一种基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器及其通讯系统的制作方法

本实用新型涉及滤波器技术领域的一种双阻带滤波器，尤其涉及一种基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器，还涉及一种多频段无线通讯系统。

背景技术：

电磁超材料可对太赫兹波产生强烈的电磁响应，从而实现对太赫兹波的有效调控，因此被广泛应用于太赫兹科学与技术领域，可实现各种新型的太赫兹功能器件。太赫兹滤波器是太赫兹通信和成像系统的重要功能部件之一，近年来，基于电磁超材料的太赫兹滤波器进展迅速，很多具体的实现结构和方法被陆续提出，极大地促进了太赫兹滤波器的发展。

但是，现有的双阻带滤波器通过平面结构扩展或多层超材料结构堆叠实现频带扩展的方法，这样使得滤波器设计和仿真复杂，制作的难度大，并且阻带特性和频率选择特性也不是很好。

技术实现要素：

针对现有的技术问题，本实用新型提供一种基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器及其通讯系统，解决了现有的双阻带滤波器设计和仿真复杂，制作的难度大的问题。

本实用新型采用以下技术方案实现：一种基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器，其包括：

基底；

顶层谐振结构，其固定在基底上；

其中，顶层谐振结构包括呈阵列排布的多个谐振单元；每个谐振单元呈正方形，且开设四个矩形缺口；四个矩形缺口环绕对应的谐振单元的中心等间距设置；

基底由柔性聚酰亚胺材料制得，谐振单元由铜制得。

作为上述方案的进一步改进，基底为矩形结构，且厚度大于谐振单元的厚度。

作为上述方案的进一步改进，基底为正方形结构，多个谐振单元等间距设置。

进一步地，四个矩形缺口的长度方向均朝向谐振单元的中心设置。

再进一步地，相对的两个矩形缺口之间的距离大于矩形缺口长度的两倍。

再进一步地，相对的两个矩形缺口之间的距离为400um；在每个谐振单元中，每个矩形缺口与相邻的矩形缺口所对应谐振单元的边之间的距离为320um；每个矩形缺口的长度为160um，宽度为80um。

再进一步地，基底的厚度为60um，谐振单元的厚度为18um。

再进一步地，多个谐振单元排列成正方形矩阵，相邻的两个谐振单元之间的距离为1800um。

作为上述方案的进一步改进，基底为圆形结构；所述太赫兹双阻带滤波器还包括：

圆形外框，其与基底同轴设置；基底的边缘卡在圆形外框的内壁中。

本实用新型还提供一种多频段无线通讯系统，其包括至少一个上述任意所述的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器。

本实用新型的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器及其通讯系统，其具有以下有益效果：

1、本实用新型的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器，其基底采用柔性聚酰亚胺材料并为单层结构，顶层谐振结构为单一结构，能够降低滤波器设计和仿真的复杂性，同时降低制作的难度，进而降低滤波器的设计和生产成本，提高滤波器的生产效率。而且，该滤波器同时实现了电谐振和磁谐振，而且在两个谐振峰所对应的谐振频率处，这两种谐振模式是完全重合的，使得该滤波器可以对外界入射的电磁波同时产生电响应和磁响应，以进行滤波。

2、当电磁波垂直入射到基于基底和顶层谐振结构的表面时，本实用新型的滤波器在126.32ghz和177.32ghz处分别产生了3-db带宽为19.3ghz和9.1ghz的两个阻带，相应的品质因数分别为6.6和19.5。在阻带所对应的谐振频率处，其插入损耗可以分别达到-47.38db和-56.69db，表现出良好的阻带特性和频率选择特性，从而能够提高滤波器的阻带特性和频率选择特性。

3、本实用新型通过对顶层谐振结构表面的电场和电流分布进行分析，以及对有效电磁参数进行反演计算，获取到了滤波器的电磁响应信息。当两个阻带所对应频段内的太赫兹波入射到超材料滤波器结构表面时，大部分的入射波能量被滤波器表面的顶层谐振结构存在的电磁谐振消耗掉，剩余的很小一部分入射波能量可以继续传播并穿过了基底，在这个过程中也会有一部分能量被消耗，因此，最后穿透滤波器而透射出去的能量极少，进而实现了插入损耗很大的两个阻带，实现了滤波器的双阻带特性。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的俯视图；

图2为图1中的滤波器中顶层谐振结构的一个谐振单元处的俯视图；

图3为图1中的滤波器的侧视图；

图4为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的传输特性仿真曲线图；

图5为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的归一化阻抗的曲线图；

图6为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的有效折射率的曲线图；

图7为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的有效介电常数的曲线图；

图8为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的有效磁导率的曲线图；

图9为本实用新型实施例1的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器的俯视图。

符号说明：

1基底4矩形缺口

2顶层谐振结构5圆形外框

3谐振单元

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

请参阅图1、图2以及图3，本实施例提供了一种基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器，其包括基底1和顶层谐振结构2。

