非接触式波导开关和用于制造波导开关的方法
阅读说明：本技术 非接触式波导开关和用于制造波导开关的方法 (Non-contact waveguide switch and method for manufacturing waveguide switch ) 是由 索菲亚·拉希米内贾德 彼得·埃诺克松 舒尔德·哈斯尔 于 2018-11-05 设计创作，主要内容包括：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。(The present invention relates to a waveguide switch for switching between an on-state and an off-state of a waveguide channel, the waveguide switch comprising: a movable waveguide switch body, the movable waveguide switch body comprising: an input opening for receiving electromagnetic waves; an output opening for releasing electromagnetic waves; wherein the waveguide switch body further comprises a blocking element arranged such that in the on-state electromagnetic waves can pass from the input opening to the output opening, and in the off-state the blocking element substantially prevents electromagnetic waves from traveling from the input opening to the output opening, whereby the switching from the on-state to the off-state is a rotational or translational movement of the waveguide switch body. The invention also relates to a waveguide system employing such a switch and to a method of manufacturing such a switch. By means of the invention, contactless switching is provided in high frequency systems.)
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
[1]E.Yabloovitch,“Inhibited Spontaneous Emission in Solid-StatePhysics and Electronics,”Physical Review Letters,vol.58,no.20,pp.2059-2062,1987.
[2]S.John,“Strong Localization of Photons in Certain DisorderedDielectric Supperlattices,”Physical Review Letters,vol.58,no.23,pp.2486-2489,1987.
[3]M.G.Silveirinha,et al.,“Electromagnetic characterization oftextured surfaces formed by metallic pins,”IEEE Transactions ON Antennas andPropagation,vol.56,pp.405-415,2008.
[4]P.-S.Kildal,et al.,“Local metamaterial-based waveguides in gapsbetween parallel metal plates,”IEEE Antennas Wirel.Propag.Lett.,vol.8,pp.84-87,2009.
[5]P.-S.Kildal,“Three metamaterial-based gap waveguides betweenparallel metal plates for mm/submm waves,”in 3rd European Conference ONAntennas and Propagation(EuCAP 2009),2009,vol.8,no.March,pp.84-87.
[6]P.-S.Kildal,et al.,“Design and experimental verification of ridgegap waveguide in bed of nails for parallel plate mode suppression,”IETMicrowaves,Antennas Propag.,vol.5,no.3,pp.262-270,2011.
[7]H.Jaafar,et al.,“A comprehensive study ON RF MEMS switch,”Microsyst.Technol.,pp.2109-2121,2014.
[8]G.M.Rebeiz,RF MEMS:Theory,Design,and Technology.John Wiley&Sons,2003.
[9]A.Tazzoli,et al.,“Reliability issues in RF-MEMS switches submittedto cycling and ESD test,”in IEEE International Reliability Physics SymposiumProceedings,2006,pp.410-415.
[10]M.Daneshmand,et al.,“RF MEMS waveguide switch,”in 2004 IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium Digest(IEEE Cat.No.04CH37535),vol.2,pp.589-592.
