Demonstration of a planar multimodal periodic filter at THz frequencies

📄 arXiv: 2502.10611v1 📥 PDF

作者: Ali Dehghanian, Mohsen Haghighat, Thomas Darcie, Levi Smith

分类: physics.app-ph, eess.SY

发布日期: 2025-02-15

备注: 18 pages, 13 figures

💡 一句话要点

提出一种基于共面带状线和有限接地共面波导的太赫兹平面多模周期滤波器

🎯 匹配领域: 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)

关键词: 太赫兹 周期滤波器 多模传输 共面带状线 共面波导

📋 核心要点

  1. 传统单模周期滤波器设计灵活性受限，难以实现主动控制。
  2. 利用共面带状线和有限接地共面波导构建多模周期滤波器，实现灵活设计和主动控制。
  3. 实验验证了所设计带阻滤波器在0.8 THz中心频率和0.07 THz带宽下，理论、仿真和实验结果的一致性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种平面多模周期滤波器，该滤波器由共面带状线的交替部分和有限接地共面波导的奇模构成，构建在1微米氮化硅基板上，以促进太赫兹频率下的运行。这种多模配置不同于标准单模周期滤波器，能够实现灵活的设计以及对滤波器特性进行主动控制的可能性。作为概念验证，我们提出了开发带阻滤波器所需的相关理论和设计程序，该滤波器具有fc = 0.8 THz的中心频率和df = 0.07 THz的带宽。我们发现理论、仿真和实验之间具有良好的一致性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决太赫兹频段周期滤波器设计灵活性不足的问题。传统的单模周期滤波器在设计参数调整和主动控制方面存在局限性，难以满足日益增长的应用需求。

核心思路：论文的核心思路是利用多模传输的特性，通过在周期结构中引入多个传输模式，增加设计的自由度，从而实现更灵活的滤波器设计和主动控制的可能性。具体而言，通过交替使用共面带状线和有限接地共面波导的奇模，构建多模周期结构。

技术框架：该滤波器由交替排列的两个主要部分组成：共面带状线（Coplanar Stripline, CPS）和有限接地共面波导（Finite-Ground Plane Coplanar Waveguide, FGCPW）的奇模。CPS和FGCPW的几何参数（如线宽、间距、接地面的宽度等）被精心设计，以在目标频率范围内支持多个传输模式。整个结构周期性地重复这些单元，形成一个周期性滤波器。

关键创新：该方法最重要的创新在于引入了多模传输的概念到周期性滤波器设计中。与传统的单模滤波器相比，多模滤波器具有更大的设计自由度，可以通过调整不同模式之间的耦合和干涉来实现更复杂的滤波特性。此外，多模结构还为实现滤波器的主动控制提供了可能性，例如通过外部激励改变不同模式的传输特性。

关键设计：关键设计参数包括CPS和FGCPW的几何尺寸，以及周期结构的重复次数。这些参数需要通过电磁仿真进行优化，以实现所需的中心频率和带宽。论文中，中心频率fc = 0.8 THz，带宽df = 0.07 THz。基板材料选择1微米厚的氮化硅，以适应太赫兹频率下的应用。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，所设计的平面多模周期滤波器在0.8 THz中心频率下实现了0.07 THz的带宽，与理论和仿真结果吻合良好。这一结果验证了多模周期滤波器设计的可行性，并展示了其在太赫兹频段的应用潜力。理论、仿真和实验结果的高度一致性也证明了该设计方法的可靠性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于太赫兹通信、太赫兹成像、太赫兹传感等领域。灵活可控的太赫兹滤波器在这些应用中具有重要价值，例如在太赫兹通信系统中，可以用于信道选择和干扰抑制；在太赫兹成像系统中，可以用于提高图像对比度和分辨率。未来，该技术有望推动太赫兹技术在各个领域的广泛应用。

📄 摘要（原文）

This paper presents a planar multimodal periodic filter that is constructed from alternating sections of coplanar stripline and the odd-mode of a finite-ground plane coplanar waveguide constructed on a 1 um silicon nitride substrate to facilitate operation at THz frequencies. The multimode configuration differs from standard single-mode periodic filters and enables flexible designs and the possibility for active control of the filter characteristics. For this proof-of-concept, we present the relevant theory and design procedures required to develop a band-stop filter that has a center frequency of fc = 0.8 THz and a bandwidth of df = 0.07 THz. We find good agreement between theory, simulation, and experiment.