基底1由柔性聚酰亚胺材料制得，该柔性聚酰亚胺材料的相对介电常数εr为3.5。聚酰亚胺的温度使用范围可达-200到300摄氏度，使得滤波器能够使用在各种温度环境下。在本实施例中，基底1可以为矩形结构，当然，在其他一些实施例中，基底1也可以为正方形结构。基底1的长度和宽度要分别大于顶层谐振结构2的长度和宽度，可以根据实际的需要进行设定。基底1为单层结构，这样可以降低滤波器设计、仿真以及制作难度。

顶层谐振结构2固定在基底1上，并且包括多个谐振单元3。多个谐振单元3呈阵列排布，而且可以排列成正方形矩阵，并且均由电导率为5.8×10⁷s/m的铜制得。多个谐振单元3可等间距设置，即任何两个谐振单元3之间的距离是恒定的。每个谐振单元3呈正方形，且开设四个矩形缺口4。四个矩形缺口4环绕对应的谐振单元3的中心等间距设置，四个矩形缺口4的长度方向均朝向谐振单元3的中心设置。在本实施例中，基底1的厚度大于谐振单元3的厚度，而相对的两个矩形缺口4之间的距离大于矩形缺口4长度的两倍。由于顶层谐振结构2为单一结构组成，这样与基底1一样，能够降低滤波器设计和仿真的复杂性，同时降低制作的难度，进而降低滤波器的设计和生产成本，提高滤波器的生产效率。

为了能够确定各个结构的最佳尺寸，本实施例采用基于有限积分法的cstmicrowavestudio2015电磁仿真软件的频域求解器对本实施例滤波器结构进行仿真优化，并获得了该滤波器的各个结构尺寸。其中，相对的两个矩形缺口4之间的距离l1为400um，每个矩形缺口4的长度l3为160um，宽度w1为80um。在每个谐振单元3中，每个矩形缺口4与相邻的矩形缺口4所对应谐振单元3的边之间的距离l2为320um。基底1的厚度hd为60um，同时谐振单元3的厚度hm为18um。相邻的两个谐振单元3之间的距离p为1800um。

本实施例基于上述的结构参数值，对滤波器进行了传输特性的仿真实验。请参阅图4，当电磁波垂直入射到超材料滤波器结构表面时，该滤波器在126.32ghz和177.32ghz处产生了3-db带宽分别为19.3ghz和9.1ghz的两个阻带，相应的品质因数q分别为6.6和19.5。此外，在阻带所对应的谐振频率处，其插入损耗s21可以分别达到-47.38db和-56.69db，滤波器表现出良好的阻带特性和频率选择特性，从而能够提高滤波器的阻带特性和频率选择特性。

本实施例的滤波器与传统的滤波器相比，其功能是完全相同的，但是两类滤波器的滤波机制却完全不同。为了深入理解太赫兹波在本实施例的滤波器中的传输机理，进而揭示相应滤波器的滤波机制，现采用cstmicrowavestudio2015电磁仿真软件对本实施例的滤波器在谐振频率126.32ghz和177.32ghz处的电场和表面电流分布进行了仿真。

在126.32ghz处，强电场主要分布在谐振单元3的边缘处，在相应的谐振单元3的拐角位置，电场分布增强；而在177.32ghz处，强电场则对称分布在谐振单元3的左、右两侧，同样在谐振单元3的拐角处，电场分布更强。可以知道的是，强电场分布对应于强的电谐振，主要反映了相邻谐振单元3之间的强电耦合。对于本实施例的滤波器结构来说，对应不同的谐振峰，相邻谐振单元3之间的强耦合出现在了不同位置。

本实施例的滤波器的谐振单元3在两个谐振峰126.32ghz和177.32ghz处的表面电流分布情况。对于两个谐振峰来说，大电流主要沿着谐振单元3的左、右两侧呈现对称的环形分布，即在谐振单元3的左、右两侧分别产生了相应的电流环路，形成了磁偶极子，进而产生了强的磁谐振。而与126.32ghz处的电流分布相比，在177.32ghz处的电流分布更强，因此对应的磁谐振也更强。

通过上述可知，本实施例的滤波器同时实现了电谐振和磁谐振，而且在两个谐振峰所对应的谐振频率处(126.32ghz和177.32ghz)，这两种谐振模式(电谐振和磁谐振)是完全重合的，说明本实施例的滤波器在两个谐振峰处可以对外界入射的电磁波同时产生电响应和磁响应。

请参阅图5-8，本实施例基于s参数反演算法，采用matlab软件计算得到的该滤波器结构的归一化阻抗z、折射率n、有效介电常数ε、有效磁导率μ随频率变化的关系曲线。

