFunctionalMaterials，21,3589-3594,2011）和文章PneumaticallyActuatedTunableTerahertzMetamaterialAbsorberWithDual-SideTuningCapability（IEEEPhotonicsJournal,9,4600409,2017）中的可调谐超材料，主要依靠微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）相关加工技术进行加工。其加工工艺复杂，而且往往需要采用牺牲层工艺进行三维的多层加工或立体加工，因此机械调节的可调超材料往往成本高昂，不利于其实际应用。如何降低机械调节的可调超材料的加工成本，是目前研究者所面临的一个难题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术提供了一种基于机械调节的可调超材料滤波器，将谐振单元的固定和可动两部分分别以相同的周期加工于两个基片上，然后重新并列组合为一个可调谐的超材料滤波器。本技术提供了如下技术方案：一种基于机械调节的可调超材料滤波器，其特征在于：包括第一平面超材料、第二平面超材料、水平移动机构和基座；所述第一平面超材料固定在所述基座上，所述第二平面超材料固定在所述水平移动机构上，所述水平移动机构固定在所述基座上；所述第一平面超材料和所述第二平面超材料以一个小的间距平行放置；所述第一平面超材料由基片和在基片表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元构成，所述第二平面超材料由基片和在基片表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成；所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期p和排布方向。进一步地，所述第一金属谐振单元为“U”形结构的开口环谐振器，所述“U”形结构的两臂沿着竖直方向；所述第二金属谐振单元由所述第一金属谐振单元的“U”形结构底边中心添加一个开口后绕所述“U”形结构几何中心旋转180度构成。进一步地，相同分布周期内的所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元的几何中心在同一水平面上。进一步地，所述第一平面超材料和所述第二平面超材料的间距固定且小于p/4。进一步地，可以通过所述水平移动机构改变所述第一平面超材料和所述第二平面超材料的相对位置，以实现谐振频率的调节；当所述第一金属谐振结构几何中心和所述第二金属谐振结构几何中心之间的水平间距增大时，频率较低的LC谐振的频率值变高，频率较高的LC谐振的频率值变低。本滤波器仅对偏振方向平行于“U”形结构的两臂所在的竖直方向的线偏振电磁波起作用。使用时，电磁波以正入射方式穿过第一平面超材料和第二平面超材料重叠的区域，就可以实现滤波操作。与现有技术相比，本技术具有以下优点：本技术所提供的一种基于机械调节的可调超材料滤波器，与传统机械调节可调超材料相比，简化了加工工艺，大幅降低了加工成本。本技术滤波器使用两片平面超材料平行组合而成，仅通过光刻或激光刻蚀等常规二维微结构加工工艺即可进行加工。由于避免了传统机械调节超材料加工所需要的MEMS加工工艺，尤其是无需采用多层加工或立体加工等三维加工工艺，因而大幅降低了加工成本。本技术所提供的可调超材料滤波器，具有两个带阻谐振，并且两个带阻谐振的中心频率都可以进行调节。其中低频谐振为第一金属谐振结构的LC谐振（电感-电容谐振），但是其谐振频率受到第二金属谐振结构的影响。高频谐振为第二金属谐振结构的LC谐振，同样，其谐振频率受到第一金属谐振结构的影响。使用水平移动机构改变第一平面超材料和第二平面超材料的相对位置，即可改变两个金属谐振结构间的电磁耦合状态，从而实现两个谐振频率的调节。附图说明图1为本技术基于机械调节的可调超材料滤波器结构示意图；图2为第一平面超材料结构示意图；图3为第二平面超材料结构示意图；图4为在垂直于平面超材料的方向上第一平面超材料和第二平面超材料的相对位置示意图；图5为本技术滤波器在0-1太赫兹范围内的频率响应曲线；图6为低频谐振频率与相对位置dx的关系曲线；图7为高频谐振频率与相对位置dx的关系曲线。具体实施方式以下结合附图，以工作于太赫兹波段的基于机械调节的可调超材料滤波器为例，对本技术的具体实施方式做详细的说明。图1为本技术滤波器的结构示意图。如图1所示，滤波器由第一平面超材料（1）、第二平面超材料（2）、水平移动机构（3）和基座（4）构成。第一平面超材料（1）垂直固定在基座（4）上。第二平面超材料（2）垂直固定在水平移动机构（3）上，水平移动机构（3）固定在基座（4）上。第一平面超材料（1）和第二平面超材料（2）以一个小的间距保持平行放置。本技术对水平移动机构（3）的具体实现形式未做规定，实际中可以采用电动平移台、压电驱动器或者细牙螺杆驱动器等。本实施例中采用定位精度为0.1微米的压电驱动平移台作为水平移动机构（3）。如图2所示，第一平面超材料（1）由基片（11）和在基片（11）表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元（12）构成。基片（11）为一层厚度为12.5微米的聚酰亚胺薄膜。由于聚酰亚胺薄膜为柔性材料，自身无法竖直放置。因此需要在薄膜背面边缘处，黏贴一个矩形金属框，以使聚酰亚胺薄膜可以竖直平整地放置。第一金属谐振单元（12）为“U”形开口环谐振器，“U”形结构的两臂沿着竖直方向。本实施例中选用图2中所示的底边平直的方形“U”形开口环谐振器。底边呈弧形的“U”形开口环谐振器也可用作第一金属谐振单元（12）。本实施例中，“U”形结构外围的长和宽都为100微米，两臂和底边的宽度都为10微米。第一金属谐振单元（12）在水平和竖直两个方向上的分布周期都为200微米。如图3所示，第二平面超材料（2）由基片（21）和在基片（21）表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元（22）构成。基片（21）为一层厚度为12.5微米的聚酰亚胺薄膜。为使其竖直固定，在薄膜背面边缘处，黏贴有矩形金属框。第二金属谐振单元（22）由第一金属谐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于机械调节的可调超材料滤波器，其特征在于：包括第一平面超材料、第二平面超材料、水平移动机构和基座；所述第一平面超材料固定在所述基座上，所述第二平面超材料固定在所述水平移动机构上，所述水平移动机构固定在所述基座上；所述第一平面超材料和所述第二平面超材料以一个小的间距平行放置；所述第一平面超材料由基片和在基片表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元构成，所述第二平面超材料由基片和在基片表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成；所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期p和排布方向。

【技术特征摘要】
1.一种基于机械调节的可调超材料滤波器，其特征在于：包括第一平面超材料、第二平面超材料、水平移动机构和基座；所述第一平面超材料固定在所述基座上，所述第二平面超材料固定在所述水平移动机构上，所述水平移动机构固定在所述基座上；所述第一平面超材料和所述第二平面超材料以一个小的间距平行放置；所述第一平面超材料由基片和在基片表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元构成，所述第二平面超材料由基片和在基片表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成；所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期p和排布方向。2.根据权利要求1所述的基于机械调节的可调超材料滤波器，其特征在于，相同分布周期内的所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元的几何中心在同一水平面上。3.根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建军，洪治，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33