一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太赫茲波科學技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器?；诮麕嗷プ饔玫奶掌澆V波器，由兩種圓柱狀金屬波導，波導A和波導B，波導A和波導B都基于布拉格共振，波導A和波導的B二階模的零點位置不同。本發(fā)明基于一種新型的濾波原理，無復雜的光學系統(tǒng)。THz波入射無方向要求，濾波器雙向可用。高的帶外抑制。通過參數(shù)設(shè)計可改變?yōu)V波器的中心頻率。濾波器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。
【專利說明】
-種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲波科學技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于禁帶相互作用的太赫茲波 濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快激光技術(shù)的發(fā)展，使得太赫茲 波(T化)技術(shù)在諸多應(yīng)用領(lǐng)域引起人們的廣泛關(guān)注。由于THz波具有透視性、瞬態(tài)性、寬帶性 (0.1T化~1 OTHz)及低能性(其能量僅為4. ImeV，是X射線的108分之一)等優(yōu)良特性，使得 T化波在寬帶通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像、無損檢測、安全檢查等領(lǐng) 域有著十分廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在人們對THz波技術(shù)的研究主要致力于兩個方向，一是性能 優(yōu)良的THz波福射源，另一個是高效、低損耗被動器件的研究。T化波主器件的研究進展直接 影響著THz波技術(shù)的應(yīng)用。尤其在無線高速通信、生物傳感、分子檢測及精密測量等應(yīng)用中， 緊湊小巧的THz波器件對于系統(tǒng)集成至關(guān)重要。因此，對尺度在波長量級、緊湊小巧和易于 集成的THz波功能型波導器件的研究具有重要的科學意義和實際應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種高效、低損耗的基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波 器。
[0004] 本發(fā)明的目的是運樣實現(xiàn)的：
[0005] 基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，由兩種圓柱狀金屬波導，波導A和波導B，波 導A和波導B都基于布拉格共振，波導A和波導的B二階模的零點位置不同。
[0006] 所述波導A和波導B的周期個數(shù)均為6,兩種波導為周期結(jié)構(gòu)單元，每個周期起伏的 變化是指管內(nèi)壁由相鄰凹凸環(huán)狀的起伏結(jié)構(gòu)構(gòu)成，凸環(huán)稱之為細管，凹環(huán)稱為粗管，細管粗 管長度相同為周期長度A的一半，周期起伏參數(shù)￡=0.1 R,細管內(nèi)徑為R-E，粗管內(nèi)徑為R+e， R為平均半徑。
[0007] 所述的波導管壁材料為低損耗金屬。
[0008] 所述的周期長度A滿足
[0009]
[0010]
[0011]
[0012]其中，C為光速，f為透射譜的中屯、頻率，P為第P階橫向模式，修為第P階Bessel函數(shù) 的零點，與=化1，….皆={3獄17,7.01%1化1735，1策 3237,..，}。尺是周期變截面波導的平均內(nèi) 徑，A是波導的周期長度，0是傳播常數(shù)，n是化agg共振的階數(shù)，n的取值為0，1，2,3…