在两个阻带所对应的频段内，有效介电常数ε、有效磁导率μ以及折射率n的实部均为负值，因此，存在实的波矢，使得入射电磁波可以在该滤波器中传播，且两个阻带所对应的谐振峰均为左手谐振峰。此外，在两个阻带所对应的频段内，有效介电常数ε和有效磁导率μ的实部为负值，也说明了该滤波器结构在这两个频段上可以分别产生电谐振和磁谐振，即对入射的太赫兹波分别实现电响应和磁响应，这与前面对超材料滤波器谐振结构单元表面的电场和表面电流分布的分析完全吻合。可以知道的是，材料的有效介电常数ε和有效磁导率μ的虚部代表损耗，取值必须为正。在两个阻带所对应的频段内，有效介电常数ε和有效磁导率μ的虚部均可以取得正的极大值，说明在该滤波器中的确存在电磁损耗，因而形成了对应的传输阻带。但是，通过仔细观察可以发现，在两个阻带所对应的左手频段外，有效介电常数ε的虚部存在小于零的情况，这是物理上所不允许出现的异常现象，这种异常现象在左手超材料中是较为常见的，主要是由于这种亚波长结构单元的晶格常数并没有远远小于对应的谐振波长，使得所提取的材料参数涉及到了超材料结构的非均质的特性，当结构单元的尺寸逐渐缩小，慢慢趋近于真实原子的大小，使得超材料结构可以真正被视为一种均匀媒质的时候，这种异常现象就会随之消失。

此外，可以发现的是，在两个阻带之间，有效介电常数ε和有效磁导率μ的实部仍然为负值，但是其对应的虚部却很小甚至接近于零。因此，材料的电磁损耗非常小甚至是零损耗的，入射的太赫兹波会直接穿透滤波器结构，实现损耗极小的传输。

总之，对于本实施例的双阻带滤波器来说，当两个阻带所对应频段内的太赫兹波入射到滤波器结构表面时，大部分的入射波能量被滤波器表面的顶层谐振结构2存在的电磁谐振消耗掉，剩余的很小一部分入射波能量可以继续传播穿过滤波器的基底1，在这个过程中也会有一部分能量被消耗，因此，最后穿透滤波器透射出去的能量极少，进而实现了插入损耗很大的两个阻带，这就是该本实施例的滤波器的电磁波传输机理。

本实用新型还提供一种多频段无线通讯系统，其包括至少一个上述任意所述的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器。

综上所述，本实施例的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器及其通讯系统，其具有以下有益效果：

1、本实施例的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器，其基底1采用柔性聚酰亚胺材料并为单层结构，顶层谐振结构2为单一结构，能够降低滤波器设计和仿真的复杂性，同时降低制作的难度，进而降低滤波器的设计和生产成本，提高滤波器的生产效率。而且，该滤波器同时实现了电谐振和磁谐振，而且在两个谐振峰所对应的谐振频率处，这两种谐振模式是完全重合的，使得该滤波器可以对外界入射的电磁波同时产生电响应和磁响应，以进行滤波。

2、当电磁波垂直入射到基于基底1和顶层谐振结构2的表面时，本实施例的滤波器在126.32ghz和177.32ghz处分别产生了3-db带宽为19.3ghz和9.1ghz的两个阻带，相应的品质因数分别为6.6和19.5。在阻带所对应的谐振频率处，其插入损耗可以分别达到-47.38db和-56.69db，表现出良好的阻带特性和频率选择特性，从而能够提高滤波器的阻带特性和频率选择特性。

3、本实施例通过对顶层谐振结构2表面的电场和电流分布进行分析，以及对有效电磁参数进行反演计算，获取到了滤波器的电磁响应信息。当两个阻带所对应频段内的太赫兹波入射到超材料滤波器结构表面时，大部分的入射波能量被滤波器表面的顶层谐振结构2存在的电磁谐振消耗掉，剩余的很小一部分入射波能量可以继续传播并穿过了基底1，在这个过程中也会有一部分能量被消耗，因此，最后穿透滤波器而透射出去的能量极少，进而实现了插入损耗很大的两个阻带，实现了滤波器的双阻带特性。

实施例2

请参阅图9，本实施例提供了一种基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器，其在实施例1的基础上增加了圆形外框5。而且，基底1为圆形结构，而圆形外框5与基底1同轴设置。基底1的边缘卡在圆形外框5的内壁中，这样圆形外框5就能够保护整个滤波器的内部结构。在本实施例中，圆形外框5可以为塑料结构，并且可以为两段式结构。这样在将基底1装入时，可先将圆形外框5分成两部分，然后将两部套在基底1外，最后将圆形外框5的两部分固定。

实施例3

本实施例提供了一种多频段无线通讯系统，该系统包括至少一个实施例1或实施例2中的基于单层结构的太赫兹双阻带滤波器。本实施例的无线通讯系统可以为gsm系统、wlan系统、uwb系统以及蓝牙系统中的一种，这些系统可以通过实施例1或实施例2中的滤波器处理来自其它通信或邻近射频系统的干扰，而且滤波器可便于加工，易于与其它平面电路集成，使得无线通讯系统应用起来更加方便，并且提升无线通讯系统的使用性能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。