一种基于太赫兹频率选择表面的三频带滤波器及制造工艺

技术领域

本发明属于太赫兹三信道通信、成像和探测领域，具体属于一种基于太赫兹频率选择表面的三频带滤波器及制造工艺。

背景技术

太赫兹(Terahertz,简称THz)波的频率在0.1至10THz之间，波长在30μm至3mm之间。在通信、成像、医疗生物、文化遗产保护、环境监测、无损检测、航天等领域，太赫兹科学技术都具有重要的应用价值。太赫兹波作为6G技术候选频段之一，桥接了红外和微波波段，在通信过程中有很重要的应用前景。在太赫兹器件中，太赫兹波滤波器是太赫兹波通信系统和太赫兹波检测系统中应用很广泛的功能器件之一。因为实际应用时，噪声影响传输信号，从而降低通信质量。为提高系统整体性能，需要使用太赫兹滤波器对信号进行频域处理，滤出不必要的频率和噪声，提取出所需的太赫兹信号。

频率选择表面(Frequency-Selective Surface,简称FSS)是人工电磁材料领域中的研究热点之一，通常是一种对电磁波具有选择透过性的二维周期阵列结构，当电磁波入射到FSS上时，表现出不同的特性，呈现带通或带阻滤波器的特点。2018年，E.Manikandan等人提出了一种在中心连接型“十”字贴片中心引入“十”字孔径，实现了具有极化不敏感和角度稳定的传输响应的三频带太赫兹滤波器。2019年，Niu等人设计了一种由U型谐振器和金属分裂环组成的太赫兹多频带滤波器。该滤波器在范围小于1THz的频谱内实现了五频带滤波性能。2020年，Jiusheng Li等人设计了一种基于分形结构的三层FSS的双频带太赫兹滤波器。该滤波器的透射曲线有两个通带，第一个通带的中心频率和3dB带宽分别为320GHz和164GHz，第二个通带的中心频率和3dB带宽分别为740GHz和176GHz。2021年，Tiancheng Li等人设计了基于封闭谐振方环的三层FSS形成的双频带太赫兹滤波器。该滤波器可在2.74THz和8.17THz两个中心频率处实现带通滤波性能，第一个通带的1dB范围为2.74～3.25THz，插入损耗为0.05dB。第二个通带的1dB范围为7.63～8.71THz，插入损耗为0.12dB。上述太赫兹多频滤波器都实现了较好的多频带滤波特性，但是也存在一些问题。许多滤波器的各频带带宽差异较大，各频带的最大透射系数之间差异较大，部分频带的透射系数较低，频带内不平坦，这都限制了其在太赫兹三信道通信、成像和探测方面的应用。

CN201610659935.X，一种基于超颖材料的太赫兹三波段窄带带通滤波器，包括嵌套的三个金属方环谐振单元与介质层和十字形金属谐振单元组成的滤波器单元。本发明利用该滤波器单元，在太赫兹波段实现了三波段窄带带通滤波器。该滤波器的结构单元具有旋转对称性，对太赫兹波入射偏振以及较大角度入射不敏感，依然维持良好的三波段滤波特性。这种复合结构的三波段滤波特性来源于三个方环谐振单元各自所对应的滤波特性的线性叠加，并且通过改变方环谐振单元的几何尺寸来调控对应的滤波频段。基于此可以在太赫兹波段实现更多波段滤波。本发明的滤波器设计简单、尺寸较小、加工方便，在太赫兹通讯、成像、光谱分析等太赫兹技术中有很高的实用价值。

关于上面专利的缺点，第一，该专利中的三频带透射不均匀，透射性能差，其频谱的第一频带最大透射系数约0.9，第二、三频带最大透射系数约0.8，差别约0.1，而本文设计的三频带滤波器的频谱中，三个频带的最大透射系数都接近0.9，差别约为0.007；第二，该专利中各频带的带宽差异大，3dB带宽的最大与最小值高于1.4，10dB带宽的最大与最小比高于1.3，而本文设计的三频带滤波器两个值约1.3和1.1，比该专利的频带更加均匀；第三，该专利中的介质厚度只有5μm，“十”字单元的宽度只有1μm，加工难度大，另外其结构的周期常数只有60μm，结构太过紧凑，而本文设计的三频带滤波器介质厚度在50μm上下波动，金属线宽也超过4μm，周期常数在182μm周围，因此加工更方便；第四，该专利中的金属图案和介质分别使用的材料只能是铜和聚酰亚胺，制造受材料限制，而本文设计的三频带滤波器金属图案和介质的材料有多种备选，加工方案多样；第五，该专利中的三频带滤波器结构参数范围狭窄，容易受加工误差影响，而本文设计的结构考虑到了加工误差的影响因此参数范围更广泛。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于太赫兹频率选择表面的三频带滤波器及制造工艺。本发明的技术方案如下：

