CN114566779A - 一种基于间隙波导的mems太赫兹定向耦合器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器及其工作方法。其中，基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器包括，一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，包括：依次从上至下封装为一体的封装金属上腔体、上层硅片、中间层硅片、下层硅片和封装金属下腔体；其中，所述上层硅片的上表面和下层硅片的下表面均刻蚀有电磁带隙波导法兰结构，所述中间层硅片的上、下表面上均设有垂直波导转接结构和耦合孔阵列结构，所述垂直波导转接结构与耦合孔阵列结构与之间通过曲线波导通道连接。

Description

一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器及其工作方法

技术领域

本发明属于太赫兹定向耦合器领域，具体涉及一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

太赫兹定向耦合器作为分配功率的关键无源器件，对输入信号和输出信号进行分离和混合，在太赫兹测试测量仪器中发挥着重要作用。传统的太赫兹定向耦合器仍是基于精密机械加工的方式实现，到了太赫兹频段，加工精度和组装精度已经接近极限，因此为了保证性能满足要求，设计的自由度大大降低。基于MEMS的太赫兹定向耦合技术可以有效克服传统机械加工精度不足、复杂结构难以加工的问题，提高设计自由度，从而实现更高性能、更高频率、更小体积的指标要求。现有基于MEMS的太赫兹定向耦合器研究多数针对窄带，在插损、定向性等方面指标存在不足。

例如，图1为一种基于MEMS的太赫兹分支线电桥耦合器，1为输入输出端口，2-5为耦合桥结构，该结构简单，采用矩形波导结构及矩形耦合桥结构降低加工难度，基于该结构设计MEMS太赫兹定向耦合器可以在硅基上刻蚀腔体结构并镀金形成需要的金属腔体，采用两层键合工艺即可形成需要的样件。分支线定向耦合器的基本原理可以用耦合矩阵来分析，四个波导输入输出端口分别为P1-P4，波导E面采用分支电桥，各节分支电桥长度四分之一波导波长，分支线宽度左右对称。四端口定向耦合器的分析可以利用矩阵关系计算反射系数和传输系数。其中一端口输入时根据传输路径不同在其它三个端口分别产生同相位叠加或者反相位相消的信号，从而形成传输、耦合及隔离端。耦合度通过控制耦合桥结构2-5的宽度和间距，通过优化相应参数获得平坦的定向性，在窄带内具有平坦的耦合度。基于该结构设计的MEMS太赫兹定向耦合器工作频率330-350GHz(带宽5.9％)，插损2.9-4dB，耦合度10dB，定向性大于20dB。

图2为一种基于传统机械加工的太赫兹定向耦合器，1为金属上腔，2为金属下腔，3为耦合片，4为输入端口。金属上下腔中夹有金属耦合薄片，上下腔通过销钉对位及金属螺丝紧密固定来固定耦合片的位置，波导结构在上下金属腔的对接面上铣削成形，耦合孔在耦合片上通过激光刻蚀得到。耦合片上有两排切比雪夫阵列耦合孔，可以实现宽带高频坦度耦合，带宽可以跨越一个波导频段，约为40％。

可见，现有技术采用MEMS技术设计太赫兹定向耦合器多采用较为简单的耦合结构，如波导侧边开矩形耦合孔，采用田字型或H型耦合结构，采用MEMS工艺进行制造时加工难度低易于实现，但是该设计仅对窄带有效，不适合于宽带太赫兹定向耦合器，难以满足跨越一个波导频段的需要。

针对应用广泛的跨越一个波导频段的太赫兹定向耦合器，采用的主要方案为基于机械加工的分半腔体结构及金属耦合薄片，波导在腔体上成形，耦合孔在耦合片上成形，可以满足宽带耦合的要求。但是当频率升高，机械加工精度已达极限，耦合片由于厚度很薄难以与腔体精确定位，对加工和装配都带来了较大的难度，造成成品率低、性能指标差的问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器及其工作方法，本发明利用MEMS技术制备微腔体结构，满足太赫兹高精度的要求，提出了叠层式的太赫兹定向耦合器结构方案，采用间隙波导技术解决叠层拼装时的空气间隙问题，满足跨越一个波导频段宽带定向耦合的需要，装配简单、加工精度高、体积小、成本低。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器。

一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，包括：依次从上至下封装为一体的封装金属上腔体、上层硅片、中间层硅片、下层硅片和封装金属下腔体；

