基于超材料的太赫兹滤波器研究

发布时间：2017-04-07 13:25

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【摘要】：超材料是一种人工合成的、具有周期性元胞结构的材料,通过合理的设计其单元结构的尺寸或形状,能够实现各种奇异的电磁现象。鉴于超材料的这一特点,它被广泛应用于隐身斗篷、负折射率、超透镜等研究领域。由于基于超材料的太赫兹波器件在太赫兹成像、光谱以及生物传感等领域具有巨大的应用前景,因此基于超材料的太赫兹功能器件如太赫兹滤波器、太赫兹传感器、太赫兹吸波器、太赫兹调制器等引起了人们强烈的研究兴趣。深入研究能够满足实际应用需求的太赫兹功能器件,必将推动太赫兹技术的飞速发展。本文对基于超材料的太赫兹滤波器结构进行设计,并对其透射光谱的传输特性进行研究,主要的研究内容包括：1.提出了两种以非对称双开口环谐振器(ADSRR)为基本单元的新型高品质因数太赫兹超材料结构。通过对所提出的超材料结构的透射光谱进行数值仿真,结果表明,一个具有高品质因数Q的束缚模谐振和一个具有相对较高品质因数Q的混合模式谐振被激发出来。通过谐振频率处的表面电流分布,分析了束缚模谐振和混合模式谐振的产生机理。通过改变其单元结构的开口位置和水平金属微带线间的垂直距离可以调节两个谐振响应的品质因数和中心谐振频率。通过对结构参数的优化设计,第一种超材料结构得到的束缚模式最高品质因数约为40,近似为对称结构中偶极子谐振品质因数的13倍；混合模式谐振的品质因数最高约为16,为对称结构中偶极子谐振品质因数的5倍。而第二种超材料结构得到的束缚模式最高品质因数约为38,也近似为对称结构中偶极子谐振品质因数的13倍；混合模式谐振的品质因数最高约为18,为对称结构中偶极子谐振品质因数的6倍。在此基础上,引入谐振响应的优值FOM的概念,并对其进行了详细的分析,实现了谐振的高品质因数与谐振强度的有效折中。2.提出了一种以金属-电介质-金属(MDM)为基本单元的具有超宽阻带的太赫兹滤波器结构。对所提出的超材料结构的透射光谱进行仿真,数值结果表明,该MDM超材料结构在太赫兹频段激发出一个具有平坦底部的超宽阻带谐振响应,其响应的3-dB带宽为0.56 THz,阻带左侧边缘的带边过渡为170%／THz,阻带右侧边缘的带边过渡为185%/THz,实现了阻带滤波功能。此外,深入分析了MDM超材料结构阻带谐振响应的产生机理,以及单元结构尺寸的几何参数变化、介电常数等对阻带谐振特性的影响。
【关键词】：超材料 太赫兹 品质因数 谐振 带阻滤波器
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-23
• 1.1 超材料简介11-14
• 1.1.1 超材料定义11
• 1.1.2 超材料起源11-13
• 1.1.3 超材料国内外发展现状13-14
• 1.2 太赫兹超材料功能器件14-21
• 1.2.1 太赫兹波简介15-18
• 1.2.2 太赫兹超材料的研究现状18
• 1.2.3 基于超材料的太赫兹滤波器研究现状18-21
• 1.3 论文主要工作21-23
• 2 超材料的模型理论基础23-29
• 2.1 SRR等效电路模型23-25
• 2.2 超材料的电场响应和磁场响应25-27
• 2.3 品质因数Q的理论基础27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 高品质因数太赫兹超材料设计与优化分析29-43
• 3.1 基于非对称双开口谐振环的高Q太赫兹滤波器设计30-35
• 3.1.1 超材料结构设计30-31
• 3.1.2 仿真结果与讨论31-34
• 3.1.3 结构参数优化34-35
• 3.2 非对称因子对谐振优值的影响分析35-41
• 3.2.1 超材料结构设计35-36
• 3.2.2 仿真结果与对比分析36-39
• 3.2.3 谐振响应的优值FOM分析39-41
• 3.3 本章小结41-43
• 4 基于太赫兹超材料的超宽带阻滤波器设计43-51
• 4.1 带阻滤波器设计与仿真分析43-49
• 4.1.1 带阻滤波器的超材料单元结构44
• 4.1.2 数值仿真结果与分析44-49
• 4.2 本章小结49-51
• 5 结论51-53
• 5.1 论文工作总结51-52
• 5.2 未来工作展望52-53
• 参考文献53-57
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果57-59
• 学位论文数据集59

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本文编号：290562