[001引所述的中屯、頻率f= ITOz，布拉格波導A的平均半徑Ri = 190.7皿，周期長度A 1 = 182.化111，波導周期起伏參數(shù)6=0.11?，細管半徑為171.63^11，粗管半徑為209.77^11，布拉格 波導B的平均半徑R2 = 224.26皿，波導周期長度A 2 = 155皿，波導周期起伏參數(shù)e = 0.1 R,即 細管半徑為139.5皿，粗管半徑為170.5皿，波導A及波導B皆有5個周期，T化波從兩側(cè)入射。
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0015] 1、一種新型的濾波原理，無復雜的光學系統(tǒng)。
[0016] 2、T化波入射無方向要求，濾波器雙向可用。
[0017] 3、高的帶外抑制。
[0018] 4、通過參數(shù)設(shè)計可改變?yōu)V波器的中屯、頻率。
[0019] 5、濾波器結(jié)構(gòu)簡單，易于力旺。
【附圖說明】
[0020]圖1為波導結(jié)構(gòu)圖。
[0021 ]圖2為布拉格波導A周期單元示意圖。
[0022] 圖3為布拉格波導B周期單元示意圖。
[0023] 圖4為兩種布拉格波導色散曲線。
[0024] 圖5為濾波器的透射譜線。
[0025] 圖6為濾波器中屯、頻率下的軸向場強分布。
【具體實施方式】
[0026] 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明具體實施案例進行詳細的描述。
[0027] 本發(fā)明提供一種基于禁帶相互作用的太赫茲濾波器，包括:布拉格波導(A)和布拉 格波導(B)，兩波導為圓柱狀金屬聲波導，兩波導一體成形，周期皆為6個。兩種波導根據(jù)所 設(shè)中屯、頻率會產(chǎn)生頻域禁帶，將兩波導相接，在波導的連接處發(fā)生強烈的局域共振，產(chǎn)生一 個局域模式，能量在連接處積累導致連接處的能量遠高于入口，積累的能量向出口傳播，由 于波導對THz的衰減，慢慢降到和入口處THz波強度相當?shù)牡夭?，從而實現(xiàn)了高透過率的濾 波，運種新型的濾波圓形可W廣泛用于THz波波導型器件的研究。本發(fā)明濾波頻率可調(diào)，且 具有寬帶，高的帶外抑制等優(yōu)點，可廣泛用于THz系統(tǒng)當中。
[0028] 基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，是一種圓柱狀金屬波導。見說明書附圖1， 兩種波導(AB兩者連接在一起，形成一個復合波導。
[0029] 兩波導(AB)都基于布拉格共振，區(qū)別在于二階模的零點位置不同。布拉格共振為 相同模式之間的相互作用，見說明書附圖4(a)，在陰影處發(fā)生一階布拉格共振，二階模的零 點位于1(1，1)和1(1,-1)交點下方，說明書附圖4(b)，在陰影處同樣發(fā)生一階布拉格共振， 二階模的零點與1(1，1)和1(1,-1)的交點重合。布拉格共振導致譜帶斷裂，產(chǎn)生頻率禁帶， 禁帶范圍可調(diào)控，在本發(fā)明中，兩種波導設(shè)計的中屯、頻率相同。由于禁帶間的相互作用，在 連接處發(fā)生局域共振，表現(xiàn)為禁帶中出現(xiàn)一個透射峰，產(chǎn)生一個沿半徑分布的高階模場。
[0030] 見說明書附圖1，兩波導周期個數(shù)均為6。見說明書附圖2和3為兩種波導的周期結(jié) 構(gòu)單元，每個周期起伏的變化是指管內(nèi)壁由相鄰凹凸環(huán)狀的起伏結(jié)構(gòu)構(gòu)成，凸環(huán)稱之為細 管，凹環(huán)稱為粗管，細管粗管長度相同為周期長度A的一半，周期起伏參數(shù)E = O. IR,細管內(nèi) 徑為R-E，粗管內(nèi)徑為R+e，R為平均半徑。
[0031] 波導管壁材料為低損耗金屬，比如銀、侶或金。
[0032] 運兩個布拉格波導的平均半徑和周期長度可變，通過改變周期大小和平均半徑等 參數(shù)可W改變?yōu)V波的中屯、頻率。
[0033] 圖1中陰影部分為金屬管壁。A，B皆為布拉格波導。
[0034] 圖帥A巧布拉格波導A的周期長度;Rl為布拉格波導A的平均內(nèi)徑；e為周期起伏 參數(shù)，取E=O.1R。
