一种太赫兹MEMS频率可重构滤波器及其实现方法

本发明涉及太赫兹，具体而言，涉及一种太赫兹mems频率可重构滤波器及其实现方法。

背景技术：

1、太赫兹(thz)波一般指频率在0.1～10thz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区。

2、太赫兹滤波器作为太赫兹射频前端的重要组成部分，滤波器性能的好坏直接影响太赫兹收发机的性能，同时，由于单个太赫兹收发机往往只能支持一个特定的频率，因此在多频无线系统中，就需要多组滤波器来实现多频带的支持，传统上利用开关控制多个不同频段太赫兹滤波器进行工作和频带切换，导致了射频前端体积大、成本高、功耗高、频率调节不连续等问题，而当前相关研究的太赫兹频率可重构滤波器仍然存在性能差、体积大、频率调节时会影响滤波器工作带宽等问题，难以满足实际太赫兹系统的需求。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出一种太赫兹mems频率可重构滤波器及其实现方法，以通过偏置电压调节mems位移执行器的位移量，实现太赫兹波导滤波器的工作频率连续可调，具备损耗低、调谐范围大、频率连续调节且带宽恒定的优势，能够应用于太赫兹通信、雷达系统的工作频段调节和切换。

2、为此，本发明第一方面提供了一种太赫兹mems频率可重构滤波器。

3、本发明第二方面提供了一种太赫兹滤波器频率可重构的实现方法。

4、本发明提供了一种太赫兹mems频率可重构滤波器，包括：

5、波导组件，所述波导组件至少包括位于两端的两个矩形波导，以及位于两个所述矩形波导之间的n个矩形谐振腔和n+1个耦合窗口，且第n个矩形谐振腔位于第n个和第n+1个耦合窗口之间，共同构成一个n阶太赫兹滤波器，所述太赫兹滤波器的阶数n常用值为2～9，所述太赫兹滤波器的最佳工作频段为100ghz～2thz；

6、mems位移执行器，所述mems位移执行器为两组，并分别装配至由n个所述矩形谐振腔的两侧壁面形成的2n个调谐开口处，其中，每组所述mems位移执行器至少形成n个位移量可调的mems可调谐平面，2n个所述mems可调谐平面通过调节位移量来同步等值改变n个所述矩形谐振腔的宽度，以实现n阶太赫兹滤波器的中心频率可调且工作带宽不变。

7、根据本发明上述技术方案的太赫兹mems频率可重构滤波器，还可以具有以下附加技术特征：

8、在上述技术方案中，两个所述矩形波导包括第1矩形波导和第2矩形波导，所述第1矩形波导和所述第2矩形波导完全相同。

9、在上述技术方案中，n个所述矩形谐振腔包括第1矩形谐振腔至第n矩形谐振腔，其中，第1矩形谐振腔和第n矩形谐振腔完全相同，其余矩形谐振腔以此规律保持对称相同性，若n为奇数，则第(n+1)/2个矩形谐振腔不与其他矩形谐振腔相同。

10、在上述技术方案中，n+1个所述耦合窗口包括第1耦合窗口至第n+1耦合窗口，所述第1耦合窗口和所述第n+1耦合窗口完全相同，所述第2耦合窗口和所述第n耦合窗口完全相同，其余耦合窗口以此规律保持对称相同性，若n为偶数，则第(n+2)/2个矩形谐振腔不与其他矩形谐振腔相同。

11、在上述技术方案中，所述调谐开口由每个所述矩形谐振腔的两侧的波导壁开设形成。

12、在上述技术方案中，所述mems位移执行器至少包括基底组件和设置在所述基底组件的电源接口，还包括：

13、电变性构件组和金属面，所述电变性构件组与所述金属面构成连接，且所述电变性构件组被所述电源接口施加偏置电压后在部分位置产生形变以驱使所述金属面发生垂直于所述基底组件方向上的位移，并以此形成一个位移量可调的mems可调谐平面。

14、在本技术方案中，mems位移执行器由基底组件、电源接口、电变性构件和金属面构成。其中，基底组件作为基础结构，用于承载和安装其余结构。电源接口用于外接电源设备，以对电变性构件施加偏置电压。当电变性构件(电变性构件具体定义为：受到电压作用后会受热发生形变的构件或装置)接收到偏置电压后受热发生形变，并以此带动金属面产生位移，由金属面和部分电变性构件构成的平面为上述的mems可调谐平面，因此，mems可调谐平面具有位移量可调的特征，当此mems可调谐平面构成为太赫兹滤波器的矩形谐振腔的腔壁时，通过自身位移量可调的特征带来矩形谐振腔的宽度的变化，即矩形谐振腔的宽度同样具有可调性，由此实现太赫兹滤波器的频率可重构。

15、在上述技术方案中，所述电变性构件组包括相互连接的多个电变性构件和多个l型悬臂梁，其中，多个电变性构件接收到所述电源接口施加的偏置电压后在多个点位发生形变，并在此多点位形变协同作用下联动多个所述l型悬臂梁驱使所述金属面发生垂直于所述基底组件方向上的位移。

