阅读说明：本技术 一种“方环-四开口环”型的太赫兹低通角度滤波器 (Terahertz low-pass angle filter of square ring-four split ring type ) 是由 潘武 李燚 马勇 沈涛 张雪雯 杨力豪 于 2021-03-25 设计创作，主要内容包括：本发明请求保护一种“方环-四开口环”型的太赫兹低通角度滤波器,其由若干个“方环-四开口环”型矩形周期单元呈周期性排列组成,该矩形周期单元共有两层,由上至下分别是金属图案层、介质基底层,金属图案层紧贴在介质层表面,金属图案层为一个外方环加一个内四开口环,所述外方环为设置于外围的第一正方形环组成,内四开口环包括一个设置于第一正方形环内部且同轴同心的第二正方形环、以及四个连通并穿过第一正方形环和第二正方形环的长方形构成,四个长方形设置于第一正方形环和第二正方形环的四个中点位置处,且四个长方形互相之间不相交,太赫兹波斜入射到金属图案层时,会激发LC谐振,实现对斜入射波的滤波作用。(The invention discloses a square-ring-four-split-ring terahertz low-pass angle filter, which is formed by periodically arranging a plurality of square-ring-four-split-ring rectangular periodic units, wherein the rectangular periodic units comprise two layers, namely a metal pattern layer and a medium substrate layer from top to bottom, the metal pattern layer is tightly attached to the surface of the medium layer, the metal pattern layer comprises an outer ring and an inner four-split ring, the outer ring comprises a first square ring arranged on the periphery, the inner four-split ring comprises a second square ring which is arranged inside the first square ring and is coaxially concentric, and four rectangles which are communicated with each other and penetrate through the first square ring and the second square ring, the four rectangles are arranged at the positions of four middle points of the first square ring and the second square ring, and the four rectangles do not intersect with each other, when the terahertz waves are obliquely incident on the metal pattern layer, LC resonance can be excited, and the filtering effect on the obliquely incident waves is realized.)

一种“方环-四开口环”型的太赫兹低通角度滤波器

技术领域

本发明属于太赫兹低通角度滤波器技术，具体而言，是一种“方环-四开口环”型结构的全方向低通型太赫兹角度滤波器。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频谱介于微波与红外波之间的波段，它不仅具有微波和光波的一些特征，还具有穿透能力强、光谱信息丰富、光子能量低和频带宽等特点，使其在雷达、通信、探测和成像等领域具有广泛的应用前景。

在电磁理论中，电磁波可以通过一些电磁参数进行表征，如：相位、幅度、频率、极化方式以及传播方向等。为了实现对电磁波的选择性控制，人们尝试设计相关器件，通过影响电磁参数来控制电磁波的传输，如极化转换器、吸收器以及滤波器等。频域滤波器：可以控制不同频率电磁波的透射或反射，实现对不同频率电磁波的选择；极化选择器：该器件可以控制不同极化方式的电磁波的透射或反射，实现对不同极化方向的电磁波的选择。角度滤波器：该器件可以控制不同传播方向的电磁波的透射或反射，实现对不同传播方向的电磁波的选择。目前，已经有大量的工作来实现根据太赫兹波的频率和极化方式对太赫兹波进行选择控制，如太赫兹吸收器、太赫兹极化转换器等。相较而言，能够对太赫兹波传播方向进行选择控制的器件进展缓慢，且目前的太赫兹角度滤波器存在对正入射太赫兹波的透射率低，角度选择性差，工作面窄，以及结构复杂、难以加工等问题。因此有必要设计出一种结构简单、对正入射太赫兹波的透射率高、适应于多个入射面且具有较好的角度选择特性的太赫兹角度滤波器来满足其在太赫兹波的隐私保护、高信噪比检测器等方面的需求。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种结构简单、对正入射太赫兹波的透射率高、角度选择性好、任意入射面、“方环-四开口环”型的太赫兹低通角度滤波器。本发明的技术方案如下：

一种“方环-四开口环”型的太赫兹低通角度滤波器，其由若干个“方环-四开口环”型矩形周期单元呈周期性排列组成，该矩形周期单元共有两层，由上至下分别是金属图案层、介质基底层，金属图案层紧贴在介质层表面，金属图案层为一个外方环加一个内四开口环，所述外方环为设置于外围的第一正方形环组成，内四开口环包括一个设置于第一正方形环内部且同轴同心的第二正方形环、以及四个连通并穿过第一正方形环和第二正方形环的长方形构成，四个长方形设置于第一正方形环和第二正方形环的四个中点位置处，且四个长方形互相之间不相交，其中，外方环通过增加金属面面积的方式增加对斜入射波的反射，内四开口环通过通过激发LC谐振的方式增加对斜入射波的反射，太赫兹波从金属图案层侧入射，入射太赫兹波波矢k与方环-四开口环平面的法线之间的角度为θ，电场E始终保持与y轴水平，电场E、磁场H和波矢k之间两两垂直，太赫兹波斜入射到金属图案层时，会激发LC谐振，实现对斜入射波的滤波作用。

