基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的多通帶太赫茲帶通濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁波傳輸功能器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu) 的三通帶太赫茲帶通濾波器及其設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（THz)波通常指頻率在0. 1~lOTHz (波長(zhǎng)在0. 03~3mm)的電磁波，介 于微波與紅外光之間，同時(shí)具有微波與紅外光的特性，其特點(diǎn)是波束寬度適中、系統(tǒng)帶寬較 大，十分有利于目標(biāo)探測(cè)成像、高速率大容量通信。THz波具有很多微波和光波所不具備的 特點(diǎn)，例如THz光子能量低，只有幾個(gè)毫電子伏特，不會(huì)對(duì)檢測(cè)物質(zhì)造成破壞，大多數(shù)非金 屬非極性材料對(duì)THz波吸收較小，使得它可以用于檢測(cè)材料內(nèi)部信息。THz脈沖源只包含若 干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶能覆蓋從GHz到幾十THz的頻率范圍，很多生物大 分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，電介質(zhì)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料等的聲子振動(dòng)能級(jí)都在THz波段內(nèi)。超 快THz脈沖具有很高的峰值功率，在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中具有很高的信噪比。由于具備 上述優(yōu)勢(shì)，太赫茲技術(shù)可在安檢、傳感和成像等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，近年來(lái)受到了研宄者 們的高度關(guān)注，與此同時(shí)，許多工作在太赫茲波段的新材料、新器件也應(yīng)運(yùn)而生。
[0003]人工電磁材料（Electromagnetic materials)或超材料（metamaterials，MMs)通 常指具有天然材料所不具備的超常電磁特性的一類(lèi)人工復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于工作 波長(zhǎng)，在亞波長(zhǎng)量級(jí)，因此在工作波長(zhǎng)內(nèi)可視為一種均勻電磁媒質(zhì)。通過(guò)在兩種或兩種以上 的傳統(tǒng)媒質(zhì)材料中（如金屬和介質(zhì)）設(shè)計(jì)某種周期排列的人工結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)超 材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率的改變，構(gòu)成可以自由調(diào)控電磁波傳輸性質(zhì)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(diǎn)研宄 領(lǐng)域，它是一種能夠?qū)﹄姶挪ǖ牟煌C振頻率、入射角、極化方式發(fā)生全反射或全透射的二 維周期陣列結(jié)構(gòu)，基于FSS結(jié)構(gòu)的人工電磁材料對(duì)電磁波具有選擇透過(guò)性，可以廣泛應(yīng)用 于雷達(dá)罩的RCS減縮、空間濾波器、極化器、吸波材料改性等領(lǐng)域。
[0004]由于太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)，在自然界中能夠?qū)μ掌澆ㄟM(jìn)行響應(yīng)的材料比較少， 以致當(dāng)前工作在太赫茲波段的功能器件較少，制約了太赫茲科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，而 太赫茲超材料的提出，彌補(bǔ)了這一缺陷，使得太赫茲功能器件的實(shí)現(xiàn)成為可能，通過(guò)對(duì)周期 排列的微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以得到在太赫茲波段進(jìn)行響應(yīng)的器件，從而使太赫茲波調(diào)控成為 可能。當(dāng)前太赫茲波功能器件主要集中在吸波器，濾波器、波片等等，針對(duì)太赫茲帶通濾波 器更為廣泛的應(yīng)用（太赫茲波選頻及太赫茲波通信領(lǐng)域），因此我們?cè)O(shè)計(jì)了太赫茲帶通濾 波器。然而，目前大多數(shù)的太赫茲帶通濾波器都是單通帶濾波，只能進(jìn)行單一頻段的選頻， 并且都是偏振敏感的器件，當(dāng)改變電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的方向時(shí)，其濾波特性大大降低甚至消失， 大大制約了器件的使用范圍，實(shí)用性較差。