本实用新型属于太赫兹滤波器领域，尤其涉及一种太赫兹波段石墨烯光子晶体滤波器结构。
背景技术：
太赫兹波的波长大于30微米而小于3毫米，频率高于微波而低于红外波。1太赫兹对应的光子能量约为4.14 mcV，宇宙射线的大部分能量都位于太赫兹波段。太赫兹技术的发展在上个世纪曾经受限于太赫兹波源和探测设备的研发滞后。上世纪八十年代后，随着太赫兹波源和探测设备的技术取得突破，太赫兹技术得到了飞速的发展。太赫兹波具有许多独特的性质，使其在许多应用领域具备不可替代的优势。太赫兹波能量较低，可以在不伤害被检测对象的情况下用于活体检测，在生物医学领域有广阔的应用前景；太赫兹波频率是微波的500-1000倍，将其用于无线通信，可以大大提高通信带宽和信号传输速率；太赫兹波穿透能力强、成像精度高，在远程环境监控、人流密集区域安全监测等领域有着巨大的应用潜力。
太赫兹波的实际应用需要性能优异的太赫兹波传输和处理装置。太赫兹波段带通滤波器是一种重要的太赫兹波段信号处理设备，它具有频率选择功能，能够允许特定频段的信号通过，并将该频段之外的输入信号其他频率分量衰减到极低水平。带通滤波器的性能水平，对太赫兹波段信号处理有着重要意义，直接决定了太赫兹波段设备的性能好坏。一款高性能太赫兹波段带通滤波器应满足的性能指标是：通带中心频率在1 THz附近，通带最大衰减小于3 dB、阻带最小衰减大于30 dB时，通带频率宽度达到0.2 THz以上，两个过渡带频率宽度均小于0.05 THz。
光子晶体结构是由一种介质在另一种介质中周期性排布组成的新型光学材料，其最重要的性质是能够产生光子带隙，频率位于光子带隙中的电磁波将被阻止传播。石墨烯是由碳原子组成的单层石墨，具有非常好的导热性、透光性，而且具有高强度、超轻薄、超大表面积等特性。石墨烯具有很高的载流子迁移率，具有很好的导电性。
与本专利相关的专利包括：ZL201620290721.5、ZL201621301269.4。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足和空白，本实用新型采用以下技术方案：
一种太赫兹波段石墨烯光子晶体滤波器结构，其特征在于，包括：基板和贴覆在基板正面的分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构；所述分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构使用导电区域可分割为多个小正方形导电区域的石墨烯光子晶体结构，每个所述小正方形导电区域设有分形缝隙结构。
优选地，所述分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构的大小为70 μm±1 μm×70 μm±1 μm。
优选地，所述石墨烯光子晶体结构为矩形石墨烯光子晶体结构。
优选地，所述石墨烯光子晶体结构由7行7列共49个大小为10 μm×10 μm的小正方形区域组成，其中第2行第2列、第2行第4列、第2行第6列、第4行第2列、第4行第4列、第4行第6列、第6行第2列、第6行第4列、第6行第6列共9个小正方形区域为小正方形孔，其余40个小正方形区域为小正方形导电区域。
优选地，所述分形缝隙结构是在大小为10 μm×10 μm的小正方形导电区域中，开出线宽为0.2 μm的希尔伯特分形缝隙所形成。
优选地，所述分形缝隙结构使用1阶和/或2阶和/或3阶希尔伯特分形结构。
优选地，所述分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构第1行、第2行、第6行、第7行小正方形导电区域的分形缝隙结构使用1阶希尔伯特分形结构，第3行、第5行小正方形导电区域的分形缝隙结构使用2阶希尔伯特分形结构，第4行小正方形导电区域的分形缝隙结构使用3阶希尔伯特分形结构。
优选地，所述分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构的信号输入点设置在第7行第1列的小正方形导电区域上，信号输出点设置在第1行第7列的小正方形导电区域上。
优选地，所述基板为太赫兹波段透波陶瓷基板，形状为矩形；所述基板尺寸是70 μm±1 μm×70 μm±1 μm，厚度为10 μm±1 μm。
优选地，所述导电区域由石墨烯导电墨水印制而成。
本实用新型利用石墨烯周期排布形成的光子晶体结构获得在太赫兹波段的带通滤波器，同时结合了分形结构的特性，创造性地提出了在正方形导电区域中开出形状为线形分形结构的缝隙，从而在不改变原导电区域形状的前提下，在导电区域中引入分形结构的自相似变化规律，从而改善器件的带宽性能，增大太赫兹波段带通滤波器的通带宽度，并利用分形阶数的渐变实现石墨烯导电区域的阻抗渐变，让更宽频段的太赫兹电磁波可以与石墨烯导电区域实现阻抗匹配，进一步增大太赫兹波段带通滤波器的通带宽度。
