一种太赫兹MEMS可重构功分器及其实现方法

一种太赫兹mems可重构功分器及其实现方法
技术领域
1.本发明涉及太赫兹技术，具体涉及一种太赫兹mems可重构功分器及其实现方法。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种太赫兹mems(微机电系统，micro-electro-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。
5.本发明的一个目的在于提出一种太赫兹mems可重构功分器。
6.本发明的太赫兹mems可重构功分器包括：太赫兹波导功分器和mems角度执行器；
7.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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.定义沿x轴的方向为上和下，沿z轴的方向为顶和底。
12.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。
13.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一样；第一和第二耦合波导的高度与第一至第四矩形波导以及第一和第二级联波导一致，宽度为第一至第四矩形波导以及第一和第二级联波导的两倍。
14.第一和第二隔热带的材料采用二氧化硅、硅、氮化硅和多晶硅中的一种；双晶片悬臂梁阵列包含多根双晶片悬臂梁，每根双晶片悬臂梁位于xz平面，每根悬臂梁包括上下两层，上下两层采用热膨胀系数不同的材料，从而施加偏置电压加热时，由于热膨胀系数不同导致弯曲；金属面的材料采用铝、铜、银、镍和金中的一种；电源端口、地端口和金属导线均为导电金属；金属基底的材料采用铝、铜、银、镍和金中的一种。
15.本发明的太赫兹mems可重构功分器，当mems角度执行器的可调谐平面的角度在0～50
°
变化时，太赫兹波导功分器输出端口的功率能够在输入功率的0.25％～95％范围内调节；同时实现太赫兹波导功分器的输出功率比值在-26～26db间可调；当mems角度执行器的可调谐平面的角度为25
°
时，太赫兹波导功分器具有太赫兹等分功分器功能；mems角度执行器的可调谐平面的角度为12
°
时，太赫兹波导功分器具有太赫兹10db耦合器功能；mems角度执行器的可调谐平面的角度在0
°
和50
°
之间切换时，太赫兹波导功分器具有太赫兹开关功能。
16.本发明的另一个目的在于提出一种太赫兹mems可重构功分器的实现方法。
17.本发明的太赫兹mems可重构功分器的实现方法，包括以下步骤：
18.1)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；
19.2)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；
20.3)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；
21.4)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；
22.5)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；
23.6)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。
24.其中，在步骤5)中，当mems角度执行器的可调谐平面的角度在0～50
°
变化时，太赫
兹波导功分器输出端口的功率能够在输入功率的0.25％～95％范围内调节；同时实现太赫兹波导功分器的输出功率比值在-26～26db间可调；当mems角度执行器的可调谐平面的角度为25
°
时，太赫兹波导功分器具有太赫兹等分功分器功能；mems角度执行器的可调谐平面的角度为12
°
时，太赫兹波导功分器具有太赫兹10db耦合器功能；mems角度执行器的可调谐平面的角度在0
°
和50
°
之间切换时，太赫兹波导功分器具有太赫兹开关功能。
25.本发明的优点：
26.(1)本发明具有大范围连续调节太赫兹波功率的功能，解决了当前太赫兹射频前端系统中功率调节困难且可调范围低等问题；
27.(2)本发明通过调节mems执行器的偏置电压，实现可调谐平面的角度偏转，利用这种机械可动结构实现了太赫兹功分器的输出功率和输出功率比大范围可调，解决了传统太赫兹功分器可调功能差的问题；
28.(3)本发明通过调节偏置电压，改变太赫兹波导功分器的输出功率，既能够用于太赫兹功分器，也能够作为太赫兹耦合器或太赫兹开关使用，具有功能复用的优点；
29.(4)本发明中采用的mems角度执行器具有结构小、损耗低、易于太赫兹器件集成、便于大规模加工的优点。
附图说明
30.图1为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例的示意图；
31.图2为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例的mems角度执行器的平面结构示意图；
32.图3为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例的mems角度执行器的布线示意图；
33.图4为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例的mems角度执行器在工作状态下的示意图；
34.图5为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例的mems角度执行器在工作状态下的正视图；
35.图6为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例的输出功率和输出功率比随角度的变化曲线图；