基于此，我們提出一種偏振不敏感的多通帶的帶 通濾波器的設(shè)計(jì)，增加了選頻范圍，增強(qiáng)了調(diào)制特性，可以同時(shí)進(jìn)行不同頻段的太赫茲產(chǎn)生 和探測(cè)，使其在太赫茲通信，傳感，探測(cè)以及物質(zhì)鑒別方面具有更加廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有太赫茲帶通濾波器只能進(jìn)行單一頻段的選頻濾波，并且都是偏振敏 感的器件，當(dāng)改變電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的方向時(shí)，其濾波特性減弱甚至消失的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提 供了一種基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的太赫茲帶通濾波器。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] 一種基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的多通帶太赫茲帶通濾波器，其特殊之處在于：包括 襯底介質(zhì)基片和設(shè)置于襯底介質(zhì)基片上下表面的兩個(gè)頻率選擇表面層，兩個(gè)頻率選擇表面 層結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)頻率選擇表面層包括按MXN矩陣緊密排列的諧振單元，M與N為大于1 的整數(shù)，每個(gè)諧振單元由3個(gè)正方形同心金屬環(huán)構(gòu)成，位于上下表面的兩個(gè)諧振單元的金 屬環(huán)共軸。
[0008] 優(yōu)選的，上述諧振單元的行、列間距為零，此改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)行列間距 的設(shè)計(jì)，當(dāng)行列間距為零時(shí)可以得到最佳的三帶濾波效果，其它數(shù)值的行列間距濾波效果 都沒(méi)有上述優(yōu)異。
[0009] 優(yōu)選的，上述MXN矩陣為正方形矩陣，此改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是：該結(jié)構(gòu)的三帶濾波特性 是建立在以單元為基礎(chǔ)上的周期排列結(jié)構(gòu)，故該結(jié)構(gòu)為MXN的正方形排列時(shí)，具有最佳的 三帶濾波效果。
[0010] 優(yōu)選的，上述襯底介質(zhì)基片為柔性高分子襯底介質(zhì)基片。
[0011] 優(yōu)選的，上述襯底介質(zhì)基片為在太赫茲波段具有高透過(guò)濾的polimide襯底介質(zhì) 基片。
[0012] 優(yōu)選的，上述金屬環(huán)為銅金屬環(huán)。
[0013] 優(yōu)選的，上述襯底介質(zhì)基片的厚度為35 ym，所述三個(gè)正方形金屬環(huán)的寬度從外向 里依次為6 y m、5 y m、5 y m，金屬環(huán)厚度為0? 2 y m。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是：
[0015] 1、本發(fā)明提供的基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的三通帶太赫茲帶通濾波器，在一塊柔性 高分子襯底上集成了三個(gè)頻率的太赫茲波帶通濾波，可以對(duì)三個(gè)不同頻帶的太赫茲波進(jìn)行 濾波，并具有偏振不敏感特性，解決了傳統(tǒng)太赫茲帶通濾波器只能單頻濾波、偏振敏感的不 足。
[0016] 2、本發(fā)明提供的三通帶響應(yīng)太赫茲帶通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備工藝流程短，有利 于降低制備成本。
[0017] 3、本發(fā)明提供的帶通濾波器具有多通帶濾波、偏振不敏感、插入損耗小、帶內(nèi)波紋 平坦、帶外抑制明顯、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲通信、選頻、物質(zhì)檢測(cè)等 領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的多通帶太赫茲帶通濾波器周期排列圖以及單個(gè) 諧振單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的多通帶太赫茲帶通濾波器透射曲線仿真圖。
[0020] 圖3為基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的多通帶太赫茲帶通濾波器TE、TM偏振模式的透射 曲線仿真圖。
[0021] 圖4為改變金屬環(huán)形狀模擬得到的透射曲線仿真圖。
[0022] 圖5為改變金屬環(huán)材料模擬得到的透射曲線仿真圖。
[0023]圖6為改變介質(zhì)基底厚度模擬得到的透射曲線仿真圖。
[0024] 圖7a_圖7c為不同結(jié)構(gòu)的諧振單元，圖7d為圖7a_圖7c所對(duì)應(yīng)的諧振單元的透 射曲線仿真圖。
[0025] 圖8為理論計(jì)算分析模型圖。
[0026] 圖9為模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明：
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的