文献阅读综述报告——太赫兹FSS带通滤波器的研究

1、重 庆 邮 电 大 学研 究 生 综 述 报 告报告题目：太赫兹FSS带通滤波器的研究学生姓名： 入学年份： 专 业： 研究方向： 导 师： 时 间： 2015.03 导师审查意见1.是否和开题内容一致：2.从综述广度、写作水平、文献阅读量等方面给出简要评价：总分(百分制，60分以下为不合格)：签字： 日期：重庆邮电大学研究生部说 明研究生论文选题是研究生进行学位论文工作的开端，也是对研究生进行科研训练的重要一环。选题时要把握开拓性、先进性、成果的必要性、成果的可能性等原则。选题要在导师指导下，由研究生独立进行。课题还应尽可能符合研究生的素质特点和兴趣，尽可能结合已有的科研任务，尽可能纳入我院

2、的科研计划。研究生开题是在第四学期末进行，无论是参加导师课题或自选课题的研究生，一律要求从第三学期开始进行选题调研，充分学习了解某领域的国内外研究现状，保证必要的前期研究积累。开题前两周必须提交一篇1015页（统一的技术报告格式）的综述报告给导师审阅，由导师签字认可，作为必要材料附在开题申请表后，否则不允许进行开题。该综述报告必须保证25篇以上的文献阅读量（记录在参考文献中），其中英文文章篇数不少于8篇。导师要给学生充分的开题建议。 太赫兹FSS带通滤波器的研究摘要：FSS结构可以通过缩放结构尺寸覆盖电磁波谱的大部分频段，因此其在太赫兹器件的设计方面有着不可取代的地位。太赫兹滤波器为太赫兹频段

3、最重要的器件之一，对其深入研究将会极大地促进太赫兹技术的发展。本文简要介绍了太赫兹波和FSS结构的特性，并对当前的研究现状进行了综述，对进一步需要研究的问题进行了讨论。关键字：FSS，太赫兹波，滤波器Reseasrch of THz FSS Bandpass FilterAbstract: The structure of FSS can zoom the size of structure to cover most of the electromagnetic spectrum band, so its design in terahertz device has irreplaceabl

4、e position. Terahertz filter is one of the most important devices for terahertz spectrum, the in-depth study will greatly promote the development of terahertz technology. This paper briefly introduces the terahertz wave and characteristics of the structure of FSS, and the current research status are

5、 summarized, the need to further research problems are discussed.Keywords: FSS，the terahertz wave，filter1.引言太赫兹波位于毫米波与光波之间，处于电子学向光子学的过渡区域，频率范围为0.1THz-10THz。太赫兹波具有相干性、低能性、穿透性、瞬时性等优点，所以太赫兹技术越来越受到世界各国的重视。太赫兹系统也在医疗、检测、通信、安全等方面起到了举足轻重的作用。太赫兹FSS滤波器作为太赫兹应用系统的重要构成器件之一，在太赫兹应用系统中起着至关重要的作用。在制作工艺方面，与微波滤波器相比较，工作

6、波长要小得多，因而器件体积更小，更轻便，易于集成化。而与光波滤波器相比，工作波长要大得多,更容易加工。因此太赫兹FSS滤波器的设计在太赫兹应用系统中具有广泛的应用前景。1.1太赫兹波简介太赫兹（Terahertz，THz）波是一种电磁波，其频率在0.1THz到10THz之间，波长在30m到3mm之间。介于光学和电子学的交界处，位于红外线与微波之间。如图1.1所示。其中，波长介于30m-1mm（相应的频率介于10THz-300GHz）的电磁波，在无线电物理中称为亚毫米波（submillimeter wave，SMMW），而在光学中则习惯称之为远红外波（far infrared wave，FIR）

