题目：基于Metamaterial 的 THz 滤波器的设计

完成设计并撰写研究报告，所设计的滤波器要求：

1.该滤波器具有良好的带通（带阻）特性。

2.工作范围 0.1~2 THz 之间。

3.带宽不小于0.5 THz。

4.上升下降沿斜率不小于 200dB/THz。

5.滤波器通带（阻带）要求尽量平坦，-10dB 带宽尽量宽。

11.5科研笔记

《基于超材料的太赫兹滤波器研究》记录（比较合适）

超材料简介 p1

有周期性单兀结构的宏观复合材料，它被设计为具有某种自然界材料所不具备的物理性质。

SSR单元结构？？？

负折射率超材料：

渔网（Fishnet）结构实现了光波段的负折射率

EEMR超材料：

手征超材料：

它的镜面对称结构不能和本身重合的，称为带有手征性的。负折射率可以由手征超材料结构来实现

EIT超材料：

EIT原本只是一种量子现象，但在超材料研究中，研巧人员利用人造的超材料结构实现了ＥＩＴ现象，并利用这种现象形成了慢光效应。

太赫兹波简介 p5

远红外射线，太赫兹波是指频率介于 0.1 到 10 THz，其波长介于化 0.03 到 3 ｍｍ范围，处在微波与远红外福射之间的一段电磁波，是一段人类尚未完全开发的电磁波谱。

皮秒量级,脉冲辐射的平均功率较低，在研究中我们关注的是太赫兹脉冲的峰值功率

通过采用相干探测技术，我们可以获取到很高的太赫兹脉冲瞬时功率，从而可以获得很高的信噪比

太赫兹射线光子所具有的能量一般仅有几毫电子伏，因此不容易破坏被检测物质

THZ 成像技术也是让太赫兹射线来照射被检测物体，通过被检测样品的透射或者反射来获取物品的有用信息，得以实现成像，对人体不会造成额外的伤害

连续和脉冲两种方式

穿墙雷达和探雷雷达、太赫兹安检设备、通信、天文学

太赫兹滤波器 是太赫兹通信和成像系统的重要功能部件之一，通过在具有双开口的ＳＲＲ结构中引入微小的非对称性，尖锐的法诺谐振就会在平面太赫兹超材料中产生，这与具有单个开口的ＳＲＲ超材料结构相比，具有更高的品质因数

基于太赫兹超材料的超宽带阻滤波器设计 p33

常用的超材料基本结构包括金属线、矩形金属环、金属十字线、渔网结构、开口环谐振单元（SRR）等。

采用不同结构的组合、或是双层相同结构的角度旋转、或是双层对称结构的组合、或是相同结构但不同尺寸比例的多层超材料叠加等，可以实现太赫兹波段的双频响应、多频响应和宽频共振响应

本节提出Ｔ一种基于复合超材料的、在太赫兹频段具有宽带谐振响应的阻带滤波器结构，这种超材料以—种金属－电介质－金属的夹层结构为基本单元

带阻滤波器的超材料单元结构

此结构由四层材料构成，隔离电介质的材料为聚醜亚胺薄膜，厚度 h =３５uｍ，上、下两层金属曲线的材料是金属铝，厚度为 0.2uｍ

整个金属－电介质－金属的夹层结构附着在５0uｍ厚的局阻珪基底上。其中，依附在隔离电介质薄膜的上面和下面的两层金属曲线阵列是完全相同的，唯一的区别是在传输轴方向Ａ上，较高层的金属曲线阵列相对于较低层的金属曲线阵列逆时针旋转９０度，其他参数在 p44

此外，从图中可以看出，入射电场的偏振方向为垂直极化？？？？

数值仿真结果与分析

图中可以看出，在垂直偏振入射电场的影响下，该ＭＤＭ超材料结构在太赫兹频段激发出一个具有平坦底部且轮廓线边缘陡峭的超宽阻带谐振响应。

为了进一步分析基于所提出的ＭＤＭ阻带宽带谐振响应的产生机理，本文把ＭＤＭ结构分解成两部分进行定性讨论：一个仅有上层金属线阵列的ＭＤ结构和另一个仅有下层金属线阵列的ＤＭ结构。

在基于仅有上层金属线阵列的ＭＤ结构的透射光谱，其传输曲线中仅有一个单一的谐振峰
在基于仅有下层金属线阵列的ＤＭ结构的透射光谱，同样仅有一个单一的谐振峰大。

两个谐振响应，分别为ＭＤ和ＤＭ两个单层超材料结构平面内周期性排列的金属线阵列在垂直偏振入射电场的激励下产生的。

由此可知，对于一个完整的ＭＤＭ结构，由于上层和下层金属线阵列之间的相互锅合、相互作用，形成了宽阔的传输频带。

电介质薄膜的厚度 h：

随着 h 的増加，阻带谐振响应的中必频率 f0 的位置保持不变，没有发生频率飘移，传输谐振曲线的底部平坦性也没有发生改变，且阻带的３db 带宽 Δf 变化范围很微小，只有阻带轮廓线边缘的陡峭性发生显著变化 。

