專利名稱：一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波技術(shù)及無線通信器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz )波在頻段上銜接微波與紅外光波段，其具有光子能量低、可以穿透性多數(shù)非極性分子材料、空間分辨率高，帶寬大，因此，在檢測(cè)、安全、成像以及通信方面具有很好的應(yīng)用前景。雖然近年來，太赫茲波技術(shù)已獲得了較大的發(fā)展，但由于太赫茲波頻率相對(duì)于微波極高，常規(guī)的微波電子器件無法應(yīng)用于太赫茲波段，而其相對(duì)光波波長(zhǎng)過長(zhǎng)，使光學(xué)領(lǐng)域中的大部分光學(xué)器件同樣難以應(yīng)用，而且大部分光學(xué)材料對(duì)太赫茲波的吸收過大。 因此，太赫茲波領(lǐng)域目前缺乏如調(diào)制器、濾波器、放大器等價(jià)格低廉的高性能器件。目前實(shí)現(xiàn)太赫茲波可調(diào)濾波器的方案主要有多層介質(zhì)膜光子晶體結(jié)構(gòu)中引入鐵電晶片、液晶等折射可變介質(zhì)層，通過控制器件溫度、電極電壓來實(shí)現(xiàn)濾波頻率可調(diào)，這類濾波器具有較窄的濾波帶寬和較大范圍的可調(diào)頻率范圍，但其結(jié)構(gòu)材料對(duì)太赫茲波具有較大的吸收，并且實(shí)現(xiàn)調(diào)制的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)制困難；另一種是利用通過光控、電控或溫控改變 metamaterial結(jié)構(gòu)的共振特性實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波器，但這類濾波器往往構(gòu)成的是帶阻濾波器， 而不是更常用的帶通濾波器，器件制備工藝要求苛刻且器件對(duì)太赫茲波具有較大的吸收。 高阻硅和干燥空氣對(duì)太赫茲波的吸收極小，我們提出了在高阻硅片和空氣層構(gòu)成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)中引入彈簧片構(gòu)成的空氣缺陷層，通過精密微位移器控制缺陷厚度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)方便的高性能可調(diào)窄帶太赫茲濾波器。其濾波器Q值可達(dá)500以上，半高寬頻帶可低于 500MHz,中心頻率可調(diào)范圍達(dá)幾十GHz至幾百GHz。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備容易、性能優(yōu)異的低成本高性能實(shí)用的基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器?；诠杌庾泳w結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器包括濾波器金屬殼體、均勻高阻硅片、環(huán)形墊片、彈簧片、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)線、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、平移臺(tái)、空心推柱；濾波器金屬殼體一端向內(nèi)設(shè)有垂直折邊；濾波器金屬殼體內(nèi)間隔放入多組均勻高阻硅片和環(huán)形墊片，然后放入彈簧片，再間隔放入與之前相同組數(shù)的高阻硅片和環(huán)形墊片；然后在濾波器金屬殼體另一端套入空心推柱；空心推柱的外端固定與平移臺(tái)上，再把平移臺(tái)底座與金屬殼體固定；平移臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)移位；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器通過導(dǎo)線控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所述各片高阻硅片與環(huán)形墊片其各自的厚度分別相同。所述彈簧片兩邊的分別放置3-5組高阻硅片和環(huán)形墊片，單組高阻硅片與環(huán)形墊片總共長(zhǎng)度在0. 20mnT2. Omm范圍之間。所述的彈簧片可調(diào)范圍為0. 300mnTl. 500mm。所述窄帶濾波器其工作頻率范圍在 IOOGHz IOTHz。本發(fā)明的一維光子晶體結(jié)構(gòu)可利用商業(yè)可購得的多組普通高阻硅片和環(huán)形墊片制備而成，其成本低、制備容易、吸收損耗??；通過選擇合適空氣層與硅片厚度的比例，可以工作頻率很大的調(diào)節(jié)范圍；由于只利用彈簧片結(jié)構(gòu)來購成空氣缺陷，并用空心推柱、平移臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等簡(jiǎn)單機(jī)電部件來精確控制缺陷層厚度，使濾波器成本低，并且在較大頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精密快速的可調(diào)。


圖1是基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖2是基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器實(shí)施例1不同缺陷厚度時(shí)的透過譜圖3是基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器實(shí)施例2濾波中心頻率與空氣缺陷厚度關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器包括濾波器金屬殼體1、均勻高阻硅片2、環(huán)形墊片3、彈簧片4、電控微位移器5 ；濾波器金屬殼體1 一端向內(nèi)設(shè)有垂直折邊，；濾波器金屬殼體1內(nèi)間隔放入多組均勻高阻硅片2和環(huán)形墊片3， 然后放入彈簧片4，再間隔放入與之前相同組數(shù)的高阻硅片2和環(huán)形墊片3 ；再在濾波器金屬殼體1另一端套入空心推柱9，并把空心推柱9的外端固定于平移臺(tái)8 ；平移臺(tái)8底座與金屬殼體1固定，平移臺(tái)8由與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器7通過導(dǎo)線6連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)5驅(qū)動(dòng)移位。所述均勻高阻硅片2環(huán)形墊片3的厚度相同。所述彈簧片4兩邊的分別放置3-5 組高阻硅片2和環(huán)形墊片3。所述的彈簧片4可調(diào)范圍為0.300mnTl.500mm。所述窄帶濾波器其工作頻率范圍在IOOGHf ΙΟΤΗζ。