專利名稱：太赫茲波導腔體濾波器的制作方法
技術領域：
本發明屬于太赫茲無源器件技術領域，特別涉及一種適用于325 500GHz頻段的基于體娃刻蝕工藝的WR2.2 (橫截面積為0.56mmX 0.28mm)矩形波導腔體帶通濾波器。
背景技術：
太赫茲頻率一般指300GHz 3000GHz范圍內的電磁頻段，它位于微波頻段(300MHz 300GHz)與紅外頻段之間，限于技術水平，過去一直沒有得到利用，成為一段太赫茲空白(Terahertz Gap)。由于電磁頻譜的日益擁擠,300GHz以下的頻譜資源開發殆盡，這一段“空白”亟需加以利用。近年來，隨著技術的進步，對適用于太赫茲頻段的器件以及系統的研究得以進行，其中作為太赫茲系統的重要組成部件一太赫茲濾波器已成為目前研究的熱點。但在太赫茲頻率區間的不同頻段，電磁波的傳輸有不同的特性，因此，研究開發適用于特定頻段的太赫茲頻段的波導濾波器存在很大困難。為了拓展頻譜資源的利用范圍，改變電磁頻譜日益擁擠的現狀，研究開發可適用于太赫茲頻率特定頻段的波導濾波器，是所屬領域的科技工作者共同面臨的課題。濾波器是一個二端口網絡，它通過在濾波器通帶頻率內提供信號傳輸并在阻帶內提供衰減的特性，用以選擇系統中某處的頻率響應。典型的頻率響應包括低通、高通、帶通和帶阻特性。濾波器實際上已廣泛應用于各種類型的通信、雷達測試或測量系統中。濾波器的實現形式主要分為平面電路(微帶線、共面波導等)和金屬腔體電路(矩形波導)，實現原理是將一個或多個諧振單元通過耦合的形式連接起來，實現一定的頻率響應。其頻率響應直接由諧振單元的特性、單元之間耦合的強弱以及整體結構拓撲決定:諧振單元特性主要包括其具體形狀和Q值；耦合的形式則可以根據耦合面上的場分布分為磁耦合、電耦合以及混合形式的耦合，又可以根據耦合面處等效電路的性質分為容性耦合、感性耦合等；而整體結構拓撲則決定濾波器的階數、零極點位置。目前太赫茲頻段，傳統的平面電路濾波器由于其介質損耗過高而無法使用；純金屬波導電路又由于其結構細微，傳統金屬加工工藝無法實現；其它光子晶體結構濾波器又欠缺通用性，所以還缺乏性能成熟的、具有通用性的濾波器形式。
發明內容
本發明的目的是針對現有濾波器在太赫茲頻段上的不足，提供一種可應用于325 500GHz頻段的太赫茲波導腔體濾波器，力求改變目前太赫茲頻段缺乏通用濾波器的現狀。本發明的技術方案是:太赫茲波導腔體濾波器，由位于上部的上腔體和位于下部的下腔體層疊構成，所述上腔體封蓋在下腔體上并在兩者結合處具有鏤空結構形成的波導腔，所述波導腔位于下腔體內；其特征在于，所述波導腔包括呈長方體的波導輸入段和波導輸出段，位于波導輸入段和波導輸出段之間并且也呈長方體的第一諧振腔、第二諧振腔和第三諧振腔，所述波導輸入段與第一諧振腔之間通過第一感性耦合窗串聯，所述第一諧振腔與第二諧振腔通過第三感性耦合窗串聯，所述第二諧振腔與波導輸出段通過第二感性耦合窗串聯，所述波導輸入段與第三諧振腔之間通過第四感性耦合窗串聯，所述第三諧振腔與波導輸出段之間通過第五感性I禹合窗串聯；所述波導輸入段、第一感性I禹合窗、第一諧振腔、第三感性耦合窗、第二諧振腔、第二感性耦合窗和波導輸出段依次串聯構成耦合路徑一作為主信號通路；所述波導輸入段、第四感性耦合窗、第三諧振腔、第五感性耦合窗和波導輸出段依次串聯構成耦合路徑二，用于在通帶低端形成一個傳輸零點；所述第一諧振腔、第二諧振腔和第三諧振腔的中間部位具有用以間隔三個諧振腔、波導輸入段和波導輸出段的凸臺。本發明的有益效果是:本發明的波導腔體濾波器通帶位于38(T390GHz頻段，可利用94GHz的大氣窗口實現四倍頻大功率輸出，又可以利用本頻段大氣吸收窗口實現特定條件下的通信等特點，具有優良的傳輸性能。同時摒棄了現有技術的濾波器在上、下腔體分別蝕刻一半濾波結構的設計結構，完全避免了上、下腔體閉合時有可能產生對位不準的問題，大大提高了濾波器的加工制作性。