其中，左侧边缘的带边过波变得相对平缓，右侧边缘的带边过波变得更加尖锐。

因此，当ＭＤＭ中间电介质薄膜的材料为 Polyimide 时，电介质层的厚度Ａ的作用是调节透射光谱中阻带谐振边缘轮廓线的陡峭性，即滤波性能

金属线总臂长 l：

l 的变化也显著地影响着ＭＤＭ超材料结构透射光谱的传输特性。

随着 l 从 35um 增加到 45um ，阻带谐振响应的中心频率 f0 迅速向低频飘移 ，阻带的传输带宽 Δf 基本保持不变，但传输谐振曲线的底部变得更加平坦 。

因此，在固定其它结构参数的条件下，调整金属线总臂长 l ，可Ｗ灵活控制谐振响应的中心频率和阻带底部的平坦性

金属线宽 w：

太赫兹波通过ＭＤＭ阻带滤波器的透射光谱。

从线宽 w 对传输曲线的影响可以看出，随着 w 从３um 增加到６um 的过程中，阻带谐振响应的中心频率 f0 向高频飘移 ，阻带带宽 Δf 明显展宽

但有趣的是，随着 w 的増加，阻带底部的平坦性减弱。

因此，这一现象表明ＭＤＭ的金属线宽 w —定存在一个最优尺寸设计，本章将其设定为３um

单元结构成比例扩展 r ：

MDM 单元结构的倍数扩展对透射光谱的阻带传输特性具有明显的调节作用。

随着整个ＭＤＭ单元结构尺寸的增加，阻带谐振响应的中心频率 f0 迅速向低频飘移 ，阻带的传输带宽 Δf 显著变窄 ，但透射光谱的底部平坦性和阻带边缘线的陡峭性基本保持不变。

因此，成比例调整ＭＤＭ单元结构的尺寸可以调谐阻带谐振响应的中心频率和传输带宽

中间电介质层的介电常数：

改变电介质薄膜的主要作用是有效的调节谐振响应的中心频率 f0 和阻带传输底部的平坦性。

提高介电常数，谐振响应的中心频率向低频偏移，带宽变化不大 ，但是，随着介电常数的增加使得阻带的传输底部更平坦

11.6科研笔记

《超材料太赫兹波器件的设计、制备与性能测试_王文涛》记录（不适用）

基于三个方形封闭谐振环(CRR)结构的太赫兹多频带滤波器 p41

在实际应用中，由于环境噪声以及应用需要的限制，常需要滤除不必要波段的信号和噪声，以提高系统的性能

在太赫兹波段的滤波器主要有三种：

一是基于量子阱的太赫兹波滤波器[61]；

二是基于光子晶体的太赫兹波滤波器[62-64]；

三是基于超材料的太赫兹波滤波器[14,21,30]

基于表面等离子体共振耦合作用的超材料太赫兹滤波器由于透射率高，并且通过改变共振单元的形状和尺寸就可以实现滤波器性能的改变等优点

由三个方形 CRR 嵌套组合而成的平面三频带太赫兹滤波器

滤波器设计：

太赫兹滤波器一般是由在半导体、石英或者高性能聚合物薄膜材料上周期性排列的金属共振单元组成的。

本文中，衬底材料选用厚度为 50µm 聚酰亚胺（PI）薄膜，PI 在太赫兹波段介电常数较小，且具有柔软性等优点

共振单元由三个方形 CRR 组合而成，这种结构的对称性确保了该滤波器对电场偏振不敏感。整个样品是由共振单元在 x、y 方向上周期性排列而成的。

具体参数在p55

此类滤波器不太适合用在题目一中，因为在0~1.2THz之间出现三个峰值，与要求不符，舍弃。

但可以借鉴文中调整滤波器参数的想法，对滤波器进行调参

11.7科研笔记

《基于超材料的太赫兹带阻滤波器机器传感应用》（不太合适）

基于超材料单元结构之间的近场耦合作用设计了两种机械可调的太赫兹带阻滤波器 p19

太赫兹滤波器

太赫兹滤波器简介: p7

带阻滤波器是滤波器的重要组成部分，在某些波段范围内将电磁波幅度衰减到极低水平。

在单阻带滤波器方面，有窄带和宽带，窄带的结构设计较易实现，如简单的切线型超材料的电谐振就可以实现单阻带滤波效果，相对来说，宽带滤波的结构较复杂一些，由五层相同金属环组成超材料的传输特性，超材料的结构示意图

可调谐太赫兹带阻滤波器研宄现状: p10

滤波器的调谐能够有效地控制电磁波的传输，一般通过外界的激励，如环境温度、电场强度、光强、机械应力等因素的改变，引起超材料的介质属性和结构单元尺寸的改变，从而实现太赫兹滤波器电磁响应特性的调节。调谐的基本原理主要是调节超材料的等效电容和等效电感，常用的方法有机械调制、电压控制、温度调控、磁场调控等方式。