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺点，因此本发明的目的在于至少部分减轻上述问题。另外，本发明的目的还在于提供一种改进的、特别是更可靠的波导开关。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于在波导中重复使用的波导开关，例如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。
由此，提供了一种非接触式波导开关。非接触式是指在不启动、改变或中断任何机械接触的情况下，执行开状态与关状态之间的重新配置。
根据本发明的第二方面，提供了一种波导，该波导具有对上述相同问题的替代性解决方案。该波导包括：
波导开关主体，该波导开关主体包括：
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，由此通过到该阻挡元件的控制电压来激活从该开状态到该关状态的切换。
由此，提供了一种非接触式波导开关。非接触式是指在不启动、改变或中断任何机械接触的情况下，执行开状态与关状态之间的重新配置。
根据本发明的第三方面，提供了一种波导，该波导具有对上述相同问题的替代性解决方案。该波导包括：
波导开关主体，该波导开关主体包括：
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，
导电盖，该导电盖具有可移动区段，
其中，该波导开关主体进一步包括可移动元件，该可移动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，该可移动元件改变该阻带，因此使从该输入开口行进的电磁波远离该输出开口转向，由此通过该可移动元件的电气、机械或热致动来激活从该开状态到该关状态的切换。
由此，实现了非接触式波导开关。非接触式是指在不启动、改变或中断任何机械接触的情况下，执行开状态与关状态之间的重新配置。
根据本发明的第四方面，提供了一种波导，该波导具有对上述相同问题的替代性解决方案。该波导包括：
波导开关主体，该波导开关主体包括：
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，
超材料表面的可移动单元元件，
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超材料表面的一个或多个单元元件的平移运动。
由此，实现了非接触式波导开关。非接触式是指在不启动、改变或中断任何机械接触的情况下，执行开状态与关状态之间的重新配置。
波导开关应该被解释为能够在开状态下基本上阻碍电磁波的主要部分被接收，而在关状态下仅阻碍电磁波的小部分。
与先前的波导开关相比，本发明的实施例涉及通过利用超材料在没有任何机械或电气接触的情况下在波导的开状态与关状态之间进行切换。本发明的实施例可以在射频(3kHz-300GHz)以及毫米波(300GHz-400THz)和光频率(400THz-700THz)下使用。通过使用超材料表面，电磁波的传播可以被控制，而无需施加需要机械和电气接触的物理障碍物。
根据至少一个示例性实施例，该阻挡元件包括超材料，所述超材料包括以下结构中的一个或多个的阵列：
-销；
-凹槽；
-弹簧；
-倒金字塔；¨
-孔；
-印刷电路板上的过孔，其顶部上印刷有导电表面，即所谓的蘑菇形；以及
-具有不同折射率的材料的交替图案。
根据至少一个示例性实施例，该超材料是人工磁导体。
根据至少一个示例性实施例，波导系统可以包括：
-在前面讨论的类型的波导开关，以及
-以下类型中的至少一种类型的波导：矩形波导、圆形波导、基片集成波导、微带线、光子晶体、间隙波导和光波导。
根据至少一个示例性实施例，该超材料是人工磁导体，并且该阻挡元件进一步包括导电表面以形成阻带。
根据至少一个示例性实施例，该阻挡元件包括超材料，并且进一步包括放置在该阻挡元件的顶部上的可调谐导电表面，由此该可调谐导电表面能够在导电表面与人工导磁表面之间进行切换。
当可调谐导电表面不导电时，禁止电磁波在这个表面上传播。当可调谐导电表面导电时，电磁波可以在其上传播。
根据至少一个示例性实施例，该可调谐导电表面包括石墨烯。
根据至少一个示例性实施例，通过改变导电盖与该人工导磁表面之间的距离来获得该开状态和该关状态，因此操纵该阻带。
根据至少一个示例性实施例，到该导电盖和该人工导磁表面的距离通过经由电气、机械或热致动移动该导电盖来实现。
根据至少一个示例性实施例，到该导电盖和该人工导磁表面的距离通过用电气或热致动使该导电盖屈曲来实现。
根据至少一个示例性实施例，与该人工磁性表面一起形成阻带的该导电盖具有覆盖有可调谐导电片的开口。通过改变可调谐导电片的导电性，可以操纵该阻带。
根据至少一个示例性实施例，通过出现在槽隙波导通道中的销(如活塞)来实现该关状态，从而在路径的中部形成阻带，因此禁止电磁波继续向前传播。