圖1為本發明的太赫茲波導腔體濾波器主視結構示意圖。圖2為本發明的太赫茲波導腔體濾波器俯視結構示意圖。圖3為本發明的太赫茲波導腔體濾波器的下腔體的主視結構示意圖。圖4為本發明的太赫茲波導腔體濾波器的下腔體的俯視結構示意圖。圖5為本發明的太赫茲波導腔體濾波器的下腔體的俯視結構的關鍵尺寸示意圖。圖6為本發明的太赫茲波導腔體濾波器在325 440GHz頻段下的測試曲線。附圖標記說明:上腔體1、下腔體2、波導腔3、波導輸入段4、波導輸出段5、第一諧振腔6、第二諧振腔7、第三諧振腔8、第一感性耦合窗9、第二感性耦合窗10、第三感性耦合窗11、第四感性耦合窗12、第五感性耦合窗13、凸臺14、短路端15、短路端16。
具體實施例方式本發明申請的發明人在研究中發現，在太赫茲頻段，各種介質材料的介質損耗急劇增大，含有介質填充的濾波器難以應用在這個頻段，例如基于微帶的平面濾波器。發明人同時發現，在其通帶的38(T390GHz太赫茲頻段，可以利用94GHz的大氣窗口實現四倍頻大功率輸出，又可以利用本頻段大氣吸收窗口實現特定條件下的通信。發明人基于上述發現，研究開發出了通帶位于38(T390GHz的太赫茲波導腔體濾波器。如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明申請提供的太赫茲波導腔體濾波器，由位于上部的上腔體I和位于下部的下腔體2層疊構成，所述上腔體I封蓋在下腔體2上并在兩者結合處具有鏤空結構形成的波導腔3，所述波導腔3位于下腔體2內；其特征在于，所述波導腔3包括呈長方體的波導輸入段4和波導輸出段5，位于波導輸入段4和波導輸出段5之間并且也呈長方體的第一諧振腔6、第二諧振腔7和第三諧振腔8，所述波導輸入段4與第一諧振腔6之間通過第一感性耦合窗9串聯，所述第一諧振腔6與第二諧振腔7通過第三感性耦合窗11串聯，所述第二諧振腔7與波導輸出段5通過第二感性耦合窗10串聯，所述波導輸入段4與第三諧振腔8之間通過第四感性耦合窗12串聯，所述第三諧振腔8與波導輸出段5之間通過第五感性I禹合窗13串聯；所述波導輸入段4、第一感性f禹合窗9、第一諧振腔6、第三感性耦合窗11、第二諧振腔7、第二感性耦合窗10和波導輸出段5依次串聯構成耦合路徑一作為主信號通路，用于形成中心頻率位于385GHz的二階帶通濾波特性；所述波導輸入段4、第四感性f禹合窗12、第三諧振腔8、第五感性f禹合窗13和波導輸出段5依次串聯構成耦合路徑二，用于在通帶低端形成一個傳輸零點，從而優化帶通濾波在低端的帶外抑制；所述第一諧振腔6、第二諧振腔7和第三諧振腔8的中間部位具有用以間隔三個諧振腔、波導輸入段4和波導輸出段5的凸臺14。上述波導腔3以空氣為填充介質，上腔體I和下腔體2為硅基鍍金材質，波導腔3的波導輸入段4和波導輸出段5為標準WR2.2矩形波導，橫截面的寬、高尺寸分別為560 μ m±5 μ m、280 μ m±5 μ m。下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明，并通過實施例對本發明作進一步的具體描述。如圖4和5所示，太赫茲波導濾波器的波導腔主要由波導輸入段4、波導輸出段5以及位于波導輸入段4和波導輸出段5之間的3個矩形諧振腔(6、7、8)構成。波導輸入段
4、波導輸出段5為WR2.2規格的標準矩形波導,橫截面的寬、高尺寸分別為0.56mm±5ym、
