CN112259942B - 一种用于毫米波段的双工器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于毫米波段的双工器及其制备方法，该方法包括：根据预设的滤波器波导结构的高度确定硅片的层数，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片；通过键合技术将所述刻蚀后的硅片进行键合形成三维堆栈式结构，以及通过深层微电铸技术对所述三维堆栈式结构进行金属电铸，并在电铸后去除硅片得到由金属组成的微复制模具；根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，以及在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器。本申请解决了现有技术中制备双工器的精度较低的问题。
Description
技术领域
本申请涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种用于毫米波段的双工器及其制备方法。
背景技术
双工器是现代毫米波系统中的重要部件之一，用于收发信号的选择和分离。而随着低轨互联网星座的不断发展，由于双工器件具有开发低成本、可应用于高性能毫米波段滤波等优点，双工器件被广泛的应用于毫米波系统，而随着通信频率资源的日益紧张，最新毫米波系统的研究已从Ka波段提高到W波段，在更短的波长下，对双工器的性能提出了更高的要求，例如，插入损耗低、高隔离度以及体积小等。因此，如何制备高性能双工器对毫米波系统有着重要的影响。
目前，传统的毫米波双工器制备方法过程为：采用线切割夹、机械加工工艺，以及成品压合工艺制备出双工器。具体说是在传统标准金属波导的基础上，通过线切割加工出波导谐振腔体，通过机械加工制作耦合Iris膜片，最后将各部分通过机械组装压合成双工器工作结构。但是采用线切割夹、机械加工等传统工艺，以及成品的组装压合过程具有加工精度的局限性，最理想的情况下，通常也会存在5微米的误差，会对毫米波双工器性能造成较大影响。因此，现有的毫米波双工器制备方法所制备出的双工器的精度较低，不能满足对于高性能双工器的要求。
发明内容
本申请解决的技术问题是：针对现有技术中制备的双工器精度较低的情况，提供了一种用于毫米波段的双工器及其制备方法，本申请实施例所提供的方案中，结合DRIE技术、键合技术以及深层微电铸技术等微机电系统技术(Micro-electromechanical System，MEMS)，提出了毫米波段波导结构器件的制造工艺流程。由于MEMS技术具有低成本、高精度优点，大幅度提高了双工器的加工效率以及双工器的精度。
第一方面，本申请实施例提供了一种用于毫米波段的双工器制备方法，该方法包括：
根据预设的滤波器波导结构的高度确定硅片的层数，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片；
通过键合技术将所述刻蚀后的硅片进行键合形成三维堆栈式结构，以及通过深层微电铸技术对所述三维堆栈式结构进行金属电铸，并在电铸后去除硅片得到由金属组成的微复制模具；
根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，以及在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器。
可选地，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片，包括：
通过所述DRIE技术对设置于所述三维堆栈式结构底层的第一硅片进行单面蚀刻，对所述三维堆栈式结构中第一硅片之上的至少一个第二硅片进行双面蚀刻，以使得将所述第二硅片刻穿。
可选地，根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，包括：
根据所述微复制模具对塑料进行加工热模压加工，制造出波导腔体的上腔体结构或下腔体结构；
在所述上腔体或下腔体结构中溅射一层金属铬种子层，并将所述上腔体结构与所述下腔体结构合模得到所述波导腔体。
可选地，在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器，包括：
根据预设的双工器的工作频率、电导率以及磁导率计算趋肤深度，并根据所述趋肤深度确定所述波导腔体内壁电镀金属层的厚度；
根据所述厚度在所述波导腔体内壁电镀金属层得到所述双工器。
第二方面，本申请实施例提供了一种用于毫米波段的双工器，所述双工器为通过第一方面所述的制备方法所制备的双工器，该双工器包括：波导腔体以及涂覆在所述波导腔体内壁的金属层；其中，
所述波导腔体包括T型接头波导以及设置于所述T型接头波导分支上的两个滤波器波导；在所述T型接头波导上与公共端口相对的位置设置有补偿匹配结构，所述补偿结构为金属膜片或劈尖结构；所述两个滤波器波导相对设置且所处的平面与波导腔体中磁场平面相同。