36.图7为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例作为等分功分器时的s参数曲线图；
37.图8为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例第二矩形波导作为开关时的s参数曲线图；
38.图9为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例第三矩形波导作为开关时的s参数曲线图；
39.图10为本发明的太赫兹mems可重构功分器的一个实施例作为10db耦合器时的s参数曲线图。
具体实施方式
40.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
41.如图1所示，本实施例的太赫兹mems可重构功分器包括：太赫兹波导功分器1和mems角度执行器2；
42.太赫兹波导功分器1包括：第一矩形波导101、第二矩形波导102、第三矩形波导103和第四矩形波导104、第一耦合波导105、第二耦合波导106、第一级联波导107以及第二级联波导108；其中，第一至第四矩形波导101～104完全相同，第一和第二耦合波导105和106完全相同，第一和第二级联波导107和108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101～104的传播方向沿y轴，第一和第二耦合波导105和106的传播方向沿x轴；第一和第二矩形波导102分别通过波导弯头连接至第一耦合波导105的上端；第三和第四矩形波导104分别通过波导弯头连接至第二耦合波导106的下端；第一耦合波导105的下端与第二耦合波导106的上端通过第一级联波导107和第二级联波导108连接，第一级联波导107和第二级联波导108关于x轴对称；第一至第四矩形波导101～104、第一和第二耦合波导105和106以及第一和第二级联波导107和108沿传播方向的横截面均为矩形；第一至第四矩形波导101～104与第一和第二级联波导107和108的高度和宽度一样；第一和第二耦合波导105和106的高度与第一至第四矩形波导101～104以及第一和第二级联波导107和108一致，宽度为第一至第四矩形波导101～104以及第一和第二级联波导107和108的两倍；
43.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；
44.如图2和3所示，mems角度执行器2包括：衬底201、金属基底208、第一隔热带204、双晶片悬臂梁阵列202、第二隔热带205、金属面203、电源端口206、地端口207以及金属导线209；其中，对应第一和第二级联波导107和108底部的开口，在衬底201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208，金属基底208覆盖安装槽的底表面；在双晶片悬臂梁阵列202的上边缘和下边缘分别设置连接为一体的第一隔热带204和第二隔热带205，第一和第二隔热带205沿y轴；在第二隔热带205的下边缘设置连接为一体的金属面203；第一隔热带204、双晶片悬臂梁阵列202、第二隔热带205和金属面203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204固定在安装槽的上侧壁边缘，双晶片悬臂梁阵列202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204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201的外边缘大于第一和第二级联波导107和108底部的开口，衬底201的外边缘固定在第一和第二级联波导107和108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107和108内；在衬底201上设置电源端口206和地端口207，两个双晶片悬臂梁阵列202分别通过金属导线209连接至相应的电源端口206和地端口207；外部电源连接至电源端口206和地端口207，外部电源的能量从电源端口206输入到双晶片悬臂梁阵列202中，再从地端口207输出，实现对双晶片悬臂梁阵列202施加偏置电压。
45.在本实施中，mems角度执行器的衬底201采用硅；第一至第四矩形波导101～104、第一和第二耦合波导105和106、第一和第二级联波导采用黄铜；第一至第四矩形波导101～104以及第一和第二耦合波导105和106均采用wr-7标准波导结构，其宽边为a＝1.65mm，窄边为b＝0.83mm；第一和第二耦合波导105和106的长度为2.2mm、宽度为2a＝3.3mm；金属面
203采用铝，长度为1.32mm，宽度为0.6mm，厚度为1.75μm；衬底201采用硅长度为3.95mm，宽度为1.2mm；第一和第二隔热带205的长度为1.32mm，宽度为10μm，材料采用二氧化硅；双晶片悬臂梁阵列202总长度为1.32mm，宽为180μm，包含66根双晶片悬臂梁，每一根双晶片悬臂梁位于xz平面，每根的宽度为12μm，双晶片悬臂梁之间的间距为8μm，总厚度为1.75μm，每根分上下两层结构，上层为金属铝，厚度为0.5μm，下层为多晶硅材料，厚度为1.25μm；电源端口206和地端口207的材料为金；金导线宽度为2μm厚度为0.5μm，以三根双晶片悬臂梁为基准串联在一起；金属基底208的材料为铝，长度为1.35mm、宽度为0.84mm、厚度为10μm，当mems角度执行器未工作时，金属基底208距离金属面203约40μm间隙，主要用于消除波导缺口导致的太赫兹波能量泄露。
46.本实施例的太赫兹mems可重构功分器的实现方法，包括以下步骤：
47.1)第一至第四矩形波导101～104互相等价，从第一矩形波导101入射的太赫兹波经过第一耦合波导105至第一级联波导和第二级联波导将分成幅值相同且相位差为90
°
的两路；