[0035] 圖3中A2為布拉格波導B的周期長度;R巧自布拉格波導B平均內(nèi)徑；e為周期起伏參 數(shù)，取 e=0.1R。
[0036] 如圖4所示，兩波導的中屯、頻率皆為IT化，陰影處為禁帶所在范圍，可W看到，禁帶 范圍相當。布拉格共振為相同橫向模式之間的相互作用，即1(〇，1)和1(1，±1)。兩種波導區(qū) 別在于二階模的零點不同，見圖4(a)(b)黑線，零點所在頻率不同。
[0037] 圖5中透射峰位于0.9627THZ。
[0038] 圖6可W看到，在波導連接處發(fā)生強烈的局域共振，能量在連接處積累，經(jīng)過波導B 的衰減，到達出口才具有很高的透射峰。
[0039] 本發(fā)明提供了一種太赫茲波導型濾波器，見說明書附圖1為波導組裝圖。整體結(jié)構(gòu) 由一布拉格波導(AB)組成，兩波導是圓柱狀金屬波導，周期個數(shù)各為6個。見說明書附圖2和 3為兩種布拉格波導的周期結(jié)構(gòu)單元，每個周期起伏的變化是指管內(nèi)壁由相鄰凹凸環(huán)狀的 起伏結(jié)構(gòu)構(gòu)成，凸環(huán)稱之為細管，凹環(huán)為粗管，每個周期的細管粗管長度相同為周期長度A 的一半，周期起伏參數(shù)E=O. IR,細管內(nèi)徑為R-E，粗管內(nèi)徑為R+e，R為平均半徑。兩種波導布 拉格共振的中屯、頻率相同，不同點在于二階模的零點位置不同，運導致兩者平均半徑及周 期長度上的差異。
[0040] 見說明書附圖4(a)，陰影處發(fā)生一階布拉格共振，見說明書附圖4(b)，在陰影處同 樣發(fā)生一階布拉格共振。首先設(shè)定濾波器的工作頻率，根據(jù)色散曲線
可W求得周期長度A ;根據(jù)一階模的零點可W求得平均 半徑R，運樣可W得到布拉格波導和非布拉格波導的參數(shù)。
[0041] 此種濾波方法基于布拉格禁帶之間的相互作用，它們具有不同的共振機理。當工 作頻率小于二階模的截止頻率時，高階模沒有激發(fā)，在波導內(nèi)只存在基模，設(shè)定運時一階模 的縱向波數(shù)為k，由于周期起伏結(jié)構(gòu)的反射在入射一階模相反方向上產(chǎn)生一個縱向波數(shù)為- k的一階模。當運兩個波數(shù)的絕對值的和等于波導的波數(shù)的時候就會發(fā)生布拉格共振，是一 階模之間的相互作用。布拉格共振會導致譜帶分裂，形成頻域禁帶。
[0042] 見說明書附圖4(a)(b)為布拉格波導及非布拉格波導色散曲線。如圖給出了周期 波導中第一布里淵區(qū)內(nèi)模式的色散曲線（點線），實線為參考線Kp, n)，代表第n階空間諧波 的第P個模式。圖4(a)，陰影區(qū)域表示布拉格禁帶，為相同橫向模式間的共振相互作用，使得 頻譜分裂，在IT化附近產(chǎn)生布拉格禁帶；圖4(b)陰影區(qū)域同樣表示布拉格禁帶，區(qū)別在于二 階模的零點與1(1，1)和1(1,-1)相交，是為S模共振點，同樣在IT化附近產(chǎn)生非布拉格禁 帶。很顯然，布拉格共振發(fā)生在參考線Kp,n)的交點處。當入射波頻率靠近共振處時，由于 在參考線交點處頻帶分裂產(chǎn)生禁帶，相關(guān)頻率范圍內(nèi)電磁波不能在波導中傳播?？偟膩碚f， 多模波導中不同橫向模式色散曲線的重疊，會引發(fā)復雜的共振相互作用。根據(jù)色散曲線，我 們可W通過控制具有周期結(jié)構(gòu)波導的可調(diào)參數(shù)來改變運種通帶-禁帶的范圍和位置，從而 實現(xiàn)對其中傳播模式的控制。
[0043] 當兩布拉格波導相連接時，在連接處會有局域模式產(chǎn)生，表現(xiàn)為在禁帶中產(chǎn)生一 個透射峰，W此達到濾波的效果。
[0044] 如上所述基于布拉格共振的周期變截面起伏波導結(jié)構(gòu)參數(shù)共振機理給出，色散曲 線如下式：
[0045]
[0046] 其中，C為光速，f為透射譜的中屯、頻率，P為第P階橫向模式，片'為第P階Bessel函數(shù) 的零點，貨=:0，1，.'...移=樣沿17,7.01統(tǒng)，10.1巧5，13.3絶7.…} cR是周期變截面波導的平均內(nèi) 徑，A是波導的周期長度，e是傳播常數(shù)，n是化agg共振的階數(shù)，n的取值為0，1，2,3…。
