本发明公开了一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，包括嵌套的三个金属方环谐振单元与介质层和十字形金属谐振单元组成的滤波器单元。本发明利用该滤波器单元，在太赫兹波段实现了三波段窄带带通滤波器。该滤波器的结构单元具有旋转对称性，对太赫兹波入射偏振以及较大角度入射不敏感，依然维持良好的三波段滤波特性。这种复合结构的三波段滤波特性来源于三个方环谐振单元各自所对应的滤波特性的线性叠加，并且通过改变方环谐振单元的几何尺寸来调控对应的滤波频段。基于此可以在太赫兹波段实现更多波段滤波。本发明的滤波器设计简单、尺寸较小、加工方便，在太赫兹通讯、成像、光谱分析等太赫兹技术中有很高的实用价值。
1.一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，其特征在于：包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层依次设置形成金属-介质-金属三明治结构；所述第一结构化金属层为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)；所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元(6)按正方周期排列而构成的金属栅格；其中，嵌套的三个金属方环谐振单元分别与介质层(5)和十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元；
带通滤波器在电磁波斜入射时的多重反射-干涉过程物理模型包含两个交界面：上层金属超表面P1和下层金属栅格P2；假定一束入射角度为αi的电磁波入射到带通滤波器上，在空气/P1界面，入射波被分成两个部分，一部分被反射到空气中，相应的反射系数为同时另一部分透射到介质中，相应的透射系数为 然后透射的电磁波入射到P2/空气界面，一部分通过介质被反射到P1，相应的反射系数为另一部分穿过P2透射到空气中，相应的透射系数为 同样地，整个过程的反射和透射是在相应的空气/P1界面和P2/空气界面处多次反射和透射的叠加：其中，表示透射系数的复数形式，t12表示空气/P1界面处透射系数的幅度，t23表示P2/空气界面处透射系数的幅度，θ12表示空气/P1界面处透射系数的相位，θ23表示P2/空气界面处透射系数的相位，r21表示空气/P1界面处反射系数的幅度，r23表示P2/空气界面处反射系数的幅度，φ21表示空气/P1界面处反射系数的相位，φ23表示P2/空气界面处反射系数的相位，i表示虚数单位，β是入射波在介质中来回传播的相位差，即为：其中，k0表示自由空间波矢，d表示介质层厚度， 表示介质层材料介电常数的复数形式，αs表示P2/空气界面处的反射角度；
2.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一结构化金属层、第二结构化金属层分别镀在介质层正反两面。
3.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：所述带通滤波器模块的个数为25×25个，且25×25个滤波器单元在空间周期正方排列。
4.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一结构化金属层和第二结构化金属层采用的材料为铜。
5.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：所述介质层(5)采用的材料为聚酰亚胺，且介质层(5)的相对介电常数ε＝2.9，损耗角正切tan(δ)＝0.02。
6.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：第一、第二结构化金属层的厚度均为180-220nm。
7.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为57.2～58.2μm、42.8～43.2μm和30.8～31.2μm，宽均为2.8～3.2μm，所述十字形金属谐振单元长为59.8～60.2μm，宽为0.8～1.2μm。
8.根据权利要求1所述的太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，其特征在于：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为58μm、43μm和31μm，宽均为3μm，所述十字形金属谐振单元长为60μm，宽为1μm。
一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器
技术领域
[0001] 本发明属于太赫兹波技术领域，尤其涉及一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器。
背景技术
[0002] 太赫兹波，又称为亚毫米波，是波长处于毫米波和红外光波之间的电磁波。近年来，随着太赫兹波的产生和探测技术的不断发展，太赫兹波在成像、通信、生物探测和国防安检等领域的应用备受关注。要使太赫兹波得到广泛而普遍的应用,太赫兹波段器件的设计与实现是必要的前提。
[0003] 在通讯系统中，带通滤波器是一种重要的器件，它可以将特定频率范围内的信号传输过去，而阻断这个频率范围以外的信号，达到选择传输的目的。理想的带通滤波器具有如下的特征：通带内尽可能平滑、透过率尽可能高、带外抑制尽可能好、极化不敏感以及大角度入射稳定等。由于样品制作及测试的简易性，研究人员研究的较为深入的是微波段带通滤波器。但是，自然界中能与太赫兹波有效作用的材料非常有限，所以在现有的太赫兹技术中太赫兹波段的带通滤波器的设计，尤其是多波段带的通滤波器，还非常缺乏。
