CN106450615B - 基于mems微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，包括矩形波导、MEMS微执行器及谐振结构；所述矩形波导由对称结构的上腔体和下腔体构成，所述上腔体和下腔体接触面中段均设有矩形直波导，所述矩形直波导两侧对称设置有与其连通的微执行器安装槽；所述MEMS微执行器安装在矩形波导的微执行器安装槽内，其包括驱动器和波导基体；所述驱动器与谐振结构连接，其关于谐振结构对称安装在波导基体表面。本发明采用MEMS微执行器调节太赫兹频段滤波器频率，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

基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器
技术领域
本发明属于太赫兹无源器件技术领域，尤其涉及一种基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器。
背景技术
太赫兹波(THz)一般指频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐波。太赫兹处于电子学和光子学的交叉区域，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究，而且缺乏有效的太赫兹波源和太赫兹检测技术，所以，上世纪九十年代前，一度被人“遗忘”，被称为“太赫兹空白”。由于其所处的特殊位置，太赫兹波表现出兼具微波与光波的一些优点，同时也表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质，使得它在环境监测、物体成像、医疗诊断、天文学、宽带移动通信、卫星通信和军用雷达等诸多领域具有重大应用。
太赫兹波在通信领域有着重要的应用。太赫兹信号波束宽度很窄，使得定位更加精确，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，而且较窄的波束宽度使太赫兹波难以捕捉和干扰，有利于军事通信的保密和雷达系统的抗干扰。另外，太赫兹波在大气中传输损耗较大，这也有利于通信的保密性。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，这比当前的超宽带技术快几百甚至一千倍之多。而且与可见光和红外相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力，这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。因为许多有机生物大分子的振动和转动能级间的间距正好处于太赫兹频率范围，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。
太赫兹通信系统主要由太赫兹源、太赫兹检测设备及各种太赫兹固态传输器件组成。在某些通信系统中，需要对特定频点的信号进行大幅度衰减以保证通信质量，如太赫兹超外差接收系统中需要滤除镜频信号，这时，太赫兹点阻滤波器在系统中起着关键作用。在有些实际应用中，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。
传统的可调阻带滤波器是基于波导、同轴或微带线，调谐方式采用螺钉、可调电容、PIN二极管开关或FET开关等，显然，这种调谐方式的滤波器被限制在毫米波或太赫兹波频率以下。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，实现太赫兹频段滤波器的频率可调性。
本发明的技术方案是：一种基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，包括矩形波导、MEMS微执行器及谐振结构；所述矩形波导由对称结构的上腔体和下腔体构成，所述上腔体和下腔体接触面中段均设有矩形直波导，所述矩形直波导两侧对称设置有与其连通的微执行器安装槽；所述MEMS微执行器安装在矩形波导的微执行器安装槽内，其包括驱动器和波导基体；所述驱动器与谐振结构连接，其关于谐振结构对称安装在波导基体表面。
进一步地，所述MEMS微执行器采用静电梳齿微执行器；所述驱动器对称安装在谐振结构两侧，包括锚点、可动梳齿、固定梳齿、折叠梁及可动横梁；所述固定梳齿和折叠梁的固定端通过锚点固定在波导基体上；所述可动横梁两侧对称设置有与其连接的可动梳齿与固定梳齿，所述可动横梁还分别与折叠梁的自由端及谐振结构连接；所述可动梳齿与固定梳齿相间交错设置。
进一步地，所述驱动器的可动梳齿、固定梳齿、折叠梁、释放孔及可动横梁均为悬空结构。
进一步地，所述可动横梁上设置有释放孔。
进一步地，所述谐振结构采用圆形开口谐振环；所述开口谐振环由内外两个开口环镶嵌构成，设置在波导基体表面中心；所述开口谐振环两开口连线平行于波导基体长边。
本发明的有益效果是：本发明采用MEMS微执行器调节太赫兹频段滤波器频率，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是本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器结构示意图。
图2是本发明实施例中MEMS微执行器结构示意图。
图3是本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器使用效果示意图。
