[发明专利]一种窄带选频和频率调谐的太赫兹窄带滤波器及其方法

说明书

本发明公开了一种窄带选频和频率调谐的太赫兹窄带滤波器及其方法。本发明采用滤波片，电磁波在滤波片内发生多次反射并透射，滤波片的厚度与电磁波的特定频率匹配时，透射的电磁波发生相长干涉，透射的电磁波最强，从而实现窄带滤波；滤波调谐圆筒与滤波片之间的空气间隙，改变透射的电磁波的谐振频率，实现滤波器中心频率的偏移和调整，提高了滤波器的灵活性和适用范围，从而解决太赫兹频段内实现几个GHz带宽内的窄带滤波的需求；本发明结构简单，制备工艺流程短，有利于降低制备成本和提高性能。

技术领域

本发明涉及太赫兹滤波器，具体涉及一种窄带选频和频率调谐的太赫兹窄带滤波器及其方法。

背景技术

太赫兹波通常是指0.1THz-10THz波段的电磁波，介于微波和可见光之间，具有重要的科研和应用研究价值。至今，我们对太赫兹波特性的了解和研究还比较有限，太赫兹源和应用器件还有待进一步发展，由此形成了红外线和毫米波之间的“太赫兹空隙”。太赫兹在检测、成像、通信等领域具有重要的作用。其中，太赫兹通信具有传输容量大、保密性好、波束窄等优势，而滤波器是太赫兹通信系统中必不可少的组成部分。虽然国内外对于太赫兹滤波器的研究已经逐步展开，但太赫兹滤波器作为太赫兹无源器件中的重点和难点，仍然需要我们不断的研究，尤其是设计出具有较窄带宽的太赫兹滤波器仍然具有一定的挑战。

现有阶段的太赫兹滤波器往往结构复杂，且在中心频率为太赫兹频段时很难实现几个GHz带宽内的滤波功能。

发明内容

为了克服现有技术结构复杂，制作过程困难，以及成本较高等不足，尤其是解决太赫兹频段内实现几个GHz带宽内的窄带滤波的需求，本发明提出了一种窄带选频和频率调谐的太赫兹窄带滤波器及其方法。

本发明的一个目的在于提出一种窄带选频和频率调谐的太赫兹窄带滤波器。

本发明的窄带选频和频率调谐的太赫兹窄带滤波器包括：第一圆柱波导、滤波片、第二圆柱波导和滤波调谐圆筒；其中，第一圆柱波导、滤波片和第二圆柱波导依次连接并且共轴；滤波片为圆形的平板状，滤波片的前表面和后表面互相平行，并且垂直于轴线；滤波片的半径大于第一圆柱波导和第二圆柱波导的外径；筒状的滤波调谐圆筒套装在滤波片外，并且二者共轴，滤波调谐圆筒的内径大于滤波片的半径，滤波调谐圆筒与滤波片之间形成空气间隙；电磁波垂直入射至第一圆柱波导，经第一圆柱波导传输至滤波片；电磁波在滤波片的前表面发生反射和透射，透射的电磁波在滤波片内发生多次反射，并在滤波片的后表面发生反射和透射，产生多波束干涉形成谐振；滤波片的厚度与电磁波的特定频率满足一定关系时，该频率下后表面透射的电磁波发生相长干涉，该频率透射的电磁波最强，从而实现窄带滤波；滤波调谐圆筒与滤波片之间的空气间隙，改变透射的电磁波的谐振频率，引起中心频率偏移，从而实现频率调谐；经窄带滤波并频率调谐后的电磁波由第二圆柱波导输出。

滤波片采用蓝宝石，具有硬度大，相对介电常数大和低损耗的特点，能够获得高Q值，提高了滤波器的性能。同时，考虑到材料的易获取性和成本，蓝宝石是理想的滤波片的材料。

电磁波在滤波片的前表面发生反射和透射，透射的电磁波在滤波片内发生多次反射，在后表面发生反射和透射，后表面透射的相邻两束电磁波相位差为：

其中，n为滤波片的折射率，d为滤波片的厚度，λ_g为电磁波在滤波片中的波长。

当后表面透射的电磁波发生相长干涉时，相位差为2π的整数倍，透射的电磁波波最强，满足：

其中，m为正整数，λ为电磁波在空气中的波长，ε_r为滤波片的相对介电常数，c为光速，f为电磁波的频率，电磁波的特定频率与滤波片的厚度满足上述关系时，透射的电磁波最强。