一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器的制作方法

本实用新型涉及电磁超表面的技术领域，尤其是涉及一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1thz～10thz范围、波长在0.03mm～3mm的电磁波，在电磁波谱中介于微波与红外之间。由于太赫兹技术在医学检测、通讯等领域具有良好的应用前景，因此引起了人们广泛关注。在实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制，需要滤除不需要的频率范围内的噪声，提高系统的性能，因而太赫兹带通滤波器在太赫兹技术应用中占有重要地位。

太赫兹带通滤波器一般位于接收机的后端，主要用于滤除信号有效频带以外的噪声及干扰，从而最大限度提高信噪比，这就意味着带通滤波器必须有良好的幅频特性曲线，即通带内平坦。但是，目前的太赫兹带通滤波器传输频带衰减较大，通带内不平坦，因此，如何设计通带平坦的太赫兹带通滤波器成为本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器，其具有通带平坦的效果。

本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器，包括至少一个n层超表面结构，所述至少一个n层超表面结构呈周期性排列并无缝拼接形成超表面，其中，n为整数，且n≥2；每个n层超表面结构均包括n个同向平行设置的超表面单元，相邻两个超表面单元之间均设有空气层；每个所述超表面单元均包括金属框、十字形共振体和介质衬底，所述金属框和所述十字形共振体均设置在所述介质衬底上，所述十字形共振体位于所述金属框内，所述金属框为亚波长尺寸。

通过采用上述技术方案，通过堆叠多层电磁超表面谐振结构设计太赫兹带通滤波器，可对工作频率的电磁波完美透过，滤掉其他频率的电磁波，对于平行极化和垂直极化的波都适用，可以实现对太赫兹波段的良好调控作用，使太赫兹带通滤波器的通频带具有高透射率，通频带的平坦度高。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述十字形共振体由两个相同的矩形金属条相互垂直交叉构成，两个矩形金属条的中心重合。

通过采用上述技术方案，使超表面单元结构具有高对称性，提高通频带的透射率，当入射电磁波的方向改变不是特别大时，不会影响滤波效果。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属框的内框形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形，所述金属框的外侧形状、大小与所述介质衬底的形状、大小均相同。

通过采用上述技术方案，只要保证金属框的尺寸为亚波长，即波长大于金属框孔径的电磁波是不能透过金属框的，金属框的内侧形状可以是任意形状；并且，金属框的外侧形状、大小与介质衬底相同，便于超表面单元之间的拼接。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：包括三个超表面单元以及设置在所述三个超表面单元之间的两个空气层，所述两个空气层为沿电磁波入射方向依次设置的第一空气层和第二空气层。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一空气层的厚度为35μm，所述第二空气层的厚度为32.5μm。

通过采用上述技术方案，采用三层超表面结构堆叠并使层距依次为70μm、65μm，可以得到通频带为1.44-1.82thz的太赫兹带通滤波器。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：包括四个超表面单元以及设置在所述四个超表面单元之间的三个空气层，所述三个空气层为沿电磁波入射方向依次设置的第三空气层、第四空气层和第五空气层。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第三空气层、所述第五空气层的厚度均为28μm，所述第四空气层的厚度为33.5μm。

通过采用上述技术方案，采用四层超表面结构堆叠并使层距依次为56μm、67μm、56μm，可以得到通频带为1.44-1.9thz的太赫兹带通滤波器。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属框与所述十字形共振体为同心设置。

通过采用上述技术方案，使超表面单元结构具有高对称性、高透射率。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属框的亚波长尺寸为75μm，厚度为17.5μm，框宽度为12.5μm；所述矩形金属条的长度为40μm，宽度为10μm，厚度为17.5μm；所述介质衬底的厚度为9.5μm。

综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过堆叠多层电磁超表面谐振结构设计太赫兹带通滤波器，可对工作频率的电磁波完美透过，滤掉其他频率的电磁波，对于平行极化和垂直极化的波都适用，可以实现对太赫兹波段的良好调控作用，使太赫兹带通滤波器的通频带具有高透射率，通频带的平坦度高；

2.使超表面单元结构具有高对称性，提高通频带的透射率，当入射电磁波的方向改变不是特别大时，不会影响滤波效果；

3.只要保证金属框的尺寸为亚波长，即波长大于金属框孔径的电磁波是不能透过金属框的，金属框的内框形状可以是任意形状。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中单个三层超表面结构的立体结构示意图。

图2是本实用新型实施例中多层超表面结构拼接形成的超表面每一层的xy平面结构示意图。

图3、图4是本实用新型实施例中超表面单元的xy平面结构示意图。

图5是本实用新型实施例二中单个四层超表面结构的立体结构示意图。

图6是本实用新型实施例三中单个两层超表面结构的立体结构示意图。

图7是本实用新型实施例中单层超表面结构的透射率fdtd和cmt拟合结果图。

图8是本实用新型实施例三中拟合参数γ,γ′随d6的变化关系图。

图9是本实用新型实施例三中拟合参数通带宽度和通带内最小透射率随d6的变化关系图。

图10是本实用新型实施例三中拟合参数dij随d6的变化关系图。

图11是本实用新型实施例三中fdtd计算得到的透射光谱随d6的变化关系图。

图12是本实用新型实施例三的透射率fdtd和cmt拟合结果图。

图13是本实用新型实施例一的透射率fdtd和cmt拟合结果图。

图14是本实用新型实施例二的透射率fdtd和cmt拟合结果图。

图中，1、超表面单元，11、金属框，12、十字形共振体，13、介质衬底，21、第一空气层，22、第二空气层，23、第三空气层，24、第四空气层，25、第五空气层，26、第六空气层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

