CN105161807B - 一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器 - Google Patents
一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器，包括E面纵向膜片、双层弯曲热执行器和矩形波导，所述E面纵向膜片水平安装在矩形波导内腔的中部；双层弯曲热执行器水平安装在矩形波导内腔的底部，位于E面纵向膜片下方。本发明所提供的可调太赫兹波导滤波器，将E面纵向膜片和双层弯曲热执行器安装在矩形波导的内腔中，具有工作频率高，调谐范围广，易于制造，通用性强等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹无源器件技术领域，具体涉及一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器。
背景技术
太赫兹波(THz)一般指频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐射波。它在长波段与毫米波相重合，而在短波段与红外线相重合，可见太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，对其研究有极其重要的学术价值和应用前景，己经引起世界各国的广泛关注。它在物体成像、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。
太赫兹波在军事领域的重要应用主要有：太赫兹通讯、反隐身太赫兹雷达技术及太赫兹无损检测等。太赫兹信号波束宽度很窄，难以捕捉和干扰，有利于军事通信的保密和雷达系统的抗干扰。太赫兹波具有较宽的传输容量，可提供高达10GB/s以上的无线传输速率，特别适合于卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯，可以满足未来军事通信和一体化电子系统的要求。太赫兹波能够实现比微波和毫米波更高的分辨率、更精确的定位和成像,在对军事目标进行侦察、识别及精确制导方面的应用有很大潜力。同时因为有机生物大分子在太赫兹频段都有特征吸收谱,所以太赫兹波也是利用雷达进行遥感探测并预警生化武器威胁的理想工具。
满足以上应用的固态太赫兹系统主要由信号源、探测器件及各种太赫兹固态传输器件组成，太赫兹固态滤波器可以在通带频率内提供信号输出并在阻带内提供衰减，在系统中起着关键作用。在有些实际应用中，经常需要系统具有动态特性，这就需要滤波器具有可调性，用以实时控制系统中某处的频率响应。
传统的可重构滤波器是基于同轴线或微带线，制作在印刷电路板上，体积大，不利于用IC工艺集成且被限制在亚毫米波频率以下。另外传统的谐振频率可调滤波器一般使用PIN二极管开关或FET开关来实现滤波器频率的可调，而这些开关需要大量的偏置电路，使得滤波器的插入损耗大、尺寸大，不适合小型接收机前端的应用。波导滤波器在太赫兹频段仍然具有低损耗、高Q值、高功率容量等性能的优势，其调谐结构一般使用PIN二极管、铁电体以及MEMS结构等。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、加工方便的基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器，包括E面纵向膜片、双层弯曲热执行器和矩形波导，所述E面纵向膜片水平安装在矩形波导内腔的中部；双层弯曲热执行器水平安装在矩形波导内腔的底部，位于E面纵向膜片下方。
优选的，所述E面纵向膜片包括介质基片和设于介质基片上的多个耦合结构，两两相邻的耦合结构之间开设有谐振腔。
优选的，所述耦合结构的数量比滤波阶数数量多一，谐振腔的数量与滤波阶数数量相同。
