CN115332743B - 一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及太赫兹技术领域，具体公开了一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器及制备方法，滤波器包括金属波导，延波导长度方向开设贯穿金属波导侧面的安装缝；滤波结构，穿过安装缝插入进波导，将金属波导内腔分为两部分，包括依次设置的半导体基板、设置于半导体基板一侧的掩膜电路、可调介质，半导体基板设有通孔，掩膜电路通过通孔与金属波导连接；通过调控可调介质材料的介电常数分布，调整滤波器的中心频率和通带带宽。本专利结合了金属结构低损耗和半导体结构加工工艺高的优点，而且对于装备精度也表现出良好的容差性。通过适当调控，本专利实现的滤波器可实现中心频率可重构、带宽可重构，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹频段可重构滤波器，特别涉及一种中心频率和带宽均可重构的滤波器，属于太赫兹技术领域。
背景技术
太赫兹频段具有丰富的频谱资源，利用太赫兹信号作为载波进行通信，可开展宽带、高速率、安全的数据传输业务。因此太赫兹通信成为当今人类对海量数据传输需求的优选技术途径之一。太赫兹通信的宽带特性不仅可以提供海量高速数据快速传输能力，而且为通信频带的灵活安全调控提供了足够的频带资源，使得太赫兹通信在安全可靠通信领域和变速率柔性通信业务领域可以得到长足演进，比如跳频通信和深度扩频通信。
开展太赫兹跳频通信时，需要发挥太赫兹宽跳频优势的同时，还需要保证系统具有足够的灵敏度，意味着需要约束通信系统的瞬时带宽。由此，吸引了领域内大量研究者开展太赫兹频段可重构滤波器技术研究，旨在控制系统通带随跳频图谱调整中心频率。已报道的太赫兹可重构滤波器主要有超表面、MEMS、石墨烯涂层等技术方案，受限于机械加工工艺水平和有机材料高频段的损耗特性，已报道的太赫兹可重构滤波器存在高插损、调控范围有限等不良表现。
发明内容
本发明解决的技术问题为：解决现有技术的不足，本专利公布了一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，实现了太赫兹频段滤波器的中心频率和通带带宽的灵活重构。同时本专利将高精度半导体微加工工艺和低损耗金属导波结构相结合，使得滤波器滤波器参数精准可控，传输低插损性能优良，且通过适当参数调节，本专利的中心频率和通带带宽均可实现较大范围的调控。
本申请采用如下的技术方案：
一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，包括
金属波导，延波导长度方向开设贯穿金属波导侧面的安装缝；
滤波结构，穿过安装缝插入进波导，并将金属波导内腔分为两部分，包括依次设置的半导体基板、设置于半导体基板一侧的掩膜电路、可调介质，半导体基板设有通孔，掩膜电路通过通孔与金属波导连接；
通过调控可调介质材料的介电常数分布，调整滤波器的中心频率和通带带宽。
所述掩膜电路为多个间隔附着于半导体基板上的片形金属形成的金属层。
所述金属层的单个片形金属为矩形。
所述金属层材质为金。
所述通孔与金属波导的安装缝正对。
所述可调介质背离掩膜电路的一侧设有控制电极阵列电路，控制电极阵列电路设置于支撑板上，通过控制电极阵列电路调控可调介质材料的介电常数分布。
所述掩膜电路、控制电极阵列电路的表面均设有光控取向剂层。
所述光控取向剂层的厚度为百微米量级。
所述半导体基板、支撑板的材质相同。
一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器的制备方法，包括：
制备滤波结构：在半导体基板上制备掩膜电路，在支撑板上制备控制电极阵列电路，然后在掩膜电路和控制电极阵列电路表面制备涂覆光控取向剂，固化后形成光控取向剂层，使两个光控取向剂层正对，并在两个光控取向剂层中间灌入液晶材料，封边，形成半导体基板-掩膜电路-液晶-控制电极-半导体基板的五层结构的滤波结构；
准备中间设有安装缝的金属波导；
将滤波结构从安装缝插入金属波导内进行集成得到可重构滤波器。
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
(1)本发明可以实现太赫兹滤波器中心频率和通带带宽的双重构。通过调控可调介质材料的介电常数分布，可使所实现的滤波器性能几乎无损失的调整中心频率和通带带宽；