一种基于太赫兹频率选择表面的三频带滤波器，其包括：若干个正方型滤波器单元结构周期排列而成，每个正方型滤波器单元结构包括介质层、嵌套式“十”字环型金属图案层和“十”字金属层，所述嵌套式“十”字环型金属图案层位于介质层上面，“十”字金属层位于介质层上方，介质层用于结构支撑和对频谱的第三频带进行偏移；嵌套式“十”字环型金属图案层用于与入射太赫兹波谐振产生三个频点的传输最小值，并且“环”之间的耦合可以影响各个频点的位置和透射强弱；“十”字金属层用于与内环“十”字环型结构进行耦合，从而全反射掉低频的太赫兹波以形成第一频带。当TE(横电波)极化或TM(横磁波)极化的太赫兹波垂直入射到所述的太赫兹三频带滤波器表面上时，耦合而产生三个谐振点，“十”字结构根据等效电路理论对应的谐振频率趋于零，因此能够将频率接近零的频谱降为零，形成第一个频带。

进一步的，所述介质层材料为聚酰亚胺、石英、Rogers RO4003中的一种。

进一步的，所述介质层材料为聚酰亚胺时，介电常数为3.5，厚度h＝47～53μm。

进一步的，所述介质层上面的金属图案层的材料选自Au、Ag、Cu中的一种；厚度t＝200nm，其形状采用三个“十”字环型结构进行嵌套化处理。

进一步的，所述“十”字金属层由金属铜(Cu)构成，厚度t＝200nm。

进一步的，所述每个正方型滤波器单元结构单元的周期常数为P＝170μm*170μm～184μm*184μm，边长为170μm～184μm。

进一步的，当TE极化或TM极化的太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到所述的太赫兹三频带滤波器表面上时，滤波器的透射系数为S

进一步的，所述三频带滤波器矩形系数

进一步的，根据频率选择表面理论的栅瓣产生条件公式βT(sinθ

10、一种基于太赫兹频率选择表面的三频带滤波器的制造工艺，其包括以下工艺：

第一步：设计单元结构，表面图案层分别采用嵌套式“十”字环结构与“十”字结构；

第二步：光刻掩模版清洗；将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，去除表面杂志，然后将其放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗掩模版，最后用氮气枪吹干；

第三步：基片清洗；事先用丙酮和酒精把聚酰亚胺基片清洗干净，并要使衬底聚酰亚胺表面保持干燥；

第四步：聚酰亚胺薄膜镀金；利用磁控溅射机FHR将厚度为200nm的铜和10nm的钛镀在聚酰亚胺膜的两侧；

第五步：涂胶与前烘；将样品放置于匀胶机上进行匀胶，然后对匀胶后的样品进行前烘；

第六步：曝光显影；利用光刻机对样品进行曝光光刻，然后使用显影液对样品进行显影；

第七步：刻蚀；利用离子束刻蚀机对超表面顶层金属进行刻蚀；

第八步：去胶；将刻蚀完后的样品至于丙酮溶液中浸泡，然后使用等离子去胶机去除样品表面的光刻机，最后使用去离子水清洗样品并风干。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明提出一个嵌套型“十”字环型的结构与一个“十”字结构组成的频率选择表面，其结构集成度高，为加工提供了便利。(2)该发明相对于现存的太赫兹多频带滤波器可实现三个频带的均匀滤波，三个频带的3dB带宽差异小，而三个频带的10dB带宽差异更小。(3)该三频带滤波器可通过调整不同的参数独立控制第二、三频带的最大透射系数与带宽，使得在实际应用时选择更侧重于频带均匀性好或透射性强。(3)该三频带滤波器由于其结构的旋转对称性，可以对TE和TM极化波都产生相同的滤波效果。(4)在加工方面，由于本器件的结构是基于频率选择表面所设计，现有加工工艺成熟，故加工方面无需担心。(5)该三频带滤波器可在室温下正常工作，无需添加其他外界条件。

太赫兹频率选择表面的嵌套式环型结构的谐振可以产生多频带，而“十”字环结构拉进了它们之间的间距，增加了环之间的耦合，影响了谐振点位置从而改变频带带宽。通过调节嵌套式“十”字环型结构的长宽和线宽可以改变频带间的均匀性。将滤波器设计为双层金属图案，引入不同的“十”字谐振单元，可以带来高的带外衰减特性。因为该结构的旋转对称性，因此对于TE极化和TM极化的入射太赫兹波情况下的极化稳定性良好。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例为滤波器正面单元设计方案示意图；