[0047] 如圖4設(shè)定中屯、頻率f =IT化，此時根據(jù)色散曲線求得布拉格波導A的平均半徑Ri = 190.7皿，周期長度A 1 = 182.1皿，波導周期起伏參數(shù)￡=0.1 R,即細管半徑為171.63皿， 粗管半徑為209.77曲!。此時布拉格波導B的平均半徑R2 = 224.26曲1，波導周期長度A 2 = 15化 m，波導周期起伏參數(shù)e = 0.1R，即細管半徑為139.5皿，粗管半徑為170.5皿。如附圖1，布拉 格波導(A)及非布拉格波導(B)皆有5個周期。T化波從兩側(cè)皆可入射。
[0048] 波導參數(shù)確定，圖5為數(shù)值模擬的結(jié)果，在禁帶中屯、出現(xiàn)一個透射峰，運樣就可W 實現(xiàn)濾波的功能。通過調(diào)整兩個周期結(jié)構(gòu)波導的尺寸可W調(diào)節(jié)所濾出的太赫茲的中屯、頻 率，達到可調(diào)諧的目的。
[0049] W上所述的實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式、尺寸等都可 W所變的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的同等變換和改進，均不應(yīng)該排除在本發(fā) 明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，由兩種圓柱狀金屬波導，波導A和波導B， 其特征在于:波導A和波導B都基于布拉格共振，波導A和波導的B二階模的零點位置不同。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，其特征在于:所述 波導A和波導B的周期個數(shù)均為6,兩種波導為周期結(jié)構(gòu)單元，每個周期起伏的變化是指管內(nèi) 壁由相鄰凹凸環(huán)狀的起伏結(jié)構(gòu)構(gòu)成，凸環(huán)稱之為細管，凹環(huán)稱為粗管，細管粗管長度相同為 周期長度A的一半，周期起伏參數(shù)e=0.1R，細管內(nèi)徑為R-ε，粗管內(nèi)徑為R+e，R為平均半徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，其特征在于:所述 的波導管壁材料為低損耗金屬。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，其特征在于:所述 的周期長度A滿足其中，C為光速，f為透射譜的中必頻率，P為第P階橫向模式，咚為第P階Bessel函數(shù)的零 點，i? = 〇，l，:….時={3:名317,7<0156，10,1.巧5，1支沿巧,·..} ?R是周期變截面波導的平均內(nèi)徑，八 是波導的周期長度，β是傳播常數(shù)，η是化agg共振的階數(shù)，η的取值為0，1，2,3···.。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于禁帶相互作用的太赫茲波濾波器，其特征在于:所述 的中屯、頻率f = Ι??ζ，布拉格波導A的平均半徑化=190.7μπι，周期長度Λ 1 = 182. Ιμπι，波導周 期起伏參數(shù)e=0.1R，細管半徑為171.63μπι，粗管半徑為209.77μπι，布拉格波導Β的平均半徑 R2 = 224.26ym，波導周期長度Λ2=155皿，波導周期起伏參數(shù)e = 0.1R，即細管半徑為139.化 m，粗管半徑為170.5皿，波導A及波導B皆有5個周期，??ζ波從兩側(cè)入射。
【文檔編號】H01P1/20GK106099263SQ201610356591
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】樊亞仙, 桑湯慶, 徐蘭蘭, 陶智勇, 張川
【申請人】哈爾濱工程大學