CN102856615A

CN102856615A - 适用于380～390GHz频段的波导带通滤波器

Info

Publication number: CN102856615A
Application number: CN2012103398115A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 胡江; 徐锐敏; 延波; 谢善谊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，上腔体和下腔体闭合形成滤波器波导腔，闭合形成滤波器波导腔的上腔体和下腔体为硅基镀金材质，波导腔由输入段、输出段以及位于输入段与输出段之间3~7个谐振腔构成，以空气为填充介质，波导腔横截面的宽、高尺寸分别为0.56mm±5μm、0.28mm±5μm，谐振腔由对称隔墙构成的感性耦合窗形成，位于两端的谐振腔腔长小于位于中间谐振腔腔长，位于两端的感性耦合窗的窗宽大于位于中间的感性耦合窗的窗宽。本发明具有工作频段高，损耗小，易加工，方便与其他组件连接等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。

Description

适用于380～390GHz频段的波导带通滤波器

技术领域

本发明属于太赫兹无源器件，更为具体地说，是涉及一种适用于380～390GHz频段的基于MEMS体硅工艺的波导带通滤波器。

背景技术

滤波器是一个二端口网络，它通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性，用以选择系统中某处的频率响应。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。滤波器实际上已广泛应用于各种类型的通信、雷达测试或测量系统中。滤波器的功能构件是约束或引导电磁波能量定向传输的传输线系统，即导行系统，导行波是指能量的全部或绝大部分受传输线导体或介质的边界约束、在传输线有限截面内沿确定方向（一般为轴向）传输的电磁波，导行波的模式，又称为传输模、正规模，是指能够沿传输线独立存在的场型，传输线中导模两相同相位面之间的距离称为该导模的波导波长λ_g，是一与传输线结构密切相关的参数。滤波器将一个或多个谐振腔通过耦合的形式连接起来，实现一定的频率响应；谐振腔是一段一定长度的导行系统，其长度一般为波导半波长或四分之一波导波长；耦合的形式则可以根据耦合面上的场分布分为磁耦合、电耦合以及混合形式的耦合，又可以根据耦合面处等效电路的性质分为容性耦合、感性耦合等。

太赫兹频率一般指300GHz～3000GHz范围内的电磁频段，它位于微波频段（300MHz～300GHz）与红外频段之间，限于技术水平，过去一直没有得到利用，成为一段太赫兹空白（Terahertz Gap）。由于电磁频谱的日益拥挤，300GHz以下的频谱资源开发殆尽，这一段“空白”亟需加以利用。近年来，随着技术的进步，对适用于太赫兹频段的器件以及系统的研究得以进行，其中作为太赫兹系统的重要组成部件—太赫兹滤波器已成为目前研究的热点。但在太赫兹频率区间的不同频段，电磁波的传输有不同的特性，因此，研究开发适用于特定频段的太赫兹频段的波导滤波器存在很大困难。为了拓展频谱资源的利用范围，改变电磁频谱日益拥挤的现状，研究开发可适用于太赫兹频率特定频段的波导滤波器，是所属领域的科技工作者共同面临的课题。

发明内容

针对现有滤波器在应用频率上的不足，本发明的目的旨在提供一种应用在380～390GHz频段的太赫兹波导滤波器，以拓展频谱资源的利用范围，改变电磁频谱日益拥挤的现状。

本发明的发明人在研究中发现，在太赫兹频段，各种介质材料的介质损耗急剧增大，含有介质填充的滤波器难以应用在这个频段，例如基于微带的平面滤波器。发明人同时发现，在380~390GHz太赫兹频段，可以利用94GHz的大气窗口实现四倍频大功率输出，又可以利用本频段大气吸收窗口实现特定条件下的通信。发明人基于上述发现，研究开发出了可应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器。

本发明提供的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，上腔体和下腔体闭合形成滤波器波导腔，闭合形成滤波器波导腔的上腔体和下腔体为硅基镀金材质，波导腔由输入段、输出段以及位于输入段与输出段之间3~7个谐振腔构成，以空气为填充介质，波导腔横截面的宽、高尺寸分别为0.56mm±5μm、0.28mm±5μm，谐振腔由对称隔墙构成的感性耦合窗分隔形成，位于两端的谐振腔腔长小于位于中间谐振腔腔长，位于两端的感性耦合窗的窗宽大于位于中间的感性耦合窗的窗宽。

