可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器

1.本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器。


背景技术：

2.目前，第五代(5g)无线网络已经在世界各地开始部署，这意味着加速对下一代无线网络，也就是(6g)技术的基础研究是至关重要的。有报告指出，为了满足系统带宽、容量和传输速率等要求，6g网络的工作频率范围会升级到太赫兹波段。此外，太赫兹波段频谱目前占用稀疏，非常适合未来的无线通信，所以，研究者们对新颖的太赫兹源、功能器件和探测器的开发有着很大的兴趣。然而，太赫兹器件的开发条件仍不成熟，例如，源的功率太低而无法在自由空间中长距离传输信号，探测器在室内温度也不能达到很高的灵敏度，而太赫兹功能器件缺乏可调制的材料来控制。太赫兹滤波器，作为太赫兹系统中的关键器件，可以选择信号的某一频带通过，或者将我们需要的频率从宽带中分离出来，可以减小其他无用信号的干扰，滤除环境噪声和其他的频率成分，这大大提高了太赫兹系统的工作效率。当前，研究者们已经利用超材料、超表面、光子晶体等特殊结构结合一些相变材料如液晶、石墨烯、二氧化钒设计了多种类型的可调谐太赫兹滤波器。例如，2018年，shen等人设计了一种基于金属-绝缘体-金属周期波导结构的紧凑型太赫兹滤波器。该滤波器由金属环形结构和连续的细长金属条构成，通过改变金属环的大小和间距可以调控滤波器的工作频率。该滤波器的滤波带宽为120ghz。2020年，zhang等人提出了一种基于石墨烯传输线模型设计的高选择性、低插入损耗的太赫兹滤波器，滤波带宽为160ghz。2021年，rashid等人设计了一种基于互联数字电容负载耦合线结构的太赫兹滤波器。基于所提出的交错电容加载耦合线的设计方法，实现了较低的插入损耗，滤波带宽为900ghz。对于未来的6g太赫兹通信来说，在自由空间中的信号失真、大气散射造成的衰减和水蒸气吸收会严重制约太赫兹波的传输，这使得可应用的太赫兹通信频段减少。而上述报道的滤波器的滤波带宽都相对较宽，无法提高可用通信带宽的利用率，此外，滤波器的结构也相对比较复杂，这些缺陷和不足都不能满足未来6g通信的发展需求。


