CN104795616B

CN104795616B - 一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器

Info

Publication number: CN104795616B
Application number: CN201510184613.XA
Authority: CN
Inventors: 董宇亮; 陶梦婷; 徐军; 李桂萍; 姜宝钧; 张小川; 王茂琰; 喻梦霞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104795616A

Abstract

本发明公开了一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器，该滤波器结构包括过渡、矩形谐振腔以及耦合窗。本发明以四阶切比雪夫滤波器为原型，谐振腔依CQ拓扑结构排列，上下呈镜像对称；所述滤波器的主耦合通过H面偏移和开矩形窗口实现，其交叉耦合通过谐振腔之间的耦合窗实现。本发明提供的滤波器通带内回波损耗低，插入损耗小，在通带两端各有一个传输零点，抑制度效果高。本发明首次在太赫兹频段实现了交叉耦合，性能优良，且结构简单，尤其适用于SU‑8等分层厚膜工艺。

Description

一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹应用领域的基本功能性器件，尤其适用于SU-8等分层厚膜工艺，具体地说，是指一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器。

背景技术

广义的太赫兹是指0.1THz—10THz频段的电磁波，它下接毫米波频段，上接远红外频段，主要应用于雷达、通信、电子对抗、医学成像、天文学、无损检测、安全检查等众多领域，因此，开展太赫兹器件的研究，具有重要的意义。作为一种应用广泛的无源器件，太赫兹滤波器的研究正在日益受到关注，由于太赫兹的频率很高，导致一些传统平面结构滤波器，如微带、共面波导滤波器损耗大，Q值低，其发展受到制约，而以矩形波导为代表的腔体滤波器由于其低损耗、高功率容量、结构简单而备受关注。

1984年，L.Q.Bui等人采用E面膜片耦合结构，设计出中心频率145GHz的带通滤波器；2011年，英国伯明翰大学的X.Shang等人设计了非对称容性耦合窗结构的四阶带通滤波器，中心频率300GHz，采用SU-8光刻胶工艺，SU-8即环氧基紫外负性光刻胶，通过键合四层镀银SU-8层获得实物；2013年，电子科技大学的陈琦在英国伯明翰大学采用SU-8光刻胶工艺，利用波导间的窗口进行耦合，设计出300GHz的矩形波导带通滤波器。由于太赫兹频率很高，造成相应器件尺寸非常小，滤波器的耦合结构对尺寸极其敏感，导致交叉耦合的实现非常困难，以上太赫兹滤波器均未能实现交叉耦合。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器。该滤波器结构简单，具有传输零点，适用于太赫兹频段，可采用SU-8等分层厚膜工艺实现，可作为各种太赫兹系统的基本滤波单元。

本发明具体采用如下技术方案：

一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器，其结构如图1、2、3及图4所示，所述滤波器的上、下两部分结构呈镜像对称，其上半部分包括输入波导102、第一谐振腔103、第二谐振腔104，其下半部分包括输出波导202、第三谐振腔203及第四谐振腔204，所述滤波器的输入端111位于所述输入波导102的一侧，输入波导102的另一侧通过一个H面偏移耦合窗口与第一谐振腔103连接，第一谐振腔103通过一个H面偏移耦合窗口与第二谐振腔104连接；所述滤波器的输出端112位于所述输出波导202的一侧，输出波导202的另一侧通过一个H面偏移耦合窗口与第三谐振腔203连接，第三谐振腔203通过一个H面偏移耦合窗口与第四谐振腔204连接；

所述第一谐振腔103底部中心位置及第三谐振腔203顶部中心位置通过第一耦合窗105联通；所述第二谐振腔104底部边缘位置及第四谐振腔204顶部边缘位置通过第二耦合窗106联通。

所述第一耦合窗105可以为矩形或者圆柱形，所述第二耦合窗106可以为矩形。

需要说明的是，本发明提供的滤波器为双端口互易器件，即该发明的输入端也可作为输出端，同时，输出端作为输入端使用。

本发明所提供滤波器的工作原理如下：

太赫兹信号从滤波器输入端口进入，经谐振腔和耦合结构多次反射，当入射波频率在滤波器通带范围内时，反射波在输入端口相互抵消，总反射为零，则能量全部通过滤波器，从输出端口输出；反之，当入射波频率在滤波器通带范围之外时，入射波在输入端口相互叠加，几乎全部被反射，没有此频段的入射波从输出端口输出，从而实现了滤波；本发明采用四阶切比雪夫滤波器原型，拓扑结构为CQ型，主耦合是磁耦合，交叉耦合为电耦合，从而在通带两侧形成传输零点。