[0004] 最近，一个快速发展的领域为太赫兹器件的实现提供了新的思路，这就是超颖材料。超颖材料是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。超颖材料的每一个结构单元相当于一个谐振器，在设计中优化单个结构的性能，然后将结构单元按照某种方式周期性地排列在一起，构成了对电磁波进行空间滤波的滤波器。比如，一个典型的设计思路基于金属-介质-金属(MDM)的三明治结构，利用方环槽孔谐振结构对入射电磁波产生耦合响应，实现了单波段宽带滤波。然而，多波段带通滤波器具有功能灵活、宽角度入射稳定和通带选择好等优点，在太赫兹通讯系统中有着更大的应用潜力，所以研究和制造太赫兹多波段带通滤波器具有非常重要的意义。
发明内容
[0005] 发明目的：为了克服目前太赫兹单一波段带通滤波器的不足，本发明提供一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器的设计，这种滤波器具有多波段滤波、极化不敏感、宽角度入射稳定和通带选择好等优点，而且设计简单、尺寸较小、加工方便，在太赫兹技术中具有很高的实用价值。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层、介质层和第二结构化金属层依次设置形成金属-介质-金属三明治结构；所述第一结构化金属层为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)；所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元(6)按正方周期排列而构成的金属栅格；其中，嵌套的三个金属方环谐振单元分别与介质层(5)和十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元。
[0008] 优选的：所述第一结构化金属层、第二结构化金属层分别镀在介质层两面。
[0009] 优选的：所述带通滤波器模块的个数为25×25个，且25×25个滤波器单元在空间周期正方排列。
[0010] 优选的：所述第一结构化金属层和第二结构化金属层采用的材料为铜。
[0011] 优选的：所述介质层(5)采用的材料为聚酰亚胺，且介质层(5)的相对介电常数ε＝2.9，损耗角正切tan(δ)＝0.02。
[0012] 优选的：第一、第二结构化金属层的厚度均为180-220nm，所述介质层(5)的厚度为5μm。
[0013] 优选的：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为57.2～58.2μm、42.8～43.2μm和30.8～31.2μm，宽均为2.8～3.2μm，所述十字形金属谐振单元长为59.8～
60.2μm，宽为0.8～1.2μm。
[0014] 优选的：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为58μm、43μm和31μm，宽均为3μm，所述十字形金属谐振单元长为60μm，宽为1μm。
[0015] 有益效果：本发明提供的一种太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，相比现有技术，具有以下有益效果：
[0016] 1、本发明太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器兼有多波段滤波、极化不敏感、大角度入射稳定以及通带选择好等特性，有望在太赫兹通讯技术和光谱分析等中发挥重要的作用。
[0017] 2、本发明太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器与传统的通滤波器相比，可同时工作在三个频段，而且性能稳定，通带选择性高、插入损耗较低。
[0018] 3、本发明太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器结构设计简单，在介质板两侧分别周期性的刻蚀方环和十字形金属谐振单元即可容易实现。模型优化过程简便，调节各个方环的长度和宽度即可达到所需滤波性能。
附图说明
[0019] 图1是本发明的滤波器结构单元正视图及参数尺寸；
[0020] 图2是本发明的滤波器结构单元立体示意图；
[0021] 图3是本发明的滤波器在电磁波斜入射时的多重反射-干涉过程物理模型示意图；
[0022] 图4是本发明的滤波器P2/空气界面和P1/空气界面处透射和反射的幅度分布图；
[0023] 图5是本发明的滤波器P2/空气界面和P1/空气界面处透射和反射的相位分布图；
[0024] 图6是本发明的滤波器电磁波垂直入射时的仿真(实线)和理论计算(虚线)透射谱S21-f，其中S21是透射系数，f是频率,单位是THz；
[0025] 图7是本发明的滤波器电磁波TE极化下电磁波多角度入射(0°～30°)透射谱S21-f；
[0026] 图8是本发明的滤波器电磁波TM极化下电磁波多角度入射(0°～30°)透射谱S21-f。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0028] 本发明提供的一种太赫兹三波段超颖材料窄带带通滤波器，包括一个以上的在空间周期正方排列的带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括第一结构化金属层(4)、介质层(5)和第二结构化金属层，采用典型的金属-介质-金属(MDM)三明治结构。所述介质层(5)两面镀有金属层，分别为第一结构化金属层(4)和第二结构化金属层，所述第一结构化金属层(4)为三个嵌套金属方环谐振单元按正方周期排列构成的金属表面，这三个嵌套金属方环谐振单元分别为第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)。所述第二结构化金属层为单个十字形金属谐振单元6按正方周期排列而构成的金属栅格。
