基于超材料的柔性多频太赫兹带阻滤波器研究

摘要

针对当前无线信息传输频谱不断扩展，可用频段日益压缩的问题，太赫兹（THz）技术逐渐成为解决该问题的有效手段之一。THz频谱介于微波和红外波段之间，具有能量低、穿透性强、频带宽的优点，因此，对于太赫兹功能器件的需求也越来越紧迫。超材料是通过对金属、半导体和绝缘体等天然材料进行几何构造得到具有特殊介电常数和磁导率的人工合成电磁材料，在许多方面得到了应用，如超透镜、隐身和电磁诱导透明等。本文利用超材料的频率选择特性，将其应用在太赫兹频段内，制作成太赫兹超材料滤波器，具有重要的现实意义和科研价值。文章主要内容如下： (1)基于超材料频率选择原理，本文提出一种闭环十字内嵌型超材料滤波器单元阵列，整体采用金属-介质基板(metal-dielectric,MD)双层结构设计，介质基板为柔性聚酰亚胺(PI)，通过CST仿真分析，超材料滤波器在80～230GHz频段范围内实现双频带阻功能，阻带谐振点分别为132.35和193.4GHz，透射性能指标S21分别达到-46.733和-43.677dB，具有良好的带阻性能。 (2)针对信息多频化传输需求，通过超材料等效电路模型分析，对双频带阻超材料滤波器单元四角开口，引入电容效应，实现三频带阻，增强频率选择性，提升系统传输性能。其单元阵列模型采用MD双层结构设计。仿真结果表明三频带阻超材料滤波器的阻带谐振点分别为107.3、167.45和209.2GHz，S21参数分别达到-30.217、-30.432和-38.618dB，表现出良好的带阻性能。同时对超材料表面电场电流进行仿真模拟，发现强烈电磁耦合均发生在金属单元四角开口部位，随着频率升高耦合强度降低，说明不同阻带谐振点的产生机理不同，低频阻带谐振点产生是因为金属单元表面电磁欧姆损耗，高频阻带谐振点产生是因为电磁波相位反射。 (3)对三频带阻超材料滤波器制作工艺进行探索，使用柔性PI作为介质基板与硅贴合，采用金属剥离工艺对样品进行加工，由于加工过程中PI在前烘和后烘时遇到高温发生形变，表面凹凸不平，影响正胶的曝光以及金属单元的溅射，样品表面少量金属单元结构不完整，最终采用PCB印刷工艺对样品进行制作。使用THz-TDS系统对超材料电磁透射性能进行测试，结果与仿真趋势大致相同。 论文以太赫兹超材料滤波器为研究对象，利用MEMS工艺和标准PCB工艺进行加工制作，对未来THz功能器件的发展具有深远的意义和影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 太赫兹超材料研究现状

1.2.2 太赫兹超材料滤波器研究现状

1.3 论文主要内容及章节安排

2 超材料原理及分析方法

2.1 电磁超材料原理分析

2.2 SRR等效电路模型分析

2.3 超材料负磁导率产生机理分析

2.4 超材料典型电磁特性

1、负折射率

2、逆多普勒效应

3、逆Snell折射效应

4、逆Cerenkov辐射效应

2.5 本章小结

3 太赫兹超材料滤波器设计及仿真

3.1 太赫兹超材料滤波器设计原理

3.2 超材料滤波器性能指标及设计要求

3.2.1 超材料滤波器带宽

3.2.2 超材料滤波器Q值

3.3 双频带阻超材料滤波器设计与仿真

3.3.1 双频带阻超材料滤波器结构设计

3.3.2 双频带阻超材料滤波器参数仿真分析

3.4 三频带阻超材料滤波器设计与仿真

3.4.1 三频带阻超材料滤波器结构设计

3.4.2 三频带阻超材料滤波器参数仿真分析

3.5 本章小结

4 太赫兹超材料滤波器加工制备及测试

4.1微机械加工工艺

4.1.1 加工版图绘制

4.1.2 工艺流程及样品制作

4.2 PCB制作工艺

4.3 太赫兹超材料滤波器测试方法简介

4.3.1 波导测试法

4.3.2 太赫兹时外光谱系统（THz-TDS）测试方法

4.4 THz-TDS测试系统搭建

4.5 测试结果与仿真结果对比分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的研究成果

致谢