优选的，所述谐振腔的数量为奇数时，以中间谐振腔相对称的两个谐振腔宽度相等，中间谐振腔的宽度最大，向外两侧的谐振腔宽度依次减小；以中间谐振腔相对称的两个耦合结构宽度相等，由中间谐振腔与相邻谐振腔形成的两个耦合结构宽度相等且最大，由中间谐振腔为中心向外两侧形成的耦合结构宽度依次减小。
优选的，所述谐振腔数量为偶数时，以中间耦合结构相对称的两个谐振腔宽度相等，由中间耦合结构与相邻耦合结构形成的两个谐振腔宽度相等且最大，由中间耦合结构为中心向外两侧的谐振腔宽度依次减小；以中间耦合结构相对称的两个耦合结构宽度相等，中间的耦合结构宽度最大，向外两侧的耦合结构宽度依次减小。
优选的，所述E面纵向膜片的四个角上开设有金属通孔。
优选的，所述双层弯曲热执行器包括硅衬底和设于硅衬底上的中间方盘，中间方盘的两侧都设有驱动梁，中间方盘上开设有释放孔，所述中间方盘的数量与谐振腔相同，且一一对应，每个中间方盘的大小与其对应的谐振腔大小相同。
优选的，所述驱动梁包括四根梁，每根梁分为等长的两部分，其中一部分为多晶硅，另一部分为表面镀金的多晶硅。
优选的，所述矩形波导包括下腔体和上腔体，下腔体和上腔体之间设有用于安装E面纵向膜片和双层弯曲热执行器的内腔。
优选的，所述矩形波导由无氧铜材料制成，且表面镀金。
本发明的有益效果是：本发明所提供的可调太赫兹波导滤波器，将E面纵向膜片和双层弯曲热执行器安装在矩形波导的内腔中，具有工作频率高，调谐范围广，易于制造，通用性强等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明可调太赫兹波导滤波器的立体结构示意图；
图2是本发明E面纵向膜片的平面结构示意图；
图3是本发明E面纵向膜片的简化结构侧视图；
图4是本发明双层弯曲热执行器的平面结构示意图；
图5是本发明双层弯曲热执行器工作状态时的示意图；
图6是本发明双层弯曲热执行器工作状态时的侧视图；
图7是本发明双层弯曲热执行器非工作状态时的示意图；
图8是本发明双层弯曲热执行器非工作状态时的侧视图；
图9是本发明双层弯曲热执行器安装在下腔体上的示意图；
图10是图9竖直方向的剖视图；
图11是图9水平方向的剖视图；
图12是本发明可调太赫兹波导滤波器的截去部分矩形波导后的示意图；
图13是本发明E面纵向膜片与下腔体的装配示意图；
图14是本发明可调太赫兹波导滤波器的插入损耗曲线图；
图15是本发明可调太赫兹波导滤波器的回波损耗曲线图。
附图标记说明：1、E面纵向膜片；101、第一耦合结构；102、第一谐振腔；103、第二耦合结构；104、第二谐振腔；105、第三耦合结构；106、第三谐振腔；107、第四耦合结构；108、金属通孔；109、介质基片；2、双层弯曲热执行器；201、第一中间方盘；202、第二中间方盘；203、第三中间方盘；204、驱动梁；205、释放孔；206、硅衬底；3、矩形波导；301、下腔体；302、上腔体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1、图12和图13所示，本发明的一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器，包括E面纵向膜片1、双层弯曲热执行器2和矩形波导3，矩形波导3包括下腔体301和上腔体302，下腔体301和上腔体302采用真空铅焊的方式拼装在一起，它们之间设有用于安装E面纵向膜片1和双层弯曲热执行器2的内腔，该内腔的端面为尺寸为a×b的矩形，其竖直方向的边长为a，水平方向的变长为b，且b＜a，图12是本发明可调太赫兹波导滤波器的沿矩形波导的长度方向截去部分矩形波导后的示意图，这样可以直观的看到内腔安装的E面纵向膜片1和双层弯曲热执行器2，E面纵向膜片1水平安装在矩形波导3内腔的中部，与长度为a的竖边垂直；双层弯曲热执行器2水平安装在矩形波导3内腔的底部，位于E面纵向膜片1下方。具体的，矩形波导3由无氧铜材料制成，且表面镀金；矩形波导3外观上为一个两端带法兰盘(图中未示出)的标准波导管；作为一个整体以铣加工的方式生产。
