一种基于超材料的带阻滤波器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于超材料的带阻滤波器。该带阻滤波器包括由下至上依次设置的介质基底、金属层、介质层和金属结构，金属结构包括至少一个基本单元，一个基本单元包括四个排列布置的金属组元，各基本单元中成排方向上的两个金属组元之间的距离和成列方向上的两个金属组元之间的距离相等，各金属组元均包括至少两个间隔套设的金属圆环，相邻两个金属圆环之间设置有金属臂，金属臂与其两端对应的金属圆环一体成型。该滤波器的机理是由于金属圆环在电磁波的作用下形成同相电流，在整体结构中电流同相振荡形成共振，从而达到滤波效果。由于金属圆环结构具有很好的对称性，因此入射电磁波的方向可以大幅度的改变而不会影响到滤波效果。

A Band-Stop Filter Based on Metamaterial

The invention relates to a band-stop filter based on metamaterial. The band-stop filter consists of a dielectric substrate, a metal layer, a dielectric layer and a metal structure arranged in sequence from bottom to top. The metal structure includes at least one basic unit. A basic unit consists of four metal elements arranged in a row. The distance between two metal elements in the row direction and the direction of the row in each basic unit. The distance between the two metal components is equal. Each metal component includes at least two metal rings with spacers. A metal arm is arranged between two adjacent metal rings. The metal arm and the corresponding metal rings at both ends are formed in one. The mechanism of the filter is that the metal ring forms in-phase current under the action of electromagnetic wave, and the current oscillates in-phase to form resonance in the whole structure, so as to achieve the filtering effect. Because the metal ring structure has good symmetry, the direction of the incident electromagnetic wave can be greatly changed without affecting the filtering effect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超材料的带阻滤波器
本专利技术涉及滤波器领域，具体涉及一种基于超材料的带阻滤波器。
技术介绍
超材料是指由人工设计、构造的具有自然界中材料所不具备的特殊物理性质的复合结构或复合材料，其性质是由复合结构或者复合材料决定且可以通过介电常数（ε）和磁导率（μ）来描述。经过十几年的发展，超材料的含义与范围越来越广，在超透镜、隐身衣、纳米天线等领域发挥着主要作用。滤波器主要分为低通、高通、带通和带阻四种类型，随着现代技术的发展，滤波器有着越来越重要的地位，如在通信系统中滤波器起到了选频、分频和隔离信号等作用，同时对于滤波器的性能要求也逐渐提高。带阻滤波器就是阻碍某个频段的波不能够通过，因此带阻滤波器在应用过程中就因该尽可能的抑制或消除干扰波段。随着技术的发展，器件的小型化、良好的性能、减少滤波效果的干扰因素等是对于滤波器非常重要的要求。大多数的滤波器的滤波效果都会受限于入射电磁波的入射方向，比如OrtizJD,BaenaJD,LosadaV,等人在2013年在《Self-ComplementaryMetasurfaceforDesigningNarrowBandPass/StopFilters》上提出一种由一定形状的金属结构组成的超材料滤波器，但滤波效果在很大程度上都会受到电磁波的入射方向影响。因此，我们提出了一种基于超材料的能够允许入射电磁波方向大角度的改变而滤波效果改变较小的带阻滤波器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于超材料的带阻滤波器，以解决现有技术中由于入射电磁波的入射方向的大幅度改变而对滤波效果影响较大的问题。为实现上述目的，本专利技术的一种基于超材料的带阻滤波器采用如下技术方案：一种基于超材料的带阻滤波器，包括由下至上依次设置的介质基底、金属层、介质层和金属结构，金属结构包括至少一个基本单元，一个基本单元包括四个排列布置的金属组元，各基本单元中成排方向上的两个金属组元之间的距离和成列方向上的两个金属组元之间的距离相等，各金属组元均包括至少两个间隔套设的金属圆环，相邻两个金属圆环之间设置有金属臂，金属臂与其两端对应的金属圆环一体成型。所述金属圆环的数量为两个，金属圆环包括外金属圆环和内金属圆环，外金属圆环沿上下方向的高度、内金属圆环沿上下方向的高度以及金属臂沿上下方向的高度三者相等。所述内金属圆环的内半径为20-75nm，内金属圆环的厚度为30nm，内金属圆环沿上下方向的高度为60nm。所述金属臂沿上下方向的高度为60nm,金属臂的宽度为20nm，金属臂沿外金属圆环的径向方向的长度为70nm。所述外金属圆环的厚度为30nm。