基于超材料的太赫兹滤波器研究

作     者：李皓 

作者单位：内蒙古大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王俊林

授予年度：2023年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：超材料 太赫兹滤波器 三通带 超宽带 带阻-带通转换 带宽可调谐 

摘      要：近年来,以超材料为基础的太赫兹(THz)技术和设备已逐渐受到人们的重视。太赫兹滤波作为太赫兹通讯技术的一个主要组成部分,已取得许多重大进展,但仍有许多难题需要解决,比如滤波带宽窄,滤波性能不佳,功能单一化等。在这一背景下,本文进行了一系列与太赫兹滤波器相关的研究工作。基于多层超材料分别设计了两种太赫兹滤波器,首先设计了一个三通带滤波器,该滤波器在0.28 THz、0.58 THz和1.12 THz处有三个高传输率的传输峰。通过多角度分析得出三通带产生来源于多层超材料之间的多重共振,同时引入阻抗匹配理论分析了滤波原理,最终得到的结论与仿真结果完全符合。该滤波器有多波段、低带通纹波、陡峭的边缘、偏振不敏感等优点。其次设计了一种超宽阻带滤波器,仿真结果表明,该滤波器的中心频率为1.08 THz,矩形系数达到0.95,-20 d B带宽可达1.07 THz,带内平均传输率不超过5%,表现出了优异的超宽阻带特性。研究发现各金属层的作用效果由上至下依次递减。由于滤波器内部产生了强烈的电共振,滤波器内部的电子谐振将会消耗掉几乎所有入射波的能量,因此入射波无法穿过滤波器。该滤波器具有高矩形系数、超宽带、平顶特性等优点。基于二氧化钒(VO)设计了两类可调谐滤波器,首先设计了一种带通-带阻转换滤波器,它在中心频率1.03 THz处可以实现带通和带阻的完美翻转,其开关比为88%。建立了滤波器的等效电路模型,并分析了VO在绝缘态和金属态时滤波器对应的等效电路,仿真电路得到的结果与CST Microwave Studio中仿真得到的结果一致。研究发现VO发生相变时会导致各类谐振器重新组合从而实现带通和带阻之间的转换。其次设计了一种宽带可调谐带通滤波器,该滤波器通过嵌入VO圆形贴片可以实现带宽从0.3 THz到0.43 THz的转变,整体带宽最大可拓宽0.13 THz,通带内的平均传输率可达0.7以上,表现出了优异的调谐性能和传输特性。同时在0°至40°的大入射角范围内可以保持通带性能的稳定性。通过等效电路模型验证了滤波器的可行性。研究发现滤波器的传输稳定性来源于多种共振的耦合,带宽的可调谐功能是因为耦合方式的改变。