一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器及其制备方法

本发明涉及太赫兹超材料，尤其是涉及一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器及其制备方法。

背景技术：

1、太赫兹波是指波长在红外与微波之间的电磁频段，一般指0.1thz到10thz范围，具有穿透力强，安全性高，光子能量低等特点，在物品检测，新一代通信技术和太赫兹成像等领域都有丰富的利用前景。然而，现阶段太赫兹功能器件的匮乏极大地限制了太赫兹技术的应用。因此，设计性能优良的太赫兹滤波器、太赫兹天线、太赫兹吸波器等太赫兹功能器件是目前太赫兹领域重要的研究方向。

2、太赫兹滤波器作为一种选频设备是太赫兹通信技术的一项重要器件。在太赫兹通信系统中由于噪声广泛存在，使传输信号受到影响，降低通信效果与质量。为提高太赫兹通信系统的传输性能，需要使用太赫兹滤波器滤除不需要的频率和噪声。然而，现有的太赫兹滤波器大多是对单频或多频的窄带滤波，无法满足太赫兹宽带通信系统的滤波需求，因此，设计性能优良的太赫兹宽带滤波器以满足太赫兹宽带通信系统的需求，这对促进太赫兹滤波器在太赫兹应用技术领域的发展至关重要。

3、太赫兹宽带滤波器的设计通常是在微纳米单元内构造多个谐振结构实现宽带透射。而现有的太赫兹宽带滤波器大多由于堆叠了太多谐振结构使其结构复杂，实现不易。专利cn201510439332.4提供了一种太赫兹滤波器及其制作方法。包括：聚合材料层以及金属层；所述金属层包括片状结构，所述片状结构包括横条和纵条；所述片状结构周期性分布在所述聚合材料层内，扩大了滤波器的滤波范围，并有益于太赫兹滤波器应用于其他系统中，但是制备方法较为复杂，且不能实现高通带平坦度、极化不敏感的滤波效果。因此，现有的技术中太赫兹滤波器存在结构复杂、带宽窄的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器及其制备方法，结构简单，容易实现，而且在太赫兹低频波段能够实现超带宽、高通带平坦度、极化不敏感的滤波效果。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，包括聚合材料介质基板和金属层，金属层设于聚合材料介质基板上，金属层包括多个阵列排布的金属单元，金属单元包括一个金属边框、四个条状金属结构、四个l型金属结构，四个条状金属结构、四个l型金属结构均设于金属边框内，四个条状金属结构分别设于金属边框的四边，四个l型金属结构分别设于金属边框的四角，使得条状金属结构处于两个l型金属结构之间；

4、金属层包括两个谐振结构，金属边框和四个条状金属结构组成第一个谐振结构，以实现带通滤波功能，通过加入l型金属结构形成第二个谐振结构，实现超宽带带通滤波，改善高通带平坦度。

5、进一步的，聚合材料介质基板为聚酰亚胺介质基板。

6、进一步的，聚酰亚胺介质基板的介电常数为3.5、损耗角正切值为0.0027，聚酰亚胺介质基板为边长为25～35μm的正方形，厚度为25～40μm。

7、进一步的，金属单元的电导率为4.561×107s/m。

8、进一步的，金属边框是由一个大正方形金属板中间截去一个小正方形金属结构形成的金属边框。

9、进一步的，大正方形金属板边长和聚合材料介质基板的边长相同，小正方形金属结构边长为18～24μm，厚度为0.01～1μm。

10、进一步的，四个条状金属结构是由一个完整的“十”字型金属结构被金属单元中心的一个圆形镂空结构分成的四个形状相同的金属结构，

11、进一步的，“十”字型金属结构长度和聚合材料介质基板的边长相同，宽度为2～10μm，厚度为0.01～1μm，圆形镂空结构的半径为6～10μm。

12、进一步的，l型金属结构是一个大正方形金属结构边缘处截去一个小正方形结构形成的金属结构，大正方形金属结构边长为17～19μm，小正方形金属结构边长为2～15μm，厚度为0.01～1μm。

13、本发明还提供一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器的制备方法，用于制备基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，包括以下步骤：

