一种太赫兹MEMS可重构功分器及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹MEMS可重构功分器及其实现方法。本发明专利技术采用第一和第二矩形波导设置在第一耦合波导的上端，第三和第四矩形波导设置在第二耦合波导的下端，通过第一和第二级联波导连接第一和第二耦合波导构成太赫兹波导功分器，MEMS角度执行器嵌入至第一和第二耦合波导内，通过向MEMS角度执行器的双晶片悬臂梁阵列施加偏置电压控制金属面旋转的角度；通过偏置电压调节MEMS角度执行器的角度，实现太赫兹波导功分器的输出功率比连续可调，同时，在不同的角度下分别具有太赫兹等分功分器、太赫兹10dB耦合器和太赫兹开关的功能；具备功率调节和功能复用的优势，能够应用于太赫兹阵列天线的增益调节、波束扫描和赋形。波束扫描和赋形。波束扫描和赋形。

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹MEMS可重构功分器及其实现方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹技术，具体涉及一种太赫兹MEMS可重构功分器及其实现方法。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)波一般指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区。具有频带宽、穿透性强、波长短、能量低等特性，可以实现5G数百倍的数据容量和通信速率，实现反隐身高分辨率雷达、高精度定位成像、无损检测等功能。太赫兹技术在物体成像、环境监测、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等军事领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景，因此受到了国际学术界、产业界和各国政府极大的重视和关注。目前，太赫兹通信、雷达、成像等技术已经开始运用。但太赫兹射频前端系统仍然存在功耗高、发射功率有限、接收灵敏度低、收发功率可调性能差等诸多问题，大大限制了太赫兹技术及应用系统的集成化、智能化和产业化发展。发射机输出功率和接收灵敏度的问题可以通过提升器件和芯片性能解决，但太赫兹信号的功率调节实现方法仍然有限，传统的功率调节器件多为固定衰减模式，存在损耗大、控制精度低、稳定差等问题，无法满足太赫兹相控阵、MIMO通信等系统对多路太赫兹信号的低损耗和功率智能分配需求。
[0003]太赫兹功分器作为太赫兹射频前端的重要组成部分，既可以将一路信号分为多路，也可以将多路信号合成为一路，在阵列天线、相控雷达和功率合成网络中具有重要作用。而具有输出功率可调的太赫兹可重构功分器，可以用于太赫兹前端系统中对太赫兹信号的功率调节；也可以用于阵列天线的馈电系统中，利用幅度调控实现太赫兹天线的增益调节、波束扫描和赋形等功能。但当前太赫兹可重构功分器的相关研究较少，且存在可调范围小、精度低、损耗大、功能单一等问题，缺乏实用价值；因此，研究可调范围大、损耗低、精度高、功能复用的太赫兹可重构功分器具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为了解决以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种太赫兹MEMS(微机电系统，Micro
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Electro
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Mechanical System)可重构功分器及其实现方法，通过偏置电压调节MEMS角度执行器的角度，实现太赫兹波导功分器的输出功率大范围连续可调，同时，在不同的角度下能够分别具有太赫兹开关、太赫兹等分功分器、太赫兹10dB耦合器等功能，具备功率调节和功能复用的优势，能够应用于太赫兹阵列天线的增益调节、波束扫描和赋形。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种太赫兹MEMS可重构功分器。
