CN111769345B - 一种太赫兹超材料滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹超材料滤波器包括：n×n个相同的单元；每个单元由多层高分子材料聚甲基丙烯酰亚胺和聚酰亚胺以及多层金属层组成，且自太赫兹波入射方向开始以金属‑聚酰亚胺‑聚甲基丙烯酰亚胺的顺序对齐重复堆叠。太赫兹波入射到滤波器上发生电磁谐振，谐振频率处的太赫兹波被反射和吸收形成阻带，其余频率的波不受阻碍。本发明的滤波器主要解决现有同类型滤波器中矩形系数小，带宽窄的问题，同时有平顶、极化不敏感、成本低的优点。

Description

一种太赫兹超材料滤波器
技术领域
本发明涉及太赫兹技术以及超材料器件领域，特别是涉及一种用于太赫兹频段的超材料滤波器。
背景技术
太赫兹技术在无线通信、空间科学和传感等领域存在巨大潜力。实现实用的太赫兹***，对能够直接调控太赫兹波的太赫兹功能器件如滤波器、移相器、吸收器、调制器等有着强烈的需求。
超材料滤波器是通过合理的设计超材料的几何结构和几何参数使其与入射的电磁波分别产生电谐振与磁谐振，在谐振频率处，绝大部分入射波发生反射与吸收从而形成阻带，在非谐振频率处，入射波透射过超材料形成通带，从而实现对太赫兹波的调控。
对于滤波器而言，带宽和矩形系数是两个基本特性，实际应用中通常对这两个特性有很高的要求，现有的太赫兹超材料滤波器技术主要基于单频谐振，存在带宽窄、矩形系数低、平顶特性差的问题，难以满足实际应用需求，也阻碍了太赫兹超材料滤波器的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹超材料滤波器，该滤波器具有超宽带、高矩形系数、平顶、极化不敏感的特性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种太赫兹超材料滤波器，包括：所述的滤波器为周期性结构，由n×n相同的单元组成，n≥2，一个滤波器单元包括29层结构，其中10层十字形金属谐振层，10层聚酰亚胺，9层聚甲基丙烯酰亚胺，从太赫兹波入射方向开始按照金属-聚酰亚胺-聚甲基丙烯酰亚胺的顺序对齐堆叠，第1层为金属，第29层为聚酰亚胺。
所述单元中十字形金属层上下对称、左右对称；
所述单元中十字形金属层长度的范围为600um-700um，线宽的范围为65um-80um；
所述单元中十字形金属层的厚度范围为0.1um-0.2um；
所述单元中聚酰亚胺层的形状为正方形，边长为1000um，厚度范围为80um-100um；
所述单元中聚甲基丙烯酰亚胺为正方形，边长为1000um，厚度的范围为800um-1000um；
所述聚甲基丙烯酰亚胺的相对介电常数为1.05，所述聚酰亚胺的相对介电常数为3.4；
所述太赫兹超材料滤波器通过堆叠多个金属层产生多个相近的谐振峰；
所述太赫兹超材料滤波器以半波长的聚甲基丙烯酰亚胺为间隔，实现与自由空间阻抗的匹配，提高阻带的反射和吸收，同时避免金属层间的耦合，使带宽增加，引入反射零点并经过多次滤波使矩形系数增加；
所述太赫兹超材料滤波器在100-150GHz频带内具有近乎零的透过率，即在该频段具有一个平底的阻带；
所述太赫兹超材料滤波器半高宽为81.2GHz，相对带宽为65％，矩形系数为0.95；
所述太赫兹超材料滤波器具有良好的极化稳定性。可选的，所述单元中金属层的材料为铜或金。
工作原理：入射太赫兹波在金属层上发生电磁谐振，谐振频率处的波被反射和吸收，从而形成阻带。本发明的滤波器通过堆叠多个金属层产生多个相近的谐振峰，以厚度为半波长的聚甲基丙烯酰亚胺为作间隔，实现与自由空间阻抗的匹配，提高了阻带的反射和吸收，同时避免金属层之间的耦合，使带宽增加，引入反射零点并经过多次滤波使矩形系数增加。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种太赫兹超材料滤波器，与同类滤波器相比具有超宽带、高矩形系数、平底的特点。
2、本发明的滤波器具有极化不敏感特性，对于任意的极化入射角，该滤波器的传输性能不被改变。
3、本发明的滤波器所用材料为高分子材料聚甲基丙烯酰亚胺和聚酰亚胺以及金属铜，具有柔性，可用于非平面物体，且材料成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的太赫兹超材料滤波器2×2单元阵列的结构示意图。
