基于左右手復(fù)合傳輸線和MEMS的新型微波器件研究.pdf

1、在分析左右手復(fù)合傳輸線結(jié)構(gòu)特性和微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)分析了耦合蛇形線結(jié)構(gòu)和橫向熱驅(qū)動MEMS開關(guān)。運(yùn)用這兩種設(shè)計(jì)，本論文主要進(jìn)行了新型帶通濾波器研究，帶阻濾波器研究，微帶平衡器研究，基于二極管開關(guān)的可調(diào)濾波器研究，MEMS開關(guān)研究，基于MEMS開關(guān)的可調(diào)濾波器研究。另外，也應(yīng)用微加工工藝對具有2維左右手復(fù)合傳輸線結(jié)構(gòu)特性的微型定向天線進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。在對各

2、器件微型化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了各器件預(yù)期的功能。
　　 (1)分析耦合蛇形線結(jié)構(gòu)與插指電容結(jié)構(gòu)的參數(shù)特性，基于耦合蛇形線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了帶通濾波器，微帶平衡器和帶阻濾波器以及電可調(diào)濾波器。以耦合蛇形線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)并通過微加工工藝進(jìn)行加工的帶通濾波器在特定頻帶具有左手特性，而且該濾波器具有較寬的通頻帶。其主體耦合蛇形線結(jié)構(gòu)的長度僅為中心工作波長的1/50。為避免接地結(jié)構(gòu)帶來的工藝復(fù)雜性以及可能引起的干擾，研究了一種多周期無接地耦合蛇形線微帶平

3、衡器。這種平衡器利用對稱結(jié)構(gòu)中心軸線處的虛擬地，可以在不需物理接地的情況下實(shí)現(xiàn)理想接地的效果，這也克服了使用大的電容實(shí)現(xiàn)接地時效果不理想的缺陷。通過電磁場仿真可以明顯看到在耦合蛇形線中的電磁場反向傳播，而且在模型的對稱中心位置有明顯的電壁存在。本論文也根據(jù)耦合蛇形線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種對偶性結(jié)構(gòu)。為考察這種結(jié)構(gòu)的特性，設(shè)計(jì)了一種傳輸線帶阻濾波器，并使用微加工工藝加工制備了樣品。測試結(jié)果表明，該對偶結(jié)構(gòu)與普通左右手復(fù)合傳輸結(jié)構(gòu)不同，在低頻端為

4、右手性，而在高頻端呈現(xiàn)左手性。作為帶阻濾波器，該濾波器在左手性區(qū)域具有較寬的通頻帶，這提高了該濾波器的工作頻帶寬度。結(jié)合耦合蛇形線左右手復(fù)合傳輸線結(jié)構(gòu)及其對偶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本論文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)。通過切換這種結(jié)構(gòu)中心線與兩端口的通斷，可以實(shí)現(xiàn)一種可調(diào)濾波器。此濾波器使用二極管做為開關(guān)，通過偏置電路切換二極管的通斷狀態(tài)，繼而切換濾波器的工作狀態(tài)。使用微加工工藝加工樣品后，對樣品進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，該器件可以在帶通和帶阻兩種狀態(tài)間切換

5、。
　　 (2)設(shè)計(jì)了一種新型橫向熱驅(qū)動MEMS開關(guān)，并將其用于可調(diào)濾波器中。MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)主體包括一條“U”型熱驅(qū)動臂和一條懸臂梁?！癠”型熱驅(qū)動臂的熱變形通過懸臂梁放大，繼而驅(qū)動懸臂梁端部的接觸頭。針對開關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了加工工藝流程，對懸臂梁結(jié)構(gòu)的犧牲層工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終確定使用氨水加雙氧水的堿性刻蝕液刻蝕犧牲層銅，這種方式可以在刻蝕銅的時候，不對作為開關(guān)主體的鎳結(jié)構(gòu)造成破壞。另外以SU8膠作為隔離塊，設(shè)計(jì)了驅(qū)動電路與射

6、頻微波電路隔離的射頻MEMS開關(guān)。然后通過MEMS技術(shù)制備了開關(guān)樣品。直流測試結(jié)果表明，該開關(guān)的消耗功率為170 mW，相對于同類開關(guān)，功率消耗較低。同時測得了開關(guān)的開啟時間為12 ms，基本達(dá)到了開關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。使用所設(shè)計(jì)的射頻MEMS開關(guān)，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)濾波器。測試結(jié)果表明，使用MEMS開關(guān)可以減少射頻損耗。
　　 (3)使用微加工工藝加工了一種基于二維左右手復(fù)合傳輸線結(jié)構(gòu)的定向天線。這種天線以左右手復(fù)合傳輸線理論為基礎(chǔ)，將