对应的嵌套的三个金属方环谐振单元、介质层(5)和一个十字形金属谐振单元(6)组成一种滤波器单元。25×25个带通滤波器模块在空间周期正方排列组成所述太赫兹三波段超材料窄带带通滤波器。
[0029] 所述第一结构化金属层和第二结构化金属层采用的材料为铜。
[0030] 所述介质层(5)采用的材料为聚酰亚胺，且介质层(5)的相对介电常数ε＝2.9，损耗角正切tan(δ)＝0.02。
[0031] 第一、第二结构化金属层的厚度均为180-220nm，所述介质层(5)的厚度为5μm。
[0032] 三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为57.2～58.2μm、42.8～43.2μm和30.8～31.2μm，宽均为2.8～3.2μm，所述十字形金属谐振单元长为59.8～60.2μm，宽为0.8～1.2μm，这样大小的滤波器电磁波耦合小。最佳的大小为：三个嵌套金属方环谐振单元由外向内其外边长分别为58μm、43μm和31μm，宽均为3μm，所述十字形金属谐振单元长为60μm，宽为1μm。
[0033] 本发明应用大型三维电磁仿真软件CST Microwave StudioTM对滤波器进行滤波特性仿真，获得优化的结构单元几何参数。如图1所示，本发明的滤波器结构单元正视图，单元周期为p＝60μm，金属方环谐振单元(1)的外边长为sl1＝58μm，宽度为w1＝3μm，金属方环谐振单元(2)的外边长为sl2＝43μm，宽度为w2＝3μm，金属方环谐振单元(3)的外边长为sl3＝31μm，宽度为w3＝3μm，十字形金属谐振单元(6)的长度为sl4＝60μm，宽度为w4＝1μm。如图2所示，本发明的滤波器结构单元立体示意图，所示第一、第二结构化金属层的厚度均为tm＝
180～220nm，介质层的厚度为td＝5μm。
[0034] 本发明实例中，所述第一、第二结构化金属层采用的材料为铜，所述介质层采用的材料为PI(聚酰亚胺，相对介电常数ε＝2.9，损耗角正切tan(δ)＝0.02)。
[0035] 为了阐明滤波器的物理机制，本发明采用多重反射-干涉理论，对本发明的带通滤波器的电磁特性进行理论计算，并与CST软件仿真结果对比。
[0036] 如图3所示，本发明的滤波器在电磁波斜入射时的多重反射-干涉过程物理模型示意图。物理模型中包含两个交界面：上层金属超表面P1和下层金属栅格P2。假定一束入射角度为αi的电磁波入射到本发明的滤波器上，在空气/P1界面，入射波被分成两个部分，一部分被反射到空气中，相应的反射系数为 同时另一部分透射到介质中，相应的透射系数为 然后透射的电磁波入射到P2/空气界面，一部分通过介质被反射到P1，相应的反射系数为 另一部分穿过P2透射到空气中，相应的透射系数为
同样地，整个过程的反射和透射是在相应的空气/P1界面和P2/空气界面处
多次反射和透射的叠加:
[0037]
[0038] 其中，所有的变量以及含义均标注在图3中，表示透射系数的复数形式，t12表示空气/P1界面处透射系数的幅度，t23表示P2/空气界面处透射系数的幅度，θ12表示空气/P1界面处透射系数的相位，θ23表示P2/空气界面处透射系数的相位，r21表示空气/P1界面处反射系数的幅度，r23表示P2/空气界面处反射系数的幅度，φ21表示空气/P1界面处反射系数的相位，φ23表示P2/空气界面处反射系数的相位，i表示虚数单位，β是入射波在介质中来回传播的相位差，即为：
[0039]
[0040]
[0041] 其中，k0表示自由空间波矢，d表示介质层厚度， 表示介质层材料介电常数的复数形式，αs表示P2/空气界面处的反射角度。
[0042] 本发明的滤波器透射系数T计算为：
[0043]
[0044] 其中，表示透射系数 的复共轭。
[0045] 本发明的滤波器理论计算利用CST仿真软件建立解耦模型来计算空气/P1界面和P2/空气界面的透射系数和反射系数。在滤波器结构单元中移除P1来计算P2/空气界面处透射和反射的幅度和相位分布，移除P2来计算P1/空气界面处透射和反射的幅度和相位分布。
[0046] 如图4和图5所示，本发明的滤波器P2/空气界面和P1/空气界面处透射和反射的幅度和相位分布。将图中对应的参数值带入到公式(4)中计算得到本发明的滤波器透射系数。
[0047] 如图6所示，本发明的滤波器电磁波垂直入射时的CST仿真(实线)和理论计算(虚线)透射谱S21-f，其中S21是透射系数，f是频率,单位是THz。理论计算和CST仿真的结果吻合的很好。由于滤波器结构具有旋转对称性，在电磁波垂直入射时，本发明的带通滤波器滤波器在频率f1＝0.42THz、f2＝1.26THz、f3＝1.86THz存在三个透射峰，通带狭窄，属于窄带带通滤波器，其通带选择性高，插入损耗较低。
[0048] 本发明滤波器不仅在电磁波垂直入射时具有好的性能表现，而且在大角度入射时依然具有很稳定的性能。应用CST软件进行仿真，获得本发明的滤波器在在TE、TM两种极化方式下电磁波多角度入射(0°～30°)透射谱S21-f。如图7和图8所示，分别为电磁波TE和TM极化下电磁波多角度入射(0°～30°)透射谱S21-f。可以看出，尽管在大角度入射下，三个透射峰依然维持较高的透过率，并且透射峰的位置没有出现很明显的频移，表明本发明的太赫兹三波段带通滤波器具有大角度入射稳定和无偏振依赖性的优点。
[0049] 我们分析了滤波器结构单元与滤波器透射谱的关系，揭示了本发明窄带带通滤波器三波段滤波机理。我们发现：三个透射峰的频率f1、f2、f3分别来源于第一方环谐振单元(1)、第二方环谐振单元(2)和第三方环谐振单元(3)的独立谐振，而且谐振频率与方环边长成反比。因此，可以利用多个闭合环的嵌套组合来实现多波段的滤波器设计，同时通过改变方环谐振单元的几何尺寸来调控对应的滤波频段。本发明也为其他太赫兹多波段带通滤波器的设计提供了重要的参考。
[0050] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