如图2和图3所示，E面纵向膜片1包括介质基片109和设于介质基片109上的多个耦合结构，两两相邻的耦合结构之间开设有谐振腔，耦合结构的数量比滤波阶数数量多一，谐振腔的数量与滤波阶数数量相同，谐振腔的数量为奇数时，以中间谐振腔相对称的两个谐振腔宽度相等，中间谐振腔的宽度最大，向外两侧的谐振腔宽度依次减小；以中间谐振腔相对称的两个耦合结构宽度相等，由中间谐振腔与相邻谐振腔形成的两个耦合结构宽度相等且最大，由中间谐振腔为中心向外两侧形成的耦合结构宽度依次减小；谐振腔数量为偶数时，以中间耦合结构相对称的两个谐振腔宽度相等，由中间耦合结构与相邻耦合结构形成的两个谐振腔宽度相等且最大，由中间耦合结构为中心向外两侧的谐振腔宽度依次减小；以中间耦合结构相对称的两个耦合结构宽度相等，中间的耦合结构宽度最大，向外两侧的耦合结构宽度依次减小。
在本实施例中，介质基片109为“工”形结构，其中部依次设有四个耦合结构：第一耦合结构101、第二耦合结构103、第三耦合结构105和第四耦合结构107，第一耦合结构101和第二耦合结构103之间设有第一谐振腔102，第二耦合结构103和第三耦合结构105之间设有第二谐振腔104，第三耦合结构105和第四耦合结构107之间设有第三谐振腔106，其中，第一耦合结构101、第二耦合结构103、第三耦合结构105和第四耦合结构107长度相等，均为b，第二耦合结构103和第三耦合结构105的宽度相等且最大，第一耦合结构101和第四耦合结构107宽度相等但小于第二耦合结构103的宽度；第一谐振腔102、第二谐振腔104和第三谐振腔106的长度相等，均为b，第一谐振腔102和第三谐振腔106宽度相等，第二谐振腔104的宽度最大。本发明中的各个耦合结构的宽度和各耦合结构之间的间距都是经过精确的设计计算和仿真得出的，各个耦合结构的宽度为精确的设计值，不同的设计值决定各阶谐振器之间的耦合度。各个耦合结构间的谐振腔的宽度也为精确的设计值，不同耦谐振腔的宽度决定各阶谐振器谐振频率，约为工作频率的半个波导波长。
需要说明的是，本发明中所指的耦合结构的宽度是指图2和图3中耦合结构在水平方向的宽度，耦合结构的长度是指图2和图3中耦合结构在竖直方向的长度；谐振腔的宽度是指图2和图3中谐振腔在水平方向的宽度，谐振腔的长度是指图2和图3中谐振腔在竖直方向的长度，图2中的阴影线部分为镀金的部分。
E面纵向膜片1的四个角上开设有金属通孔108，金属通孔108主要起阻挡电磁波泄露的作用，介质基片109采用罗杰斯的5880基片，基片厚度为0.127mm。
如图4所示，双层弯曲热执行器2包括硅衬底206以及设于硅衬底206上的三个开设有释放孔205的中间方盘：第一中间方盘201、第二中间方盘202和第三中间方盘203，中间方盘的数量与谐振腔相同，且一一对应，每个中间方盘的大小与其对应的谐振腔大小相同，每个中间方盘与其对应的谐振腔在竖直方向的投影互相重合，其中，第一中间方盘201与第一谐振腔102相对，第二中间方盘202与第二谐振腔104相对，第三中间方盘203与第三谐振腔106相对；中间方盘由多晶硅层和覆盖在多晶硅层上的镀金层组成。
每个中间方盘的两侧都设有驱动梁204，驱动梁204包括四根梁，每根梁分为等长的两部分，其中一部分为多晶硅，另一部分为表面镀金的多晶硅。如图5和图6所示，当滤波器工作时，驱动梁204会向上翘曲，从而垂直抬高中间方盘；如图7和图8所示，当滤波器不工作时，驱动梁204不会向上翘曲，中间方盘也就没有垂直位移。
双层弯曲热执行器2安装在矩形波导3内腔的底部并与长度为b的横边平行，其装配图如图9、图10和图11所示。双层弯曲热执行器2的硅衬底206最外围的部分表面设有镀金层，图4中的阴影线部分为镀金的部分。