其中，所述上层硅片的上表面和下层硅片的下表面均刻蚀有电磁带隙波导法兰结构，所述中间层硅片的上、下表面上均设有垂直波导转接结构和耦合孔阵列结构，所述垂直波导转接结构与耦合孔阵列结构与之间通过曲线波导通道连接。

第二个方面，本发明提供了一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的工作方法。

一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的工作方法，包括：

所述第一个方面所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器包括四个波导端口，任选一个端口为输入端时，其它三端口分别为直通端、耦合端、隔离端，直通端与输入端同侧，耦合端、隔离段与输入端对侧；

上层硅片的一个波导口接收输入端信号，在上层硅片与封装金属上腔体接触面处通过电磁带隙结构抑制缝隙电磁泄露，保证波导信号传输质量；

在中间层硅片的波导通道一端通过多级渐变阶梯结构保证信号波导由垂直方向向水平方向转换时的宽带低损耗低驻波转换；

直通信号通过中间层硅片上波导通道传输，在末端通过阶梯变换结构转换到垂直方向输出，波导通道周围刻蚀周期表面，保证硅片叠层后波导结构在电学特性上的完整性；

中间层刻蚀两排圆形耦合孔阵列，耦合孔孔径采用多项式分布保证宽带内耦合度的低纹波特性；

耦合孔阵列泄露到波导下侧的电磁能量叠加后，由于孔距与波长及相位相关，选择合适孔距以呈现前向相位增加、反向相位抵消的作用，从而沿传播方向形成耦合端，后向形成隔离端；

下层硅片起到直通波导的作用，将耦合端与隔离端信号由垂直方向引出，电磁带隙结构作用与上层硅片相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明基于MEMS工艺制造微腔体结构，加工精度更高，可以满足太赫兹高频段的精度需求。

本发明采用层叠式架构，利用微腔体结构和间隙波导技术解决叠层拼装时的电磁泄露问题，容许层与层之间存在微小的空气间隙，因此大大降低了太赫兹定向耦合器的装配难度，有更高的稳定性和可生产性。

本发明中器件关键部分采用硅基结构，质量轻、成本低、可满足大批量生产需要。

本发明所设计太赫兹定向耦合器针对高频、宽带、高平坦度有明显优势，同时具备加工精度高、装配难度低、低成本、小型化的特点。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明背景技术示出的一种MEMS分支线电桥耦合器的结构图；

图2是本发明背景技术示出的一种宽带太赫兹定向耦合器的结构图；

图3是本发明实施例示出的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的整体结构分离图；

图4是本发明实施例示出的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器封装后的结构图；

图5是本发明实施例示出的封装金属下腔体的结构图；

图6是本发明实施例示出的上层硅片的结构图；

图7是本发明实施例示出的图6中电磁带隙波导法兰结构的结构图；

图8是本发明实施例示出的中间层硅片的结构图；

图9是本发明实施例示出的图8中垂直波导转接结构的结构图；

图10是本发明实施例示出的图8中耦合孔阵列结构的结构图；

图11是本发明实施例示出的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的性能仿真图；

图3-图10中，1、封装金属上腔体，2、封装金属下腔体，3、上层硅片，4、中间层硅片，5、下层硅片，6、电磁带隙波导法兰结构，7、销钉对位孔，8、垂直波导转接结构，9、耦合孔阵列结构。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术中介绍的，传统太赫兹定向耦合器设计方案采用波导腔体结构结合耦合薄片的方式，存在一定的问题。一方面，腔体结构在太赫兹高频段已经达到加工精度的极限，因此只能制造简单的直波导结构；另一方面，耦合薄片装配时有较大的定位误差，耦合孔位置无法精准定位，对耦合器性能产生一定的影响，无法满足耦合器高精度高性能的要求。传统的设计方案存在成品率低、高频性能不稳定、体积大的问题。为此，本发明采用如下方案进行解决：

实施例一

本实施例提供了一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器。

如图3所示，基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器包括：封装金属上腔体1、封装金属下腔体2、上层硅片3、中间层硅片4、下层硅片5，其中上层硅片3与下层硅片5结构相同。3-5构成定向耦合器，由封装金属上腔体1和封装金属下腔体2进行固定安装并可与其它器件通过法兰相连。封装金属上腔体1和封装金属下腔体2上均包含结构相同的矩形波导。关键器件3-5由三层镀金硅片构成，利用硅刻蚀技术在每一层硅片上刻蚀需要的金属微腔体结构，镀金后三层叠片叠层安装，通过定位孔对齐，封装在金属腔体中进行测试。每两层硅片之间、硅片与金属腔体之间均采用周期电磁带隙结构，容许存在微小的空气缝隙，解决了叠层安装时的装配难题。