根据至少一个示例性实施例，使用微机加工、纳米技术、铣削、3D打印、光刻、增材制造、CVD生长和/或模制来制造该波导开关的运动。
根据至少一个示例性实施例，使用MEMS、纳米技术和/或机电致动器来致动该波导开关的运动。
根据至少一个示例性实施例，在使用中从该输出开口释放的电磁波已经被穿过该波导开关的通道重新定向。
根据至少一个示例性实施例，该波导开关可以在以下频率范围中的至少一个中操作：3kHz-300GHz、300GHz-400THz、以及400THz-700THz。
根据至少一个示例性实施例，用于制造波导开关的方法包括以下步骤：
-使用前述制造技术中的一种来提供波导主体以制造该波导主体，
-使用前述制造技术中的一种以制造该波导开关，
-将该波导开关连接到致动器、可变电压调节器和/或可变电流调节器，
-将该波导开关放置到任何类型的波导系统中。
附图说明
示例性的目的，现在将参照附图更详细地讨论本发明，附图示出了本发明的示例性实施例，在附图中：
图1A示出了针床表面(AMC)和相对的PEC表面，在两个表面之间形成了电磁阻带。
图1B示出了具有嵌入其间的PEC表面的AMC以及相对的PEC表面，其中箭头分别表示电场和磁场。
图2A示出了处于开状态的旋转波导开关的俯视图。
图2B示出了处于开状态的旋转波导开关的侧视图。
图2C示出了处于开状态的旋转波导开关的等距视图。
图2D示出了处于关状态的旋转波导开关的俯视图。
图2E示出了处于关状态的旋转波导开关的等距视图。
图3A示出了两个脊之间悬挂有石墨烯片的脊状间隙波导的等距视图。在石墨烯片下方有两个销，用作人工导磁表面。
图3B是两个脊之间悬挂有石墨烯片的脊状间隙波导的俯视图。在石墨烯片下方有两个销，用作人工导磁表面。
图3C示出了上方带有导电盖的脊状间隙波导的侧视图。
图4A示出了具有呈销的形式的周围超材料表面的波导板的前视图。
图4B示出了具有呈销的形式的周围超材料表面的波导板的等距视图。
图4C示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其开状态的波导开关的等距视图。
图4D示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其开状态的波导开关的前视图。
图4E示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其开状态的波导开关的俯视图。
图4F示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其开状态的波导开关的侧视图。
图4G示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其关状态的波导开关的等距视图。
图4H示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其开状态的波导开关的前视图。
图4I示出了具有超材料覆盖的波导板的、处于其开状态的波导开关的侧视图。
图5A示出了处于开状态的波导开关的等距视图。
图5B示出了处于开状态的波导开关的俯视图。
图5C示出了处于开状态的波导开关的侧视图。
图5D示出了处于开状态的波导开关的右侧视图。
图5E示出了处于关状态的波导开关的等距视图。
图5F示出了处于关状态的波导开关的俯视图。
图5G示出了处于关状态的波导开关的侧视图。
图6A示出了处于开状态的波导开关的等距视图。
图6B示出了脊和周围销的等距视图。
图6C示出了处于开状态的波导开关的俯视图。
图6D示出了处于开状态的波导开关的侧视图。
图6E示出了处于关状态的波导开关的等距视图。
图6F示出了处于关状态的波导开关的侧视图。
图6G示出了处于关状态的波导开关的右侧视图。
具体实施方式
下文将结合附图描述本发明的各个方面，以展示而非限制本发明，其中相同的标记表示相同的元件，并且发明方面的变化不限于具体示出的实施例，而是可应用于本发明的其他变化。
以前的波导开关通过用固体导电壁或通过电磁壁(在其中连接有比波长更小的元件)来阻挡传播的波而实现关状态。这种类型的配置会产生比如机械应力、变形、静摩擦等问题，并且如果循环多次，则会产生欧姆接触电阻、电容耦合和机械疲劳等问题。
与前面描述的常规波导开关相反，本发明的实施例在没有任何机械或电气接触的情况下利用超材料在关状态与开状态之间对波导进行切换。
现在将参照图2描述本发明的一个实施例。该装置包括可以旋转的波导区段205。在可旋转波导区段外部，示出了半圆形导电壁203。在旋转波导区段205的外围，存在呈销或凹槽形式的超材料表面204，该超材料表面与导电壁203一起形成阻带。通过波导区段，将波导通道202放置成使得电磁波能够从输入开口206行进到输出开口206。应注意，任一侧可以用作输入开口和输出开口。