可选地，所述T型接头波导和所述两个滤波器波导为一体化设置。
可选地，所述滤波器波导内壁均匀设置有多个感性膜片，所述多个感性膜片与所述滤波器波导为一体化设置。
可选地，所述波导腔体为塑料材质。
与现有技术相比，本申请实施例所提供的方案存在如下有益效果：
1、本申请实施例所提供的方案中，结合DRIE技术、键合技术以及深层微电铸技术等微机电系统技术(Micro-electromechanical System，MEMS)，提出了毫米波段波导结构器件的制造工艺流程。由于MEMS技术具有低成本、高精度优点，大幅度提高了双工器的加工效率以及双工器的精度。
2、本申请实施例所提供的方案中，通过金属膜片或楔形结构对T型接头波导和两个滤波器波导进行匹配，这一独特结构，可以实现在短周期内，高性能双工器的快速匹配设计，且器件结构与微加工工艺兼容。
3、本申请实施例所提供的方案中，波导腔体采用塑料材质，减轻了双工器的重量。
附图说明
图1为本申请实施例所提供的一种用于毫米波段的双工器的示意图；
图2a为本申请实施例提供的一种金属膜片补偿匹配结构的示意图；
图2b为本申请实施例提供的一种劈尖结构的补偿匹配结构的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种滤波器波导的结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种用于毫米波段的双工器制备方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的一种微复制模具加工工艺的流程示意图；
图6为本申请实施例所提供的一种波导腔体的加工工艺的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的一种双工器的性能仿真结果示意图；
图8a为本申请实施例提供的一种基于传统双工器制备工艺的误差容忍度仿真结果；
图8b为本申请实施例提供的一种双工器制备工艺的误差容忍度仿真结果。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，本申请实施例提供了一种用于毫米波段的双工器，该双工器包括：波导腔体1以及涂覆在所述波导腔体1内壁的金属层2；其中，
所述波导腔体1包括T型接头波导11以及设置于所述T型接头波导11分支上的两个滤波器波导12；在所述T型接头波导11上与公共端口相对的位置设置有补偿匹配结构111，所述补偿结构111为金属膜片或劈尖结构；所述两个滤波器波导12相对设置且所处的平面与波导腔体1中磁场平面相同。
在本申请实施例所提供的方案，波导双工器中，为了实现信号在不同支路上传输，以做到通信收发频率分离，又要兼顾到器件大小和端口在系统中分布的合理性，本申请实施例所提供的方案中选用分支与主波导相互垂直的T型结构三端口分支传输接口，即波导腔体1包括三个端口，分别为设置于T型接头波导11上的公共端口，以及设置于两个滤波器波导12上的第一滤波器端口和第二滤波器端口，在双工器中，各个端口都有它特定的用途，T型接头波导11与天线相连，作为接受信号和发射信号的能量转换器件，而两个滤波器波导12，将发射和接收信号进行频率分离，实现分路后互不影响的传输。
本申请实施例所提供的方案中，通过金属膜片或楔形结构对T型接头波导11和两个滤波器波导12进行匹配，这一独特结构，可以实现在短周期内，高性能双工器的快速匹配设计，且器件结构与微加工工艺兼容。
进一步，如果用未加匹配的T型接头波导11与两个滤波器波导12相连，则会由于T型结的失配使得双工器远不能实际应用需求。为了调整公共端口、第一滤波器端口以及第二滤波器端口之间的阻抗匹配，需要在双工器中设置补偿匹配结构111。参见图2a和图2b，补偿匹配结构111为金属膜片或劈尖结构，其中，图2a为本申请实施例提供的一种金属膜片补偿匹配结构的示意图；图2b为本申请实施例提供的一种劈尖结构的补偿匹配结构的示意图。
进一步，T型接头波导11按照分支方向的不同可以分为两类：E面T型结和H面T型结，其中，H面T型结是指T型接头波导11的分支平面与磁场平面一致，E面T型结是指T型接头波导11的分支平面与电场平面一致。在本申请实施例所提供的方案中，由于考虑到运用深度反应离子刻蚀的加工技术，以及一体化加工，所以设计了H面T型结作为连接两个滤波器波导12的结构。这样可以使整个双工器腔体的刻蚀在同一次加工流程下完成，降低了制造成本和难度。
进一步，为了便于加工，在一种可能实现的方式中，所述T型接头波导11和所述两个滤波器波导12为一体化设置。
进一步，为了便于实现微加工工艺的有效实施，在一种可能实现的方式中，所述滤波器波导内壁均匀设置有多个感性膜片，所述多个感性膜片与所述滤波器波导为一体化设置。
参见图3，本申请实施例提供的一种滤波器波导的结构示意图。在滤波器波导12中实现串联电感比较难实现，但并联电抗的结构比较容易实现，在图3所示的滤波器波导12内壁均匀设置有多个感性膜片，通过电感膜片所形成的感性结构实现半波长波导谐振器间的并联电感耦合。
