硅基太赫兹波导定向耦合器的设计及制备

摘要

太赫兹定向耦合器作为可以实现定向功率分配的关键无源器件，在微波、毫米波以及通信领域具有广泛的应用。亚毫米波波导型器件和平面传输线器件相比，具有较低的损耗，更高的功率处理能力，且易于与测量系统和其他固态系统互连的优点，成为国内外探究的热点。本文通过对波导定向耦合器进行探索研究，设计出一种结构紧凑、超宽带、耦合强、高方向性的太赫兹波导定向耦合器，并利用MEMS工艺完成了加工。
　　在总结国内外波导结构以及波导定向耦合器研究和发展趋势的基础上，从定向耦合器的设计理论出发，利用上、下排列的波导之间的多个耦合孔来实现功率分配，通过软件HFSS进行模拟仿真，设计出了中心频率为400 GHz，带宽为150 GHz的太赫兹多孔耦合型波导定向耦合器，耦合孔有“十字形”和“三角形”两种，仿真曲线可以看出该结构具备良好的传输性能。考虑到测试系统的连接方式，设计了三种拓扑结构分别对应测试的三个参数:耦合度、回波损耗、隔离度。以高阻硅为结构材料，基于深硅刻蚀工艺和键合工艺完成了太赫兹波导定向耦合器的加工，并利用磁控溅射和微电镀实现了波导定向耦合器的金属化。定向耦合器封装于以硅为材料，尺寸为6 mm×6 mm×1.36 mm的单元中，设计了定向耦合器的配套夹具来进行测试，测试和仿真结果基本一致。
　　本文成功完成了太赫兹波导定向耦合器的设计和制备，突破了传统波导定向耦合器两波导处于同一平面内的局限，利用多个小孔耦合的形式，提高了定向耦合器的工作带宽和方向性，对后续太赫兹系统的探讨和发展具有重大意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 耦合器国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本论文的主要工作

1．4 课题研究的主要内容

2 太赫兹波导定向耦合器基本原理

2．1 定向耦合器的性能指标

2．2 定向耦合器的网络分析

2．3 波导理论

2．3．1 传播模式以及波导场分布

2．3．2 矩形波导管壁电流分析

2．4 定向耦合器耦合理论

2．4．1 小孔衍射理论

2．4．2 相位叠加定理

2．4．3 二项式响应

2．5 本章小结

3 太赫兹波导定向耦合器设计

3．1 单孔定向耦合器的设计

3．2 两种多孔波导定向耦合器的建模及仿真

3．2．1 “十字形”耦合孔波导定向耦合器设计及仿真

3．2．2 “三角形”耦合孔波导定向耦合器设计及仿真

3．3 参数变化对波导定向耦合器性能的影响分析

3．3．1 波导窄壁对波导定向耦合器性能的影响

3．3．2 耦合孔厚度对波导定向耦合器性能的影响

3．3．3 耦合孔大小对波导定向耦合器性能的影响

3．3．4 波导定向耦合器的电场分布

3．4 结构分析

3．5 本章小结

4 太赫兹波导定向耦合器的制备

4．1 MEMS工艺

4．2 定向耦合器版图设计

4．2．1 定向耦合器整体版图

4．2．2 定向耦合器的分层版图

4．3 重点工艺介绍

4．3．1 金属化

4．3．2 键合工艺

4．4 工艺流程制定及优化

4．4．1 工艺流程制定

4．4．2 工艺流程优化

4．5 本章小结

5 太赫兹波导定向耦合器的测试及误差分析

5．1 太赫兹波导定向耦合器测试夹具设计

5．2 波导定向耦合器实物测试

5．3 结果误差分析

5．4 本章小结

6．1 研究工作总结

6．2 进一步研究工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