基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器的制造方法
【专利摘要】基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，属于电磁波传输功能器件【技术领域】。本发明包括衬底介质基片和设置于衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层；两个频率选择表面层相对设置，结构相同；每个频率选择表面层包括N×N矩阵排列的谐振单元；N≥30。本发明Q值高、插入损耗小、带内波纹平坦、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工。
【专利说明】基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器
【技术领域】
[0001]本发明属于电磁波传输功能器件【技术领域】，特别涉及太赫兹带通滤波器。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波通常是指频率范围在0.1THz~IOTHz内的电磁波，介于毫米波与红外光之间，同时具有微波与红外光的特性，其特点是波束宽度适中、系统带宽较大，十分有利于目标探测成像、高速率大容量通信。 [0003]人工电磁材料(Electromagneticmetamaterial)或复合材料(compositematerial)可以突破自然界已有材料的介电常数和磁导率变化自由度的限制,在调控电磁波方面展现出巨大的应用潜力。人工电磁材料是通过在两种或两种以上的传统媒质材料中(如金属和介质)设计某种人工结构单元，周期性或非周期性的组合在一起，构成可以自由调控电磁波传输性质的人工超材料。频率选择表面(FSS-Frequency Selective Surfaces)是人工电磁材料中的热点研究领域，是一种能够对电磁波的不同谐振频率、入射角、极化方式发生全反射或全透射的二维周期阵列结构，与电磁波相互作用表现出明显的带通(孔径型单元)或带阻(贴片型单元)的滤波特性。由于FSS对电磁波具有选择透过性，可以广泛应用于雷达罩的RCS减缩、空间滤波器、极化器、吸波材料改性等领域。
[0004]滤波器是微波电路和系统中极为重要的无源器件，但随着波长的进一步缩短，传统波导型滤波器难以满足太赫兹波段的实际需求。FSS实现太赫兹波段带通滤波器主要是通过CELCs (Complementary Electric - LC Structure)和 SRRs ((Split ring resonances)两种周期谐振结构形式实现滤波。2011年4月美国的Mingzhi Lu等人在文献中给出了一种250GHz的互补ELC谐振结构的二阶带通滤波器。该滤波器具有具有二阶带通滤波的特点，Q值较高，带外陡峭。但插入损耗较大，带内平坦度较差。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种Q值高、插入损耗小、带内波纹平坦、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工的一种基于频率选择表面的太赫兹通滤波器。
[0006]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，其特征在于，包括衬底介质基片和设置于衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层；两个频率选择表面层相对设置，结构相同；每个频率选择表面层包括NXN矩阵排列的谐振单元；N<30。
[0007]所述谐振单元由中间镂空的正方形金属片形成，镂空区域为圆形；在镂空区，沿金属片对角线方向，每隔90度通过支臂跨接一个环形加载。
[0008]进一步的说，4个支臂和环形加载为中心对称设置，对称中心和镂空区域的圆心重合，也和金属片的中心重合。
[0009]所述衬底介质基片材料采用晶向为0001的单晶石英晶体，介电常数为4.41，磁导率为1，损耗正切为0.0004，厚度为d，d为百微米量级。
[0010]正方形金属片的边长为a，中间圆形镂空的半径为r1; a和ι为百微米量级。
[0011]每个支臂的长度为W1,宽度为s，W1和s为十微米量级。
[0012]通过支臂跨接的环形加载的内外半径分别是!^和!^，环形加载在沿方形金属边框中心线方向断开，开口宽度为w2，r2、r3和W2为十微米量级。
[0013]金属谐振结构的线条材料为Au、Ag、Cu、Al或Ti/Pt/Au合金,厚度h为百纳米量级。
[0014]本发明首次利用四支臂环形加载CELCs谐振结构，插入损耗小，带内波纹平坦，带外抑制明显。具体的说，具有如下优点:
[0015]I)本发明利用微纳制造技术加工，相对于利用表面等离子体、电光晶体等结构实现太赫兹滤波器，本发明结构简单、体积小、易于加工、可控精度高、成本较低；
[0016]2)本发明通过对谐振单元关键结构参数和基底厚度的调整改善单元间的耦合效应和谐振效应，可以实现理想的矩形系数、降低带内传输损耗、提高带内平坦度；