[0006]本专利技术的太赫兹MEMS可重构功分器包括：太赫兹波导功分器和MEMS角度执行器；
[0007]太赫兹波导功分器包括：第一至第四矩形波导、第一耦合波导、第二耦合波导、第一级联波导以及第二级联波导；其中，第一至第四矩形波导完全相同，第一和第二耦合波导完全相同，第一和第二级联波导完全相同；太赫兹波的传播面为xy平面，第一至第四矩形波
导的传播方向沿y轴，第一和第二耦合波导的传播方向沿x轴；第一和第二矩形波导分别通过波导弯头连接至第一耦合波导的上端；第三和第四矩形波导分别通过波导弯头连接至第二耦合波导的下端；第一耦合波导的下端与第二耦合波导的上端通过第一级联波导和第二级联波导连接，第一级联波导和第二级联波导关于x轴对称；第一至第四矩形波导、第一和第二耦合波导以及第一和第二级联波导沿传播方向的横截面均为矩形；
[0008]在第一级联波导和第二级联波导的底部分别开设对称的开口，在第一和第二级联波导的底部安装MEMS角度执行器；
[0009]MEMS角度执行器包括：衬底、金属基底、第一隔热带、双晶片悬臂梁阵列、第二隔热带、金属面、电源端口、地端口以及金属导线；其中，对应第一和第二级联波导底部的开口，在衬底的顶表面分别开设对称的安装槽；在每一个安装槽内的底表面分别铺设金属基底，金属基底覆盖安装槽的底表面；在双晶片悬臂梁阵列的上边缘和下边缘分别设置连接为一体的第一隔热带和第二隔热带，第一和第二隔热带沿y轴；在第二隔热带的下边缘设置连接为一体的金属面；第一隔热带、双晶片悬臂梁阵列、第二隔热带和金属面连接为一体并且位于同一个平面构成可调谐平面；在每一个安装槽内相应设置一个可调谐平面，可调谐平面通过第一隔热带固定在安装槽的上侧壁边缘，双晶片悬臂梁阵列施加偏置电压加热后弯曲，带动整个可调谐平面以第一隔热带为轴转动设定的角度，转动轴沿y轴，角度与外部电源施加的偏置电压成正比，偏置电压越高，可调谐平面转动的角度越大；衬底的外边缘大于第一和第二级联波导底部的开口，衬底的外边缘固定在第一和第二级联波导的底部外；可调谐平面的面积不大于安装槽的面积，开口的面积不小于安装槽的面积，两个可调谐平面分别通过相应的开口位于第一和第二级联波导内；在衬底上设置电源端口和地端口，两个双晶片悬臂梁阵列分别通过金属导线连接至相应的电源端口和地端口；外部电源连接至电源端口和地端口，外部电源的能量从电源端口输入到双晶片悬臂梁阵列中，再从地端口输出，实现对双晶片悬臂梁阵列施加偏置电压；
[0010]第一至第四矩形波导互相等价，从第一矩形波导入射的太赫兹波经过第一耦合波导至第一级联波导和第二级联波导分成幅值相同且相位差为90
°
的两路，两路太赫兹波分别传输至第一和第二级联波导内，分别位于第一和第二级联波导的可调谐平面等效为理想导体，入射到可调谐平面上的太赫兹波被可调谐平面反射回第一耦合波导，而没有入射到可调谐平面的太赫兹波通过可调谐平面与级联波导顶部之间的空隙透射至第二耦合波导；通过同时调节第一和第二级联波导内的可调谐平面的角度，控制可调谐平面与级联波导顶部之间的空隙大小，以此控制反射或透射的太赫兹波的功率；外部电源通过电源端口和地端口加载偏置电压至双晶片悬臂梁阵列，对双晶片悬臂梁阵列进行加热，双晶片悬臂梁阵列由于加热导致弯曲，使得双晶片悬臂梁阵列绕y轴转动，从而带动可调谐平面绕y轴转动；通过调节加载至双晶片悬臂梁阵列的偏置电压大小，同时调节两个可调谐平面绕y轴转动相同的角度，从而调节太赫兹波在可调谐平面处反射或透射的功率；从第一和第二级联波导反射至第一耦合波导的两路太赫兹波由于相位叠加原理合成为一路后从第二矩形波导输出；从第一和第二级联波导透射到第二耦合波导的两路太赫兹波由于相位叠加原理合成为一路后从第三矩形波导输出，其中第四矩形波导理论上无功率输出，实现端口阻抗匹配的作用；从而通过MEMS角度执行器控制太赫兹波在第一和第二级联波导中反射或透射的功率，实现太赫兹波导功分器的输出功率可调功能。
[0011]定义沿x轴的方向为上和下，沿z轴的方向为顶和底。
[0012]MEMS角度执行器的衬底采用硅、氮化硅、碳化硅和砷化镓中的一种。