48.2)两路太赫兹波分别传输至第一和第二级联波导107和108内，分别位于第一和第二级联波导107和108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105，由于耦合效应，计算出反射回的太赫兹波在第一矩形波导101处相位相差180
°
，在第二矩形波导102处相位相差0
°
，所以功率在第一矩形波导101处抵消，而在第二矩形波导102处叠加输出；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106，由于耦合效应，可计算出该部分太赫兹波在第三矩形波导103处相位相差0
°
，在第四矩形波导102处相位相差180
°
，所以功率在第一矩形波导101处抵消，而在第二矩形波导102处叠加输出；
49.3)通过同时调节第一和第二级联波导107和108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，如图4和5所示；
50.4)外部电源通过电源端口206和地端口207加载偏置电压至双晶片悬臂梁阵列202，对双晶片悬臂梁阵列202进行加热，双晶片悬臂梁阵列202由于加热导致弯曲，使得双晶片悬臂梁阵列202绕y轴转动，从而带动可调谐平面绕y轴转动；
51.7)通过调节加载至双晶片悬臂梁阵列202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；
52.5)从第一和第二级联波导107和108反射至第一耦合波导105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102输出；从第一和第二级联波导107和108透射到第二耦合波导106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103输出，其中第四矩形波导104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107和108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。
53.利用高频结构仿真(high frequency structure simulator，hfss)仿真软件进行模拟仿真，得到图6所示太赫兹mems可重构功分器在140ghz时s参数比随角度的变化，其中s参数表示输出功率与输入功率的比值，当对输入功率进行归一化处理后，s11表示反射回第一矩形波导101的功率；s12表示输出到第二矩形波导102的功率；s13表示输出到第三矩形
波导103的功率；s14表示输出到第四矩形波导104的功率；可以看出：当mems角度执行器的角度在0～50
°
变化时，太赫兹波导功分器的第二矩形波导102的输出功率s12和第三矩形波导103的输出功率s13都在-26db～-0.22db范围内变化，等效于输出功率在输入功率的0.25％～95％范围内可调；第二和第三矩形波导103的输出功率比s12/s13在-26db～26db范围内变化，等效于输出功率比在1:400～400：1之间可调。获得了非常大的输出功率和输出功率比可调范围。
54.如图7所示，当mems角度执行器的角度为25
°
时，太赫兹波导功分器输出到第二矩形波导102的功率s12和输出到第三矩形波导103的功率s13都非常接近-3.26db，等效于输入功率的47.2％；同时反射回第一矩形波导101的功率s11(回波损耗)和输出到第四矩形波导104的功率s14(隔离度)大于10db，因此能够作为太赫兹等分功分器使用，在137.5～147.5ghz范围内幅度平衡性较好。
55.如图8所示，从太赫兹波导功分器输出到第二矩形波导102的功率s12可以看出：当mems角度执行器的角度为0
°
时，输出到第二矩形波导102的功率s12在130.9～144.5ghz高于-0.6db，即高于87.1％的能量传输效率。当mems角度执行器的角度为50
°
时，输出到第二矩形波导102的功率s12在130.9～144.5ghz低于-20db，即低于1％的能量传输效率。因此，通过在0/50
°
之间切换mems角度执行器，可以在第一矩形波导101和第二矩形波导102之间实现太赫兹开关功能。
56.如图9所示，从输出到第三矩形波导103的功率s13参数可以看出：当mems角度执行器的角度为0
°
时，输出到第三矩形波导103的功率s13在128.1～147.8ghz高于-1.3db，即高于74.6％的能量传输效率。当mems角度执行器的角度为50
°
时，输出到第三矩形波导103的功率s13在128.1～147.8ghz低于-17db，即低于2％的能量传输效率。因此，通过在0/50
°
之间切换mems角度执行器，同样可以在第一矩形波导101和第三矩形波导103之间实现太赫兹开关功能。结合上述第一矩形波导101和第二矩形波导102开关功能，在130.9～144.5ghz之间能够实现太赫兹单刀双掷开关功能。
57.如图10所示，当mems角度执行器的角度为12
°
时，输出到第二矩形波导102的功率s12在137.5～147.5ghz之间接近-10db，同时反射回第一矩形波导101的功率s11(回波损耗)和输出到第四矩形波导104的功率s14(隔离度)均低于-10db，因此能够作为太赫兹10db耦合器使用。
58.综合上述分析与仿真，基于mems角度执行器的太赫兹波导功分器，当角度在0～50
°
范围内调节时，能够实现输出功率在0.25％～95％范围内可调，输出功率比在-26～26db范围内可调。当角度在0
°
/50
°
之间切换时，太赫兹mems可重构功分器可以实现太赫兹开关或太赫兹单刀双掷开关功能，当角度为25
°
时可以实现太赫兹等分功分器，当角度为12
°
时可以实现太赫兹10db耦合器功能。这种多功能的太赫兹mems可重构功分器在通信、雷达、成像技术中具有广泛。
59.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。