本实用新型具备通带频率宽度较大、过渡带频率宽度较小、阻带衰减较大等优点，工作性能稳定，在太赫兹波段设备中具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
图1为0阶希尔伯特分形示意图；
图2为1阶希尔伯特分形示意图；
图3为2阶希尔伯特分形示意图；
图4为3阶希尔伯特分形示意图；
图5为本实用新型实施例中1阶希尔伯特分形缝隙示意图；
图6为本实用新型实施例中2阶希尔伯特分形缝隙示意图；
图7为本实用新型实施例中3阶希尔伯特分形缝隙示意图；
图8为本实用新型实施例中石墨烯光子晶体滤波器示意图；
图9为本实用新型实施例的幅频特性性能图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本实用新型实施例包括：基板和贴覆在基板正面的分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构。
其中，如图8所示，分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构使用导电区域可分割为多个小正方形导电区域的石墨烯光子晶体结构，每个导电区域设有分形缝隙结构。
本实施例中，分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构的大小为70 μm±1 μm×70 μm±1 μm；石墨烯光子晶体结构为矩形石墨烯光子晶体结构。
如图8所示，石墨烯光子晶体结构由7行7列共49个大小为10 μm×10 μm的小正方形区域组成，其中第2行第2列、第2行第4列、第2行第6列、第4行第2列、第4行第4列、第4行第6列、第6行第2列、第6行第4列、第6行第6列共9个小正方形区域为小正方形孔，其余40个小正方形区域为小正方形导电区域。
0阶、1阶、2阶、3阶希尔伯特分形如图1-图4所示；在本实施例中，分形缝隙结构是在大小为10 μm×10 μm的小正方形导电区域中，开出线宽为0.2 μm的希尔伯特分形缝隙所形成。
其中，如图5-图8所示，分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构第1行、第2行、第6行、第7行小正方形导电区域的分形缝隙结构使用1阶希尔伯特分形结构，第3行、第5行小正方形导电区域的分形缝隙结构使用2阶希尔伯特分形结构，第4行小正方形导电区域的分形缝隙结构使用3阶希尔伯特分形结构。
在本实施例中，分形缝隙-石墨烯光子晶体复合结构的信号输入点设置在第7行第1列的小正方形导电区域上（左下角），信号输出点设置在第1行第7列的小正方形导电区域上（右上角）。
在本实施例中，基板为太赫兹波段透波陶瓷基板，形状为矩形；基板尺寸是70 μm±1 μm×70 μm±1 μm，厚度为10 μm±1 μm。
在本实施例中，导电区域由石墨烯导电墨水印制而成。
本实施例中分形缝隙结构采用的是希尔伯特分形结构，但在本实用新型的设计思路下，不局限于希尔伯特分形结构，只要存在自相似变化规律的且分形阶数的渐变可实现石墨烯导电区域的阻抗渐变的分形结构均可作为分形缝隙结构的可行结构方案。
如图9所示，对本实用新型实施例的实测结果显示，通带幅频特性衰减小于3 dB、阻带幅频特性衰减大于30 dB时，该款带通滤波器的通带频率范围为0.859～1.138 THz，通带频率宽度为0.279 THz，两个过渡带频率范围分别为0.827～0.859 THz和1.138～1.172 THz，两个过渡带频率宽度分别为0.032 THz和0.034 THz，阻带最大衰减达到51.77 dB。实测结果显示，现有太赫兹设备所提出的各项性能要求该款带通滤波器都能够满足。
与用于太赫兹波段的常规带通滤波器比较，本实施例的带通滤波器具有以下突出的优点和显著的效果：通带频率宽度较大，通带最大衰减小于3 dB、阻带最小衰减大于30 dB时，该款带通滤波器的通带频率宽度达到0.279 THz，是目前为止实测通带宽度最大的太赫兹波段带通滤波器；过渡带频率宽度较小，两个过渡带频率宽度分别为0.032 THz和0.034 THz，明显优于过渡带频率宽度小于0.05 THz的常规性能要求；阻带衰减较大，阻带最大衰减达到51.77 dB，且阻带内大多数频段的衰减都大于48 dB。由于本实施例滤波器的导电区域由石墨烯导电墨水印制而成，导电区域中没有金属，在露天工作环境中不易被腐蚀，具有很高的工作稳定性。本实施例的带通滤波器同时具备通带频率宽度较大、过渡带频率宽度较小、阻带衰减较大等优点，工作性能稳定，在太赫兹波段设备中具有广阔的应用前景。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的太赫兹波段石墨烯光子晶体滤波器结构，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。