本发明采用WR-5.1规格的标准矩形波导，端面的矩形尺寸a和b分别为1.295mm和0.648mm。图14是本发明的双层弯曲热执行器2工作状态和非工作状态时可调太赫兹波导滤波器的插入损耗曲线图，图15是本发明的双层弯曲热执行器2工作状态和非工作状态时可调太赫兹波导滤波器的回波损耗曲线图，从图14和图15可以看出，当双层弯曲热执行器2没有工作的时候，预计由于加工以及装配等的问题会导致中间方盘初始会有10个微米的垂直位移，此时滤波器的中心频率为170GHz；当双层弯曲热执行器2工作时，即中间方盘的垂直位移变为100个微米时，此时滤波器的中心频率为189.5GHz，本发明的双层弯曲热执行器可调太赫兹波导滤波器的调谐范围约为19.5GHz，如果中间方盘的垂直位移再增加，调谐范围还会变得更广。
本发明所提供的可调太赫兹波导滤波器，将E面纵向膜片和双层弯曲热执行器安装在矩形波导的内腔中，具有工作频率高，调谐范围广，易于制造，通用性强等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于双层弯曲热执行器的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：包括E面纵向膜片(1)、双层弯曲热执行器(2)和矩形波导(3)，所述E面纵向膜片(1)水平安装在矩形波导(3)内腔的中部；双层弯曲热执行器(2)水平安装在矩形波导(3)内腔的底部，位于E面纵向膜片(1)下方；
所述E面纵向膜片(1)包括介质基片(109)和设于介质基片(109)上的多个耦合结构，两两相邻的耦合结构之间开设有谐振腔；
所述双层弯曲热执行器(2)包括硅衬底(206)和设于硅衬底(206)上的中间方盘，中间方盘的两侧都设有驱动梁(204)，中间方盘上开设有释放孔(205)，所述中间方盘的数量与谐振腔相同，且一一对应，每个中间方盘的大小与其对应的谐振腔大小相同；
所述E面纵向膜片(1)的四个角上开设有金属通孔(108)。
2.根据权利要求1所述的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：所述耦合结构的数量比滤波阶数数量多一，谐振腔的数量与滤波阶数数量相同。
3.根据权利要求1所述的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：所述谐振腔的数量为奇数时，以中间谐振腔相对称的两个谐振腔宽度相等，中间谐振腔的宽度最大，向外两侧的谐振腔宽度依次减小；以中间谐振腔相对称的两个耦合结构宽度相等，由中间谐振腔与相邻谐振腔形成的两个耦合结构宽度相等且最大，由中间谐振腔为中心向外两侧形成的耦合结构宽度依次减小。
4.根据权利要求1所述的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：所述谐振腔数量为偶数时，以中间耦合结构相对称的两个谐振腔宽度相等，由中间耦合结构与相邻耦合结构形成的两个谐振腔宽度相等且最大，由中间耦合结构为中心向外两侧的谐振腔宽度依次减小；以中间耦合结构相对称的两个耦合结构宽度相等，中间的耦合结构宽度最大，向外两侧的耦合结构宽度依次减小。
5.根据权利要求1所述的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：所述驱动梁(204)包括四根梁，每根梁分为等长的两部分，其中一部分为多晶硅，另一部分为表面镀金的多晶硅。
6.根据权利要求1所述的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：所述矩形波导(3)包括下腔体(301)和上腔体(302)，下腔体(301)和上腔体(302)之间设有用于安装E面纵向膜片(1)和双层弯曲热执行器(2)的内腔。
7.根据权利要求6所述的可调太赫兹波导滤波器，其特征在于：所述矩形波导(3)由无氧铜材料制成，且表面镀金。
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