方形半环半槽双频带太赫兹滤波器的设计研究

基于频率选择表面中方形环与槽,设计了单面半环半槽的新型太赫兹滤波器.运用等效电路法对滤波器的频率响应特性进行了理论分析并进行数值仿真.结果表明:该单面互补结构具有双频带阻的滤波特性,中心频率分别为0.4406THz、0.7942THz,透过率分别为0.549%、0.909%,带内抑制佳,最大衰减分别达到38.74dB、38.59dB,在入射角为±30°范围内具有稳定的频率响应特性,通过改变结构参数可以使双阻带中心频率独立可控.与单环或单槽结构相比,该滤波器单面互补结构能够产生更多谐振频带的特点,为多频带传感器,太赫兹通信技术提供了理论基础.     

基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。     

数字型太赫兹带通滤波器的逆向设计及优化

针对高性能太赫兹功能器件的规范化设计需求,本文将智能逆向设计方法应用于太赫兹带通滤波器的设计与优化中.建立与数字空间映射的亚波长超表面等效模型,从设定器件的目标功能和约束条件出发,利用智能算法探索整个解空间中的全部可能结构,迭代寻优至最优结构图案.本文利用搭建的逆向设计框架设计了中心频率为0.51 THz、带宽为41.5 GHz、插入损耗为–0.1071 dB的太赫兹带通滤波器.与传统的人工正向设计相比,逆向设计方法可解构出窄带、低插入损耗、带外抑制强、极化稳定性强的带通滤波器.     

基于二氧化钒的可调谐太赫兹宽带带通滤波器

提出了一种基于二氧化钒超材料的可调谐宽带带通滤波器.仿真结果表明:该滤波器在中心频率5.19 THz处的3 dB带宽为1.71 THz,最高传输率能够达到0.77,并且在入射角0°～40°范围内具有稳定的宽带传输性能.运用谐振频率处的表面电流分布和等效电路法,阐述了其实现宽带传输的物理机制.由于二氧化钒独特的相变特性,通过改变二氧化钒的电导率,滤波器的带宽可以从1.71 THz动态调谐至2.31 THz.该滤波器具有结构设计简单、宽通带以及可调谐等特性,有望在宽带太赫兹通信、传感以及其他新兴的太赫兹领域发挥重要的作用.     

太赫兹mesh带通滤波器的设计与仿真

基于太赫兹波的大气吸收窗口,设计了一款四级级联的太赫兹mesh带通滤波器。此滤波器的中心频率为0.25 THz,在3 dB处带宽为0.1 THz,在通带内的插入损耗为1.5 dB,纹波系数小于0.5 dB,在室温下通带内的透过率能达80%以上,且此滤波器的中心工作频率和带宽可以通过缩放mesh槽孔的尺寸来调节。利用电磁仿真软件HFSS,结合周期边界条件及理想匹配层吸收边界条件模拟了太赫兹mesh带通滤波器的mesh排列方式、介质衬底及不同入射角度的入射波、不同极化方式等因素对滤波器透过率、插入损耗的影响。     

0.34 THz频率选择表面带通滤波器设计

为满足太赫兹通信的需求,基于薄膜工艺和双层级联的结构,设计了一种0.34THz频率选择表面带通滤波器。利用等效电路模型分析了该滤波器的频率特性,通过仿真研究了入射角对该结构频率特性的影响,显示水平极化条件下其在低于45°入射角范围内具有较好的性能。最终按照所评估的误差容忍度加工了Jerusalem十字单元的频率选择表面样片,并进行了频率传输特性的测试与分析,结果表明:该滤波器具有较好的滤波特性。     

射电天文用太赫兹三通带频率选择表面设计

本文设计一种基于单屏改进型开口谐振环(SRR)的太赫兹频率选择表面(FSS). 改进型 SRR 谐振单元由具有开口缝的金属贴片组成, 开口缝的物理尺寸会影响其阶跃特征阻抗特性. 本文通过对改进型 SRR 单元结构建立LC等效电路模型, 提取等效电路模型参数, 并结合传输线理论, 得到 FSS 的基频计算公式和谐波关系式. 相比于传统均匀 SRR, 本文所提出的改进型 SRR 多频带传输的控制更为灵活. 基于此特点, 设计了一款中心频率依次为 0.46 THz, 0.86 THz和 1.03 THz, 可应用于射电天文的三通带太赫兹 FSS. 采用电磁仿真软件对影响该 FSS 传输特性的关键参数、周期间隔、小型化程度以及入射角敏感性等重要指标进行分析研究. 结果表明, 改进型 SRR 三通带 FSS 在三个通带内的反射系数分别为 -37.6 dB, -13 dB和 -19.6 dB, 在0°–60° 范围内均具有稳定的频率响应特性, 且具有小型化程度高、损耗低等特点. 这种三通带 FSS 在太赫兹频段射电天文方面有潜在的应用价值.     

