[发明专利]非接触式波导开关和用于制造波导开关的方法

说明书

本发明涉及一种用于在波导通道的开状态与关状态之间进行切换的波导开关，该波导开关包括：可移动波导开关主体，该可移动波导开关主体包括：输入开口，该输入开口用于接收电磁波；输出开口，该输出开口用于释放电磁波；其中，该波导开关主体进一步包括阻挡元件，该阻挡元件被布置成使得在该开状态下，电磁波能够从该输入开口传递到该输出开口，并且在该关状态下，该阻挡元件基本上阻止电磁波从该输入开口行进到该输出开口，由此从该开状态到该关状态的切换是该波导开关主体的旋转运动或平移运动。本发明还涉及一种采用这种开关的波导系统和一种制造这种开关的方法。通过本发明，在高频系统中提供了非接触切换。

技术领域

本发明涉及一种用于在电磁波控制用的波导中在开状态与关状态之间进行切换的电磁波导切换方法。本发明还涉及一种用于制造这种装置的方法。

背景技术

超材料是电磁或声学特性取决于其结构而非构成它的基本元素的材料。通过设计与波长相比较小的单位晶胞并且将它们放置在阵列中，可以调谐其特性来操纵波。电磁超材料可以阻挡、吸收、增强甚至使电磁波弯曲。针对微波设计的超材料具有毫米量级下的单位晶胞，而光子超材料处于纳米量级。电磁带隙超材料可以控制传播、在特定方向上引导传播、并且在其他方向禁止传播。超材料有许多种，并且用于更高频率的一种类型是光子晶体。入射电磁波的相位可以通过使用光子晶体来控制。超材料基于将具有不同介电常数和形状的材料进行交替，并于1987年由两位独立的研究人员E.Yablonovitch[1]和S.John[2]首次提出。

最近，已经提出了被称为间隙波导技术的新型波导技术。该技术是基于利用超材料来限制传播的电磁波，而不是像今天的标准矩形波导那样利用固体导电壁。最常用于间隙波导的超材料(即所谓的针床(bed of nails)[3])用作人工磁导体(AMC)，并且和与其相对放置的理想电导体(PEC)一起，在两个表面之间形成电磁阻带，见图1A。通过将PEC表面放置在AMC表面之间，已经建立了用于电磁波传播的路径。然而，由于两侧上的阻带，电磁波不能远离路径传播，即不能偏离路径传播，见图1B。

间隙波导于2009年首次提出，并且以三种变体存在，即脊状间隙波导、槽隙波导和微带间隙波导[4，5]。2010年，提出了首次实现的10-20GHz的间隙波导[6]。此后，已经设计和制造了不同间隙波导装置的变体，比如微带电路、微带滤波器、基于槽隙波导的滤波器、天线和MMIC放大器的封装。

MEMS(微机电系统)开关用于比如微带线等平面技术中，其中它们要么短路(开)要么开路(关)，这引起了比常规半导体开关更高的隔离度和更低的损耗[7]。这些状态通过机械接触(通常是通过双端固定梁设置或悬臂梁设置)来实现。自20世纪80年代以来，已经开发了这些类型的MEMS开关[8]。MEMS开关中使用的机械接触会产生比如机械应力、变形、静摩擦等机械和电气问题，并且如果循环多次，则会产生欧姆接触电阻[9]或电容耦合的问题。这些问题导致可靠性低，并且是为什么MEMS开关在商业应用中没有大量使用的原因之一。

在较高的频率下，微带线损耗太大，替代地使用矩形波导。波导开关相对较新，并且迄今为止仅报道了几个。最早的波导MEMS开关之一于2004年提出，但最高只能工作到27GHz[10]。其他波导开关也随之而来，但是它们全部依赖于电气和机械接触，因此上述问题仍然是问题。因此，需要非接触式波导开关。

非接触式波导开关的一个应用是在接收器系统中。接收器及其天线形成了高分辨率外差光谱仪系统的重要部分。为了节省空间和限制较大的移动物体，不像普通的抛物面天线，天线应该是平面的、具有辐射单元阵列。为了操控波束，需要控制平面天线阵列的每个辐射元件的相位和幅度，以增强期望方向上的信号。在亚毫米波长的频率下，矩形波导天线阵列由于其低损耗而经常被使用。为了控制每个元件，需要波导开关。

参考文献