7、，是无线电中的亚毫米波向短波方向的延伸和光学中的远红外波向长波方向的延伸。图1.1.1 电磁波谱和太赫兹波段1.2太赫兹波主要特性近二三十年以来，与太赫兹技术相关的研究随着科学技术的日新月异飞速发展。通过众多国内外的研究成果可以发现，太赫兹技术在安全检测领域、生物化学领域、军事与雷达通信领域、医药领域、环境监测领域等都有着非常重要的应用前景。相比于其他频段的电磁波，太赫兹波表现出了许多自身的特点与优势，表现为以下几个方面：（1）低能性：太赫兹电磁波的光子能量非常低，因此不会伤害到生物组织，可以用于生物组织的活体检查，还可以利用THz时域光谱技术研究酶的特性进行DNA鉴别等。（2）相干性：太赫兹

8、辐射通常由两种产生方式，其一是由具有相干性的激光脉冲经过非线性光学差频来产生，其二是由电流来驱动偶极子振荡产生。可以分析脉冲相干THz电磁波的时域波形，这样就得到相位、振幅等光谱数据，从而给出色散谱和吸收谱，或复电导率、复介电常数。这一特点在研究材料的瞬态相干动力学问题时具有极大的优势，在材料学的研究中，尤其是关于瞬态相干动力学的分析时起到重要的作用。（3）瞬态性：太赫兹波的脉冲宽度在亚皮秒量级，利用取样测量技术，可以有效的消除背景辐射噪音的干扰，还可以对飞秒、亚皮秒级别的瞬态光谱进行研究。（4）透射性：太赫兹波对纸、塑料、电介质材料等很多非极性物质表现出很强的穿透能力。基于此优点，可以用于探

9、测和安检领域。大部分分子的振动或转动能阶都位于THz波段，特别是很多有机大分子在THz波段表现出强烈的色散和吸收特性。由于有机大分子对太赫兹辐射的色散和吸收特性不同，通过分析太赫兹的色散特性可以识别某种物质，这点类似于通过指纹或者是视网膜来识别一个人一样，这个特性在无线电天文、医学影像、遥感等领域具有非常大的应用前景。1.3频率选择表面（FSS）简介频率选择表面（Frequency Selective Surfaces，FSS）是由周期性排列的金属贴片单元或金属屏上相同的缝隙单元所构成的一种二维周期阵列结构。此种结构的功能依赖于单元的几何尺寸、排列方式以及介质衬底的化学成分。频率选择表面本身不

10、吸收射频能量，却能起到频率滤波的作用，它对电磁波和光波具有选择性反射或透射特性。正是由于频率选择表面呈现出的开放空间的电磁滤波器的功能，使得它在科学和工程等领域具有较大的应用价值，近年来越来越受到世界各国的重视。1.3.1结构分类频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型和开槽类型也叫波导类型。1.贴片类型：在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。 （1）滤波机理：假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换

11、言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。 再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。一般而

12、言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。（2）等效电路：LC串联 ，如图1.3.1所示。图1.3.1 LC串联等效电路2.开槽类型：在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。（1）滤波机理：当低频电磁波照射开槽型频率选择表面时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过偶

13、极子槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的偶极子槽阵列反射系数低，透射系数高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，因此，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。因此，当高频电磁波入射时，透射系数减小，反射系数增大。从频率特性相应上看，开槽型频率选择表面是带通型频率选择表面。（2）等效电路：LC并联，如图1.3.2所示。图1.3.2 LC并联等效电路1.3.2结构单元及特点太赫兹FSS滤波器是一种二维周期结构，它源自

14、光栅的研究，由美国物理学家David Rittenhouse提出。FSS的形状有很多种，归结起来可分为中心连接形、环路形、内部填充形和组合型四类具体如图1.3.3所示。图1.3.3 几种典型的FSS滤波器单元第一组中的FSS单元通称为中心连接形，其特征是单元的所有臂都在中心点处相连接，这意味着这种FSS单元不仅能激励偶模，斜入射时也能激励奇模。第二组中的FSS单元形状是从直偶极子演化而来的，从单个直偶极子单元开始，当偶极子长约为/2时将会谐振，并有效地散射。当从直偶极子单元出发演化成环路型单元时，其谐振条件可近似归纳周长总为，FSS单元变得愈加紧凑，这种FSS单元用在矩形阵中很自然，但在三角形

