基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁波传输功能器件技术领域，特别涉及一种基于频率选择表面结构 的三通带太赫兹带通滤波器及其设计。
【背景技术】
[0002] 太赫兹（THz)波通常指频率在0. 1~lOTHz (波长在0. 03~3mm)的电磁波，介 于微波与红外光之间，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。THz波具有很多微波和光波所不具备的 特点，例如THz光子能量低，只有几个毫电子伏特，不会对检测物质造成破坏，大多数非金 属非极性材料对THz波吸收较小，使得它可以用于检测材料内部信息。THz脉冲源只包含若 干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带能覆盖从GHz到几十THz的频率范围，很多生物大 分子的振动和转动能级，电介质、半导体、超导材料等的声子振动能级都在THz波段内。超 快THz脉冲具有很高的峰值功率，在太赫兹时域光谱系统中具有很高的信噪比。由于具备 上述优势，太赫兹技术可在安检、传感和成像等领域发挥巨大的作用，近年来受到了研宄者 们的高度关注，与此同时，许多工作在太赫兹波段的新材料、新器件也应运而生。
[0003]人工电磁材料（Electromagnetic materials)或超材料（metamaterials，MMs)通 常指具有天然材料所不具备的超常电磁特性的一类人工复合材料，其结构尺寸远小于工作 波长，在亚波长量级，因此在工作波长内可视为一种均匀电磁媒质。通过在两种或两种以上 的传统媒质材料中（如金属和介质）设计某种周期排列的人工结构单元，实现对所设计超 材料的等效介电常数和等效磁导率的改变，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宄 领域，它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，基于FSS结构的人工电磁材料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]由于太赫兹波的独特性质，在自然界中能够对太赫兹波进行响应的材料比较少， 以致当前工作在太赫兹波段的功能器件较少，制约了太赫兹科学与技术的发展和应用，而 太赫兹超材料的提出，弥补了这一缺陷，使得太赫兹功能器件的实现成为可能，通过对周期 排列的微结构的设计，可以得到在太赫兹波段进行响应的器件，从而使太赫兹波调控成为 可能。当前太赫兹波功能器件主要集中在吸波器，滤波器、波片等等，针对太赫兹带通滤波 器更为广泛的应用（太赫兹波选频及太赫兹波通信领域），因此我们设计了太赫兹带通滤 波器。然而，目前大多数的太赫兹带通滤波器都是单通带滤波，只能进行单一频段的选频， 并且都是偏振敏感的器件，当改变电场或者磁场的方向时，其滤波特性大大降低甚至消失， 大大制约了器件的使用范围，实用性较差。基于此，我们提出一种偏振不敏感的多通带的带 通滤波器的设计，增加了选频范围，增强了调制特性，可以同时进行不同频段的太赫兹产生 和探测，使其在太赫兹通信，传感，探测以及物质鉴别方面具有更加广泛的应用。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有太赫兹带通滤波器只能进行单一频段的选频滤波，并且都是偏振敏 感的器件，当改变电场或者磁场的方向时，其滤波特性减弱甚至消失的技术问题，本发明提 供了一种基于频率选择表面结构的太赫兹带通滤波器。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] 一种基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器，其特殊之处在于：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 层结构相同，每个频率选择表面层包括按MXN矩阵紧密排列的谐振单元，M与N为大于1 的整数，每个谐振单元由3个正方形同心金属环构成，位于上下表面的两个谐振单元的金 属环共轴。
[0008] 优选的，上述谐振单元的行、列间距为零，此改进的优点是：通过对结构行列间距 的设计，当行列间距为零时可以得到最佳的三带滤波效果，其它数值的行列间距滤波效果 都没有上述优异。
[0009] 优选的，上述MXN矩阵为正方形矩阵，此改进的优点是：该结构的三带滤波特性 是建立在以单元为基础上的周期排列结构，故该结构为MXN的正方形排列时，具有最佳的 三带滤波效果。
[0010] 优选的，上述衬底介质基片为柔性高分子衬底介质基片。
[0011] 优选的，上述衬底介质基片为在太赫兹波段具有高透过滤的polimide衬底介质 基片。
[0012] 优选的，上述金属环为铜金属环。
[0013] 优选的，上述衬底介质基片的厚度为35 ym，所述三个正方形金属环的宽度从外向 里依次为6 y m、5 y m、5 y m，金属环厚度为0? 2 y m。
[0014] 本发明与现有技术相比，优点是：
[0015] 1、本发明提供的基于频率选择表面结构的三通带太赫兹带通滤波器，在一块柔性 高分子衬底上集成了三个频率的太赫兹波带通滤波，可以对三个不同频带的太赫兹波进行 滤波，并具有偏振不敏感特性，解决了传统太赫兹带通滤波器只能单频滤波、偏振敏感的不 足。
[0016] 2、本发明提供的三通带响应太赫兹带通滤波器结构简单，制备工艺流程短，有利 于降低制备成本。
[0017] 3、本发明提供的带通滤波器具有多通带滤波、偏振不敏感、插入损耗小、带内波纹 平坦、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、易于加工等优点，在太赫兹通信、选频、物质检测等 领域具有巨大的潜在应用价值。
【附图说明】
[0018] 图1为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器周期排列图以及单个 谐振单元的结构示意图。
[0019] 图2为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器透射曲线仿真图。
[0020] 图3为基于频率选择表面结构的多通带太赫兹带通滤波器TE、TM偏振模式的透射 曲线仿真图。
[0021] 图4为改变金属环形状模拟得到的透射曲线仿真图。
[0022] 图5为改变金属环材料模拟得到的透射曲线仿真图。
[0023]图6为改变介质基底厚度模拟得到的透射曲线仿真图。
[0024] 图7a_图7c为不同结构的谐振单元，图7d为图7a_图7c所对应的谐振单元的透 射曲线仿真图。
[0025] 图8为理论计算分析模型图。
[0026] 图9为模拟结果与计算结果对比图。
【具体实施方式】
[0027] 以下结合附图对本发明做详细说明：
[0028] 如图1所示，本发明提供的基于频率选择表面结构的