0.28πιπι±5μπι。整個濾波結構由波導輸入段4、波導輸出段5兩段WR2.2標準矩形波導和三個矩形諧振腔構成，各結構之間由感性耦合窗(9、10、11、12、13)分隔形成，從原理上分為兩個信號耦合路徑，耦合路徑一經過右側串聯的兩個諧振頻率位于385Ghz的第一諧振腔6和第二諧振腔7，為主信號通路，用于形成中心頻率位于385GHz的二階帶通濾波特性，其間三個感性耦合窗口的厚度和寬度將決定頻率響應波形；耦合路徑二經過左側一個矩形諧振腔(即第三諧振腔8)，用于在通帶低端形成一個傳輸零點，優化帶通濾波在低端的帶外抑制。稱合路徑一包含波導輸入段4[2403 μ mX (560±5μηι)Χ (280±5μηι)]、第一諧振腔 6[ (506±3μπι)Χ (506±3μπι)Χ (280±5 μ m)]、第二諧振腔 7[ (506±3μπι)Χ(506±3μπι)Χ (280±5μπι)]、波導輸出段 5[2403umX (560±5μπι)Χ (280±5μπι)]、波導輸入段4與第一諧振腔6之間的第一感性稱合窗9 [ (306 + 3 μ m) X (44 + 3 μ m) X(280±5μηι)]、第一諧振腔6與第二諧振腔7之間的第三感性稱合窗11 [ (216±3μηι) X(74±3μηι)Χ (280 ± 5 μ m)]、第二諧振腔7與波導輸出段5之間的第二感性稱合窗10 [ (306 + 3 μ m) X (44 + 3 μ m) X (280±5μηι)]。方括號內的數據分別表不了長方體形的諧振腔和耦合窗在長、寬和高的三維尺寸，土表示其三維尺寸所允許的誤差值。耦合路徑二包含波導輸入段4[2403umX (560±5μπι)Χ (280±5 μ m)]、第三諧振腔8[(506±3“111)\(806±3 4 111)\(280±5 4 111)]、波導輸出段5[24031111^(560±5 4 111)\(280±5 μ m)]、波導輸入段4與第三諧振腔8之間的第四感性I禹合窗12[ (206±3 μ m) X(114±3 μ m) X (280±5 μ m)]、第三諧振腔8與波導輸出段5之間的第五感性i禹合窗13[ (206±3μπι)Χ (114±3μπι)Χ (280±5μπι)]。第一感性耦合窗9距離波導輸入段4的短路端15的距離為50±5 μ m，第二感性耦合窗10距離波導輸出段5的短路端16的距離為50±5m，第三感性耦合窗11距離第一諧振腔6的第一感性耦合窗9端面的距離為140±5m，第四感性耦合窗12貼緊波導輸入段4的短路端15，第五感性耦合窗13貼緊波導輸出段5的短路端16。 上述感性耦合窗由位于其兩側的隔墻構成，隔墻的上緣與下腔體2的硅質基片表面平齊，隔墻的下緣與下腔體2的諧振腔底面平齊，即感性耦合窗的高度也為280 μ m±5 μ m。為了更好地實現本發明的目的，本發明還可進一步采取以下技術措施。以下技術措施可單獨采取，也可組合采取，甚至一并采取。 上述太赫茲波導濾波器為剖分結構，閉合形成濾波器波導腔3的上腔體I的結合面為平整基片，下腔體2的接合面為在基片上通過蝕刻加工出濾波器波導腔的整體結構，上腔體I封蓋在下腔體3鍵合構成太赫茲波導濾波器。太赫茲波導濾波器采取上述結構，可完全避免傳統濾波器上、下腔體分別蝕刻一半濾波結構，在上、下腔體閉合時可能產生對位不準的問題。上述波導腔的平面結構可設計為相對垂直于信號傳輸方向的中心線對稱，如相對圖4中的中心線A-A對稱。上述感性耦合窗兩側的隔墻，其上緣與下腔體基片表面平齊，下端與諧振腔底面平齊。上述波導腔最好采取在硅質基片上通過蝕刻加工出波導腔的整體結構，再通過濺射鍍金工藝在波導腔結構上鍍覆鍍金層。鍍金層的厚度最好為2.5^3.5 μ m。