MEMS定向耦合器安装后的结构如图4所示，图5为下腔体。上下金属腔体闭合后形成矩形槽，槽内安装三层硅片，通过销钉将硅片与腔体对齐。上下腔体上包含两个矩形波导，矩形波导上下相同，与硅基器件的波导口对接。金属腔体上下表面各包含两个标准波导法兰，可与外部测试仪器连接进行测试。

图6与图7为上层硅片3结构示意图，硅片上刻蚀有销钉对位孔7用于与销钉对位，刻蚀有电磁带隙波导法兰结构6用于与其它波导口相连。电磁带隙波导法兰结构6采用周期方柱布局在波导口周围，周期方柱布设在椭圆台柱结构的周围。椭圆台柱结构包括内圈台柱结构和外圈椭圆台柱结构，内圈台柱结构的表面高于外圈椭圆台柱结构；周期方柱的上表面、波导口表面以及内圈台柱结构的表面在同一水平面上。采用该结构可以在两个金属面对接时形成人工电磁表面，抑制特定频段的电磁波沿缝隙泄露，从而起到波导有效互连的作用。上层硅片3主要起到波导垂直连接的作用，连接中间层硅片4与金属腔体1，在中间层硅片4与金属腔体存在一定缝隙的情况下仍能保证波导能量的有效传输。同理，硅片5用于连接中间层硅片4与金属腔体2。

图8-图10为中间层硅片4的结构细节。包含中间层硅片4、销钉对位孔7、垂直波导转接结构8、耦合孔阵列结构9。中间层硅片4的上下表面结构相同，波导传输线沿水平中轴线镜像对称，在上下表面各形成一条弯曲的开口波导通道，波导传输线两头末端通过垂直波导转接结构8将传播方向由水平转移为垂直。垂直波导转接结构8包含九级阶梯，通过改变每一级阶梯的深度和宽度可以改变垂直转接结构的传输系数，优化相应参数保证低损耗宽带传输。

耦合孔阵列结构9采用二项式分布双排圆孔阵列实现宽带高平坦度的耦合度。基于二项式分布的圆孔阵列可以尽可能使用较少的耦合孔数目实现高耦合度，减少工艺复杂度。耦合孔开在波导通道内壁上，上下贯通，通过上表面的波导通道耦合到下表面的波导通道。波导通道两侧各有四排方柱周期阵列，用于与其它硅片拼接时形成电磁带隙表面，抑制电磁波沿层间缝隙的泄露，保证能量沿波导通道的有效传输。

将叠层拼装时的空气缝隙考虑在内，仿真定向耦合器的性能指标，1端口为输入端口，2端口为直通端口，3端口为耦合端口，4端口为隔离端口，仿真结果如图11所示。500-750GHz耦合度在-9.5～-10.9dB之间，端口反射系数S11小于-20dB，定向性大于20dB以上，实现了宽带高频坦度及高定向性。

基于以上多种实施方案，可以看出，具有以下优点：

本实施例的定向耦合器层与层之间采用基于间隙波导的周期方柱结构，保证垂直方向波导的传输性能。

本实施例的定向耦合器波导传输线两侧采用基于间隙波导的周期方柱结构，实现叠层拼装时对电磁能量沿缝隙泄露的抑制。

本实施例中硅片与腔体采用销钉精确定位。

本实施例设计多级阶梯结构实现波导传输线从水平方向往垂直方向的转换，有宽带低损耗特性。

本实施例采用直波导加弯波导的形式形成曲线波导通道，使四个波导端口在空间上错位，降低硅片刻蚀难度。

本实施例采用两排多项式分布圆形耦合孔阵列，实现宽带高定向性高频坦度耦合。

实施例二

本实施例提供了一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的工作方法。

一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的工作方法，包括：基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器包含四个波导端口，任选一个端口为输入端时，其它三端口分别为直通端、耦合端、隔离端，直通端与输入端同侧，耦合端、隔离段与输入端对侧。

上层硅片的一个波导口接收输入端信号，在硅片与金属腔接触面处通过电磁带隙结构抑制缝隙电磁泄露，保证波导信号传输质量。在中间层硅片的波导通道一端通过多级渐变阶梯结构保证信号波导由垂直方向向水平方向转换时的宽带低损耗低驻波转换。直通信号通过中间层硅片上波导通道传输，在末端通过阶梯变换结构转换到垂直方向输出，波导通道周围刻蚀周期表面，保证硅片叠层后波导结构在电学特性上的完整性。

