【摘 要】
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MEMS是以微电子技术为基石发展起来的多学科交叉综合的新兴研究领域,其中一个重要分支及应用领域为射频微电子机械系统(RF MEMS)。RF MEMS器件得益于其低功耗、小型化、优良微波性能、高集成度等诸多优势,在诸多领域有着广泛的应用前景。在射频系统中,可调谐微波衰减器作为调节信号电平的高频器件需求度很高。它们在自动增益控制放大器、宽带矢量调制器等射频电路中广泛应用。同时,可调谐微波均衡器能够调节
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MEMS是以微电子技术为基石发展起来的多学科交叉综合的新兴研究领域,其中一个重要分支及应用领域为射频微电子机械系统(RF MEMS)。RF MEMS器件得益于其低功耗、小型化、优良微波性能、高集成度等诸多优势,在诸多领域有着广泛的应用前景。在射频系统中,可调谐微波衰减器作为调节信号电平的高频器件需求度很高。它们在自动增益控制放大器、宽带矢量调制器等射频电路中广泛应用。同时,可调谐微波均衡器能够调节微波信号在宽频带的幅频响应特征,因此在微波通信系统和雷达系统中发挥着重要的作用。目前来说,RF MEMS衰减器和均衡器通常采用RF MEMS开关来实现。尽管传统的RF MEMS衰减器和均衡器具有良好的微波性能,但它们的高驱动电压、高制造成本和低可靠性限制了其广泛应用。为此,各种微波均衡器和衰减器的改进结构被提出,而将新型二维材料应用于传统微波器件中便是其中一个重要改进方向。本论文将探究性能优良的新型二维材料石墨烯的电学模型及热学模型,分析外加电压和温度对其电阻的影响,并将其应用于微波衰减器和均衡器中,设计出可调谐的新型微波衰减器与均衡器。本文对射频电子器件的研究背景、发展现况以及新材料在微波器件中的应用进行调研分析后,展开了以下研究工作:(1)基于石墨烯结构及电阻的基本理论,建立单层石墨烯的电学模型与热学模型,通过模型理论上分析电压和温度对单层石墨烯电阻的影响。在此基础上,实验测试石墨烯电阻的压控特性和温控特性,探究石墨烯的电阻随电压和温度的变化规律,以大量的实验数据获得了与理论相符的石墨烯电阻压控与温控曲线。(2)建立典型共面波导结构微波衰减器和微带结构微波均衡器的理论模型,在此基础上提出可重构微波衰减器与均衡器的设计思路,即用石墨烯替代传统的吸收电阻,利用石墨烯独特的电阻调控方式实现衰减器衰减量及均衡器均衡曲线的连续可重构。在ADS和HFSS电磁模拟仿真软件中对基于石墨烯的可调谐微波衰减器和均衡器结构进行了优化设计,仿真结果显示,通过对单层石墨烯电阻的调节可以实现一定范围内的任意衰减量和均衡曲线,即实现微波衰减器和均衡器的连续可调谐功能。(3)针对基于石墨烯的新型连续可调谐衰减器和均衡器,以电压和温度两种调控方式设计了四种版图结构并对其进行了制备和测试,测试结果验证了设计方法的正确性和有效性。本文将二维新材料石墨烯应用于传统的微波器件中,利用石墨烯电阻的压控和温控特性实现在线连续调节,且电路体积小、结构简单、设计便利,是传统MEMS器件创新性研究与应用的一次有意义的尝试。
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