天線耦合微測(cè)輻射熱計(jì)的設(shè)計(jì)與仿真.pdf

1、紅外探測(cè)器發(fā)展迅速，其中，非制冷紅外微測(cè)輻射熱計(jì)以其功耗小、易集成、低成本等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)微測(cè)輻射熱計(jì)只能透過(guò)8~14μm這一紅外窗口探測(cè)紅外輻射。
　　隨著探測(cè)器探測(cè)波段向毫米波段的拓寬，位于紅外波和毫米波之間的太赫茲波段漸漸被重視，因其在半導(dǎo)體及超導(dǎo)材料及通信傳感等領(lǐng)域表現(xiàn)獨(dú)特，在技術(shù)革新、國(guó)家經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全方面起了重要作用，太赫茲探測(cè)器件被廣泛研究和使用。但是因?yàn)樘掌澒庾幽芰康?，背景噪聲?duì)其影響很大，導(dǎo)致太

2、赫茲輻射源比較微弱，這給探測(cè)太赫茲信號(hào)帶來(lái)很大難度。
　　目前，太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)是太赫茲直接探測(cè)器中響應(yīng)度最高的一種，
　　其工作頻率范圍在0.1 THz到100 THz之間，噪聲等效功率(NEP)則為4.5×10-15W H(z)，響應(yīng)率約為8.14×106V/W，以及對(duì)應(yīng)的調(diào)幅在10Hz到200Hz之間。
　　為進(jìn)一步提高器件靈敏度，本文設(shè)計(jì)了天線耦合微測(cè)輻射熱計(jì)，其結(jié)構(gòu)是在微測(cè)輻射熱計(jì)上覆蓋一層金屬天線，利用面

3、積較大的天線吸收太赫茲輻射，并將能量以功率形式耦合到面積較小的熱敏電阻上，再由讀出電路讀出輸出電信號(hào)。這種探測(cè)器可以有效克服已有太赫茲光源的致命因素，較小程度受限于太赫茲輻射源的低輸出功率和太赫茲頻率范圍內(nèi)較高的熱輻射背景噪聲，并且有效利用天線優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧、偏振探測(cè)等功能。
　　本文探討了天線耦合微測(cè)輻射熱計(jì)的工作機(jī)理，并對(duì)七種不同天線結(jié)構(gòu)耦合的微測(cè)輻射熱計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，最終確立對(duì)其中的兩種結(jié)構(gòu)——微帶雙貼片天線耦合微測(cè)輻射熱計(jì)

4、和齒形對(duì)數(shù)周期天線耦合微測(cè)輻射熱計(jì)——進(jìn)行性能仿真。這兩種結(jié)構(gòu)的形狀使得它們的有效吸收面積較大，這極有利于太赫茲波的探測(cè)。仿真軟件利用了專(zhuān)業(yè)的天線仿真軟件HFSS和專(zhuān)業(yè)的MEMS電磁仿真軟件IntelliSuite兩種。
　　仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：工作于太赫茲頻率范圍下的雙貼片微帶天線功率增益可達(dá)10.31dB，吸收輻射功率最大值0.881w，并有良好的阻抗匹配特性；而工作在太赫茲頻段下的齒形對(duì)數(shù)周期天線顯示了很寬的工作頻帶，功率增益可達(dá)

5、12.32dB，吸收輻射功率最大值2.113w，且方向性很好。利用IntelliSuite設(shè)計(jì)了上述兩種天線結(jié)構(gòu)耦合的微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)版圖，并對(duì)其進(jìn)行了溫升和形變分析。結(jié)果顯示：器件因采用微橋結(jié)構(gòu)，隨著橋腿越長(zhǎng)、寬度越窄、厚度越薄，而導(dǎo)致熱導(dǎo)越小，溫升越大，器件的熱性能也相應(yīng)提高。同時(shí)，微橋形變結(jié)果顯示越接近橋墩處，形變?cè)叫?，所以這正驗(yàn)證了襯底通過(guò)橋墩對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，離橋墩越近，約束能力越強(qiáng)。通過(guò)力學(xué)分析得到的兩種結(jié)構(gòu)特征屈曲載荷分別為