图2为滤波器背面单元设计方案示意图；

图3为滤波器单元正视图、侧视图和后视图；

图4为滤波器透射系数的频谱变化曲线。

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：

1.本发明提出的基于“十”字嵌套型结构的太赫兹双频带极化转换器，其结构如图1～3所示，由正方型单元结构周期排列而成。

当入射太赫兹波TE极化或TM极化时，滤波特性相同。在0～0.95THz之间，有三个带宽均匀的通带，3dB带宽最大与最小之比约1.31，10dB带宽最大与最小之比约1.14。各频带的最大透射系数所在的频率位置分别为0.168、0.454和0.688THz。每个频带的最大透射系数都接近0.9，带间最低透射点也在0.07以下，滤波特性良好。三个峰的矩形系数分别是2.14、1.95和1.70，显示出频带的选择性较好。

一种频率选择表面三层嵌套式“十”字环型三频带太赫兹滤波器，主要由以下几部分构成：中间介质层、位于介质层上面的嵌套式“十”字环型金属图案层和下面的“十”字金属层。

所述的单元结构为典型的“三明治”结构，从上至下依次为金属图案层、中间介质层和金属图案层。

所述介质层为聚酰亚胺(Polyimide)，介电常数为3.5，厚度h＝50μm，尺寸为P＝182μm*182μm。

所述顶面金属图案层为嵌套的“十”字环型金属条，金属图案层紧贴中间介质层。

所述底面金属层为“十”字型金属层，金属图案层紧贴中间介质层。

所述顶面金属图案层，材料为铜，厚度为200nm，电导率为5.96×107S/m。

所述底面金属图案层，材料为铜，厚度为200nm，电导率为5.96×107S/m。

所述的金属图案层，如图3所示，具体尺寸分别为：P＝182μm，h＝50μm，l

所述频率选择表面三频带滤波器的结构单元周期常数为P＝170μm*170μm～184μm*184μm。

所示频率选择表面三频带滤波器的内部金属“十”字环型的线宽s

所示频率选择表面三频带滤波器的中部金属“十”字环型的线宽s

所示频率选择表面三频带滤波器的外部金属“十”字环型的线宽s

所示频率选择表面三频带滤波器的底层“十”字结构，长度P，宽度为u＝3～8um。

当TE极化或TM极化的太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到所述的太赫兹三频带滤波器表面上时，滤波器的透射系数为S

矩形系数

根据频率选择表面理论的栅瓣产生条件公式βT(sinθ

如图4所示，三频带滤波器在0～0.328THz、0.328～0.594THz和0.594～0.862THz三个频带各自的最大透射系数接近0.9，它们之间的差最大约0.007，而三个频带周边的透射系数最小值都低于0.07，带间阻性良好。三个频带的3dB带宽的最大与最小值比约1.31，而10dB带宽的最大与最小值比约1.14，频带均匀适合实际工程应用。三个峰的矩形系数分别是2.14、1.95和1.70，显示出频带的选择性较好。

该极化转换器由于其旋转对称结构，对TM入射线极化波有与TE入射线极化波显示出相同的滤波频谱特性。

基于嵌套式“十”字环型结构和“十”字结构的太赫兹三频带滤波器的制作，其采用标准半导体微纳加工工艺。

第一步：设计单元结构。表面图案层分别采用嵌套式“十”字环结构与“十”字结构，能够因为嵌套环结构因为入射太赫兹波耦合而产生三个谐振点，又因为“十”字结构根据等效电路理论对应的谐振频率趋于零，因此能够将频率接近零的频谱降为零，形成第一个频带，所以滤波器要同时采用嵌套式“十”字环结构与“十”字结构。中间介质层和底面金属反射层均采用现有成熟设计方案实现。

第二步：光刻掩模版清洗。将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，去除表面杂志，然后将其放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗掩模版，最后用氮气枪吹干。

第三步：基片清洗。事先用丙酮和酒精把聚酰亚胺基片清洗干净，并要使衬底聚酰亚胺表面保持干燥，其目的是保证镀铜的均匀性以及衬底和金属之间的粘合性。

第四步：聚酰亚胺薄膜镀金。利用磁控溅射机FHR将厚度为200nm的铜和10nm的钛镀在聚酰亚胺膜的两侧，加入钛是为了增加金属与聚酰亚胺之间的粘附性。

第五步：涂胶与前烘。将样品放置于匀胶机上进行匀胶，然后对匀胶后的样品进行前烘。

第六步：曝光显影。利用光刻机对样品进行曝光光刻，然后使用显影液对样品进行显影。

第七步：刻蚀。利用离子束刻蚀机对超表面顶层金属进行刻蚀。

第八步：去胶。将刻蚀完后的样品至于丙酮溶液中浸泡，然后使用等离子去胶机去除样品表面的光刻机，最后使用去离子水清洗样品并风干。

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。