(2)降低了加工精度要求，有效的克服了传统方案中，太赫兹滤波器采用全金属结构加工时，工艺精度要求过高，不易实现的问题，以及采用全固态工艺加工，传输损耗大的问题，提升了滤波器的传输性能；
(3)本发明充分发挥了半导体高精度的加工优势，以及金属导波结构的低损耗优势，采用本专利实现的太赫兹滤波器具有较好的容差性能，且传输损耗比较低。
附图说明
图1太赫兹可重构滤波器方案示意图；
图2太赫兹可重构滤波器电磁模型；
图3太赫兹可重构滤波器平面掩膜电路模型；
图4太赫兹可重构滤波器平面掩膜电路实现流程；
图5太赫兹可重构滤波器中心频率可重构结果。
附图标记说明：1、金属波导；11、安装缝；
2、滤波结构；21、半导体基板；22、掩膜电路；221、片形金属；23、液晶；24、控制电极阵列电路；25、支撑板；
3、光控取向剂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。
本实施例中，可调介质以液晶为例，半导体基板的材质以石英为例，其具体实现方法如下。
本申请实施例公开一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器及制备方法。一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，参照图1-3，包括设有安装缝11的金属波导1、以及滤波结构2，安装缝11贯穿金属波导1侧面，滤波结构2穿过安装缝11插入进入波导，并将金属波导1内部分为两个腔室。
参照图4，滤波结构2包括依次设置的半导体基板21、设置于半导体基板21一侧的掩膜电路22、光控取向剂层3、可调介质，可调介质包括依次设置的液晶23、光控取向剂层3、控制电极阵列电路24、支撑板25，半导体基板21设有通孔，掩膜电路22通过通孔与金属波导1连接。半导体基板21、支撑板25的材质均为石英材质，减少了滤波器对电磁波的损耗。光控取向剂层3的厚度为百微米量级。
参照图3，掩膜电路22为多个间隔嵌于半导体基板21上的片形金属221形成的金属层，金属层材质为金，金属层的单个片形金属221为矩形。即为直角平行条纹设计，如图4所示。具体的：将片形的金嵌到石英基板的表面，每个嵌设部分的金为矩形，且多个矩形的金依次排列，形成条带形排列的金属层。通过控制条带的宽窄和间距，掩膜电路22可确定滤波器基准性能，包括带宽和中心频率等特性。该金属层的设置下，加工工艺更加简单。
通过控制电极阵列电路24调控可调介质材料的介电常数分布，通过控制可调介质材料的介电常数分布调控滤波器的中心频率和通带带宽。
通过对滤波器的结构的设置，可确保滤波器的Q值达到几百到千量级，滤波器的损耗更低。
本实施例还公开了一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器的制备方法，包括：
第一步：制备滤波结构2，参照图4，首先在半导体基板21的一个表面构建滤波器掩膜电路22，并在半导体基板21上制作通孔，在掩膜电路22上涂覆光控取向剂形成光控取向剂层3；然后在支撑板25上面构建控制电极阵列电路24，在控制电极阵列电路24上涂覆光控取向剂固化后形成光控取向剂层3。将两个石英基板的光控取向剂层3正对进行堆叠，在两层光控取向剂层3中间层灌入液晶23材料，封边。形成半导体基板21-掩膜电路22-液晶23-控制电极阵列电路24-支撑板25的五层结构的滤波结构2。半导体基板21和支撑板25均为石英基板。掩膜电路22为多个间隔嵌于半导体基板21上的片形金属221形成的金属层。
第二步：准备中间有安装缝11的标准金属波导1，金属波导1的传输主模为TE10模式，长度以掩膜电路22两边预留大于3个波长为标准。
第三步：将滤波结构2与金属波导1之间进行集成，如图1和图2，将滤波结构2从安装缝11嵌设到金属波导1中，滤波结构2平行于金属波导1内电磁波的长度传播方向，滤波结构2将金属波导1内的腔室分为两部分，滤波结构2的通孔正对金属波导1的安装缝11位置，滤波结构2的通孔与金属波导1之间的良好接触，保证了掩膜电路22通过通孔与金属波导1稳定连接。
通过控制控制电极阵列电路24的整体施加电压，调控液晶23材料的控制电压，改变其介电常数，可实现滤波器中心频率的重构。通过控制控制电极阵列电路24的各个不同阵列区域的局部施加电压，控制液晶23材料不同区域的介电常数分布，可以实现不同带宽的重构，以及中心频率的补偿。