本發明提供的太赫茲波導腔體濾波器，采取體硅加工工藝加工制取。體硅加工工藝是MEMS(Microelectromechanical Systems,微機電系統)工藝中具有代表性的一種。MEMS所代表的是由特征尺寸在0.0Olmm 0.1mm的組件所集成的系統，具有微米量級的加工精度。體硅加工工藝在保證一定工藝水平的同時具有加工費用相對低廉、加工條件相對簡單以及技術要求相對較低的特點。所述體硅加工工藝，其工藝流程大致如下:首先，在娃質基片的表面生成一層不同化學成分的掩模層。然后，通過光刻的方式在掩模層上生成圖形，圖形位于需要腐蝕的硅質基片部分在掩模層上的對應位置，并將這部分的掩模層除去，裸露出之下的硅質基片。隨后，通過氣相腐蝕劑腐蝕硅質基片，得到規定深度和形狀的矩形槽，氣相腐蝕劑具有各向異性的特點，以保證其主要在深度上進行腐蝕，并且對掩模層沒有腐蝕作用，通過殘留的掩模層可以保護其下的硅質基片不受腐蝕。其后，通過腐蝕劑清除殘留的掩模層，該腐蝕劑應對硅質基片沒有腐蝕作用，該工序完成后，只余下經過刻蝕處理的硅質基片。此后，在硅質基片的表面，以及矩形槽的表面通過金屬濺射的方式進行金屬化操作。最后，將該基片與另外一塊經過表面金屬化處理的基片進行鍵合，形成一個內表面金屬化的腔，該腔即為濾波器的諧振腔(圖4中的6、7或8)。如圖6所示，本發明提供的太赫茲波導腔體濾波器，是以空氣為填充介質的波導濾波結構，即濾波器的功能構件是以空氣為填充介質的波導。采用矢量網絡分析儀系統(Agilent N5245A)結合頻率拓展模塊(0ML-V022VNA2)對其進行測量，測量結果是在387GHz中心頻點損耗為4.37dB，3-dB帶寬為12.8GHz (380.6 393.4GHz)，反射約為_20dB，帶外抑制大于20dB。這意味著本發明的波導濾波器在太赫茲低端(325 500GHz)可以實現完整濾波性能和較低的插入損耗，解決了其它形式濾波器由于損耗過大，難以應用在這個頻段的難題。本發明的波導腔體濾波器通帶位于38(T390GHz頻段，可利用94GHz的大氣窗口實現四倍頻大功率輸出，又可以利用本頻段大氣吸收窗口實現特定條件下的通信等特點，具有優良的傳輸性能。本發明提供的太赫茲波導濾波器，結構設計采取了以平整基片作為閉合形成濾波器波導腔的上腔體，在作為下腔體的基片上通過蝕刻加工出濾波器波導腔的整體結構，上腔體封蓋在下腔體鍵合構成太赫茲波導濾波器，摒棄了現有技術的濾波器在上、下腔體分別蝕刻一半濾波結構的設計結構，完全避免了上、下腔體閉合時有可能產生對位不準的問題，大大提高了濾波器的加工制作性。本發明的太赫茲波導腔體濾波器，采用WR2.2標準矩形波導接口，具有工作頻率高，損耗小，易于制造，通用性強等優點，在太赫茲系統中具有良好的應用前景。有必要在此指出的是，上面的實施例只是用于進一步闡述本發明，以便于本領域的普通技術人員更好地理解本發明。本發明已通過文字揭露了其首選實施方案，但通過閱讀這些技術文字說明可以領會其中的可優化性和可修改性，并在不偏離本發明的范圍和精神上進行改進，但這樣的改進應仍屬于本發明權利要求的保護范圍。
權利要求
1.太赫茲波導腔體濾波器，由位于上部的上腔體和位于下部的下腔體層疊構成，所述上腔體封蓋在下腔體上并在兩者結合處具有鏤空結構形成的波導腔，所述波導腔位于下腔體內；其特征在于，所述波導腔包括呈長方體的波導輸入段和波導輸出段，位于波導輸入段和波導輸出段之間并且也呈長方體的第一諧振腔、第二諧振腔和第三諧振腔，所述波導輸入段與第一諧振腔之間通過第一感性耦合窗串聯，所述第一諧振腔與第二諧振腔通過第三感性耦合窗串聯，所述第二諧振腔與波導輸出段通過第二感性耦合窗串聯，所述波導輸入段與第三諧振腔之間通過第四感性耦合窗串聯，所述第三諧振腔與波導輸出段之間通過第五感性耦合窗串聯；所述波導輸入段、第一感性耦合窗、第一諧振腔、第三感性耦合窗、第二諧振腔、第二感性耦合窗和波導輸出段依次串聯構成耦合路徑一作為主信號通路；所述波導輸入段、第四感性耦合窗、第三諧振腔、第五感性耦合窗和波導輸出段依次串聯構成耦合路徑二，用于在通帶低端形成一個傳輸零點；所述第一諧振腔、第二諧振腔和第三諧振腔的中間部位具有用以間隔三個諧振腔、波導輸入段和波導輸出段的凸臺。