其中，驱动器1、锚点101、固定梳齿102、可动梳齿103、折叠梁104、释放孔105、可动横梁106、波导基体2、开口谐振环3、下腔体4、上腔体5、矩形直波导6、微执行器安装槽7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器结构示意图。一种基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，包括矩形波导、波导基体、MEMS微执行器及谐振结构；所述矩形波导由对称结构的上腔体和下腔体构成，所述上腔体和下腔体接触面中段均设有矩形直波导，所述矩形直波导两侧对称设置有与其连通的微执行器安装槽；所述MEMS微执行器与谐振结构连接，其关于谐振结构对称安装在波导基体表面；所述波导基体安装在矩形波导的微执行器安装槽内。
下面以一阶可调太赫兹波导带阻滤波器为例，对本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器进行详细说明。
本发明的矩形波导采用WR-4规格的标准矩形波导，横截面的宽边a、窄边b尺寸分别为1.092mm、0.546mm；矩形波导中心设置有贯穿两侧面的矩形通孔，并沿窄边中点剖分为上下两部分，即上腔体和下腔体；上腔体和下腔体关于剖面对称，这里的剖面即二者的接触面；矩形波导中心的矩形通孔同样也被剖分为两部分，从而分别在上腔体和下腔体接触面中段形成矩形直波导；矩形直波导两侧对称设置有与其连通的微执行器安装槽，从而提供驱动器与谐振结构连接的通路，使驱动器驱动谐振结构产生位移；上腔体和下腔体采用无氧铜材料加工，加工完成后采用真空铅焊的方式拼装在一起，矩形直波导内表面镀金。
如图2所示，为本发明实施例中MEMS微执行器结构示意图。本发明的MEMS微执行器采用静电梳齿微执行器，并应用MEMSCAP公司的标准SOI工艺；静电梳齿微执行器包括驱动器和波导基体，作为一个整体加工，从而提高整体性能；驱动器对称安装在谐振结构两侧，包括锚点、可动梳齿、固定梳齿、折叠梁及可动横梁；固定梳齿和折叠梁的固定端通过锚点固定在波导基体上，锚点为固定梳齿提供固定作用，同时也将折叠梁的一端固定在介质基底上；可动横梁采用“土”字型结构，两侧对称设置有与其连接的可动梳齿与固定梳齿，可动梳齿与固定梳齿相间交错设置；可动横梁还分别与折叠梁的自由端及谐振结构连接，具体为谐振结构两侧的可动横梁通过一个横梁连接为一体，谐振结构与该横梁的中点连接。波导基体采用硅衬底，通过释放层氧化物将位于谐振结构及两侧一定距离下的硅衬底腐蚀掉，形成除驱动器的锚点与波导基体连接外，其他结构为悬空结构，从而减小硅衬底加载到矩形直波导中给滤波器性能带来影响。为了使得层氧化物释放得更加充分，本发明在可动横梁上设置有释放孔，可动横梁在运动时，释放孔可以减少可动横梁的应力，提高MEMS微执行器的可靠性，再者，释放孔可以减少整个MEMS微执行器可动部分的重量，在相同位移下，可以减小施加电压量。在实际应用时，与折叠梁相连接的锚点接地，与固定梳齿相连接的位于可动梳齿两侧的锚点，一侧加正压，一侧加负压。
本发明的谐振结构采用圆形开口谐振环；这里的开口谐振环为金属薄片，表面镀金，由内外两个开口环镶嵌构成，设置在波导基体表面中心，开口位置位于开口谐振环的相对位置；开口谐振环在安装时，两开口连线平行于波导基体长边。
如图3所示，为本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器使用效果示意图。当静电梳齿微执行器没有工作的时候，此时本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器的中心频率为199.9GHz；当静电梳齿微执行器工作时，即静电梳齿微执行器产生120微米的位移，此时本发明的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器的中心频率为207.1GHz，即滤波器的中心频率偏移了7.2GHz，如果静电梳齿微执行器的位移再增加，调谐范围还会变得更广。本发明设计的基于静电梳齿微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，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 (3)

1.一种基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，其特征在于，包括矩形波导、MEMS微执行器及谐振结构；所述矩形波导由对称结构的上腔体和下腔体构成，所述上腔体和下腔体接触面中段均设有矩形直波导，所述矩形直波导两侧对称设置有与其连通的微执行器安装槽；所述MEMS微执行器安装在矩形波导的微执行器安装槽内，其包括驱动器和波导基体；所述驱动器与谐振结构连接，其关于谐振结构对称安装在波导基体表面；所述谐振结构采用圆形开口谐振环；所述开口谐振环由内外两个开口环镶嵌构成，设置在波导基体表面中心；所述开口谐振环两开口连线平行于波导基体长边；所述MEMS微执行器采用静电梳齿微执行器；所述驱动器对称安装在谐振结构两侧，包括锚点、可动梳齿、固定梳齿、折叠梁及可动横梁；所述固定梳齿和折叠梁的固定端通过锚点固定在波导基体上；所述可动横梁两侧对称设置有与其连接的可动梳齿与固定梳齿，所述可动横梁还分别与折叠梁的自由端及谐振结构连接；所述可动梳齿与固定梳齿相间交错设置。
2.如权利要求1所述的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，其特征在于，所述驱动器的可动梳齿、固定梳齿、折叠梁、释放孔及可动横梁均为悬空结构。
3.如权利要求2所述的基于MEMS微执行器的可调太赫兹波导带阻滤波器，其特征在于，所述可动横梁上设置有释放孔。
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