非線性電磁結(jié)構(gòu)的新型射頻器件關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人造電磁結(jié)構(gòu)是一種人工合成的功能型結(jié)構(gòu)，具有諸多奇異電磁特性和廣泛應(yīng)用需求，自其發(fā)明以來(lái)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的持續(xù)重視和廣泛研究。隨著微納加工技術(shù)的成熟及加工精度的提高，人造電磁結(jié)構(gòu)的單元尺寸愈來(lái)愈小，微觀尺度上電磁波和物質(zhì)之間的耦合互作用機(jī)理及效應(yīng)得到深入研究與應(yīng)用。目前，人造電磁結(jié)構(gòu)技術(shù)研究中仍存在著諸多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，如傳輸損耗大、工作帶寬窄、工作頻段不易控制調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，限制了人造電磁結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。有源可控調(diào)諧型電磁結(jié)構(gòu)、

2、非線性電磁結(jié)構(gòu)為突破上述技術(shù)瓶頸提供了潛在的解決方案。為了拓展人造電磁結(jié)構(gòu)工作帶寬，實(shí)現(xiàn)其工作頻段智能可調(diào)等目的，本論文深入研究了新型頻率可控調(diào)諧型電磁結(jié)構(gòu)和非線性電磁結(jié)構(gòu)的合成機(jī)理、設(shè)計(jì)方法和電磁特性分析方法，在此基礎(chǔ)上研制出頻率可控可調(diào)諧型電磁結(jié)構(gòu)吸波體，設(shè)計(jì)出基于人造電磁結(jié)構(gòu)單元的微波濾波器、雙工器、多工器等小型化功能器件；研究分析了光機(jī)械腔體的非線性耦合特性，及其在離心力作用下機(jī)械振子的位移機(jī)理和效應(yīng)，研制出基于光子晶體電磁結(jié)構(gòu)

3、的低相噪微波振蕩器、超靈敏直流加速度計(jì)等芯片。
　　本論文主要研究工作及創(chuàng)新貢獻(xiàn)如下：
　　1.在分析鐵氧體的磁導(dǎo)率隨外加直流控制磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的機(jī)理及規(guī)律基礎(chǔ)上，深入研究了基于鐵氧體的雙頻段新型微波電磁結(jié)構(gòu)和單頻段太赫茲（THz）電磁結(jié)構(gòu)的合成機(jī)理及電磁特性分析方法；設(shè)計(jì)出鐵氧體中嵌入周期SRR-Wire結(jié)構(gòu)、Ω-型結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)短金屬線結(jié)構(gòu)的雙頻段可調(diào)諧型電磁結(jié)構(gòu)，以及鐵氧體中嵌入周期金屬線的單頻段THz電磁結(jié)構(gòu)；分析了這

4、些人造電磁結(jié)構(gòu)中電磁波傳輸、反射、折射率等特性及工作頻率可調(diào)諧范圍，仿真結(jié)果表明這類電磁結(jié)構(gòu)在外加直流磁場(chǎng)作用下的最大調(diào)諧率達(dá)到2.85MHz/Oe，調(diào)諧范圍達(dá)到中心頻率的23％。
　　2.綜合運(yùn)用電動(dòng)力學(xué)、靜磁學(xué)和非線性耦合理論，研究了一種磁致伸縮非線性電磁結(jié)構(gòu)中電磁力與彈性力之間的非線性耦合互作用機(jī)理和控制規(guī)律，研究了磁致伸縮非線性電磁結(jié)構(gòu)的電磁特性仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法；在此基礎(chǔ)上分析了C-波段非線性電磁結(jié)構(gòu)的諧振頻率隨入射電磁

5、波功率變化時(shí)產(chǎn)生的頻移范圍，測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)入射電磁波功率從-20dBm增加到5dBm時(shí)，諧振頻率偏移量為1.5MHz；最后提出了基于磁流變液的磁可控非線性電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路與方法。
　　3.采用矩形波導(dǎo)測(cè)試法并結(jié)合電磁結(jié)構(gòu)吸波體合成機(jī)理，研制出了X-波段基于雪花狀諧振單元的極化不敏感寬入射角電磁結(jié)構(gòu)吸波體、模式可控單頻/雙頻電磁結(jié)構(gòu)吸波體，基于鐵氧體的頻率可調(diào)諧電磁結(jié)構(gòu)吸波體，以及基于FR4介質(zhì)覆蓋層的機(jī)械可調(diào)諧電磁結(jié)構(gòu)吸波體；綜合