技术实现要素：

3.基于现有技术存在的问题，本实用新型提供一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，以解决现有技术中的滤波器的滤波带宽相对较宽，制备工艺复杂的问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：
5.一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，包括平板波导，平板波导包括两个相间隔设置的第一基板和两个相间隔设置第二基板，两个第二基板分别连接于两个第一基板之间；两个第一基板相互靠近的一侧分别设置有金属层；两个金属层与两个第二基板合围形成容纳腔，容纳腔内填充有液晶；金属层包括周期起伏结构和缺陷结构，周期起伏结构包括相互间隔设置的多个凸起和相互间隔设置的多个凹槽，缺陷结构设置于多个凸起中的两个
相邻的凸起之间。
6.可选地，两个第一基板相互平行设置，两个第二基板相互平行设置，第一基板与第二基板相垂直设置。
7.可选地，一个金属层上的多个凸起与另一个金属层上的多个凹槽一一对应设置；凸起的竖向截面为矩形、三角形或弧形。
8.可选地，凹槽的竖向截面为矩形、三角形或弧形。
9.可选地，第一基板和第二基板分别为树脂材料。
10.可选地，金属层为银或铜。
11.可选地，一个金属层中，缺陷结构两侧的凹槽数量相同。
12.可选地，两个第二基板上分别设置有太赫兹波的入射口和出射口，入射口和出射口同轴设置。
13.可选地，液晶为向列型液晶。
14.可选地，可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器还包括磁控模块，磁控模块被配置为通过改变平板波导的外部磁场方向来改变液晶的折射率。
15.与现有技术相比较，本实用新型的技术方案具有以下技术效果：
16.1、本实用新型提供的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，包括平板波导，该平板波导具有的两个相间隔且相对设置的金属层，每个金属层包括周期起伏结构，一个金属层的周期起伏结构中的多个凸起与另一个金属层的周期起伏结构中的多个凹槽一一对应设置，并在金属层中引入缺陷结构，从而在非布拉格禁带内激发两个超窄带透射峰。
17.2、本实用新型提供的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器在平板波导的内部填充有液晶，基于液晶对磁场的敏感性，通过外部施加的磁场改变平板波导内填充的液晶的折射率，从而实现对透射峰所处频段的连续可调，从而在太赫兹频段实现了可调谐双窄带滤波功能。
18.3、本实用新型提供的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器相对于现有技术的太赫兹滤波器，具有两个工作频段，且滤波带宽仅为0.1ghz和0.3ghz，提高了3个数量级，能够实现的制备工艺简单、易于集成、制作成本低、损耗小。
19.4、本实用新型提供的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器具有调控手段简单、可调谐性能优异、调谐范围宽、双通道、窄带滤波的优点。
20.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践来获知。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例提供的一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器的结构前视示意图。
22.图2为本实用新型实施例提供的平板波导内填充的液晶分子的偏转角度θ为0
°
、45
°
和90
°
时，可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器透射谱线示意图。
23.图3为本实用新型实施例提供的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器透射谱线示意图，透射峰的带宽分别为0.3ghz和0.1ghz。
24.图4为本实用新型实施例提供的液晶分子角度示意图。
25.附图中的附图标记说明：1、第一基板；2、第二基板；21、入射口；22、出射口；3、金属层；31、缺陷结构；32、凸起；33、凹槽；4、液晶。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
27.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
28.本技术领域技术人员可以理解，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
30.为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。
31.参见图1所示，本实用新型实施例提供了一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，包括平板波导，平板波导包括两个相间隔设置的第一基板1和两个相间隔设置第二基板2，两个第二基板2分别连接于两个第一基板1之间；两个第一基板1相互靠近的一侧分别设置有金属层3；两个金属层3与两个第二基板2合围形成容纳腔，容纳腔内填充有液晶4；金属层3包括周期起伏结构和缺陷结构31，周期起伏结构包括相互间隔设置的多个凸起32和相互间隔设置的多个凹槽33，缺陷结构31设置于多个凸起32中的两个相邻的凸起32之间；一个金属层3的多个凸起32与另一个金属层3的多个凹槽33一一对应设置。