中间层刻蚀两排圆形耦合孔阵列，耦合孔孔径采用多项式分布保证宽带内耦合度的低纹波特性。耦合孔阵列泄露到波导下侧的电磁能量叠加后，由于孔距与波长及相位相关，选择合适孔距可以呈现前向相位增加、反向相位抵消的作用，从而沿传播方向形成耦合端，后向形成隔离端。

下层硅片起到直通波导的作用，将耦合端与隔离端信号由垂直方向引出，电磁带隙结构作用与上层硅片相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，包括：依次从上至下封装为一体的封装金属上腔体、上层硅片、中间层硅片、下层硅片和封装金属下腔体；

其中，所述上层硅片的上表面和下层硅片的下表面均刻蚀有电磁带隙波导法兰结构，所述中间层硅片的上、下表面上均设有垂直波导转接结构和耦合孔阵列结构，所述垂直波导转接结构与耦合孔阵列结构与之间通过曲线波导通道连接。

2.根据权利要求1所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述封装金属上腔体和封装金属下腔体闭合后形成矩形槽，所述矩形槽安装有上层硅片、中间层硅片和下层硅片。

3.根据权利要求1所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述封装金属上腔体的外表面和封装金属下腔体的外表面均设有两个标准波导法兰。

4.根据权利要求1所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述封装金属上腔体和封装金属下腔体上均包含结构相同的矩形波导。

5.根据权利要求1所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述上层硅片和下层硅片上均设有波导口，所述波导口连接电磁带隙波导法兰结构。

6.根据权利要求1所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述电磁带隙波导法兰结构包括周期方柱和椭圆台柱结构，椭圆台柱结构设置在波导口的周围，所述周期方柱布设在椭圆台柱结构的周围。

7.根据权利要求6所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述椭圆台柱结构包括内圈台柱结构和外圈椭圆台柱结构，所述内圈台柱结构的表面高于外圈椭圆台柱结构。

8.根据权利要求7所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述周期方柱的上表面、波导口表面以及内圈台柱结构的表面在同一水平面上。

9.根据权利要求1所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器，其特征在于，所述中间层硅片上下表面均包括波导传输线，所述波导传输线沿水平中轴线镜像对称，在上下表面各形成一条弯曲的开口波导通道，波导传输线两头末端通过垂直波导转接结构将传播方向由水平转移为垂直；

或者，

所述耦合孔阵列结构采用二项式分布双排圆孔阵列，所述二项式分布双排圆孔阵列设置在波导通道内壁上，上、下贯通，通过上表面的波导通道耦合到下表面的波导通道；波导通道两侧各有四排方柱周期阵列，用于与上、下层硅片拼接时形成电磁带隙表面，抑制电磁波沿层间缝隙的泄露，保证能量沿波导通道的有效传输。

10.一种基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器的工作方法，其特征在于，包括：

所述权利要求1-9所述的基于间隙波导的MEMS太赫兹定向耦合器包括四个波导端口，任选一个端口为输入端时，其它三端口分别为直通端、耦合端、隔离端，直通端与输入端同侧，耦合端、隔离段与输入端对侧；

上层硅片的一个波导口接收输入端信号，在上层硅片与封装金属上腔体接触面处通过电磁带隙结构抑制缝隙电磁泄露，保证波导信号传输质量；

在中间层硅片的波导通道一端通过多级渐变阶梯结构保证信号波导由垂直方向向水平方向转换时的宽带低损耗低驻波转换；

直通信号通过中间层硅片上波导通道传输，在末端通过阶梯变换结构转换到垂直方向输出，波导通道周围刻蚀周期表面，保证硅片叠层后波导结构在电学特性上的完整性；

中间层刻蚀两排圆形耦合孔阵列，耦合孔孔径采用多项式分布保证宽带内耦合度的低纹波特性；

耦合孔阵列泄露到波导下侧的电磁能量叠加后，由于孔距与波长及相位相关，选择合适孔距以呈现前向相位增加、反向相位抵消的作用，从而沿传播方向形成耦合端，后向形成隔离端；

下层硅片起到直通波导的作用，将耦合端与隔离端信号由垂直方向引出，电磁带隙结构作用与上层硅片相同。

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