进一步，为了减轻双工器的重量，在一种可能实现的方式中，所述波导腔体1为塑料材质。
本申请实施例所提供的方案中，波导腔体1采用塑料材质，减轻了双工器的重量。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种用于毫米波段的双工器制备方法做进一步详细的说明，该方法具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图4所示)：
步骤401，根据预设的滤波器波导结构的高度确定硅片的层数，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片。
在本申请实施例所提供的方案中，每层硅片的厚度为0.52mm，根据预设的滤波器波导结构的高度以及每层硅片的厚度确定制备滤波器波导结构所需的硅片数目，然后根据深层反应离子刻蚀(deep reactive ion ething，DRIE)技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片。具体的，根据DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片的方式有多种，下面以一种较佳的方式为例进行说明。
在一种可能实现的方式中，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片，包括：通过所述DRIE技术对设置于所述三维堆栈式结构底层的第一硅片进行单面蚀刻，对所述三维堆栈式结构中第一硅片之上的至少一个第二硅片进行双面蚀刻，以使得将所述第二硅片刻穿。
步骤402，通过键合技术将所述刻蚀后的硅片进行键合形成三维堆栈式结构，以及通过深层微电铸技术对所述三维堆栈式结构进行金属电铸，并在电铸后去除硅片得到由金属组成的微复制模具。
为了便于理解下面以举例的形式对上述双工器对应的微复制模具的制备过程进行说明。
以三层硅片为例，参见图5，本申请实施例提供的一种微复制模具加工工艺的流程示意图。首先通过DRIE将最底层的硅片进行单面蚀刻，对上两层采用双面蚀刻，通过对三层硅片的刻蚀使得将腔体刻穿，然后通过键合技术将刻蚀后的三层硅片进行键合形成三维堆栈式结构，然后通过深层微电铸技术对三维堆栈式结构进行金属电铸，并在电铸后去除硅片得到由金属组成的微复制模具，其中，微复制模具的金属可以是铜或者其他金属。
步骤403，根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，以及在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体的方式有多种，下面以一种较佳的方式为例进行说明。
在一种可能实现的方式中，根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，包括：根据所述微复制模具对塑料进行加工热模压加工，制造出波导腔体的上腔体结构或下腔体结构；在所述上腔体或下腔体结构中溅射一层金属铬种子层，并将所述上腔体结构与所述下腔体结构合模得到所述波导腔体。
参见图6，本申请实施例所提供的一种波导腔体的加工工艺的流程示意图。首先利用铜模具对塑料进行热模压加工，制造波导下层架构，然后将模具分离，可以同时获得多个波导双工器结构(根据实际需要，模具规模可以增加)，在波导双工器腔体中溅射一层金属铬种子层，为之后的电镀做准备，然后加上上层顶盖之后，进行电镀，使波导双工器内部金属化，从而完成了结构加工的全过程。此加工方案包含成熟的MEMS微细加工工艺，具有成本低廉，加工周期短等优点，因此非常适合本发明双工器产品的批量生产。
进一步，在一种可能实现的方式中，在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器，包括：
根据预设的双工器的工作频率、电导率以及磁导率计算趋肤深度，并根据所述趋肤深度确定所述波导腔体内壁电镀金属层的厚度；
根据所述厚度在所述波导腔体内壁电镀金属层得到所述双工器。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，可以通过下式计算趋肤深度：
其中，δ为趋肤深度，ρ为电阻率，f为工作频率，μ为磁导率。以金为例，电阻率为2.24×10-8Ω/m，磁导率为4π×10-7H/m，当工作频率为90GHz时，趋肤深度为0.25微米，为保证器件性能，选取双工器内壁电镀层厚度至少4倍于趋肤深度，即内壁电镀金厚度≥1微米。
为了便于了解通过上述图4所示方法制备出的双工器的性能，下面对制备出的双工器的性能进行仿真，具体的仿真结果如下所示。
以W波段7阶滤波器与H面T型结组成的双工器为例，该双工器的外形尺寸均为毫米量级，参见图7，本申请实施例提供的一种双工器的性能仿真结果示意图。从图7中可以得到该双工器的插损为0.1dB，通带内回波损耗优于-19dB，而总体几何尺寸小于20×10×4mm，两通道间隔离度优于60dB，在微波性能、体积、重量等方面，全面优于同等条件下其他技术方案。
