基于MEMS的太赫兹可调器件研究

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太赫兹(THz)波在频谱上位于毫米波和红外线之间,具有独特的性质,从而在通信、雷达、成像等领域中扮演着重要地位,并且广泛受到国内外学者的关注。由于太赫兹应用系统对小型化和多功能化要求更高,所以在综合考虑尺寸、成本等基础上,研制具有可调谐性的高性能无源器件可以有效解决这一问题。随着MEMS(micro-electro-mechanical systems)技术的发展,多种微执行器应运而生,这为研制太赫兹频段的可调器件如太赫兹可调滤波器、太赫兹波导开关以及太赫兹可调吸波器提供了新的思路。本文所做的工作和取得的成果如下:(1)详细阐述了多种微执行器的驱动方式和工作原理,着重介绍了利用MEMS技术和PolyMUMPs工艺加工的热微执行器。在此基础上利用ANSYS软件仿真验证了Bimorph热微执行器和U型梁微执行器,并且通过可行性分析选择了多种Bimorph热微执行器进行加工。实测结果达到预期,为后续可调谐器件的实现提供了基础。(2)介绍了太赫兹滤波器的设计原型和理论支撑,在此基础上结合微执行器,提出了四种太赫兹频段波导滤波器的调谐方式,并且选取其中一种利用Bimorph微执行器产生垂直于基底方向位移,从而改变谐振腔尺寸,进而达到中心频率可调谐的太赫兹波导带通滤波器加以加工实测,实测结果满足预期要求,并详细讨论了加工方式、装配方案、容差分析等等,在拓宽了调谐思路的同时,积累了大量宝贵的工程经验。(3)太赫兹温控波导开关能够有效利用MEMS热微执行器在波导开关中使金属膜片旋转的特性,实现导通和阻断电磁波传播的功能。在此基础上对波导开关加工和实测,实验结果基本符合预期要求,能够实现波导开关的导通和关闭,从而解决了太赫兹应用中波导系统连接和集成的问题。(4)根据电磁带隙的理论和超材料的吸波特性,结合微执行器的位移特性,设计出了三款太赫兹频段下的可调吸波器,使得太赫兹在空间中传播时也具有频率选择性。
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