元为依次嵌套的4个金属方环；贯穿第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层周期性地等间距开设多组金属化过孔，使得在每个金属方环谐振单元周围形成一个环绕金属方环谐振单元的方形基片集成波导腔体。对应的一个方形基片集成波导腔体和4个依次嵌套的金属方环构成的耦合缝隙组成一个滤波器结构单元。
[0029]如图1和2所示，金属方环谐振单元周期为p，金属方环谐振单元由外至内分别为金属方环1、金属方环2、金属方环3和金属方环4，其中，金属方环I外边长为si 1，宽度为swl，金属方环2外边长为sl2，宽度为sw2，金属方环3外边长为sl3，宽度为sw3，金属方环4外边长为sl4，宽度为sw4，金属化过孔的直径为d，相邻金属化过孔间孔心距为dp，金属化过孔直径和孔心距比值大于0.5，第一结构化金属层和第二结构化金属层的金属方环谐振单元的厚度均为tm，介质层的厚度为td，金属化过孔的孔壁厚度为tu。
[0030]本实施例中，介质层采用厚度为3mm的F4B(聚四氟乙稀玻璃布)介质板，其介电常数为ε = 2.65，损耗角正切为tan δ = 0.0Olo第一结构化金属层和第二结构化金属层采用材料为铜。
[0031]利用三维电磁仿真软件CST进行滤波器结构单元模型的设计和优化，最终得到性能表现优异的极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器。具体的滤波器结构单元模型参数设置如下:p = 10mm，si I = 10mm，swl = 0.35mm，sl2 = 8.39mm，sw2 = 0.31mm，sl3 = 6.12mm，sw3 = 0.3mm，sl4 = 5mmm，sw4 = 0.4mm，d = 0.5mm，dp = 0.72mm，tm =0.035mm，td = 3mm，tu = 0.025mm，ε = 2.65，tan δ = 0.001。
[0032]采用上述结构参数设置，利用PCB工艺在上、下面均镀有金属铜层的厚度为3mm的介质板上周期性的刻蚀相应的缝隙，形成耦合缝隙；然后再贯穿整个介质板周期性的开设多组过孔，并注入一定厚度的金属铜层，构成方形基片集成波导腔体。整个加工过程简单，制作成本低。
[0033]本发明极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器的具体工作原理如下:
[0034]介质层两面镀有由金属方环谐振单元周期排列而构成的结构化金属层，结构化金属层可有效的控制入射电磁波的传输特性。当入射电磁波处于谐振单元的谐振频段时，这一频段的电磁波对于挖槽结构来说将被全部透射、对于贴片结构来说将全部被反射。当入射电磁波入射到极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器后，每个通带频率内的电磁波通过周期性的正方环形缝隙耦合到腔体中，并通过缝隙谐振模式和腔体谐振模式相互作用后透过另一个表面的正方环形耦合缝隙耦合到空间，从而形成具有三个工作频带的带通滤波器。
[0035]与传统的缝隙谐振单元不同，本发明引入了金属腔体谐振，通过两种谐振模式的相互耦合极大的提高了滤波器的性能表现，尤其是对宽角度入射性能的稳定性以及通带的选择性有着很大的提升，也是本发明的一个亮点。
[0036]如图5所示为该滤波器在电磁波垂直入射时TE、TM两种极化方式下的透射谱与反射谱。由于结构单元具有旋转对称性，两种极化方式下的谱线相同，表明该滤波器在电磁波垂直入射时表现出对极化不敏感的特性。
[0037]如图6和图7所示分别为该滤波器在电磁波宽角度入射下(0°?40° )TE、TM两种极化方式的透射谱。对于TE极化，随着入射角度的增大，三个工作频带均表现出良好的稳定性；对于TM极化，随着入射角度的增大，同样三个频带依然维持着很好的稳定性。
[0038]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于:包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述介质层两面镀有金属层，分别为第一结构化金属层和第二结构化金属层；所述第一结构化金属层和第二结构化金属层为金属方环谐振单元周期排列而构成的金属表面，所述金属方环谐振单元为依次嵌套的若干金属方环；贯穿第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层周期性地等间距开设多组金属化过孔，使得在每个金属方环谐振单元周围形成一个环绕金属方环谐振单元的方形基片集成波导腔体。
2.根据权利要求1所述的一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于:所述第一结构化金属层和第二结构化金属层采用材料为铜。
3.根据权利要求1所述的一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于:所述介质层为F4B介质板。
4.根据权利要求1所述的一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于:所述金属化过孔孔壁的厚度为0.025_。
5.根据权利要求1所述的一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于:所述金属化过孔直径和相邻金属化过孔间孔心距比值大于0.5。
6.根据权利要求5所述的一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于:所示金属化过孔直径为0.5mm，相邻金属化过孔间孔心距为0.72mm。
【专利摘要】一种极化和宽角度入射不敏感三波段超材料带通滤波器，其特征在于：包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述介质层两面镀有金属层，分别为第一结构化金属层和第二结构化金属层；所述第一结构化金属层和第二结构化金属层为金属方环谐振单元周期排列而构成的金属表面，所述金属方环谐振单元为依次嵌套的若干金属方环；贯穿第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层周期性地等间距开设多组金属化过孔，使得在每个金属方环谐振单元周围形成一个环绕金属方环谐振单元的方形基片集成波导腔体。本发明滤波器具有极化不敏感、宽角度入射和通带选择性好的优良特性，而且几何结构设计简单，易于加工，成本低。
【IPC分类】H01P1-203
【公开号】CN104810583
【申请号】CN201510230425
【发明人】沈晓鹏, 付文悦, 李建东, 王昊深, 李海鹏, 韩奎
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月7日