进一步的，所述介质基底层的材料为聚酰亚胺、烧融石英、硅中的一种。

进一步的，所述介质基底层的介电常数为2.5～3.75，损耗正切为0.0027～0.30，其厚度为10～100μm。

进一步的，所述介质基底层在x、y方向周期长度均为300～500μm。

进一步的，所述金属图案层的厚度为0.1μm，电导率为4.561×10⁷S/m的金层。

进一步的，所述金属图案层中，第二正方形环的边长b＝250.0μm，第二正方形环的环厚度为l₂＝23.0μm，长方形的长l₁＝105.0μm，第一正方形环的环厚度 l₃＝30.0μm。

本发明的优点及有益效果如下：

1.传统的太赫兹角度滤波器一般是由光子晶体、金属纳米线阵列或全介质光栅等复杂结构构成的，难以实际应用，而本发明则是基于一层方环-四开口环形金属图案层和介质基底层构成的超材料，本发明与传统的太赫兹低通角度滤波器相比，结构更加简单，加工可行性得到提高；目前，双开口谐振环结构是使用最为广泛的具有角度滤波特性的超材料结构单元，本发明通过对双开口谐振环结构进行优化，得到对称四开口环结构，利用结构的旋转对称特性实现对任意入射面的斜入射波的滤波，并通过外加方环的方式增加金属面面积，增加对斜入射太赫兹波的反射。

2.基于“方环-四开口环”的角度滤波器在0.16THz处，其阻抗实部大小为1.05，阻抗虚部大小为-0.08(接近于0)，即自由空间与该结构在分界面处满足阻抗匹配条件，因此，该太赫兹角度滤波器在0.16THz处对正入射波具有非常高透射率。本发明结构简单、实施方便、设计巧妙，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器4×4 阵列结构三维示意图；

图2为“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器基本组成单元结构的正向示意图；

图3为“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器的侧向示意图；

图4“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器为太赫兹波的入射方向示意图；

图5为“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器的在不同入射角度下的透射系数曲线；

图6为“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器的工作角域带宽(即透射率下降0.707的角度宽度)及对正入射太赫兹波的透射系数曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提供的一种“方环-四开口环”型太赫兹低通角度滤波器，其结构如图1～3所示，由单元结构周期性排列而成。

所述单元结构为双层结构，从上至下依次为金属图案层1，介质层2。

所述金属图案层1为边长与周期大小相等的方环和变异四开口方环组成。图2、 3中深色处即为金属图案层，金属图案层紧贴在介质层表面。

所述的单元结构为正方形，其周期边长为400.0μm。

所述的介质基底层，材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，损耗正切为0.0027，其厚度为50.0μm。

所述的金属图案层，是厚度为0.1μm，电导率为4.561×10⁷S/m的金层。

所述的金属图案层，如图2所示，具体尺寸为：b＝250.0μm，l₂＝23.0μm，l₁＝105.0μm，l₃＝30.0μm。

当入射太赫兹波沿-z方向垂直入射到超材料结构的太赫兹角度滤波器时，由于超材料结构的阻抗与自由空间的阻抗相匹配，垂直入射波具有较高的透射率；当太赫兹波垂直入射时，超材料单元结构中几乎没有电场被激发；当太赫兹波斜入射时，金属环的两个开口处的电场强度逐渐增大，该开口等效为一个电容元件。当太赫兹波垂直入射时，超材料单元结构中几乎没有磁场被激发；当太赫兹波斜入射时，两个半金属环的上下表面的磁场强度逐渐增加，该金属环等效为一个电感元件。文献研究表明，开口环结构可以等效于电感电容(LC)电路，其中开口处等效为电容元件，金属臂等效为电感元件，当满足以下条件之一时，入射太赫兹波可以激发LC谐振：(1)入射波的电场矢量E的分量垂直于金属环开口方向；(2)入射波的磁场矢量H具有垂直于金属环平面的分量，若满足条件 (2)，则金属环中会产生环形电流，导致产生于原磁场相反的磁场。从图3可以看出，当太赫兹波垂直入射时(此时，磁场在垂直于金属环平面方向上的分量为 0)，金属环上几乎没有表面电流产生；当太赫兹波斜入射时(此时，磁场在垂直于金属环平面方向上的分量逐渐增大)，金属环上的表面电流逐渐变大，且上下两个金属半环上电流流向相同，构成一个环路电流。综上所述，所设计的双开口谐振圆环结构满足开口环结构产生LC谐振的条件(2)，即太赫兹波斜入射到时，会激发LC谐振，实现对斜入射波的滤波作用。

如图4所示，为太赫兹波的入射方向示意图，太赫兹波从金属图案层侧入射，入射太赫兹波波矢k与双开口谐振环平面的法线之间的角度为θ，电场E始终保持与y轴水平，电场E、磁场H和波矢k之间两两垂直

如图5所示，在频率为0.16THz处，随着入射角度的增加，透射系数快速下降。

如图6所示，方点线为该角度滤波器在0.16THz处，透射系数随入射角度变化的示意图，从图中可以看到，该结构对正入射波的透射系数为0.981，3dB角域带宽为9.8°；圆点线为将该结构的表面金属层去除后(即仅剩下聚酰亚胺基底层)得到的透射系数随入射角度变化的示意图；将两条曲线进行对比可以看到：在频率为0.16THz处，基于“方环-四开口环”的太赫兹角度滤波器对斜入射太赫兹波具有非常明显的滤波效果。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。