具体的，对本实施例的滤波器的控制电极阵列电路24的施加电压进行调整，得到图5的3条频率-幅度的曲线，3条曲线的每一个曲线的平台宽度的中心位置为中心频率，3条曲线的介电常数不同，可以看出3条曲线的中心频率不同。可以看到随着可调介质的介电常数增加，滤波器中心频率向低频侧变化。
本申请的实施原理为：电磁波从金属波导1一端的入波口进入，沿着金属波导1内的腔室传递，经过滤波结构2时，滤波器掩膜电路使得波导内腔呈现电磁波传输阻抗的非连续变化，致使波导内腔在掩膜电路作用空间中具备多个频率谐振点，可以完成频率选择，最终实现带通滤波器的效果。
重构滤波器中心频率和通带带宽时，控制控制电极阵列电路24的整体施加电压，调控液晶23材料的控制电压，改变其介电常数，实现滤波器中心频率的重构。控制控制电极阵列电路24的各个不同阵列区域的局部施加电压，控制液晶23材料不同区域的介电常数分布，实现不同带宽的重构，以及中心频率的补偿。
本申请结合了金属结构低损耗和半导体结构加工工艺高的优点，而且对于装备精度也表现出良好的容差性。通过适当调控，本专利实现的滤波器可实现低损耗、中心频率可重构、带宽可重构，具有广阔的应用前景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：包括
金属波导(1)，开设贯穿金属波导(1)侧面的安装缝(11)；
滤波结构(2)，穿过安装缝(11)插入进波导，并将金属波导(1)内腔分为两部分，包括依次设置的半导体基板(21)、设置于半导体基板(21)一侧的掩膜电路(22)、光控取向剂层(3)、可调介质，可调介质包括依次设置的液晶(23)、光控取向剂层(3)、控制电极阵列电路(24)、支撑板(25)，半导体基板(21)设有通孔，掩膜电路(22)通过通孔与金属波导(1)连接；
掩膜电路(22)为多个间隔附着于半导体基板(21)上的片形金属(221)形成的金属层;
通过调控可调介质材料的介电常数分布，调整滤波器的中心频率和通带带宽。
2.根据权利要求1所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述金属层的单个片形金属(221)为矩形。
3.根据权利要求1所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述金属层材质为金。
4.根据权利要求1所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述通孔与金属波导(1)的安装缝(11)正对。
5.根据权利要求1所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述可调介质背离掩膜电路(22)的一侧设有控制电极阵列电路(24)，控制电极阵列电路(24)设置于支撑板(25)上，通过控制电极阵列电路(24)调控可调介质材料的介电常数分布。
6.根据权利要求5所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述掩膜电路(22)、控制电极阵列电路(24)的表面均设有光控取向剂层(3)。
7.根据权利要求6所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述光控取向剂层(3)的厚度为百微米量级。
8.根据权利要求5所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器，其特征在于：所述半导体基板(21)、支撑板(25)的材质相同。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种平面掩膜结构的太赫兹可重构滤波器的制备方法，其特征在于：包括
制备滤波结构(2)：在半导体基板(21)上制备掩膜电路(22)，在支撑板(25)上制备控制电极阵列电路(24)，然后在掩膜电路(22)和控制电极阵列电路(24)表面制备涂覆光控取向剂，固化后形成光控取向剂层(3)，使两个光控取向剂层(3)正对，并在两个光控取向剂层(3)中间灌入液晶(23)材料，封边，形成半导体基板(21)-掩膜电路(22)-液晶(23)-控制电极阵列电路(24)-支撑板(25)的五层结构的滤波结构(2)；
准备中间设有安装缝(11)的金属波导(1)；
将滤波结构(2)从安装缝(11)插入金属波导(1)内进行集成得到可重构滤波器。
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