[0017]3)本发明可以在微波到太赫兹频段内灵活调节工作的通带范围，实现二阶、三阶甚至更高阶的带通滤波。本发明对太赫兹传输功能器件和检测器件的发展有重要的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明提供的基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器的三维结构示意图；
[0019]图2为频率选择表面的单个谐振单元结构示意图；
[0020]图3为频率选择表面的单个谐振单元的等效电路图；
[0021]图4为基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器传输系数曲线的仿真和测试图。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供一种基于频率选择表面的四支臂环形加载互补ELC太赫兹带通滤波器，如图1、2所示，包括信号输入端1、衬底介质基片5、衬底介质基片上下表面的两个频率选择表面层3、4，以及信号输出端2。
[0023]两个频率选择表面层位于衬底介质基片5的两侧表面，每个频率选择表面层由周期性方形排列的谐振单元构成，周期性谐振结构具有NXN个无间距排列的四支臂环形加载CELCs单元(即谐振单元)，且NS 30 ;两个频率选择表面层的谐振单元排列结构和形状结构相同。
[0024]谐振单元包括一个中间圆形镂空的方形金属边框，方形金属边框的边长为a，中间圆形镂空的半径为A ;在中间镂空的金属边框对角线方向上每隔90度通过支臂跨接一个环形加载，方形金属边框上的四个支臂的长度为W1，宽度为s ;通过支臂跨接的环形加载的内外半径分别是r2和1"3,且!T2=Ir1-W1 ;环形加载在沿方形金属边框中心线方向断开,开口览度为W2,且W2=W1 ;
[0025]所述的衬底介质基片材料采用晶向为0001的单晶石英晶体，介电常数约为4.41，磁导率为I，损耗正切约为0.0004，厚度为d ;所述金属谐振结构的线条材料采用电导率为
3.72父1075/!11，厚度为11金属铝。
[0026]如图2所示谐振单元的结构参数为:N=40, d=155 μ m, h=200nm, a=350 μ m,W1=W2=SS μ m，s=35 μ m 1^=112 μ m，Tl-1l μ m，r3=60 μ m。
[0027]图4所示为于频率选择表面的太赫兹带通滤波器传输系数曲线的仿真和测试图。基于频率选择表面的四支臂环形加载互补ELC太赫兹带通滤波器经高频电磁仿真软件HFSS模拟得到:在频率为0.305THz时，传输损耗为-1.27dB，3dB带宽为33.1GHz ;采用太赫兹时域光谱仪对制备的四支臂环形加载互补ELC太赫兹带通滤波器进行多次实测，通过快速傅立叶变换后得到:在频率为0.306THz时，传输损耗为-1.99dB，带内损耗小于ldB，带外抑制约为_50dB，带宽约为12GHz。峰值频率与传输系数的设计误差为0.32%和7.93%，带宽误差较大，主要原因是基底材料的介电常数、金属材料的导电率、基底厚度，测量设备精度带来的误差造成。
[0028]本案中的四支臂环形加载周期结构，可以根据工作频段的不同，采用不同加工工艺进行加工，比如PCB技 术、MEMS技术。
【权利要求】
1.基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，其特征在于，包括衬底介质基片(5)和设置于衬底介质基片(5)上下表面的两个频率选择表面层；两个频率选择表面层相对设置，结构相同；每个频率选择表面层包括NXN矩阵排列的谐振单元，N ^ 30； 所述谐振单元由中间镂空的正方形金属片形成，镂空区域为圆形；在镂空区，沿金属片对角线方向，每隔90度通过支臂跨接一个环形加载。
2.如权利要求1所述的基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，其特征在于，4个支臂和环形加载为中心对称设置，对称中心和镂空区域的圆心重合，也和金属片的中心重合。
3.如权利要求1所述的基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，其特征在于，所述衬底介质基片材料采用晶向为0001的单晶石英晶体，介电常数为4.41，磁导率为I，损耗正切为0.0004。
4.如权利要求1所述的基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，其特征在于，环形加载在沿方形金属边框中心线方向断开。
5. 如权利要求1所述的基于频率选择表面的多层互补结构太赫兹带通滤波器，其特征在于，所述金属谐振结构的线条材料为Au、Ag、Cu、Al或Ti/Pt/Au合金。
【文档编号】H01P1/20GK103490125SQ201310475925
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】兰峰, 杨梓强, 史宗君 申请人:电子科技大学