参照图1、图2，为本实用新型实施例公开的一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器，包括至少一个三层超表面结构，至少一个三层超表面结构呈周期性排列并无缝拼接形成超表面；每个三层超表面结构均包括沿电磁波入射方向a依次叠加设置的超表面单元1、第一空气层21、超表面单元1、第二空气层22和超表面单元1。第一空气层21的厚度d1为35μm，第二空气层22的厚度d2为32.5μm。

如图3所示，每个超表面单元1均包括金属框11、十字形共振体12和介质衬底13，金属框11和十字形共振体12均设置在介质衬底13上，十字形共振体12位于金属框11内，金属框11为亚波长尺寸，所有超表面单元1同向设置，即对于任意一个超表面单元1，入射的电磁波都是先通过金属框11、十字形共振体12这一面，再通过介质衬底13。

可选的，金属框11的外侧形状、大小与介质衬底13与金属框11的外框形状、大小相同，外侧形状的最大尺寸为亚波长；金属框11的内侧形状可以是正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形，内侧形状的最大尺寸大于十字形共振体12的最大尺寸。具体的，以正方形和圆形为例，如图3所示，金属框11的内侧、外侧形状均为正方形，其外侧的边长p为亚波长尺寸，为75μm，框的宽度mw为12.5μm；如图4所示，金属框11的外侧形状为正方形、内侧形状为圆形，其外侧的边长p为亚波长尺寸，为75μm，框的宽度mw为12.5μm。

可选的，介质衬底13的介电常数为3.1、厚度l2为9.5μm。

优选的，金属框11的平面形状为对称形状，可与十字形共振体12共同构成高对称性的金属超表面结构。

优选的，十字形共振体12由两个相同的矩形金属条相互垂直交叉构成，两个矩形金属条的中心重合；金属框11与十字形共振体12为同心设置，即十字形共振体12与金属框11的中心重合。具体的，如图3所示，矩形金属条的长度cl为40μm，宽度cw为10μm，其厚度与金属框11的厚度l1相同，均为17.5μm。

本实施例中，金属框11、十字形共振体12的材质可选用铜。

需要注意的是，图1、图5和图6中电磁波入射方向a仅是一个示例，电磁波入射角度并不仅限于这一种情况。

实施例二：

参照图2、图5，为本实用新型实施例公开的一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器，包括至少一个四层超表面结构，至少一个四层超表面结构呈周期性排列并无缝拼接形成超表面；每个四层超表面结构均包括沿电磁波入射方向a依次叠加设置的超表面单元1、第三空气层23、超表面单元1、第四空气层24、超表面单元1、第五空气层25和超表面单元1；第三空气层23的厚度d3、第五空气层25的厚度d5均为28μm，第四空气层24的厚度d4为33.5μm。

实施例三：

参照图2、图6，为本实用新型实施例公开的一种基于多层超表面结构的太赫兹带通滤波器，包括至少一个两层超表面结构，至少一个两层超表面结构呈周期性排列并无缝拼接形成超表面；每个两层超表面结构均包括沿电磁波入射方向a依次叠加设置的超表面单元1、第六空气层26和超表面单元1；第六空气层26的厚度d6的35μm。

由于实施例二、三中的超表面单元1的结构与实施例一中的超表面单元1相同，因此不再对其赘述。

需要注意的是，上述实施例所采用多层超表面结构的数量与入射电磁波的面积有关，图2仅示出了由25个多层超表面结构以5×5的阵列形式进行拼接得到超表面的一个示例。

以下对上述实施例所应用的原理进行详述。

金属框11产生一个截止频率，在该频率以下金属框11是光学不透明的；同时，十字形共振体12被加在金属框11内。对于这种类型的系统，由cmt理论可以得到其透射系数为：

式中，t0代表背景介质的透射，f1代表共振频率，γ1代表辐射损耗，d11、d21代表局部共振和两个端口之间的耦合。用式(1)分析多个共振结构很麻烦，因此进一步假设背景介质是完全不透的，透射系数可以写为：

且有

式中，η代表不对成因素，可用式(2)拟合单个超表面单元1的透射率(t＝|t|²)，拟合结果如图7所示。

进一步，对于上述实施例三中两个超表面单元1堆叠在一起的透射系数可以表示为：

其中，对于两层结构，只需要拟合γ,γ′这两个参数，并得到其随着两个超表面单元1之间的距离d6变化的关系，变化关系如图8所示。

从图8、图9、图10、图11可以看出，随着两个超表面单元1之间距离的变大，通频带的宽度越来越窄，但是通带的平坦度越来越好。基于此，对于两层结构，选取了d6＝35μm，得到通频带为1.56-1.68thz的太赫兹带通滤波器，其透射率的拟合结果如图12所示；三层结构d1＝35μm,d2＝32.5μm，得到通频带为1.44-1.82thz、中心频率在1.6thz的太赫兹带通滤波器，其透射率的拟合结果如图13所示；四层结构d3＝d5＝28μm，d4＝33.5μm，得到通频带为1.44-1.9thz、中心频率在1.6thz的太赫兹带通滤波器，其透射率的拟合结果如图14所示。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。