基于MEMS三维微加工技术的太赫兹定向耦合器研究

The ultimate goal of this project is to develop a revolutionary, high-performance RF/microwave devices -THZ directional coupler, the objective of the research results can be applied to the micro unmanned aerial vehicle (uav) radar, the micro satellite communication system, radar precision guidance weapon, Spectroscopic detection ,optical imaging and wireless communications terminal equipment. In order to improve the precision and sensitivity of the terahertz directional coupler. A new method for preparing terahertz couplers using MEMS three-dimensional metal micromachining technology is proposed. With its low cost, high precision and mass production, the high-precision preparation of terahertz coupler is realized. The system integration is greatly improved, laying the technical foundation for the miniaturization, lightweight, integration, modularity, low cost and performance improvement of RF, microwave and millimeter wave electronic system.

本项目的最终目标是开发出一种革命性的、性能优越的射频/微波器件---太赫兹定向耦合器，本项目的研究成果可应用于微型无人机雷达、微型卫星通信系统、精确制导武器雷达、光谱检测、光学成像及无线通信终端设备。为了提高太赫兹定向耦合器的精度及灵敏度，提出了一种采用MEMS三维金属微加工技术来制作太赫兹耦合器的新方法。利用其低成本、高精度、可批量生产的特点，实现太赫兹耦合器的高精度制备。大大提高系统的集成度，为实现射频、微波和毫米波电子系统微型化、轻量化、集成化、模块化、低成本和性能提升奠定技术基础。

项目研究了定向耦合器在太赫兹波段的信号传输特性，建立了基于MEMS三维微加工技术的半导体材料模型，最后揭示了定向耦合器在太赫兹频段的电磁耦合与传输模型。以信号耦合方式为切入点，为了在缩短定向耦合器的长度的同时，保证强的耦合度和高的方向性，本项目基于小孔衍射理论、波导场理论及相位叠加原理，采用小孔耦合并压低耦合区波导高度和加入四分之一波长阻抗变换器相结合的方法，建模分析了定向耦合器小孔耦合机理与小孔分布情况，确定了信号耦合场中耦合孔的位置及其排列方式。并提出了一种采用MEMS三维微加工技术来制作太赫兹耦合器的新方法。结合现有的MEMS三维微加工技术条件，设计出合理的制备步骤，最终经过多次流片，得到了性能优异的太赫兹耦合器结构，同时，设计了封装结构，经封装得到了多层（多孔）的高集成度高频太赫兹定向耦合器。同时，搭建了太赫兹耦合器测试平台，并开发了太赫兹耦合器的分波导口测试方法和损耗补偿办法。对太赫兹耦合器在375GHz-500GHz范围内，进行了方向性，耦合度与反射系数标定，测得该多层耦合器的相对带宽达到了50%以上。太赫兹耦合器隔离度达到-27dB、耦合度-14dB、插入损耗-3dB、回波损耗-25dB。结果表明，太赫兹耦合器达到了很好的藕合性能。实现了申请书中提出的各项预期指标。此超低温压力传感器具有体积小、低成本，高集成度等优点，预计将在天体物理学（传感）、生物医学（药检、病检、美容）、环境科学（环境监测）、光谱与远距离成像技术（成像）、信息科学技术（大容量高速通讯）、军事等领域发挥重要作用。