15、阵列中应改用三腿型加载单元；若将三腿型加载单元的边撕拉成两半，则变成六边环型；进一步演化则变成圆形环。所有这些单元都在平均周长为处时谐振，它们的区别在于频带宽度。由三腿型加载单元扩展为六边型单元，其频带宽度可扩大约2.5倍。环形单元的主谐振发生在单元周长约等于所处介质中的一个波长处。对于尺度较小，跨度的典型值在/3-/4之间，长度/2的值明显小于中心连接单元的端到端的周期性结构，要使其具有对入射角和极化稳定的性能，FSS单元的间距以小为宜，通常情况下环形单元要优于中心连接单元。 第三组中的FSS单元被称为内部填充型。由于它们的结构简单，曾是最早被研究的FSS单元。然而，它们并不是最有效的谐振器

16、，且在谐振时往往附带有栅瓣，换言之，它们不能与看似相像的对偶FSS单元相提并论，尤其不适用于精密加工的场合。第四种的FSS单元是几种特殊用途的组合单元，所列出的耶路撒冷十字形那样附有未端电容的四腿型加载单元。FSS结构最早被应用于微波频段，随后发展到可见光和太赫兹频段。FSS结构可以通过缩放结构尺寸覆盖电磁波谱的大部分频段，因此其在太赫兹器件的设计方面有着不可取代的地位。对于太赫兹FSS结构，一个单元只有几十到几百微米，一个关键的部分只有几微米，此种尺寸的结构通过传统的微细加工技术就能制得。将其应用于太赫兹滤波器中，通过改变结构本身的特性就可以对器件的滤波特性进行调整和优化。同时，由于太赫兹滤

17、波器为太赫兹频段最重要的器件之一，对其深入研究将会极大地促进太赫兹技术的发展。2.研究现状光学中栅的衍射过程和FSS的研究颇为相似。FSS的研究最先是由美国物理学家David.Rittenhouse在1786年提出的。David从透过毛巾和用细丝制作的栅的白光变化出了各种颜色，这个过程很明显就是栅的衍射过程。从此，栅的衍射和相关栅的结构被延伸到了科学和工科的各种领域。由于难以建立准确的物理模型以及分析的复杂，对于FSS深入系统的研究和严格的数值分析却是在近几十年。随着电子计算机在计算电磁学中的应用，以及印刷电路板技术的成熟，FSS的研究日趋进步发展起来。现代通信行业的大力发展和电磁资源自身的有

18、限性，低频电磁资源已经分割完毕，顺应个人通信设备便携式、微小化发展的趋势，我们有必要向高频电磁波段开发资源，同时缩小电子元件的尺寸。正是应了通信时代发展的这种要求，太赫兹波段的器件应运而生。滤波器作为通信系统和成像系统的关键器件之一，对太赫兹FSS滤波器进行深入研究，将会对太赫兹通信系统、成像系统以及化学生物检测等太赫兹领域新型技术的发展有着极大地推动作用。最早出现的太赫兹FSS带通滤波器是金属网格结构，电磁波照射在金属网格上使闭合网格回路产生感应电流，电流分布将随着入射波强度、相位和极化情况的改变而改变，该结构附着在聚酰亚胺介质上，频响特性由单元结构决定，同时单元的排列方式也会对其有所影响。

19、随后许多其他FSS结构的太赫兹滤波器也被提出，十字镂空结构就是其中的一种，特点在于通过改变其结构可以很容易的控制其滤波特性。赵冬梅、周庆莉等人利用上述结构阵列，提出了一种太赫兹波段可调窄带滤波器，实现了滤波频率在2.5-20THz的大范围可调。Lei Rao和Dongxiao Yang等人利用圆孔型FSS设计出了一种双层金属孔洞阵列结构的太赫兹宽带滤波器。单层金属孔洞结构在0.88THz处出现一个峰值，并随着金属层厚度T的变化，边带滤波特性有一定变化。2009年，俄罗斯科学院的S.A.Kuznetsov，B.G.Goldenberg，P.V.Kalinin等人利用LIGA技术设计并制作了一款中

