[发明专利]一种像素型太赫兹带通滤波器的设计方法

说明书

本发明涉及一种像素型太赫兹带通滤波器的设计方法，包括：将频率选择表面结构单元划分为M×N个像素点，像素点为金属方块用“1”表示，空气方块则用“0”表示；进行初始化，随机生成一组M×N个由“0”和“1”像素点组成的像素块；设定品质因数FOM，将初始结构进行电磁场仿真，计算初始FOM值；随机选取一个像素点，更改其状态，计算其FOM值并与上一次比较，如果FOM值改善则保留更改的像素点状态；遍历全部像素点为一次迭代，保留本次迭代中最优FOM值；重复上述步骤并对比上一次与本次迭代的FOM值，满足设定的循环终止条件后优化结束，输出优化后的结构。该方法有利于快速、高效地设计出性能优良的太赫兹带通滤波器。

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种像素型太赫兹带通滤波器的设计方法。

背景技术

太赫兹技术的应用不仅需要高效的波源和灵敏的探测器，还需要高性能的功能元件，如滤波器、调制器、开关、分配器、波分解复用器和偏振器等来对太赫兹波进行有效的操控。

太赫兹功能器件有许多种不同的类型，这些器件相对应的理论也是各自独立，因此当需要某一特定功能的太赫兹功能器件时，首先根据特定功能在与其相匹配的模板库中寻找合适的结构作为基本模型，如果找不到，则根据成熟的理论，并根据该理论设计器件模型，随后通过调整该模型中的特征结构参数，最终生成所需性能的目标器件。

显然，这种直接设计方法不仅要耗费大量的时间去模板库中寻找其对应的模板，而且需要大量的分析建模和理论分析的经验，这对科学工作者和工程技术人员及时有效地完成他们的设计任务提出了很高的要求。因此，利用一种可以直接从特定功能到器件结构的逆向设计方法，可以省略模型参数的调整阶段，从而缩短功能器件设计周期，并达到高效设计太赫兹功能器件的目标。

太赫兹滤波器能将噪声和信号分离，是太赫兹通信和太赫兹成像系统中十分重要的功能器件。用频率选择表面实现太赫兹带通滤波是最为常见的一种方法。频率选择表面可以通过不同的单元形状实现不同的滤波特性，具有对加工误差的容忍度更高及形状简单等优点而受到更多关注，可以通过多层组合实现更宽的频带范围、更多的频段及更陡峭的频率截至特性，具有较为完备的模板库。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像素型太赫兹带通滤波器的设计方法，该方法有利于快速、高效地设计出性能优良的太赫兹带通滤波器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种像素型太赫兹带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：

S1、将频率选择表面的结构单元划分为M×N个小块，即像素点，M×N个像素点由金属方块或空气方块两种状态组成，所述空气方块即为加工部分，若像素点为金属方块则用“1”表示，空气方块则用“0”表示；进行初始化，随机生成一组M×N个由“0”和“1”像素点组成的像素块；

S2、设定能够表示器件性能的目标函数，即品质因数FOM，在太赫兹频率选择表面中是多点频率对应的透射率与理想值的差值平方之和，随后将初始结构导入电磁场仿真软件中进行电磁场仿真，将仿真的结果返回并计算初始FOM值；

S3、随机选取M×N个像素点中的某一个像素点，并更改其状态，如果是“1”则将其更改为“0”，如果是“0”则将其更改为“1”，并将更改后的新结构进行电磁场仿真，计算其FOM值并与上一次FOM值进行比较，如果FOM值得到改善，则保留更改的像素点状态，否则还原更改值；总共进行M×N次更改，即遍历全部像素点，即为一次迭代，并保留本次迭代中最优FOM值；

S4、重复步骤S3并对比上一次与本次迭代的FOM值，当FOM值小于设定的最小值或循环次数达到设定的迭代次数，则优化结束，并输出最终优化后的结构。

进一步地，频率选择表面结构单元中像素点的分布设置为1/8对称结构，即器件不但关于x轴与y轴对称，且关于两条对角线对称，以在结构上直接抵消电场极化带来的影响，而不需要在程序上多次仿真每个极化角的电磁场以获取极化稳定性。

进一步地，所述FOM值的计算公式为：