石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹波透射行为

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹超材料,分别研究了互补层间距、石墨烯费米能级、互补层数对太赫兹波透射谱的影响.模拟结果表明:互补层之间的强烈耦合作用使得太赫兹波的透射得到显著增强;在间距较小时,共振频率随着间距增大而发生蓝移;在间距较大时,共振频率随着间距增大而发生红移,并且透射峰值强度大幅减弱;透射峰频率随着石墨烯费米能级减小而单调减小;增加耦合的互补层数,可使得透射频宽变宽.所设计结构可作为可调控的太赫兹带通滤波器使用.     

柔性双阻带太赫兹超材料滤波器

提出并设计了一种极化不敏感的柔性双阻带太赫兹超材料滤波器,并采用CST 2015仿真软件对该滤波器的结构进行仿真;为深入研究超材料滤波器的传输特性,分别对该超材料滤波器在2个谐振吸收峰处的电场强度和表面电流分布进行仿真;为验证仿真结果的正确性,采用微加工工艺制备了超材料滤波器样品,使用太赫兹时域光谱系统对其传输特性进行测试。仿真结果表明:该滤波器在0.131THz和0.182THz处获得了3dB带宽分别为15GHz和10GHz的2个阻带,并且在这2个谐振频率点的传输系数S21可以达到-43.56dB和-48.76dB,表现出了良好的阻带特性;测试结果与仿真结果比较吻合。     

激光诱导和化学镀铜制备太赫兹偏振器和滤波器

利用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺薄膜上制备了太赫兹线栅偏振器和带阻滤波器,用太赫兹时域光谱系统对所制备的器件进行了测试。测试结果表明,该方法制备的太赫兹线栅偏振器在0.2～1.5 THz范围内的消光比优于20 dB,耶路撒冷十字结构带阻滤波器的3个中心频率分别为0.41、1.07、1.47 THz。实验结果与时域有限差分法的仿真结果基本相符。研究表明激光诱导与化学镀铜是一种简单灵活且能有效地制备太赫兹器件的方法。     

Second-order bandpass terahertz filter achieved by multilayer complementary metamaterial structures

We propose a multilayer complementary metamaterial structure fabricated on a crystal quartz substrate measuring between 100 and 700 GHz. The concept of a second-order terahertz bandpass filter is realized by this structure, and it offers a superior quality factor, steepness of skirts, and out-of-band rejection. Physical limitations on the quality factor and insertion loss have also been studied, including the skin depth of the metal and the optical phonon resonance in quartz. Based on these factors, a series of higher frequency filters has been designed, and simulation results are presented.     

Bilayer-fish-scale ultrabroad terahertz bandpass filter

A bilayer fish-scale metamaterial is experimentally demonstrated to function as a broad bandpass filter in the terahertz regime. The measured 3 dB-bandwidth for normal incidence is 1.13 THz with a high transmittance. The measured transmission spectrum is described well by a model based on an RLC circuit and multiple reflections. The filter is relatively insensitive to incidence angles up to 45°.     

A Zone Plate as a Tunable Terahertz Filter

A broadband tunable terahertz filter based on a zone plate is demonstrated in our terahertz time domain spec- trometer. The central bandpass frequency covers the whole spectral range of the terahertz wave emitted from a ZnTe emitter, from 0.5 THz to 2.5 THz, and can be tuned continuously by simply moving the zone plate along the terahertz beam path. The peak transmission is about 40% and the bandwidth varies from 0.16 THz to 0.25 THz at different bandpass frequencies when the aperture size is kept constant.     