20、心频率为4.1THZ，3dB处带宽为0.2THz，在4.0THz-4.2THz间透过率55%-80%的基于聚合物的铜膜太赫兹FSS空间滤波器，透射率较低。2011年，Chan-Shan Yang和Yi-Ju Chiang等人利用十字槽单元构成阵列，实现了对太赫兹波的宽带滤波。此研究小组设计出的滤波器通过激励多个谐振点实现了宽带滤波，其3dB带宽为0.5THz，但带内透射率较低且传输系数抖动较大。2012年，Yanhan Zhu等人通过对不同FSS结构进行复合叠加，构成了两层复合阵列结构的太赫兹带通滤波器。他们将互补开口谐振环（Complementary Split Ring Resonator

21、，CSRR）和FSS中的耶路撒冷十字复合，利用耶路撒冷十字结构的带阻特性来优化CSRR结构滤波谱线的边带，从而使滤波器的边带更加陡峭，使滤波性能得到提升。但同样其通带内传输系数不平坦，且透射率较低。2013年，Lanju Liang等人利用十字贴片和方形孔的复合结构设计出了太赫兹带通滤波器，利用聚酰亚胺消除衬底的法布里-珀罗谐振，同时利用两层FSS结构级联来优化矩形系数和带外抑制，最终3dB带宽为0.69THz。其通带内传输系数抖动较小，但插入损耗较大。2014年，兰峰等人对四裂缝互补型电感电容式谐振单元结构进行了改进，在提高滤波性能的同时增加单晶石英介质衬底的厚度，利用电磁仿真技术设计并加工

22、了中心频率为0.28 THz的带通滤波器，改进型谐振结构比传统的圆形CELC结构厚度更厚, 能够降低加工难度和提高器件强度，工作带宽更宽，但透射率较低。3.研究内容与技术方案（一）、研究内容（1）对FSS单元的分类及各类型单元的特点进行比较分析，选择最优的结构单元进行设计太赫兹FSS滤波器。（2）详细的分析FSS的几何参数、FSS层介质加载材料、组阵形式和级联方式对滤波器的影响，同时研究入射波极化方式和入射角的不同对FSS滤波器的性能的影响，设计出最优的太赫兹FSS滤波器。（3）根据大气吸收窗口来确定太赫FSS带通滤波器的指标参数，进而建立滤波器的仿真模型，要求插入损耗小，透射率高，通带带宽宽

23、等良好的滤波特性。（二）技术方案（1）选择太赫兹波传输的大气窗口，设置通带中心频率，根据电磁场理论若偶极子贴片的长度等于入射波长的整数倍，则由偶极子构成的单元结构会发生谐振，将入射波反射回去，进而算出结构单元的尺寸。（2）为了增加FSS结构的机械强度，选择性价比高的材料作为介质衬底支撑，根据法布里-珀罗谐振条件算出介质衬底的厚度，进而衬在FSS单元底。（3）利用CST仿真软件对所设计的结构进行建模仿真，对太赫兹FSS滤波器滤波性能进行分析，调试出最优结构，达到设计指标。（4）做出太赫兹FSS滤波器实物，运用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）对实物进行测量分析，将测试结果和模型仿真结果进行比较，

24、提出改进方案，归纳总结。4.目前的研究状况介绍（1）收集了大量资料，了解国内外太赫兹FSS带通滤波器的情况，调研及项目的可行性分析。（2）熟练掌握了CST软件的操作，验证了FSS贴片类型为带阻特性，开槽类型带通特性。（3）仿真设计了复合结构的太赫兹FSS滤波器，结果离预期目标还有段距离，需要进一步调试。5.进一步的工作（1）继续学习太赫兹FSS滤波器的基本原理及构成。（2）继续学习FSS结构在太赫兹滤波器中的应用。（3）根据大气窗口的吸收效应，自行设定滤波器高性能指标。（4）利用CST软件进行仿真，做大量的实验，将获得的数据进行分析，同传统的结构进行比较。参考文献1赵冬梅，周庆莉，李磊等太赫兹

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