太赫茲關(guān)鍵無源元件研究.pdf

1、太赫茲波分別在長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，近年來已經(jīng)成為全球科學(xué)研究的前沿和熱點之一。關(guān)鍵無源元件（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)，近年來已經(jīng)成為太赫茲技術(shù)研究的熱點之一。實現(xiàn)高性能的太赫茲濾波器、耦合器等關(guān)鍵無源元件對于推進太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文對太赫茲頻段金屬表面特性的計算方法，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。具體研究內(nèi)容包括：
　　（1）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法精確的表征太赫茲頻段的表面特性。針對上述問題，提出了改進的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，彌補了傳統(tǒng)Huray模型在太赫茲及更高頻率范圍內(nèi)計算精度的不足；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)計中，提高了設(shè)計準(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??；而且濾波器尺寸微小，頻率響應(yīng)對結(jié)構(gòu)尺寸敏感度非常高，從而導(dǎo)致元件容差性低且對工藝依賴程度高。針對上述問題，本文研究了諧振腔主要工作模式的場分布，分析了表面粗糙度對損耗功率的影響，在此基礎(chǔ)上提出了在太赫茲頻段實現(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“級聯(lián)三級子”（CT）交叉耦合結(jié)構(gòu)，通過引入傳輸零點，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)量減少一半的同時改善了帶外抑制，降低了對工藝的依賴度。同時分析了MEMS工藝因素對濾波性能的影響，優(yōu)化了濾波器的設(shè)計?；谏鲜鲅芯?，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。
　?。?）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、而測試波導(dǎo)法蘭尺寸至少是它的4～5倍。采用傳統(tǒng)的測試方法需將四個輸入/輸出波導(dǎo)分別延長至法蘭尺寸，由于太赫茲頻段直波導(dǎo)的損耗已經(jīng)不能忽略不計，因而采用該方法不能準(zhǔn)確測得耦合器的性能。為了解決這個問題，提出了一種適用于太赫茲頻段四端口耦合器測試的方法，在不延長輸入/輸出波導(dǎo)長度的情況下，設(shè)計三個相應(yīng)的測試結(jié)構(gòu)分別對耦合器的直通、耦合和隔離特性進行測試，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)計和測試中，兩種耦合器實測損耗均優(yōu)于1dB，驗證了測試方法的有效性。
　?。?）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)勢的懸置硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。采用漸變的尖劈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了硅波導(dǎo)到金屬矩形波導(dǎo)的過渡；通過支撐柵的合理設(shè)置和在支撐塊上挖槽，增強了硅波導(dǎo)對電磁場的束縛能力，從而提高了電磁能量在硅波導(dǎo)中

8、的傳輸效率。實測懸置硅波導(dǎo)的平均損耗優(yōu)于0.1dB/mm，小于目前報道的金屬矩形波導(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)實現(xiàn)，存在不便于與波導(dǎo)系統(tǒng)相連的問題。針對這個問題，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)合對波導(dǎo)中電磁場分布特性分析，研究了熱微執(zhí)行器結(jié)