所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)5為壓電陶瓷電機(jī)、超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)或步進(jìn)電機(jī)。實(shí)施例1 參照?qǐng)D1示意圖，選用500μπι 士 ΙΟμπι厚度的高阻硅片(電阻率大于 1000歐/厘米)通過劃片機(jī)劃成2. 2mmX 2. 2mm的方片；環(huán)形片利用0. 6mm士0. 2mm的銅片機(jī)械加工而成，內(nèi)孔為1. 9mmX 1. 9mm ；彈簧片是把彈簧鋼片加工成內(nèi)孔為1. 9 mmX 1. 9mm, 外尺寸2. 2mmX 2. 2mm的環(huán)形片(未受力長(zhǎng)度1. 2mm,受力最小長(zhǎng)度為0. 6)。把6片方形高阻硅片與環(huán)形銅片及一片彈簧片交替放入金屬殼體內(nèi)(內(nèi)尺寸2. 3mmX2. 3mmX20mm)構(gòu)成一維光子晶體濾波器，放入鋁方管推柱(2. 2mm X 2. 2mmX40mm)，推柱外端通過螺絲固定在由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)上，并把金屬管與平移臺(tái)底座固定；通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器精確控制缺陷層的厚度，便獲得可調(diào)窄帶太赫茲波濾波器。該濾波器存在多個(gè)工作頻帶，主要工作頻帶為 295GHz-330GHz，360GHz-405GHz，440GHz-465GHz，870GHz-915GHz 等，在 295GHz_330GHz 工作頻帶內(nèi)，實(shí)測(cè)最大Q值約為巧50，濾波器中心頻率透過率為0.4左右，可通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器精確控制缺陷層的厚度，實(shí)現(xiàn)濾波中心頻率的調(diào)節(jié)，如圖2所示。圖中透過率的次峰由于我們制備的環(huán)形銅片及彈簧環(huán)形片均勻度不夠高造成的，選用誤差小的金屬片可抑止次峰。實(shí)施例2 選用300 μ m士5 μ m厚度的高阻硅片(電阻率大于1000歐/厘米)，通過刻蝕工藝加工出具有均勻方形槽(槽深約200 μ m)，以方形槽為環(huán)形墊片3，底部留的硅為高阻硅片2 . 2mmX2. 2mm)，形成高阻硅片與環(huán)形墊片復(fù)合結(jié)構(gòu)硅片。用六片復(fù)合結(jié)構(gòu)硅片和彈簧片組成可調(diào)諧濾波器，其主要工作頻帶為200GHZ-360GHZ，520GHz-630GHz， ITHz-l. 2THz, 1. 85THz-2. 02THz等，以200GHz_360Ghz頻帶為例，濾波器中心頻率透過率大于0. 75，濾波帶寬約為300MHz，Q值約為960，圖5為濾波中心頻率與缺陷厚度的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器，其特征在于包括濾波器金屬殼體(1)、均勻高阻硅片(2)、環(huán)形墊片(3)、彈簧片(4)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(5)、導(dǎo)線(6)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器(7 )、平移臺(tái)(8 )、空心推柱(9 )；濾波器金屬殼體(1) 一端向內(nèi)設(shè)有垂直折邊；濾波器金屬殼體(1)內(nèi)間隔放入多組均勻高阻硅片(2)和環(huán)形墊片(3)，然后放入彈簧片(4)， 再間隔放入與之前相同組數(shù)的高阻硅片(2)和環(huán)形墊片(3);在濾波器金屬殼體(1)另一端套入空心推柱(9)，再把空心推柱(9)的外端固定于平移臺(tái)(8);平移臺(tái)(8)底座與金屬殼體 (1)固定，平移臺(tái)(8)由與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器(7)通過導(dǎo)線(6)連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)移位。
2.按權(quán)利要求1所述的一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器，其特征在于所述的高阻硅片(2)和環(huán)形墊片(3)其各自的厚度分別相同。
3.按權(quán)利要求1所述的一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器，其特征在于所述彈簧片(4)兩邊分別放置3-5組高阻硅片(2)和環(huán)形墊片(3)。
4.按權(quán)利要求1所述的一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器，其特征在于所述的彈簧片(4)可調(diào)范圍為0. 300mnTl. 500mm。
5.按權(quán)利要求1所述的一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器，其特征在于所述窄帶濾波器其工作頻率范圍在lOOGHflOTHz。
6.按權(quán)利要求1所述的一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(5)為壓電陶瓷電機(jī)、超聲電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器。包括濾波器金屬殼體、均勻高阻硅片、環(huán)形墊片、彈簧片、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)線、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、平移臺(tái)、空心推柱；濾波器金屬殼體一端向內(nèi)設(shè)有垂直折邊；濾波器金屬殼體內(nèi)間隔放入多組均勻高阻硅片和環(huán)形墊片，然后放入彈簧片，再間隔放入與之前相同組數(shù)的高阻硅片和環(huán)形墊片；然后在濾波器金屬殼體另一端套入空心推柱；空心推柱的外端固定與平移臺(tái)上，再把平移臺(tái)底座與金屬殼體固定；平移臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)移位；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器通過導(dǎo)線控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、濾波帶寬極窄、損耗小、頻率可調(diào)范圍寬、調(diào)制速度快的高性能太赫茲波可調(diào)帶通濾波器。
文檔編號(hào)H03H7/12GK102324907SQ20111018781
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者何金龍, 何雅蘭, 劉平安, 洪治 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院