32.在本技术的一些实施例中，金属层3具有多个凸起32和多个凹槽33，各凸起32与各凹槽33交替设置以形成周期起伏结构，通过使两个金属层3相间隔设置，且两个金属层3上的周期起伏结构完全错开设置，即其中一个金属层3的多个凸起32与另一个金属层3的多个凹槽33一一对应设置，从而诱导波导内多模相互作用，激发非布拉格共振和禁带，其中，金属层3能够保证太赫兹波在波导内部进行传输，降低能量损耗，防止来自外部的电磁辐射干扰；通过在周期起伏结构中的多个凸起32中的其中两个相邻凸起32之间设置一段缺陷结构
31，破坏了结构的完美周期性，从而在非布拉格禁带内激发双窄带透射，实现了滤波功能，可以理解的是，缺陷结构31是在完整的周期结构之中加入了一段不一样的结构，例如，缺陷结构31可以为与周期起伏结构尺寸不同的凹槽或者凸起；基于液晶4对磁场的敏感性，通过外部施加的磁场能够改变波导内填充的液晶4的折射率，实现对透射峰所处频段的连续可调，从而在太赫兹频段实现了可调谐双窄带滤波功能。其中，两个第一基板1和两个第二基板2用于将液晶4封装在波导内部。
33.应用本技术的上述技术方案，通过在波导结构中引入缺陷，在非布拉格禁带内激发两个超窄带透射峰，以及基于液晶4对磁场的敏感性，通过外部施加的磁场能够改变平板波导内填充的液晶4的折射率，实现对透射峰所处频段的连续可调，从而在太赫兹频段实现了可调谐双窄带滤波功能。本实用新型结构尺寸小，易于集成，通过外部磁场的变化来实现可调谐，操作简单，易于实现；本实用新型基于多模共振原理，通过引入缺陷在非布拉格禁带内获得了两个极窄带透射，在相关领域具有很高的应用价值和广泛的应用前景。
34.在描述下述实施例之前，需要说明的是，在下述实施例中所提供可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器中的缺陷结构31、凸起32和凹槽33的竖向截面包括但不限于矩形、三角形或弧形，仅以缺陷结构31、凸起32和凹槽33的竖向截面均为矩形为例进行说明。
35.参见图1所示，在本技术的一些实施例中，两个第一基板1相互平行设置，两个第二基板2相互平行设置，第一基板1与第二基板2相垂直设置，其中，两个第一基板1水平放置且相互平行，两个第二基板2垂直放置且相互平行，两个第一基板1和两个第二基板2围合形成具有竖向截面为矩形的平板波导，需要说明的是，竖向为垂直于第一基板1的方向。该平板波导内具有内腔，两个第一基板1位于内腔的一侧分别设置有金属层3，两个金属层3和两个第二基板2围合形成的容纳腔内填充有液晶4，其中，各金属层3包括周期起伏结构和缺陷结构31，周期起伏结构中包括多个竖向截面均为矩形的凸起32和多个竖向截面均为矩形的凹槽33，缺陷结构31为一凸部，该凸部的竖向截面也为矩形，其中，一个金属层3的多个凸起32与另一个金属层3的多个凹槽33一一对应设置。在一个金属层3中，一个缺陷结构31的两侧各设置有相同数量的凸起32和相同数量的凹槽33，例如，一个缺陷结构31的两侧各有4个凸起32和5个凹槽33，如图1所示，两个第一基板1上分别设置有具有相同结构的金属层3。此时，在太赫兹频段内将会激发非布拉格共振和频率禁带，而由于在周期起伏结构中引入的缺陷破坏了周期起伏结构的完美周期性，进而在非布拉格禁带内激发了两个异常透射，例如，透射峰的带宽为0.3ghz和0.1ghz，需要说明的是，透射峰会随着金属层3的凹槽33的数量发生变化，当凹槽33的数量的增加时，带宽会变得越来越窄，反之，当凹槽33的数量减少时，带宽会变得越来越宽。利用液晶4对磁场的敏感性，通过外部磁场改变液晶分子的偏转角度，液晶4的折射率将发生变化，从而调控这两个透射峰所处的频段，在太赫兹频段内实现可调谐的双通道窄带滤波。
36.在本技术的一些可选实施例中，液晶4为向列型液晶，向列型液晶对于磁场的变化十分敏感，且在太赫兹频段，向列型液晶具有高双折射(双折射系数大于0.15)和低损耗的特性。
37.在本技术的一些实施例中，金属层3用于将太赫兹波局限在平板波导内部进行传输，金属层3可以为银或铜，以减小传输过程中的能量损耗。
38.在本技术的一些实施例中，第一基板1和第二基板2主要用于将液晶4封装在平板
波导内部，第一基板1和第二基板2可以为树脂材料，树脂材料对太赫兹波来说具有低损耗和低色散的特点。
39.在本技术的一些实施例中，两个第二基板2上分别设置有太赫兹波的入射口21和出射口22，入射口21和出射口22同轴设置。
40.在本技术的一些实施例中，可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器还包括磁控模块(图上未示出)，磁控模块被配置为通过改变平板波导的外部磁场方向来改变液晶的折射率。
41.如图1所示，在本技术的一些实施例中，周期起伏结构的起伏参数ε＝30mm，周期长度λ＝200mm，凹槽33的个数n＝10，两个金属层3之间的最近间距d＝190mm，缺陷长度l＝160mm，两个金属层3的周期起伏结构错开的距离δx＝100mm。金属层3的厚度为1mm，第一基板1和第二基板2的厚度为10mm。
42.平板波导内填充有向列型液晶，通过外部磁场改变平板波导内部填充的向列型液晶的折射率，进而改变平板波导内部的电场分布，调控非布拉格禁带内两个窄带透射峰的所处频段。即通过改变平板波导周围的磁场方向，从而改变波导内部所填充液晶分子的偏转角度，使得太赫兹波在入射液晶4时的入射偏振的有效折射率发生改变，进而调控双透射峰的频率位置，液晶4的有效折射率n
eff
和太赫兹波偏振方向与液晶分子取向的夹角θ的关系式如下：
[0043][0044]
no和ne分别为向列型液晶的寻常光和非寻常光折射率。如图4所示，在平板波导的周围施加磁场，使得磁场的初始方向平行于入射的太赫兹波的极化方向，即沿着y轴，使得液晶分子沿着y轴有序排列，这时，磁场方向和入射的太赫兹波的偏振方向夹角θ＝0