图2为本发明提供的太赫兹超材料滤波器单个单元的结构示意图。
图3为本发明提供的太赫兹超材料滤波器单个单元的侧视图。
图4为本发明提供的太赫兹超材料滤波器单个单元的正视图。
图5为本发明提供的太赫兹超材料滤波器透过率图。
图6为本发明提供的太赫兹超材料滤波器的不同极化角度下的透过率图。
其中，1、十字形金属层，2、聚酰亚胺，3、聚甲基丙烯酰亚胺。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种太赫兹超材料滤波器，由n×n个相同的单元组成，在本实施例中，n＝2；单元由10层金属1、10层聚酰亚胺2和9层聚甲基丙烯酰亚胺3，从太赫兹波入射方向开始按照金属1-聚酰亚胺2-聚甲基丙烯酰亚胺3的顺序对齐堆叠，层与层之间不留间隙，第1层为金属，第29层为聚酰亚胺，如图3所示。
本实施例中所使用的金属层1为铜，所使用的聚甲基丙烯酰亚胺3的介电常数为1.05，所使用的聚酰亚胺2的介电常数为3.4。
如图3和图4所示，单个单元中，十字金属层1上下对称、左右对称，长度L为650um，线宽W为78um，厚度c为0.2um；所述聚酰亚胺2边长D为1000um，厚度a为100um；所述聚甲基丙烯酰亚胺3边长D为1000um，厚度b为1000um。
如图5仿真结果显示，本实施例的滤波器，半高宽为81.2GHz，相对带宽为65％，矩形系数为0.95，其中
Figure GDA0003536083740000041
本实施例中fH＝165.5GHz，fL＝84.3GHz；
Figure GDA0003536083740000042
本实施例中-20db带宽为78.70GHz，-3db带宽为82.77GHz。
TE极化和TM极化情况下本发明的滤波器的透过率如图6所示，分别在0°、30°、60°、90°的极化角度下，中心频率、矩形系数、相对带宽等特性保持不变，具有良好的极化稳定性。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，意在帮助理解本发明的作用原理与实现方法，在不脱离本发明的原理的情况下，对本发明的修改和润饰都应在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种太赫兹超材料滤波器，其特征在于：所述的滤波器为周期性结构，包括n×n个单元，n≥2，所有单元均相同，每个单元包括10层等大的十字形金属层，10层等大的聚酰亚胺层，9层等大的聚甲基丙烯酰亚胺层，共29层结构；从入射方向开始以金属-聚酰亚胺-聚甲基丙烯酰亚胺-金属-聚酰亚胺-聚甲基丙烯酰亚胺的顺序对齐重复堆叠，层与层之间不留间隙，第1层为金属，第29层为聚酰亚胺；
所述单元中十字形金属层上下对称、左右对称；
所述单元中十字形金属层长度的范围为600um-700um，线宽的范围为65um-80um；
所述单元中十字形金属层的厚度范围为0.1um-0.2um；
所述单元中聚酰亚胺层的形状为正方形，边长为1000um，厚度范围为80um-100um；
所述单元中聚甲基丙烯酰亚胺为正方形，边长为1000um，厚度的范围为800um-1000um；
所述聚甲基丙烯酰亚胺的相对介电常数为1.05，所述聚酰亚胺的相对介电常数为3.4；
所述太赫兹超材料滤波器通过堆叠多个金属层产生多个相近的谐振峰；
所述太赫兹超材料滤波器以厚度为半波长的聚甲基丙烯酰亚胺为间隔，实现与自由空间阻抗的匹配，提高阻带的反射和吸收，同时避免金属层之间的耦合，使带宽增加，引入反射零点并经过多次滤波使矩形系数增加；
所述太赫兹超材料滤波器在100-150GHz频带内具有近乎零的透过率，即在该频段具有一个平底的阻带；
所述太赫兹超材料滤波器半高宽为81.2GHz，相对带宽为65％，矩形系数为0.95；
所述太赫兹超材料滤波器具有良好的极化稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹超材料滤波器，其特征在于，所述的十字形金属层材料为铜或金。
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