可旋转波导区段205被放置在下面例如由微型发动机小齿轮驱动的旋转齿轮上。小齿轮可以由两个线性移动的静电致动器驱动，一个在横向方向上移动而另一个在纵向方向上移动，它们一起形成小齿轮的边缘的圆周运动，因此使得小齿轮旋转，并且使得波导区段放置在其上的较大齿轮旋转。波导区段放置在其上的齿轮也可以通过被连接到更远的微型发动机的周围微链进行旋转。尽管在本示例中，驱动器被解释为微型装置，但这种技术是可扩展的，并且可以被实施用于在较低频率下操作的较大结构。
当波导开关处于开状态(图2A至图2C)时，传播的电磁波将从输入206行进通过波导区段205，由于两侧203 204上的阻带而不会泄漏到侧部。当波导区段旋转到其关状态时(图2D至图2E)，波导通道被关闭，并且周围的超材料204仍将在侧部203上形成阻带，因此禁止电磁波泄漏直到侧部203。
尽管销和/或凹槽被描述为超材料，但是本领域技术人员将认识到，可以使用可以形成电磁阻带的任何超材料图案，例如通过交替具有不同介电常数的材料形成的超材料图案。因此，在此描述的构思、系统和技术不限于能够形成AMC表面的任何类型的特定超材料表面。
现在将参照图3描述另一实施例。该实施例利用了脊状间隙波导的构思。脊状间隙波导由放置在AMC表面301之间的导电脊302组成，在本示例中，AMC利用金属销301来实现。在脊和AMC的上方放置了覆盖的导电板304，因此，在脊的外部有阻带，并且电磁波只能够在脊302的上方行进，而不能行进到AMC 301所在的侧部。
脊的区段由呈销303的形式的超材料表面代替。位于超材料表面303的顶部上的是石墨烯片305。石墨烯片305连接到可变电压调节器。通过使得施加在石墨烯片305上的电压或机械应变交替，石墨烯片改变其导电特性，并且可以被调谐为几乎不具有导电性(因此像电介质一样起作用)或者是完全导电的。例如通过将探针连接到AMC 301的金属表面或者通过在下面的销303中的一个销中的过孔，石墨烯可以连接到可变电压调节器，因此将石墨烯电连接到可变电压调节器所连接的芯片的背面。当石墨烯导电时，电磁波可以行进穿过石墨烯片305，并且波导将处于开状态。当石墨烯片不导电时，下面的超材料303将与相对的导电盖304一起形成电磁阻带。电磁波因此不能行进穿过这个表面，并且因此将被阻挡并反射回来。类似地，这种材料可以用来打开或关闭顶板的导电性。
尽管描述了石墨烯，但是本领域技术人员将认识到，可以使用可以通过施加的电压而改变导电性的任何材料。因此，在此描述的构思、系统和技术不限于任何特定类型的可调谐导电表面。
现在将参照图4描述另一实施例。本发明的实施例利用竖直于波导401的波导板402。该板在中心404处具有波导开口，并且围绕波导开口的是呈销403形式的超材料表面。开关的开状态(图4A至图4D)是在板405的波导开口与波导开口404齐平的情况下。通过竖直或横向地移动板，超材料表面403将阻挡波并且禁止波传播到侧部，因此形成关状态，见图4E至图4G。板通过马达或线性静电致动器竖直或横向地移动。
现在将参照图5描述另一实施例。图5示出了槽隙波导，该槽隙波导包括在波导通道501的两侧上具有呈销502形式的超材料表面的波导通道501。在槽隙波导的顶部上，导电盖503被放置于槽隙波导上方小于四分之一波长的距离处。当波导开关处于其开状态时(图5A至图5D)，传播的电磁波将从波导通道的输入行进到输出501，由于两侧502上的阻带而不会泄漏到侧部。当波导开关处于其关状态时(图5E至图5G)，销504将类似于波导通道501中的活塞出现，从而在通道501的中部形成阻带，因此阻挡入射波并将其反射。
尽管销和/或凹槽被描述为超材料，但是本领域技术人员将认识到，可以使用可以形成电磁阻带的任何超材料图案，例如通过交替具有不同介电常数的材料形成的超材料图案。因此，在此描述的构思、系统和技术不限于能够形成AMC表面的任何类型的特定超材料表面。
现在将参照图6描述另一实施例。图6示出了脊状间隙波导，其中导电盖602在脊状间隙波导上方小于四分之一波长的距离处。导电盖604的区段可以被移动，以便改变到下面的超材料表面601的距离。盖的可移动区段通过铰链603连接。当波导开关处于其开状态时(图6A至图6D)，传播的电磁波将从脊605的输入行进到输出，由于超材料表面601和覆盖的盖602在两侧上形成的阻带而不会泄漏到侧部。当波导开关处于其关状态时(图6E至图6G)，盖的可移动区段被提升，使得阻带在盖下面内爆(imploded)。在脊605上行进的电磁波将开始转向到其中可移动盖已经被提升的侧部，因为不再有阻带。
本领域技术人员认识到，本发明绝不局限于上文描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。
在权利要求中，词语“包括”并不排除其他的要素或步骤，并且不定冠词“一种”或“一个”并不排除复数。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的这种单纯事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。