本发明进一步的技术方案，太赫兹波导滤波器设置有5~6个的谐振腔，谐振腔腔长由两端向内分别为449±3μm、499±3μm、502±3μm，感性耦合窗的窗宽由两端向内分别为287±3μm、187±3μm、171±3μm。

本发明进一步的技术方案，太赫兹波导滤波器为剖分结构，闭合形成滤波器波导腔的上腔体为平整基片，下腔体为在基片上通过蚀刻加工出滤波器波导腔的整体结构，上腔体封盖在下腔体键合构成太赫兹波导滤波器。太赫兹波导滤波器采取上述结构，可完全避免传统滤波器上、下腔体分别蚀刻一半滤波结构，在上、下腔体闭合时可能产生对位不准的问题。

为了更好地实现本发明的目的，本发明还可进一步采取以下技术措施。以下技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。

下腔体的结构可设计为在横、纵方向均相对于中心线对称。

构成感性耦合窗的隔墙，其上缘最好与下腔体基片表面平齐，下端最好与谐振腔底面平齐。隔墙厚度最好为60μm±3μm。

下腔体最好采取在硅质基片上通过蚀刻加工出波导腔的整体结构，再通过溅射镀金工艺在波导腔结构上镀覆镀金层。镀金层的厚度最好为2.5~3.5μm。

本发明提供的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，采取体硅加工工艺加工制取。体硅加工工艺是MEMS (Microelectromechanical Systems，微机电系统)工艺中具有代表性的一种。MEMS所代表的是由特征尺寸在0.001mm～0.1mm的组件所集成的系统，具有微米量级的加工精度。体硅加工工艺在保证一定工艺水平的同时具有加工费用相对低廉、加工条件相对简单以及技术要求相对较低的特点。

所述体硅加工工艺，其工艺流程大致如下：

首先，在硅质基片的表面生成一层不同化学成分的掩模层。

然后，通过光刻的方式在掩模层上生成图形，图形位于需要腐蚀的硅质基片部分在掩模层上的对应位置，并将这部分的掩模层除去，裸露出之下的硅质基片。

随后，通过气相腐蚀剂腐蚀硅质基片，得到规定深度和形状的矩形槽，气相腐蚀剂具有各向异性的特点，以保证其主要在深度上进行腐蚀，并且对掩模层没有腐蚀作用，通过残留的掩模层可以保护其下的硅质基片不受腐蚀。

其后，通过腐蚀剂清除残留的掩模层，该腐蚀剂应对硅质基片没有腐蚀作用，该工序完成后，只余下经过刻蚀处理的硅质基片。

此后，在硅质基片的表面，以及矩形槽的表面通过金属溅射的方式进行金属化操作。

最后，将该基片与另外一块经过表面金属化处理的基片进行键合，形成一个内表面金属化的腔，该腔即为滤波器的波导腔。

本发明提供的太赫兹波导滤波器，是以空气为填充介质的波导滤波结构，即滤波器的功能构件是以空气为填充介质的波导。采用矢量网络分析仪系统（Agilent N5245A）结合频率拓展模块（OML-V022VNA2）对其进行测量，测量结果是在380～390GHz频段的单位长度波导的损耗仅为0.3～0.56dB/mm。这意味着本发明的波导滤波器可以实现较低的插入损耗，解决了现有技术以其他介质为填充的滤波器，在太赫兹频段介质材料的介质损耗急剧增大，难以应用在这个频段的难题。

本发明的波导滤波器应用于380~390GHz频段，可利用94GHz的大气窗口实现四倍频大功率输出，又可以利用本频段大气吸收窗口实现特定条件下的通信等特点，具有优良的传输性能。

本发明提供的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，结构设计采取了以平整基片作为闭合形成滤波器波导腔的上腔体，在作为下腔体的基片上通过蚀刻加工出滤波器波导腔的整体结构，上腔体封盖在下腔体键合构成太赫兹波导滤波器，摒弃了现有技术的滤波器在上、下腔体分别蚀刻一半滤波结构的设计结构，完全避免了上、下腔体闭合时有可能产生对位不准的问题，大大提高了滤波器的加工制作性。

本发明的太赫兹波导滤波器，具有工作频率高，损耗小，易于制造，便于集成等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。