A flexible wideband bandpass terahertz filter using multi-layer metamaterials

We make a flexible wideband bandpass filter at terahertz (THz) frequencies using multi-layer metamaterials. A very flat response in the passband can be obtained since the Fabry–Perot reflection inside the rigid substrate is eliminated. The center frequency is about 0.89 THz with a 3 dB bandwidth of 0.69 THz for normal incidence. The sharp band-edge transitions are 53 and 70 dB/THz to the rejection bands, respectively. The measured average insertion loss is 1.4 dB with a ripple of 0.8 dB. Furthermore, the transmission feature is insensitive to the polarization of incident wave due to the symmetric structure of the unit cell of the metamaterials. Also, it has a small change as the increase of the curvature of the flexible substrate. This result manifests that the multi-layer metamaterials can provide an effective way to design wideband THz devices.     

Design and theoretical study of a polarization-insensitive multiband terahertz metamaterial bandpass filter

We report the design of a novel multiband metamaterial bandpass filter(BPF) in the terahertz(THz)-wave region. The designed BPF is composed of a metal–dielectric–metal sandwiched structure with three nested rings on the top surface and a cross structure on the bottom surface. Full-wave simulation results show that the designed BPF has three transmission peaks at frequencies of 0.42, 1.27, and 1.86 THz with transmission rates of-0.87,-1.85, and-1.83 d B, respectively.Multi-reflection interference theory is introduced to explain the transmission mechanism of the designed triple-band BPF.The theoretical transmission spectrum is in good agreement with the full-wave simulated results. The designed BPF can maintain a stable performance as the incident angle varies from 0?to 30?for both transverse electric and transverse magnetic polarizations of the incident wave. The designed BPF can be potentially used in THz devices due to its multiband transmissions, polarization insensitivity, and stable wide-angle response in the THz region.     

低浓度吡虫啉的超材料太赫兹光谱检测研究

农产品质量安全是社会广泛关注的重大民生问题。近年来,农产品生产过程中农药的广泛使用和滥用会导致农药残留,对人类健康和环境造成潜在危害。吡虫啉是一种硝基亚甲基类新烟碱内吸杀虫剂,因其具有广谱、高效和低毒的特性已广泛用于农业生产中,但其过量残留也给人类的健康带来了威胁。首先对超材料结构的透射谱进行了分析,对共振频率的形成原因进行了解释;其次分别在超材料结构和二氧化硅基底上涂覆了500 mg·L-1的吡虫啉溶液并进行了测量,排除了二氧化硅基底的影响;接着制备了3个梯度15个浓度的吡虫啉溶液,分别为：100~500 mg·L-1（梯度为100 mg·L-1）、10~50 mg·L-1（梯度为10 mg·L-1）、1~5 mg·L-1（梯度为1 mg·L-1）;测量了喷涂在超材料结构上的吡虫啉薄膜的太赫兹时域光谱,根据太赫兹透射谱峰值频率红移量的不同实现了对不同溶液浓度的鉴别,建立了峰值频率红移量和吡虫啉浓度的函数关系。实验结果表明,借助超材料的调制特性,太赫兹光谱法可以检测到浓度低至1 mg·L-1的吡虫啉薄膜。将实验测得的不同浓度吡虫啉溶液的折射率,代入CST软件进行仿真验证,结果说明不同浓度的吡虫啉的透射曲线具有不同程度的红移,且红移量随着浓度的增大而增加。实验和仿真结果表明,超材料对太赫兹光谱透射峰值频率的调制可用于低浓度吡虫啉含量的太赫兹时域光谱检测。此研究为食品基质中农药残留的检测提供了一种新方法。     

利用3D打印技术制备太赫兹器件

高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用,因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例,分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器,运用商用的3D打印机加工样品,并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明:加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm~(-1),最小值可达到0.002 cm~(-1),且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗;滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带;这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性,将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。     

基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控

提出了一种基于石墨烯带的太赫兹波段的1 bit编码超构材料,可以实现太赫兹波束的数目、频率、幅度等参数多功能动态调控.该结构由金属薄膜、聚酰亚胺、硅、二氧化硅、石墨烯带组成.通过对石墨烯带施加两种不同的电压,可以实现一定频率范围内相位差接近180?的"0"和"1"数字编码单元,进而构成1 bit动态可控的编码超构材料.全波仿真结果表明,不同序列的编码超构材料能够实现波束数目从单波束、双波束、多波束到宽波束的调控.相同序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压能够实现宽频段波束频率的偏移.对于000000或者111111周期序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压还能够实现波束幅度的调控.因此这种基于石墨烯带的编码超构材料为灵活调控太赫兹波提供了一种新的途径,将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.