金属-介质结构的三波段太赫兹带通滤波器设计与实现

带通滤波器在太赫兹成像技术、信息通信等领域具有广阔的应用前景。随着超材料技术研究的不断深入,近年来陆续提出的基于超材料的太赫兹带通滤波器的实现,在很大程度上促进了应用于太赫兹波段的滤波器的发展。但是,目前仍有很多物理和技术问题需要进一步探索和研究,特别是宽带和多波段带通滤波器的设计和实现。这两种结构的设计可以在单周期结构的一个平面上,引入多个不同谐振结构,利用三维高频仿真软件(CST或HFSS)进行优化,使其对应的谐振频率非常接近,形成宽频带;或者谐振频率距离较远,形成多频带;或者在单周期结构中引入多个谐振层,通过优化使层间的谐振耦合,形成宽带或多频带谐振。

对于宽带带通滤波器,2012年,Lu等[1]设计了一种中心频率为0.25 THz的双层方形四裂缝结构的金属-介质-金属带通滤波器,在0.227～0.283 THz插入损耗为2.5 dB。2014年,Lan等[2]对四裂缝互补型电感电容式谐振单元结构进行了改进,提高滤波性能的同时增加了单晶石英介质衬底的厚度,在3 d B滤波范围0.315～0.48 THz实现了宽带滤波。2015年,A.Ebrahimi[3]等提出了介质-金属-介质-金属-介质五层结构的宽带带通滤波器,模拟得到的滤波器的中心频率为0.42 THz,相对带宽为45%。2018年,Li等[4]加工了双层频率选择表面结构,实现了以0.4 THz为中心频率,3 dB带宽范围为1 THz的太赫兹带通滤波器。

对于多波段带通滤波器结构,2015年,Chen等[5]采用了金属-介质-金属结构。其金属谐振单元由3个嵌套的矩形方环组成,三波段带通滤波器通带范围分别为0.64～0.79 THz、1.02～1.20 THz、1.89～1.99 THz。2015年,笔者提出了一种金属-介质结构的三波段带通滤波器[6],金属谐振单元由3个圆形方环构成,测试发现在0.44 THz、0.71 THz和0.89 THz频率位置处有3个透射峰,对应的插入损耗分别为0.96 dB、1.36 dB和3.35 dB。同年,笔者采用激光打孔技术加工并测试了一种在钼上周期穿矩形孔和十字孔的双频段带通滤波器[7-8]。2017年,Wang等[9]设计了一种三频段的可调太赫兹带通滤波器,该带通滤波器由硅、金属、石墨烯组成多层结构,各频段的中心频率分别为2.93 THz、4.52 THz和5.79 THz,该带通滤波器可以通过调节石墨烯的化学势实现谐振频率的可调性。2018年,笔者通过在介质基板的两侧使用相同的四裂缝互补电感-电容金属层,加工并测试了一种具有较好带外抑制性能的宽带双频段的太赫兹滤波器[10],两通带的中心频率分别为0.35 THz和0.96 THz,3 dB相对带宽分别为31%和17%。(www.xing528.com)

本章主要介绍笔者加工并测试的多波段带通滤波器。其中第一部分介绍采用电子束曝光技术得到的石英-金属结构的多波段带通滤波器,第二部分介绍通过激光打孔实现的矩形孔和十字孔结构的双波段带通滤波器。