基于超材料的带阻太赫兹滤波器设计与研究

发布时间：2020-10-29 15:24

　　 太赫兹波介于微波与红外之间,具有许多微波和红外波所不具有的性质,如瞬态性、安全性、穿透性宽带性等特性。因此太赫兹波广泛运用于太赫兹成像、太赫兹时域光谱、太赫兹通信等领域。目前太赫兹发生器和探测器的研究得到快速的发展,但性能良好的太赫兹器件的匮乏,阻碍了太赫兹的研究和实际应用深入。太赫兹滤波器作为重要的太赫兹器件之一,具有诸如极化独立、可调等特点的太赫兹滤波器成为了太赫兹器件研究的热点之一。超材料是一种人工媒介,对超材料的结构、参数、材料等进行设计可获得滤波性能优良的太赫兹滤波器,受到太赫兹领域研究者的广泛关注。本文正是面向太赫兹系统所急需的性能优良的滤波器,开展基于超材料的带阻滤波器的设计研究,通过优化滤波器的材料、结构及几何参数,设计出了三种性能优良的太赫兹带阻滤波器。论文完成的主要研究工作如下:(1)设计了一类闭合环—十字形组合结构单元滤波器。为了获得宽带宽,采用通过闭合环形与十字形结构相组合的滤波器结构,通过调节线宽、基底大小、层数等因素最终设计出一款具有较好滤波性能的三层闭合环—十字形结构单元滤波器,其上升沿下降沿斜率分别可高达1313 dB/THz和942 dB/THz,阻带带宽1.09 THz,带内平均透过率低于5%(调制深度达到-25 dB以下),该滤波器中心频率在0.72～1.28THz范围内可调,且该滤波器是极化独立的。与当前普遍带宽小于0.5 THz调制深度在-23 dB太赫兹滤波器相比具有明显优势。(2)设计了一类线切割型滤波器。在闭合环基础上进行切割得到了新型线切割结构。具有三层、四层结构的滤波器滤波性能良好。三层结构滤波器工作在0.1～4 THz阻带带宽可达1.3THz,上升下降沿斜率可达350dB/THz和592dB/THz;四层结构工作在0.1～4.3THz,阻带为1.04THz,上升下降沿斜率分别达到237 dB/THz和207 dB/THz,阻带内平均透射率低于2%。通过改变滤波器的衬底材料实现了滤波器大范围的可调,三层结构滤波器中心频率在1.8～3THz范围内可调。与第一种结构相比,这种滤波器具有更宽的带宽,在阻带内抑制效果与可调性更优。(3)设计了—类线切割—十字形结构单元滤波器。将线切割结构与十字形结构相组合设计了一类新的具有双频带特性滤波器。三层、四层、五层结构滤波器滤波性能良好。通过调节结构中十字线宽宽度可实现阻带的精确可调通过改变衬底材料可实现阻带在宽范围内可调。以五层结构为例,其低频阻带宽度为0.635 THz,下降沿和上升沿斜率分别可达228.6dB/THz和170.1dB/THz;高频部分阻带为1.1 THz,带内透过率小于1%,下降沿和上升沿斜率分别可达307.1 dB/THz和212.5 dB/THz。改变衬底材料,低频和高频部分阻带可调范围分别可宽达1.04 THz和2.43 THz。与单频带滤波器相比多频带使得滤波的选择性更多样,与当前一些带内最大调制深度小于-40 dB,阻带带宽小于0.2 THz的,边沿斜率均小于200 dB/THz双频带滤波器相比更具有优越。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN713
【部分图文】：

世纪８０年代中后期才被正式命名，在此之前科学家将其统称为远红外射线。太赫??兹波是指频率在〇．ｌ￣ｌ〇ＴＨｚ范围的电磁波，波长大概在０．０３￣３ｍｍ范围，介于微??波与红外之间，如图１－１所示。太赫兹波在低频段与微波有部分重叠，在高频段与??红外线有部分重叠，该范围是正好处于电子学与光子学的交叉区域，这使得太赫兹??波有一些独特的性能。目前，对这一波段还尚未完全开发。??１??

１９９６年，英国科学家Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ所领导的科学小组提出通过金属线阵列（Ｗｉｒｅ??Ａｒｒａｙ）实现了微波频段的负介电响应［２３】。而后经过三年的继续深入研究，其所在科??研小组在１９９９年提出采用开口谐振单元（Ｓｐｌｉｔ?Ｒｉｎｇ?Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，?ＳＲＲ），如图１－２所??示，实现了在微波频段负磁导率的电磁响应｜２４］。Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ所领导的科学小组从理??论上证明了负折射材料的可行性，这激发了科研人员的兴趣。??在２００１年，美国物理学家Ｄａｖｉｄ?Ｓｍｉｔｈ等人提出并制作出在微波波段同时具??有负介电常数和负磁导率的结构，并通过实验证实该结构在０．１５?ＧＨｚ出呈现出负??折射率特性首次在实验上证明了负折射材料的存在，标志着人们在超材料领??域取得突破性进展。这极大的鼓舞了科研人员的信心。??＠??图１－２?ＳＲＲ单元结构图。??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ＳＲＲ?ｕｎｉｔ?ｃｅｌｌ．??自Ｖｅｓｅ丨ａｇｏ的理论被Ｄａｖｉｄ?Ｓｍｉｔｈ在实验上证明以后，超材料的研宄吸引了??世界各国科研人员的广泛关注，《科学》杂志将其列入本世纪前１０年的１０项重要??科学进展之一［２６］。由于基于超材料的太赫兹器件在隐身、探测、成像、通信等方面??有巨大的应用潜力

论文的ＭｕｈａｍｍａｄＴａｙｙａｂＮｏｕｍａｎ等人提出了一是基于一种超材料，该超材料组成是将属－半口环开口中，而开口环结构是以ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧ的变容二极管偏置电压大小可改变超材料的性。当偏置电压从０Ｖ变为３Ｖ时，谐振频率且在０．５８?ＴＨｚ处的插入损耗为４．３?ｄＢ，调制的提高太赫兹器件性能的方法。??ｒ?Ｄｍｉｔｒｉｅｖ和Ｃｌｅｒｉｓｓｏｎ?Ｎａｓｃｉｍｅｎｔｏ等人提出率和极化可控的太赫兹滤波器｜３４］，如图１－４在金属的衬底上组成的。通过适当的调节石在两个不同的频率区域，并且通过改变石墨动态的调节滤波器工作的中心频率。??Ｉ＇?＂?＾?Ｇｒａｐｈｅｎｅ??
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本文编号：2861094