2.根據權利要求1所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述波導腔的波導輸入段和波導輸出段為標準WR2.2矩形波導。
3.根據權利要求1所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述波導腔的三個諧振腔空間結構呈長方體。
4.根據權利要求1所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述波導腔的五個感性耦合窗空間結構呈長方體。
5.根據權利要求1所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述感性耦合窗由位于其兩側的隔墻構成，隔墻的上緣與下腔體的硅質基片表面平齊，隔墻的下緣與下腔體的諧振腔底面平齊。
6.根據權利要求5所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述第一感性耦合窗距離波導輸入段的短路端的距離為50±5 μ m，第二感性耦合窗距離波導輸出段的短路端的距離為50±5 μ m，第三感性耦合窗距離第一諧振腔的第一感性耦合窗端面的距離為140±5 μ m，第四感性耦合窗貼緊波導輸入段的短路端，第五感性耦合窗貼緊波導輸出段的短路端。
7.根據權利要求1所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述波導腔的平面結構可設計為相對垂直于信號傳輸方向的中心線對稱。
8.根據權利要求1所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，上述波導腔采取在硅質基片上通過蝕刻加工出波導腔的整體結構，再通過濺射鍍金工藝在波導腔結構上鍍覆鍍金層。
9.根據權利要求8所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，所述鍍金層的厚度為2.5 3.5 μ m0
10.根據權利要求8所述的太赫茲波導腔體濾波器，其特征在于，上述波導腔以空氣為填充介質。
全文摘要
本發明涉及太赫茲波導腔體濾波器，由位于上部的上腔體和位于下部的下腔體層疊構成，所述上腔體封蓋在下腔體上并在兩者結合處具有鏤空結構形成的波導腔，所述波導腔位于下腔體內；所述第三諧振腔與波導輸出段之間通過第五感性耦合窗串聯；所述波導輸入段、第一感性耦合窗、第一諧振腔、第三感性耦合窗、第二諧振腔、第二感性耦合窗和波導輸出段依次串聯構成耦合路徑一作為主信號通路；所述波導輸入段、第四感性耦合窗、第三諧振腔、第五感性耦合窗和波導輸出段依次串聯構成耦合路徑二，用于在通帶低端形成一個傳輸零點。本發明的有益效果是波導腔體濾波器通帶位于380～390GHz頻段，可以利用本頻段大氣吸收窗口實現特定條件下的通信等特點。
文檔編號H01P1/208GK103117438SQ20131006673
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者胡江, 張勇, 謝善誼 申請人:電子科技大學