进一步，为了便于了解通过上述图4所示方法制备出的双工器的精度，下面对双工器制备工艺的误差容忍度进行仿真，具体的仿真结果如下：
参见图8a，本申请实施例提供的一种基于传统双工器制备工艺的误差容忍度仿真结果，从图8a可以看出，通过传统双工器制备工艺使得在制备双工器过程中存在5微米的误差，由于误差的存在会使得频率会发生较大的偏移(误差最大处达到1GHz)，并且如果使腔体偏小，则频点向高频端偏移，反之腔体偏大，则向较低频率偏移；进一步，由于存在较大的误差，还会改变原有的膜片耦合程度，使腔体间耦合失配，造成了回波损耗参数的较大变化(误差超过了18dB)，性能无法满足实际应用要求。
参见图8b，本申请实施例提供的一种双工器制备工艺的误差容忍度仿真结果，从图8b可以看出，回波损耗的变动范围仅在1dB左右，频率偏移在0.1GHz以内，也说明了，本申请实施例所使用的成熟的MEMS工艺流程存在的误差，对双工器滤波特性的影响很小。
本申请实施例所提供的方案中，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片，然后通过键合技术将所述刻蚀后的硅片进行键合形成三维堆栈式结构，以及通过深层微电铸技术对所述三维堆栈式结构进行金属电铸，并在电铸后去除硅片得到由金属组成的微复制模具，再根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，以及在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器。即本申请实施例所提供的方案中，结合DRIE技术、键合技术以及深层微电铸技术等微机电系统技术(Micro-electromechanical System，MEMS)，提出了毫米波段波导结构器件的制造工艺流程。由于MEMS技术具有低成本、高精度优点，大幅度提高了双工器的加工效率以及双工器的精度。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (7)
1.一种用于毫米波段的双工器制备方法，其特征在于，包括：
根据预设的滤波器波导结构的高度确定硅片的层数，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片；
通过键合技术将所述刻蚀后的硅片进行键合形成三维堆栈式结构，以及通过深层微电铸技术对所述三维堆栈式结构进行金属电铸，并在电铸后去除硅片得到由金属组成的微复制模具；
根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，以及在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器；
根据所述微复制模具对塑料进行加工得到波导腔体，包括：
根据所述微复制模具对塑料进行热模压加工，制造出波导腔体的上腔体结构或下腔体结构；
在所述上腔体或下腔体结构中溅射一层金属铬种子层，并将所述上腔体结构与所述下腔体结构合模得到所述波导腔体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过深层反应离子刻蚀DRIE技术将每层所述硅片进行刻蚀加工得到刻蚀后的硅片，包括：
通过所述DRIE技术对设置于所述三维堆栈式结构底层的第一硅片进行单面蚀刻，对所述三维堆栈式结构中第一硅片之上的至少一个第二硅片进行双面蚀刻，以使得将所述第二硅片刻穿。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述波导腔体内壁电镀金属层得到双工器，包括：
根据预设的双工器的工作频率、电导率以及磁导率计算趋肤深度，并根据所述趋肤深度确定所述波导腔体内壁电镀金属层的厚度；
根据所述厚度在所述波导腔体内壁电镀金属层得到所述双工器。
4.一种用于毫米波段的双工器，所述双工器为通过如权利要求1~3任一项所述的制备方法所制备的双工器，其特征在于，包括：波导腔体以及涂覆在所述波导腔体内壁的金属层；其中，
所述波导腔体包括T型接头波导以及设置于所述T型接头波导分支上的两个滤波器波导；在所述T型接头波导上与公共端口相对的位置设置有补偿匹配结构，所述补偿匹配结构为金属膜片或劈尖结构；所述两个滤波器波导相对设置且所处的平面与波导腔体中磁场平面相同。
5.如权利要求4所述的双工器，其特征在于，所述T型接头波导和所述两个滤波器波导为一体化设置。
6.如权利要求5所述的双工器，其特征在于，所述滤波器波导内壁均匀设置有多个感性膜片，所述多个感性膜片与所述滤波器波导为一体化设置。
7.如权利要求4所述的双工器，其特征在于，所述波导腔体为塑料材质。
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