太赫茲關(guān)鍵無(wú)源元件研究.pdf

1、太赫茲波分別在長(zhǎng)波和短波方向與毫米波和紅外線存在一定的重疊區(qū)域，作為電磁波中唯一尚未完全開發(fā)利用的頻譜資源，近年來(lái)已經(jīng)成為全球科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。關(guān)鍵無(wú)源元件（包括濾波器、耦合器等），作為太赫茲系統(tǒng)中重要的組成部分，是太赫茲波開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)，近年來(lái)已經(jīng)成為太赫茲技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。實(shí)現(xiàn)高性能的太赫茲濾波器、耦合器等關(guān)鍵無(wú)源元件對(duì)于推進(jìn)太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文對(duì)太赫茲頻段金屬表面特性的計(jì)算方法，基于MEMS技術(shù)的波

2、導(dǎo)濾波器、耦合器，懸置介質(zhì)波導(dǎo)的低損耗特性以及基于MEMS熱微執(zhí)行器的太赫茲波導(dǎo)開關(guān)展開了深入的研究。具體研究?jī)?nèi)容包括：
　?。?）太赫茲頻段金屬表面的電導(dǎo)率、表面阻抗研究。與微波、毫米波頻段相比，太赫茲頻段金屬趨膚深度更小，表面特性受頻率的影響更顯著，對(duì)表面粗糙度也更加敏感，因而微波毫米波頻段金屬表面特性模型無(wú)法精確的表征太赫茲頻段的表面特性。針對(duì)上述問題，提出了改進(jìn)的Huray模型，在分析太赫茲金屬表面特性中考慮頻率和表面粗糙

3、度的影響，并且把散射功率加入到金屬表面總耗散功率中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Huray模型在太赫茲及更高頻率范圍內(nèi)計(jì)算精度的不足；研究了米氏散射模型，HB模型和Huray模型等金屬表面粗糙度模型，并在此基礎(chǔ)上研究了有效電導(dǎo)率和表面電阻隨頻率和表面粗糙度的變化關(guān)系，進(jìn)而建立了太赫茲頻段粗糙金屬表面有效電導(dǎo)率和表面電阻的分析方法。將上述研究應(yīng)用在本文金屬波導(dǎo)濾波器和耦合器的設(shè)計(jì)中，提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度。
　?。?）基于MEMS技術(shù)的太赫茲頻段波導(dǎo)濾波器

4、的研究。在太赫茲頻段，由于金屬表面粗糙度的影響，波導(dǎo)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)較小；而且濾波器尺寸微小，頻率響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸敏感度非常高，從而導(dǎo)致元件容差性低且對(duì)工藝依賴程度高。針對(duì)上述問題，本文研究了諧振腔主要工作模式的場(chǎng)分布，分析了表面粗糙度對(duì)損耗功率的影響，在此基礎(chǔ)上提出了在太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)低損耗高Q值波導(dǎo)諧振腔的方法。此外，為了提高濾波器的容差性，采用單個(gè)“級(jí)聯(lián)三級(jí)子”（CT）交叉耦合結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入傳輸零點(diǎn)，在不增加諧振腔數(shù)量的前提下改善了帶

5、內(nèi)損耗特性和帶外抑制度；采用TE301/TE102雙模諧振腔電感耦合濾波結(jié)構(gòu)，諧振腔的數(shù)量減少一半的同時(shí)改善了帶外抑制，降低了對(duì)工藝的依賴度。同時(shí)分析了MEMS工藝因素對(duì)濾波性能的影響，優(yōu)化了濾波器的設(shè)計(jì)。基于上述研究，研制出中心頻率高于1THz的體硅MEMS波導(dǎo)濾波器，其帶內(nèi)最優(yōu)插入損耗小于2dB，偏離中心頻率1.67％處帶外抑制度優(yōu)于30dB。
　　（3）基于MEMS技術(shù)的太赫茲頻段波導(dǎo)耦合器的研究。太赫茲波導(dǎo)耦合器尺寸微小，

6、而測(cè)試波導(dǎo)法蘭尺寸至少是它的4～5倍。采用傳統(tǒng)的測(cè)試方法需將四個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)分別延長(zhǎng)至法蘭尺寸，由于太赫茲頻段直波導(dǎo)的損耗已經(jīng)不能忽略不計(jì)，因而采用該方法不能準(zhǔn)確測(cè)得耦合器的性能。為了解決這個(gè)問題，提出了一種適用于太赫茲頻段四端口耦合器測(cè)試的方法，在不延長(zhǎng)輸入/輸出波導(dǎo)長(zhǎng)度的情況下，設(shè)計(jì)三個(gè)相應(yīng)的測(cè)試結(jié)構(gòu)分別對(duì)耦合器的直通、耦合和隔離特性進(jìn)行測(cè)試，將其應(yīng)用在本文基于MEMS技術(shù)的3dB E面正交混合電橋耦合器和10dB H面Rible

7、t短縫耦合器的設(shè)計(jì)和測(cè)試中，兩種耦合器實(shí)測(cè)損耗均優(yōu)于1dB，驗(yàn)證了測(cè)試方法的有效性。
　?。?）太赫茲頻段低損耗介質(zhì)波導(dǎo)的研究。針對(duì)太赫茲頻段金屬波導(dǎo)損耗較大的問題，研究了太赫茲介質(zhì)波導(dǎo)工作模式和損耗特性，提出了在590GHz～655GHz頻率范圍內(nèi)擁有低損耗優(yōu)勢(shì)的懸置硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。采用漸變的尖劈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了硅波導(dǎo)到金屬矩形波導(dǎo)的過(guò)渡；通過(guò)支撐柵的合理設(shè)置和在支撐塊上挖槽，增強(qiáng)了硅波導(dǎo)對(duì)電磁場(chǎng)的束縛能力，從而提高了電磁能量在硅波導(dǎo)中

8、的傳輸效率。實(shí)測(cè)懸置硅波導(dǎo)的平均損耗優(yōu)于0.1dB/mm，小于目前報(bào)道的金屬矩形波導(dǎo)的損耗。
　?。?）基于MEMS熱微執(zhí)行器的太赫茲波導(dǎo)開關(guān)研究。開關(guān)是太赫茲波導(dǎo)系統(tǒng)的重要元件，而目前報(bào)道的太赫茲開關(guān)多采用光子晶體、頻率選擇表面等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，存在不便于與波導(dǎo)系統(tǒng)相連的問題。針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種太赫茲波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)，將MEMS熱微執(zhí)行器集成在未做任何結(jié)構(gòu)改變的太赫茲標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)中，結(jié)合對(duì)波導(dǎo)中電磁場(chǎng)分布特性分析，研究了熱微執(zhí)行器結(jié)