非線性電磁結構的新型射頻器件關鍵技術研究.pdf

1、人造電磁結構是一種人工合成的功能型結構，具有諸多奇異電磁特性和廣泛應用需求，自其發(fā)明以來受到學術界和工業(yè)界的持續(xù)重視和廣泛研究。隨著微納加工技術的成熟及加工精度的提高，人造電磁結構的單元尺寸愈來愈小，微觀尺度上電磁波和物質(zhì)之間的耦合互作用機理及效應得到深入研究與應用。目前，人造電磁結構技術研究中仍存在著諸多亟待解決的關鍵技術問題，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，限制了人造電磁結構的廣泛應用。有源可控調(diào)諧型電磁結構、

2、非線性電磁結構為突破上述技術瓶頸提供了潛在的解決方案。為了拓展人造電磁結構工作帶寬，實現(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)諧型電磁結構和非線性電磁結構的合成機理、設計方法和電磁特性分析方法，在此基礎上研制出頻率可控可調(diào)諧型電磁結構吸波體，設計出基于人造電磁結構單元的微波濾波器、雙工器、多工器等小型化功能器件；研究分析了光機械腔體的非線性耦合特性，及其在離心力作用下機械振子的位移機理和效應，研制出基于光子晶體電磁結構

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

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

5、波功率變化時產(chǎn)生的頻移范圍，測試結果表明當入射電磁波功率從-20dBm增加到5dBm時，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構設計思路與方法。
　　3.采用矩形波導測試法并結合電磁結構吸波體合成機理，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構吸波體、模式可控單頻/雙頻電磁結構吸波體，基于鐵氧體的頻率可調(diào)諧電磁結構吸波體，以及基于FR4介質(zhì)覆蓋層的機械可調(diào)諧電磁結構吸波體；綜合

6、運用電磁理論分析、電磁仿真、物理實驗等手段，深入研究了此幾種電磁結構吸波體的吸波模式、吸波強度的可控規(guī)律和吸波工作頻率的調(diào)諧范圍，測試結果表明此類電磁結構吸波體的吸波頻段最大調(diào)諧范圍達到中心頻率的20%。
　　4.基于耦合理論并結合電磁仿真驗證，分析了兩個非對稱諧振金屬環(huán)之間電感耦合和磁感耦合的機理、效應，深入研究了基于非對稱諧振金屬環(huán)的帶通濾波器合成機理，設計實現(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，仿真和實驗研究了這類微波器件的濾波性能和頻率選擇特性等關鍵技術問題，測試結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?shù)募夹g指標。
　　5.基于光-機械耦合理論，分析了基于光子晶體電磁結構的光機械腔體中光學和機械模式非線性互耦合機理，設計研制了一種集成有片上鍺光電探測器的腔體光機械射頻振蕩器芯片，實驗研究了該光機械振

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

9、振子的位移機理和效應，研究了一種基于光機械腔體的直流加速度計設計實現(xiàn)方法，并研制出腔體光機械直流加速度計芯片；實驗測試了該直流加速度計的頻率穩(wěn)定性、探測靈敏度和分辨率等關鍵技術指標，并理論推導了該加速度計的探測靈敏度和分辨率熱噪聲極限、量子反作用噪聲極限特性；研究了結構改進型加速度計的光學傳輸、機械諧振、光機械耦合率等關鍵性能特性，以及提出了控制光機械耦合率的有效途徑，測試結果表明這種直流加速度計的探測靈敏度能達到625μg/Hz，探測

10、分辨率達到8.2μg/Hz，線性動態(tài)范圍達到43.1dB，同時獲得了超過100階的諧波和1/6亞諧波信號輸出。
　　本論文突破了常規(guī)電磁/吸波/非線性電磁結構工作帶寬窄、工作頻率固定不可調(diào)諧等技術瓶頸，發(fā)展出了多種寬帶可調(diào)諧的電磁/吸波/非線性電磁結構設計實現(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器的低相噪微波振蕩器，以及超靈敏直流加速度計芯片。本論文研究成果的實現(xiàn)，可用于微波/毫米波通信器件、熱/電磁