所述介质基底、金属层和介质层三者横截面均为正方形结构且三者沿左右方向的长度和沿前后方向的宽度均相等。所述正方形结构的边长为600-900nm。所述介质基底沿上下方向的高度为200nm，金属层沿上下方向的高度为100nm，介质层沿上下方向的高度为30nm。所述金属层和金属结构的材质相同均采用贵金属。所述介质基底和介质层材质相同，均选用二氧化硅。本专利技术的有益效果：金属结构以及金属结构下方的介质层、金属层、介质基底一起组成的复合结构，该滤波器的机理是由于金属圆环在电磁波的作用下形成同相电流，在整体结构中电流同相振荡形成共振，从而达到滤波效果。由于金属圆环结构具有很好的对称性，因此入射电磁波的方向可以大幅度的改变而不会影响到滤波效果，而且金属臂的设置可以促使其对应的两个金属圆环产生相互影响使各自的滤波效果都达到最好。进一步地，双频段都可以达到将近百分之百的吸收，并且外金属圆环半径和内金属圆环半径可以进行调接，因此响应频段可调。附图说明图1是本专利技术的一种基于超材料的带阻滤波器的结构示意图；图2是图1中带阻滤波器的吸收率曲线图；图3是图1中带阻滤波器的响应波长与电磁波入射角度的关系图；图4是图1中带阻滤波器的共振吸收率和共振半高度宽与电磁波入射角度的谱线图；图5是图1中带阻滤波器的相应波长与内金属圆环半径的关系图；图6是图1中带阻滤波器的共振吸收率和共振半高度宽与内金属圆环的谱线图。具体实施方式本专利技术的一种基于超材料的带阻滤波器，如图1-图6所示，包括由下至上依次设置的介质基底1、金属层2、介质层3和金属结构，金属结构包括至少一个基本单元，本实施例中基本单元的数量为一个，一个基本单元包括四个排列布置的金属组元4，4个金属组元4均匀间隔设置于介质层3上方，基本单元中成排方向上的两个金属组元4之间的距离和成列方向上的两个金属组元之间的距离相等。金属组元4包括间隔套设的内金属圆环6和外金属圆环5，本实施例中，各金属组元包括的圆环的数量为两个。内、外金属圆环之间设置有金属臂7，金属臂7与外金属圆环5和内金属圆环6的一体成型，外金属圆环5和内金属圆环6之间形成供金属臂7安装的环形安装腔8，金属臂7的数量为4个并沿环形安装腔8的周向均匀间隔设置。金属臂的作用相当于一个链接，促使了外金属圆环和内金属圆环之间能够相互影响，产生相互作用使彼此的滤波效果都能够得到增强。外金属圆环和内金属圆环各有一个属于自己的共振频率，若没有金属臂的存在，它们只是各自发挥作用产生双频段的滤波，滤波效果较差，加上金属臂后，外金属圆环和内金属圆环之间能产生相互影响，使滤波效果达到最好。外金属圆环5和内金属圆环6同心设置，外金属圆环5沿上下方向的高度、内金属圆环6沿上下方向的高度以及金属臂7沿上下方向的高度三者相等。如果高度不一致的的话，直接会影响滤波效果，会对双频段产生影响，导致滤波效果较差。因为金属结构与电磁波发生相互作用的时候，结构本身就会影响之间的相会作用，就像内金属圆环半径的改变响应波段也就改变了。同样，高度不一致的话一方面会使响应频段产生一定的改变同时滤波效果会减弱。内金属圆环6的内半径为20-75nm，本实施例中选用46nm，内金属圆环6的厚度为30nm，内金属圆环6沿上下方向的高度为60nm。金属臂7为矩形块结构，金属臂7沿上下方向的高度为60nm,金属臂7的宽度为20nm，金属臂7沿外金属圆环5的径向方向的长度为70nm。外金属圆环5的厚度为30nm。介质基底1、金属层2和介质层3三者横截面均为正方形结构且三者沿左右方向的长度和沿前后方向的宽度均相等。正方形结构的边长为600-900nm，本实施例选用800nm。介质基底1沿上下方向的高度为200nm，金属层2沿上下方向的高度为100nm，介质层3沿上下方向的高度为30nm。金属层2和金属结构4的材质相同均采用贵金属，本实施例中贵金属选用银金属。介质基底1和介质层3材质相同，本实施例中选用二氧化硅。本实施例中，入射电磁波沿z方向垂直于结构（即入射角为00）入射，得到如图2所示的吸收谱线图，两个中心吸收波长为737nm和811nm的吸收峰具有很窄的半波宽（波峰1为8.9nm、波峰2为10.3nm）且吸收效果将近100%，而且从图3中可以看出，在入射电磁波方向大幅度改变情况下（±700），滤波效果将近百分之百几乎没有变化，共振波长会发生轻微的改变，而不像现有技术中入射电磁波方向大幅度的改变会导致滤波效果变化较大。因此本专利技术的带阻滤波器是一种基于超材料的双频段且能够允许入射电磁波方向大角度的改变而不影响滤波效果的带阻滤波器。图4是电磁波连续入射，逐渐改变入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超材料的带阻滤波器，其特征在于：包括由下至上依次设置的介质基底、金属层、介质层和金属结构，金属结构包括至少一个基本单元，一个基本单元包括四个排列布置的金属组元，各基本单元中成排方向上的两个金属组元之间的距离和成列方向上的两个金属组元之间的距离相等，各金属组元均包括至少两个间隔套设的金属圆环，相邻两个金属圆环之间设置有金属臂，金属臂与其两端对应的金属圆环一体成型。

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料的带阻滤波器，其特征在于：包括由下至上依次设置的介质基底、金属层、介质层和金属结构，金属结构包括至少一个基本单元，一个基本单元包括四个排列布置的金属组元，各基本单元中成排方向上的两个金属组元之间的距离和成列方向上的两个金属组元之间的距离相等，各金属组元均包括至少两个间隔套设的金属圆环，相邻两个金属圆环之间设置有金属臂，金属臂与其两端对应的金属圆环一体成型。2.根据权利要求1所述的带阻滤波器，其特征在于：所述金属圆环的数量为两个，金属圆环包括外金属圆环和内金属圆环，外金属圆环沿上下方向的高度、内金属圆环沿上下方向的高度以及金属臂沿上下方向的高度三者相等。3.根据权利要求2所述的带阻滤波器，其特征在于：所述内金属圆环的内半径为20-75nm，内金属圆环的厚度为30nm，内金属圆环沿上下方向的高度为60nm。4.根据权利要求3所述的带阻滤波器，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊俏，袁栋栋，吴亚南，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41