°
。然后控制磁场围绕x轴旋转，此时太赫兹波的偏振方向和磁场的方向夹角发生改变，进而改变液晶的有效折射率。当夹角θ增加时，液晶的有效折射率逐渐增大，使得非布拉格禁带逐渐向高频移动，使得禁带内激发的两个窄带透射峰也跟随禁带向高频移动。因此，通过改变外部磁场的方向，可以调控双窄带透射峰的频率位置，进而在太赫兹频段实现可调谐的双通道窄带滤波功能。经研究得知，向列型液晶的寻常光折射率no，非寻常光折射率ne与所处频段有关，具体关系式由工作频段决定，此时工作频段为0.6
–
1.2thz，no，ne与频率f(thz)关系式如下：
[0045]
no＝0.1282
×
f3–
0.7447
×
f 2
+1.176
×
f+1.017
[0046]
ne＝
–
0.1379
×
f3+0.7158
×
f 2
–
0.7489
×
f+1.916
[0047]
如图2所示，磁场与太赫兹波的偏振方向夹角θ为0
°
，45
°
和90
°
时的透射谱，随着夹角θ逐渐增大，非布拉格禁带及其内部的两个窄带透射峰逐渐向高频移动，两个透射峰的带宽仅为0.3ghz和0.1ghz，如图3所示，本技术实施例提供的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器在太赫兹频段实现了可调谐的双窄带滤波功能。
[0048]
综上所述，本技术实施例提供了一种可调谐的磁控太赫兹双窄带滤波器，通过改变外部施加的磁场来调控平板波导内向列型液晶的有效折射率，进而调控非布拉格禁带内双窄带透射峰的频率位置，在太赫兹波段内实现可调谐的双窄带滤波，该可调谐的磁控太赫兹双窄带滤波器的结构尺寸小，易于集成，通过外部磁场的变化来实现可调谐，操作简单，易于实现；基于多模共振原理，通过引入缺陷在非布拉格禁带内获得了两个极窄带透
射，透射峰的带宽能够达到0.3ghz和0.1ghz，这远远超过其它类型太赫兹滤波器。
[0049]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
[0050]
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
[0051]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，其包括平板波导，平板波导包括两个相间隔设置的第一基板(1)和两个相间隔设置第二基板(2)，两个第二基板(2)分别连接于两个第一基板(1)之间；两个第一基板(1)相互靠近的一侧分别设置有金属层(3)；两个金属层(3)与两个第二基板(2)合围形成容纳腔，容纳腔内填充有液晶(4)；金属层(3)包括周期起伏结构和缺陷结构(31)，周期起伏结构包括相互间隔设置的多个凸起(32)和相互间隔设置的多个凹槽(33)，缺陷结构(31)设置于多个凸起(32)中的两个相邻的凸起(32)之间。2.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，两个第一基板(1)相互平行设置，两个第二基板(2)相互平行设置，第一基板(1)与第二基板(2)相垂直设置。3.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，一个金属层(3)的多个凸起(32)与另一个金属层(3)的多个凹槽(33)一一对应设置；凸起(32)的竖向截面为矩形、三角形或弧形。4.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，凹槽(33)的竖向截面为矩形、三角形或弧形。5.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，第一基板(1)和第二基板(2)分别为树脂材料。6.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，金属层(3)为银或铜。7.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，一个金属层(3)中，缺陷结构(31)两侧的凹槽(33)数量相同。8.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，两个第二基板(2)上分别设置有太赫兹波的入射口(21)和出射口(22)，入射口(21)和出射口(22)同轴设置。9.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，液晶(4)为向列型液晶。10.根据权利要求1所述的可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，其特征在于，还包括磁控模块，磁控模块被配置为通过改变平板波导的外部磁场方向来改变液晶的折射率。

技术总结
本实用新型提供了一种可调谐磁控太赫兹双窄带滤波器，包括平板波导，平板波导包括两个相间隔设置的第一基板和两个相间隔设置第二基板，两个第二基板分别连接于两个第一基板之间；两个第一基板相互靠近的一侧分别设置有金属层；两个金属层与两个第二基板合围形成容纳腔，容纳腔内填充有液晶；金属层包括周期起伏结构和缺陷结构，周期起伏结构包括相互间隔设置的多个凸起和相互间隔设置的多个凹槽，缺陷结构设置于多个凸起中的两个相邻的凸起之间；一个金属层上的多个凸起与另一个金属层上的多个凹槽一一对应设置，其制备工艺简单、易于集成、制作成本低、损耗小，具有调控手段简单、可调谐性能优异、调谐范围宽、双通道、窄带滤波的优点。滤波的优点。滤波的优点。


技术研发人员：刘欢 李杰 马静 张仕旸 樊亚仙 陶智勇
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/20