16、在本技术方案中，由于具有多个电变性构件，因此每个电变性构件的安装位置均为一个发生形变的点位，但需要对mems可调谐平面进行调节时，通过的多个电性构件在多个点位共同发生形变协同作用，来联动l型悬臂梁驱动mems可调谐平面的改变，上述调节过程效率较快，且响应更迅速。此外，多个形变点位的存在能够降低由某个电变性构件失效而带来的风险，从而保证本技术方案在某个电变性构件出现问题时，其余电变性构件依旧能够趋近于实现mems可调谐平面的可调。

17、在上述技术方案中，所述电变性构件组为四组，并以对置的形式连接在所述金属面的相对侧边。

18、在本技术方案中，四组电变性构件能够在金属面的相对侧边进行响应动作，以保证金属面受到作用力的平衡，进而确保金属面发生位移时的平稳和平滑。此外，即使同侧的某一组电变性构件组失效，另外一组的电变性构件组依旧能够驱动金属面完成位移，进而进一步地降低由某个电变性构件失效而带来的风险。

19、在上述技术方案中，每组所述电变性构件组包括三个电变性构件和两个l型悬臂梁，其中：

20、位于所述电源接口与其中一个l型悬臂梁之间的电变性构件形成此组所述电变性构件组的第一形变点；

21、位于两个所述l型悬臂梁之间的电变性构件形成此组所述电变性构件的第二形变点；以及

22、位于所述金属面与其中另一个l型悬臂梁之间的电变性构件形成此组所述电变性构件组的第三形变点；

23、当所述电源接口施加偏置电源时，所述电变性构件在第一形变点、第二形变点以及第三形变点发生同步或不同步形变。

24、在本技术方案中，每组电变性构件组均形成有三个形变点。当外接电源通过电源接口对电变性构件施加偏置电源时，其一个电变性构件在第一形变点受热形变，驱使与其连接的第一l型悬臂梁以倾斜的姿态进行向上的动作，与此同时，第一l型悬臂梁的动作同步带动了第二l型悬臂梁进行向上的动作。在上述基础上，其另一个电变性构件在第二形变点受热变形，驱使与其连接的第二l型悬臂梁进一步以倾斜的姿态进行向上的动作，由此通过电变性构件在第一形变点和第二形变点发生形变并联动l型悬臂梁驱使金属面进行了较大位移动作，从而确保mems可调谐平面具有较大范围内的可调位移量，进而保证矩形谐振腔宽度的较大可调量。其另一个电变性构件在第三形变点受热形变，以直接驱动金属面在小范围内进行位移量的调节，确保精准性。

25、在上述技术方案中，每个所述电变性构件由呈现双层结构的多根双晶片悬臂梁构成，且两层双晶片悬臂梁的热膨胀系数不同，多个由双晶片悬臂梁构成所述电变性构件共同构成双晶片悬臂梁阵列。

26、在本技术方案中，对电变性构件的具体构造进行了限定。由于两层双晶片悬臂梁在空间位置上的差异，因此需要每层双晶片悬臂梁在受热情况下具有不同的形变弯度或角度，由此通过限定的两层双晶片悬臂梁的热膨胀系数不同来满足上述需求。此外，多个由双晶片悬臂梁构成所述电变性构件共同构成双晶片悬臂梁阵列，用以形成结构的规整，确保各个形变点具有对应性，从而避免电变性构件受热后产生的形变作用力相互冲突，进而保证对mems可调谐平面的调节作用力的统一性。

27、在上述技术方案中，所述基底组件包括衬底和金属基底，所述衬底形成安装槽，所述金属基底置于所述安装槽内。

28、在本技术方案中，基底组件有衬底和金属基底构成，各个部件的尺寸规格可根据实际工况进行调整和优化，在此不做具体限定。

29、本发明还提出了一种太赫兹滤波器频率可重构的实现方法，使用如上述技术方案所述的太赫兹mems频率可重构滤波器，至少包括如下步骤：

30、外部电源通过电源接口加载偏置电压至双晶片悬臂梁阵列，并且通过同步等值调节偏置电压的大小来改变2n个mems可调谐平面发生在垂直衬底方向的位移量，使得太赫兹滤波器的n个矩形谐振腔的宽度同步等值变化，实现n阶太赫兹滤波器的中心频率可调且工作带宽不变。

31、本发明提出的太赫兹滤波器频率可重构的实现方法，具有上述全部的有益效果，在此不再赘述。

32、由此可见，本发明提出的一种太赫兹mems频率可重构滤波器及其实现方法，具有以下有益效果：

33、1.本发明具有大范围连续调节太赫兹波工作频率的功能，解决了当前太赫兹射频前端系统中工作频率调节困难且频率调节不连续的问题；

34、2.本发明通过mems位移执行器嵌入到太赫兹波导滤波器中，利用偏置电压改变mems调谐金属面的位移量，利用这种mems微型可动结构调节太赫兹滤波器的工作频率，解决了当前太赫兹可重构滤波器性能差且体积大的问题；

35、3.本发明通过同步对称改变太赫兹波导滤波器谐振宽度的方法，实现太赫兹滤波器的工作频率连续可调而工作带宽保持不变，解决了传统太赫兹滤波器工作频率调节时工作带宽变化的问题；

36、4.本发明中采用的mems位移执行器具有结构小、损耗低、易于太赫兹器件集成、便于大规模加工的优点。

37、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。