本发明的有益效果是：

(1)采用四腔CQ拓扑结构，在太赫兹频段首次实现了交叉耦合，具有两个传输零点，带外抑制良好；(2)采用分层结构，尤其适用于SU-8等分层厚膜工艺；(3)主耦合部分采用H面偏移，避免了添加膜片等耦合结构带来的加工不便。

附图说明

图1是本发明太赫兹滤波器的立体结构示意图；

图2是本发明太赫兹滤波器的俯视图；

图3是本发明太赫兹滤波器的前视图；

图4是本发明太赫兹滤波器的基于图3所示的A-A截面图；

图5是本发明实施例提供的太赫兹滤波器的立体结构示意图；

图6是本发明实施例提供的太赫兹滤波器的俯视图；

图7是本发明实施例提供的太赫兹滤波器的前视图；

图8是本发明实施例提供的太赫兹滤波器的基于图7所示的A-A截面图；

图9是本发明实施例提供的太赫兹滤波器制作方法的结构分层示意图；

图10是本发明实施例提供的太赫兹滤波器的S参数仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明进行详细说明。

本发明是一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器，中心频率300GHz，带宽10GHz，传输零点位于290GHz和311GHz处，其结构如图5、6、7及图8所示，所述滤波器的上、下两部分结构呈镜像对称，其上半部分包括第一过渡波导101、过渡台阶301、输入波导102、第一谐振腔103、第二谐振腔104，其下半部分包括第二过渡波导201、过渡台阶302、输出波导202、第三谐振腔203及第四谐振腔204，第一谐振腔103与第四谐振腔204的耦合窗105及第二谐振腔104与第三谐振腔203的耦合窗106位于中间层，所述滤波器的输入端211位于所述第一过渡波导101的一侧，所述过渡波导101的另一侧与输入波导102连接，所述滤波器的输出端222位于所述第二过渡波导201的一侧，所述过渡波导201的另一侧与输出波导202连接，所述第一过渡波导101及第二过渡波导201的作用是为了让所述滤波器的输入与输出端的传输方向改变90度，便于与外部端口连接。

下面以SU-8工艺为例给出本实施例提供的滤波器的制作方法：

步骤1.初始化滤波器结构：由于SU-8工艺要求加工过程中同一层的厚度必须一样，故将所述滤波器分为第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层及第七层结构，如图9所示，所述第一层结构包括第一过渡波导101，第二层结构包括输入波导102、第一谐振腔103、第二谐振腔104三者的上半部分及过渡台阶301的水平部分，第三层结构包括输入波导102、第一谐振腔103、第二谐振腔104三者的下半部分及过渡台阶301的竖直部分，所述第四层结构包括第一耦合窗105和第二耦合窗106，所述第五层结构包括输出波导202、第三谐振腔203、第四谐振腔204的上半部分及过渡台阶302的水平部分，第六层结构包括输出波导202、第三谐振腔203、第四谐振腔203的下半部分及过渡台阶302的竖直部分，第七层结构包括第二过渡波导201；

步骤2.在硅基体上铺设一层液态SU-8后烘培；

步骤3.经软烘培，SU-8呈固态；

步骤4.依据该层滤波器腔体的形状，在SU-8表面铺设掩膜后曝光；

步骤5.经曝光之后，该层结构的腔体形状则实现定型；

步骤6.结构定型后将硅基体和未曝光的SU-8部分移除，得到该层结构对应腔体；

步骤7.在腔体表面溅射金属；

步骤8.重复执行步骤1至步骤7，即可得到滤波器的第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层及第七层结构，层与层之间通过定位销来连接。