[0013]第一至第四矩形波导、第一和第二耦合波导、第一和第二级联波导采用高导电率材料，黄铜、铝或金。第一至第四矩形波导与第一和第二级联波导的高度和宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹MEMS可重构功分器，其特征在于，所述太赫兹MEMS可重构功分器包括：太赫兹波导功分器和MEMS角度执行器；太赫兹波导功分器包括：第一至第四矩形波导、第一耦合波导、第二耦合波导、第一级联波导以及第二级联波导；其中，第一至第四矩形波导完全相同，第一和第二耦合波导完全相同，第一和第二级联波导完全相同；太赫兹波的传播面为xy平面，第一至第四矩形波导的传播方向沿y轴，第一和第二耦合波导的传播方向沿x轴；第一和第二矩形波导分别通过波导弯头连接至第一耦合波导的上端；第三和第四矩形波导分别通过波导弯头连接至第二耦合波导的下端；第一耦合波导的下端与第二耦合波导的上端通过第一级联波导和第二级联波导连接，第一级联波导和第二级联波导关于x轴对称；第一至第四矩形波导、第一和第二耦合波导以及第一和第二级联波导沿传播方向的横截面均为矩形；在第一级联波导和第二级联波导的底部分别开设对称的开口，在第一和第二级联波导的底部安装MEMS角度执行器；MEMS角度执行器包括：衬底、金属基底、第一隔热带、双晶片悬臂梁阵列、第二隔热带、金属面、电源端口、地端口以及金属导线；其中，对应第一和第二级联波导底部的开口，在衬底的顶表面分别开设对称的安装槽；在每一个安装槽内的底表面分别铺设金属基底，金属基底覆盖安装槽的底表面；在双晶片悬臂梁阵列的上边缘和下边缘分别设置连接为一体的第一隔热带和第二隔热带，第一和第二隔热带沿y轴；在第二隔热带的下边缘设置连接为一体的金属面；第一隔热带、双晶片悬臂梁阵列、第二隔热带和金属面连接为一体并且位于同一个平面构成可调谐平面；在每一个安装槽内相应设置一个可调谐平面，可调谐平面通过第一隔热带固定在安装槽的上侧壁边缘，双晶片悬臂梁阵列施加偏置电压加热后弯曲，带动整个可调谐平面以第一隔热带为轴转动设定的角度，转动轴沿y轴，角度与外部电源施加的偏置电压成正比，偏置电压越高，可调谐平面转动的角度越大；衬底的外边缘大于第一和第二级联波导底部的开口，衬底的外边缘固定在第一和第二级联波导的底部外；可调谐平面的面积不大于安装槽的面积，开口的面积不小于安装槽的面积，两个可调谐平面分别通过相应的开口位于第一和第二级联波导内；在衬底上设置电源端口和地端口，两个双晶片悬臂梁阵列分别通过金属导线连接至相应的电源端口和地端口；外部电源连接至电源端口和地端口，外部电源的能量从电源端口输入到双晶片悬臂梁阵列中，再从地端口输出，实现对双晶片悬臂梁阵列施加偏置电压；第一至第四矩形波导互相等价，从第一矩形波导入射的太赫兹波经过第一耦合波导至第一级联波导和第二级联波导分成幅值相同且相位差为90
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的两路，两路太赫兹波分别传输至第一和第二级联波导内，分别位于第一和第二级联波导的可调谐平面等效为理想导体，入射到可调谐平面上的太赫兹波被可调谐平面反射回第一耦合波导，而没有入射到可调谐平面的太赫兹波通过可调谐平面与级联波导顶部之间的空隙透射至第二耦合波导；通过同时调节第一和第二级联波导内的可调谐平面的角度，控制可调谐平面与级联波导顶部之间的空隙大小，以此控制反射或透射的太赫兹波的功率；外部电源通过电源端口和地端口加载偏置电压至双晶片悬臂梁阵列，对双晶片悬臂梁阵列进行加热，双晶片悬臂梁阵列由于加热导致弯曲，使得双晶片悬臂梁阵列绕y轴转动，从而带动可调谐平面绕y轴转动；通过调节加载至双晶片悬臂梁阵列的偏置电压大小，同时调节两个可调谐平面绕y轴转动相同的角度，从而调节太赫兹波在可调谐平面处反射或透射的功率；从第一和第二级联波导
反射至第一耦合波导的两路太赫兹波由于相位叠加原理合成为一路后从第二矩形波导输出；从第一和第二级联波导透射到第二耦合波导的两路太赫兹波由于相位叠加原理合成为一路后从第三矩形波导输出，其中第四矩形波导理论上无功率输出，实现端口阻抗匹配的作用；从而通过MEMS角度执行器控制太赫兹波在第一和第二级联波导中反射或透射的功率，实现太赫兹波导功分器的输出功率可调功能。2.如权利要求1所述的太赫兹MEMS可重构功分器，其特征在于，所述MEMS角度执行器的衬底采用硅、氮化硅、碳化硅和砷化镓中的一种。3.如权利要求1所述的太赫兹MEM...

【专利技术属性】
技术研发人员：于伟华，彭洪，吕昕，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆微电子中心，
类型：发明
国别省市：