附图说明

附图1为本发明的太赫兹波导滤波器主视结构示意图。

附图2为本发明的太赫兹波导滤波器俯视结构示意图。

附图3为太赫兹波导滤波器的下腔体的主视结构示意图。

附图4为太赫兹波导滤波器的下腔体的俯视结构示意图。

附图5为本发明的滤波器的功能构件在380～390GHz频段下的损耗测试曲线。

在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-上腔体；2-下腔体；3-波导腔；4-波导输入段；5-波导输出段；6~10-谐振腔；11~16-构成感性耦合窗的隔墙。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例，并通过实施例对本发明作进一步的具体描述。有必要在此指出的是，下面的实施例只是用于进一步阐述本发明，以便于本领域的技术人员更好地理解本发明。本发明已通过文字揭露了其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

本实施例应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其结构如附图1至4所示，由上腔体1和下腔体2构成，为剖分结构，上腔体封盖在下腔体形成滤波器波导腔3，以空气为填充介质。上腔体为平整基片，下腔体为在基片上通过蚀刻加工出滤波器波导腔的整体结构，且在横、纵方向均相对于中心线对称。上腔体和下腔体均采用MEMS体硅工艺在硅基片上蚀刻成型，之后在内表面进行镀金处理。硅质基片的表面镀金层厚度为3μm。最后采用键合工艺封闭，形成滤波器的滤波结构。整体外部尺寸为3mm×0.966mm×5mm。

太赫兹波导滤波器的波导腔由输入段4、输出段5以及位于输入段与输出段之间5个谐振腔构成，为WR-2.8规格的标准波导，横截面的宽、高尺寸分别为0.56mm±5μm、0.28mm±5μm，谐振腔由对称隔墙构成的感性耦合窗分隔形成。位于两端的谐振腔腔长小于位于中间谐振腔腔长，各个谐振腔的具体长度为：谐振腔6和谐振腔10的腔长为449±3μm，谐振腔7和谐振腔9的腔长为499±3μm，谐振腔8的腔长为502±3μm。由隔墙构成的感性耦合窗的窗宽，位于两端的感性耦合窗的窗宽大于位于中间的感性耦合窗的窗宽，各感性耦合窗的具体窗宽为：由隔墙11、16分别形成的感性耦合窗宽287±3μm，由隔墙12、15分别形成的感性耦合窗宽187±3μm，由隔墙13、14分别形成的感性耦合窗宽171±3μm。隔墙的上缘与硅质基片表面平齐，其下端与谐振腔底面平齐，即感性耦合窗的高度为0.28mm±5μm。输入段4与输出段5的长度按照实际加工数据增减，预计为1121±16.5μm。

Claims

1.一种应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，上腔体（1）和下腔体（2）闭合形成滤波器波导腔（3），其特征在于闭合形成滤波器波导腔的上腔体和下腔体为硅基镀金材质，波导腔由输入段（4）、输出段（5）以及位于输入段与输出段之间3~7个谐振腔构成，以空气为填充介质，波导腔横截面的宽、高尺寸分别为0.56mm±5μm、0.28mm±5μm，谐振腔由对称隔墙构成的感性耦合窗分隔形成，位于两端的谐振腔腔长小于位于中间谐振腔腔长，位于两端的感性耦合窗的窗宽大于位于中间的感性耦合窗的窗宽。

2.根据权利要求1所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于设置有5~6个的谐振腔，谐振腔腔长由两端向内分别为449±3μm、499±3μm、502±3μm，感性耦合窗的窗宽由两端向内分别为287±3μm、187±3μm、171±3μm。

3.根据权利要求1或2所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于闭合形成滤波器波导腔的上腔体为平整基片，下腔体为在基片上通过蚀刻加工出滤波器波导腔的整体结构，上腔体封盖在下腔体键合构成滤波器。

4.根据权利要求3所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于下腔体（2）的结构在横、纵方向均相对于中心线对称。

5.根据权利要求3所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于构成感性耦合窗的隔墙上缘与下腔体基片表面平齐，其下端与谐振腔底面平齐。

6.根据权利要求5所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于构成感性耦合窗的隔墙厚度为60μm±3μm。

7.根据权利要求1或2所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于下腔体（2）为在硅质基片上通过蚀刻加工出波导腔的整体结构，再通过溅射镀金工艺在波导腔结构上镀覆镀金层。

8.根据权利要求6所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于下腔体（2）为在硅质基片上通过蚀刻加工出波导腔的整体结构，再通过溅射镀金工艺在波导腔结构上镀覆镀金层。

9.根据权利要求7所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于镀金层的厚度为2.5~3.5μm。

10.根据权利要求8所述的应用于380～390GHz的太赫兹波导滤波器，其特征在于镀金层的厚度为2.5~3.5μm。