基于超材料的带阻太赫兹滤波器设计与研究

摘要

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1313dB/THz和942dB/THz，阻带带宽1.09THz，带内平均透过率低于5％（调制深度达到-25dB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0.5THz调制深度在-23dB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0.1～4THz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237dB/THz和207dB/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)设计了一类线切割—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0.635THz，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1.1THz，带内透过率小于1％，下降沿和上升沿斜率分别可达307.1dB/THz和212.5dB/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1.04THz和2.43THz。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-40dB，阻带带宽小于0.2THz的，边沿斜率均小于200dB/THz双频带滤波器相比更具有优越。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1太赫兹波简介

1．1．1太赫兹波定义

1．1．2太赫兹波特点

1．1．3太赫兹波应用

1．2太赫兹滤波器

1．2．1超材料简介

1．2．2基于超材料的太赫兹滤波器的研究现状

1．2．3基于超材料的带阻太赫兹滤波器研究现状

1．3论文的主要研究工作及章节安排

2基于超材料滤波器的原理

2．1 谐振结构单元的电磁特性原理

2．2基础型滤波器LC模型及多层叠加原理

2．2．1线切割结构

2．2．2十字形结构

2．2．3闭合环结构

2．2．4多层叠加结构

2．3超材料滤波器设计的必要性

2．4太赫兹超滤波器性能指标

2．5仿真条件

2．6本章小结

3基于闭合环—十字形组合结构太赫兹滤波器的设计

3．2单层十字型—闭合环组合结构太赫兹滤波器

3．2．1 线宽对滤波性能影响

3．2．2改变衬底大小

3．2．3改变CCS谐振单元结构大小

3．2．4改变CCS结构大小

3．3 双层CCS结构单元太赫兹滤波器

3．3．1 线宽对滤波器滤波性能影响

3．3．2衬底尺寸对滤波器滤波性能影响

3．3．3 CCS单元结构尺寸对滤波器滤波性能影响

3．3．4衬底厚度对滤波器滤波性能影响

3．3．5 CCS结构尺寸对滤波器滤波性能影响

3．4三层CCS结构单元太赫兹滤波器

3．4．1 线宽对滤波器滤波性能的影响

3．4．2衬底尺寸对滤波器滤波性能的影响

3．4．3 CCS结构单元尺寸对滤波器滤波性能的影响

3．4．4衬底厚度对滤波器滤波性能的仿真讨论分析

3．4．5 CCS结构尺寸对滤波器滤波性能影响

3．5 CCS结构滤波器的优化

3．5．1 CCS层数对滤波参数的影响

3．5．2滤波器的极化独立性

3．5．3三层CCS结构单元滤波器的可调性

3．6本章小结

4线切割结构为基础太赫兹滤波器设计

4．1 线切割结构太赫兹滤波器结构设计

4．1．1层数对滤波性能的影响

4．1．2衬底材料对滤波器滤波特性的影响

4．2线切割—十字形组合结构单元滤波器的设计

4．2．1 层数对滤波器的性能影响仿真与分析

4．2．2十字结构线宽对滤波性能的影响仿真与分析

4．2．3衬底材料对滤波器的性能影响仿真与分析

4．3本章小结

5．1论文工作总结

5．2未来工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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