14、s1：使用旋涂工艺在500μm的高阻硅片上涂上一层聚酰亚胺溶液，聚酰亚胺溶液固化并亚胺化形成30μm厚度聚酰亚胺基板。

15、s2：将s1中制成的在聚酰亚胺基板的一侧利用磁控溅射镀上一层厚度0.1μm的金属金，形成金属层。

16、s3：在s2得到的金属层表面旋涂光刻胶，并进行前烘。

17、s4：将s3旋涂好的样品进行曝光5s，然后在显影液中放置45s。

18、s5：利用离子刻蚀机对金属层进行刻蚀，形成金属阵列结构

19、s6：采用丙酮和离子水去胶机去除金属层表面的光刻胶。

20、s7：将样品放入氢氟酸hf(40％)中浸泡3min，分离高阻硅片，得到太赫兹超宽带带通滤波器。

21、本发明提供的太赫兹超宽带带通滤波器，在不同入射偏振下的太赫兹透射光谱大致相同，对滤波器功能及其他特性没有影响，因此本发明具有偏振不敏感特性；本发明通过将滤波器的金属单元沿平面周期排列形成具有超材料特性的太赫兹超宽带带通滤波器，实现超宽带滤波效果。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、(1)本发明提出的太赫兹超宽带带通滤波器在聚酰亚胺基板和四个条状金属结构组成的超材料结构上添加了四个l型金属结构，利用多个谐振峰的耦合，实现超宽带带通滤波效果，3db带宽达到1thz，可以在0.78～1.78thz频段内实现超宽带带通滤波，而且使通带更加平坦。

24、(2)本发明提出的太赫兹超宽带带通滤波器实现了超宽带带通滤波效果，比同类宽带带通滤波器结构更加简单，加工可行性更高，通带带宽更大且具有极化不敏感特性。

技术特征：

1.一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，包括聚合材料介质基板和金属层，所述金属层设于所述聚合材料介质基板上，其特征在于，所述金属层包括多个阵列排布的金属单元，所述金属单元包括一个金属边框(2)、四个条状金属结构、四个l型金属结构，四个所述条状金属结构、四个l型金属结构均设于所述金属边框(2)内，，四个所述l型金属结构分别设于所述金属边框(2)的四角，四个所述条状金属结构分别设于所述金属边框(2)的四边，且使得所述条状金属结构处于两个l型金属结构之间，使得金属层构成两个谐振结构，实现超宽带带通滤波，并能够改善高通带平坦度。

2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述聚合材料介质基板为聚酰亚胺介质基板(1)。

3.根据权利要求2所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述聚酰亚胺介质基板(1)的介电常数为3.5、损耗角正切值为0.0027，所述聚酰亚胺介质基板(1)为边长为25～35μm的正方形，厚度为25～40μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述金属单元的电导率为4.561×107s/m。

5.根据权利要求1所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述金属边框(2)是由一个大正方形金属板中间截去一个小正方形金属结构形成的金属边框(2)。

6.根据权利要求5所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述大正方形金属板边长和聚合材料介质基板的边长相同，小正方形金属结构边长为18～24μm，厚度为0.01～1μm。

7.根据权利要求1所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，四个所述条状金属结构是由一个完整的“十”字型金属结构被金属单元中心的一个圆形镂空结构分成的四个形状相同的金属结构。

8.根据权利要求7所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述“十”字型金属结构长度和聚合材料介质基板的边长相同，宽度为2～10μm，厚度为0.01～1μm，所述圆形镂空结构的半径为6～10μm。

9.根据权利要求1所述的一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器，其特征在于，所述l型金属结构是一个大正方形金属结构边缘处截去一个小正方形结构形成的金属结构，所述大正方形金属结构边长为17～19μm，所述小正方形金属结构边长为2～15μm，厚度为0.01～1μm。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器及其制备方法，基于超材料的太赫兹超宽带带通滤波器包括聚合材料介质基板和金属层，金属层设于聚合材料介质基板上，其特征在于，金属层包括多个阵列排布的金属单元，金属单元包括一个金属边框、四个条状金属结构、四个L型金属结构，四个条状金属结构、四个L型金属结构均设于金属边框内，四个条状金属结构分别设于金属边框的四边，四个L型金属结构分别设于金属边框的四角；金属层包括两个谐振结构，实现超宽带带通滤波，改善高通带平坦度。与现有技术相比，本发明结构简单，尺寸较小，通带平坦，可以在0.78～1.78THz频段内实现超宽带带通滤波，同时具有极化不敏感特性。

技术研发人员：李高芳,高文杰,江林,林佳,黄敬国,黄志明,褚君浩
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17