至此滤波器的分层加工已经完成，通过法兰盘与测试系统连接即可进行测试。

根据四腔CQ结构滤波器理论，归一化传输零点为：

其中ω为任意一个传输零点

在回波损耗等于-20dB的条件下，该结构低通原型的元件值：

由此可以计算出外部Q值和耦合系数，如下：

根据Q值和耦合系数，即可用HFSS仿真得到初值，再对初值进行优化，得到最优值。

结合图5至图8，所述滤波器的具体尺寸参数为：每层厚度h₁＝h₇＝0.4318mm，h₂＝h₃＝h₅＝h₆＝0.2159mm,h₄＝0.1mm，输入输出波导及矩形谐振腔均为标准矩形波导WR-3，宽边a＝0.8636mm，窄边b＝0.4318mm，lin＝1mm，过渡段矩形波导宽度c＝0.2468谐振腔长度l₁＝l₄＝0.5439mm，l₂＝l₃＝0.5829mm，耦合窗宽度w₁＝w₄＝0.4369mm，w₂＝w₃＝0.3201mm，第2和第3谐振腔耦合窗的尺寸m＝0.2mm，n＝0.4082mm，第1和第4谐振腔耦合窗半径r＝0.1650mm。图10为本实施例提供的具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器的S参数的仿真曲线，可观察到该滤波器的通带两端各有一个传输零点，且通带内传输损耗小。

Claims

1.一种具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器，所述滤波器分为上半部分和下半部分，其上、下两部分结构呈镜像对称，上半部分包括输入波导(102)、第一谐振腔(103)、第二谐振腔(104)，下半部分包括输出波导(202)、第三谐振腔(203)及第四谐振腔(204)，所述滤波器的输入端(111)位于所述输入波导(102)的一侧，输入波导(102)的另一侧通过一个H面偏移耦合窗口与第一谐振腔(103)连接，第一谐振腔(103)通过一个H面偏移耦合窗口与第二谐振腔(104)连接；所述滤波器的输出端(112)位于所述输出波导(202)的一侧，输出波导(202)的另一侧通过一个H面偏移耦合窗口与第三谐振腔(203)连接，第三谐振腔(203)通过一个H面偏移耦合窗口与第四谐振腔(204)连接；

其特征在于，所述第一谐振腔(103)底部中心位置与第三谐振腔(203)顶部中心位置通过第一耦合窗(105)联通；所述第二谐振腔(104)底部边缘位置与第四谐振腔(204)顶部边缘位置通过第二耦合窗(106)联通。

2.根据权利要求1所述的具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器，其特征在于，所述第一耦合窗(105)为矩形或者圆柱形，所述第二耦合窗(106)为矩形。

3.根据权利要求1所述的具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器，其特征在于，所述滤波器的输入端(111)与所述输入波导(102)之间还依次连接有第一过渡波导(101)、第一过渡台阶(301)，所述滤波器的输出端(112)与所述输出波导(202)之间还依次连接有第二过渡波导(201)、第二过渡台阶(302)。

4.一种如权利要求3所述的具有传输零点的交叉耦合太赫兹矩形腔体滤波器的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1.初始化滤波器结构：所述滤波器分为第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层及第七层结构，所述第一层结构包括第一过渡波导(101)，第二层结构包括输入波导(102)、第一谐振腔(103)、第二谐振腔(104)三者的上半部分及第一过渡台阶(301)的水平部分，第三层结构包括输入波导(102)、第一谐振腔(103)、第二谐振腔(104)三者的下半部分及第一过渡台阶(301)的竖直部分，所述第四层结构包括第一耦合窗(105)和第二耦合窗(106)，所述第五层结构包括输出波导(202)、第三谐振腔(203)、第四谐振腔(204)三者的上半部分及第二过渡台阶(302)的水平部分，第六层结构包括输出波导(202)、第三谐振腔(203)、第四谐振腔(204)三者的下半部分及第二过渡台阶(302)的竖直部分，第七层结构包括第二过渡波导(201)；按照步骤2至步骤8的流程方法分别制作第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层及第七层结构；

步骤2.在硅基体上铺设一层液态SU-8后烘培；

步骤3.经软烘培，SU-8呈固态；

步骤4.依据第i层(i＝1,…,7)滤波器腔体的形状，在SU-8表面铺设掩膜后曝光；

步骤5.经曝光之后，第i层结构的腔体形状则实现定型；

步骤6.结构定型后将硅基体和未曝光的SU-8部分移除，得到第i层结构对应腔体；

步骤7.在腔体表面溅射金属；

步骤8.重复执行步骤2至步骤7，即可得到滤波器的第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层及第七层结构，层与层之间通过定位销来连接。