6、運(yùn)用電磁理論分析、電磁仿真、物理實(shí)驗(yàn)等手段，深入研究了此幾種電磁結(jié)構(gòu)吸波體的吸波模式、吸波強(qiáng)度的可控規(guī)律和吸波工作頻率的調(diào)諧范圍，測(cè)試結(jié)果表明此類電磁結(jié)構(gòu)吸波體的吸波頻段最大調(diào)諧范圍達(dá)到中心頻率的20%。
　　4.基于耦合理論并結(jié)合電磁仿真驗(yàn)證，分析了兩個(gè)非對(duì)稱諧振金屬環(huán)之間電感耦合和磁感耦合的機(jī)理、效應(yīng)，深入研究了基于非對(duì)稱諧振金屬環(huán)的帶通濾波器合成機(jī)理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型化帶通濾波器單元，發(fā)展出S-波段小型化高階濾波器、雙工器、多

7、工器等微波器件，仿真和實(shí)驗(yàn)研究了這類微波器件的濾波性能和頻率選擇特性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果表明此類具有電小尺寸特性的微波器件回波損耗均大于10dB、最小插入損耗為1.25dB、端口隔離度均大于20dB，具備與常規(guī)微波功能組件性能相當(dāng)?shù)募夹g(shù)指標(biāo)。
　　5.基于光-機(jī)械耦合理論，分析了基于光子晶體電磁結(jié)構(gòu)的光機(jī)械腔體中光學(xué)和機(jī)械模式非線性互耦合機(jī)理，設(shè)計(jì)研制了一種集成有片上鍺光電探測(cè)器的腔體光機(jī)械射頻振蕩器芯片，實(shí)驗(yàn)研究了該光機(jī)械振

8、蕩器的參數(shù)光機(jī)械振蕩功率閥值、輸出信號(hào)相噪特性、諧波/分頻產(chǎn)生特性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；研究了該硅基光機(jī)械系統(tǒng)中自由載流子振蕩和參數(shù)光機(jī)械振蕩之間互作用機(jī)理和自鎖頻現(xiàn)象、不同機(jī)械模式之間互作用機(jī)理和頻率合成現(xiàn)象；測(cè)試獲得了低相噪（-125dBc/Hz@10kHz）射頻頻率源和高達(dá)6.9GHz的諧波信號(hào)，以及1/2、1/3、1/4等亞諧波信號(hào)輸出。
　　6.基于光-機(jī)械耦合理論，分析了基于光子晶體電磁結(jié)構(gòu)的光機(jī)械腔體在外加離心力作用下機(jī)械

9、振子的位移機(jī)理和效應(yīng)，研究了一種基于光機(jī)械腔體的直流加速度計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，并研制出腔體光機(jī)械直流加速度計(jì)芯片；實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該直流加速度計(jì)的頻率穩(wěn)定性、探測(cè)靈敏度和分辨率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并理論推導(dǎo)了該加速度計(jì)的探測(cè)靈敏度和分辨率熱噪聲極限、量子反作用噪聲極限特性；研究了結(jié)構(gòu)改進(jìn)型加速度計(jì)的光學(xué)傳輸、機(jī)械諧振、光機(jī)械耦合率等關(guān)鍵性能特性，以及提出了控制光機(jī)械耦合率的有效途徑，測(cè)試結(jié)果表明這種直流加速度計(jì)的探測(cè)靈敏度能達(dá)到625μg/Hz，探測(cè)

10、分辨率達(dá)到8.2μg/Hz，線性動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到43.1dB，同時(shí)獲得了超過(guò)100階的諧波和1/6亞諧波信號(hào)輸出。
　　本論文突破了常規(guī)電磁/吸波/非線性電磁結(jié)構(gòu)工作帶寬窄、工作頻率固定不可調(diào)諧等技術(shù)瓶頸，發(fā)展出了多種寬帶可調(diào)諧的電磁/吸波/非線性電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，顯著降低了微波功能器件的等效電尺寸；研制出了集成有鍺光電探測(cè)器的低相噪微波振蕩器，以及超靈敏直流加速度計(jì)芯片。本論文研究成果的實(shí)現(xiàn)，可用于微波/毫米波通信器件、熱/電磁