CN203288724U

CN203288724U - 太赫兹波导腔体滤波器

Info

Publication number: CN203288724U
Application number: CN2013200958793U
Authority: CN
Inventors: 胡江; 张勇; 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: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2023-03-04

Abstract

本实用新型涉及太赫兹波导腔体滤波器，由位于上部的上腔体和位于下部的下腔体层叠构成，所述上腔体封盖在下腔体上并在两者结合处具有镂空结构形成的波导腔，所述波导腔位于下腔体内；所述第三谐振腔与波导输出段之间通过第五感性耦合窗串联；所述波导输入段、第一感性耦合窗、第一谐振腔、第三感性耦合窗、第二谐振腔、第二感性耦合窗和波导输出段依次串联构成耦合路径一作为主信号通路；所述波导输入段、第四感性耦合窗、第三谐振腔、第五感性耦合窗和波导输出段依次串联构成耦合路径二，用于在通带低端形成一个传输零点。本实用新型的有益效果：波导腔体滤波器通带位于380～390GHz频段，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。

Description

太赫兹波导腔体滤波器

技术领域

本实用新型属于太赫兹无源器件技术领域，特别涉及一种适用于325~500GHz频段的基于体硅刻蚀工艺的WR2.2（横截面积为0.56mm×0.28mm）矩形波导腔体带通滤波器。

背景技术

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。

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。滤波器的实现形式主要分为平面电路（微带线、共面波导等）和金属腔体电路（矩形波导），实现原理是将一个或多个谐振单元通过耦合的形式连接起来，实现一定的频率响应。其频率响应直接由谐振单元的特性、单元之间耦合的强弱以及整体结构拓扑决定：谐振单元特性主要包括其具体形状和Q值；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；而整体结构拓扑则决定滤波器的阶数、零极点位置。目前太赫兹频段，传统的平面电路滤波器由于其介质损耗过高而无法使用；纯金属波导电路又由于其结构细微，传统金属加工工艺无法实现；其它光子晶体结构滤波器又欠缺通用性，所以还缺乏性能成熟的、具有通用性的滤波器形式。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有滤波器在太赫兹频段上的不足，提供一种可应用于325～500GHz频段的太赫兹波导腔体滤波器，力求改变目前太赫兹频段缺乏通用滤波器的现状。

本实用新型的技术方案是：太赫兹波导腔体滤波器，由位于上部的上腔体和位于下部的下腔体层叠构成，所述上腔体封盖在下腔体上并在两者结合处具有镂空结构形成的波导腔，所述波导腔位于下腔体内；其特征在于，所述波导腔包括呈长方体的波导输入段和波导输出段，位于波导输入段和波导输出段之间并且也呈长方体的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，所述波导输入段与第一谐振腔之间通过第一感性耦合窗串联，所述第一谐振腔与第二谐振腔通过第三感性耦合窗串联，所述第二谐振腔与波导输出段通过第二感性耦合窗串联，所述波导输入段与第三谐振腔之间通过第四感性耦合窗串联，所述第三谐振腔与波导输出段之间通过第五感性耦合窗串联；所述波导输入段、第一感性耦合窗、第一谐振腔、第三感性耦合窗、第二谐振腔、第二感性耦合窗和波导输出段依次串联构成耦合路径一作为主信号通路；所述波导输入段、第四感性耦合窗、第三谐振腔、第五感性耦合窗和波导输出段依次串联构成耦合路径二，用于在通带低端形成一个传输零点；所述第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔的中间部位具有用以间隔三个谐振腔、波导输入段和波导输出段的凸台。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的波导腔体滤波器通带位于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。同时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。

附图说明

图1为本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器主视结构示意图。

图2为本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器俯视结构示意图。

图3为本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器的下腔体的主视结构示意图。

图4为本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器的下腔体的俯视结构示意图。

图5为本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器的下腔体的俯视结构的关键尺寸示意图。

图6为本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器在325~440GHz频段下的测试曲线。

附图标记说明：上腔体1、下腔体2、波导腔3、波导输入段4、波导输出段5、第一谐振腔6、第二谐振腔7、第三谐振腔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、凸台14、短路端15、短路端16。

具体实施方式

本实用新型申请的实用新型人在研究中发现，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。实用新型人同时发现，在其通带的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。实用新型人基于上述发现，研究开发出了通带位于380~390GHz的太赫兹波导腔体滤波器。

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型申请提供的太赫兹波导腔体滤波器，由位于上部的上腔体1和位于下部的下腔体2层叠构成，所述上腔体1封盖在下腔体2上并在两者结合处具有镂空结构形成的波导腔3，所述波导腔3位于下腔体2内；其特征在于，所述波导腔3包括呈长方体的波导输入段4和波导输出段5，位于波导输入段4和波导输出段5之间并且也呈长方体的第一谐振腔6、第二谐振腔7和第三谐振腔8，所述波导输入段4与第一谐振腔6之间通过第一感性耦合窗9串联，所述第一谐振腔6与第二谐振腔7通过第三感性耦合窗11串联，所述第二谐振腔7与波导输出段5通过第二感性耦合窗10串联，所述波导输入段4与第三谐振腔8之间通过第四感性耦合窗12串联，所述第三谐振腔8与波导输出段5之间通过第五感性耦合窗13串联；所述波导输入段4、第一感性耦合窗9、第一谐振腔6、第三感性耦合窗11、第二谐振腔7、第二感性耦合窗10和波导输出段5依次串联构成耦合路径一作为主信号通路，用于形成中心频率位于385GHz的二阶带通滤波特性；所述波导输入段4、第四感性耦合窗12、第三谐振腔8、第五感性耦合窗13和波导输出段5依次串联构成耦合路径二，用于在通带低端形成一个传输零点，从而优化带通滤波在低端的带外抑制；所述第一谐振腔6、第二谐振腔7和第三谐振腔8的中间部位具有用以间隔三个谐振腔、波导输入段4和波导输出段5的凸台14。

上述波导腔3以空气为填充介质，上腔体1和下腔体2为硅基镀金材质，波导腔3的波导输入段4和波导输出段5为标准WR2.2矩形波导，横截面的宽、高尺寸分别为560μm±5μm、280μm±5μm。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明，并通过实施例对本实用新型作进一步的具体描述。

如图4和5所示，太赫兹波导滤波器的波导腔主要由波导输入段4、波导输出段5以及位于波导输入段4和波导输出段5之间的3个矩形谐振腔（6、7、8）构成。波导输入段4、波导输出段5为WR2.2规格的标准矩形波导，横截面的宽、高尺寸分别为0.56mm±5m、0.28mm±5m。整个滤波结构由波导输入段4、波导输出段5两段WR2.2标准矩形波导和三个矩形谐振腔构成，各结构之间由感性耦合窗（9、10、11、12、13）分隔形成，从原理上分为两个信号耦合路径，耦合路径一经过右侧串联的两个谐振频率位于385Ghz的第一谐振腔6和第二谐振腔7，为主信号通路，用于形成中心频率位于385GHz的二阶带通滤波特性,其间三个感性耦合窗口的厚度和宽度将决定频率响应波形；耦合路径二经过左侧一个矩形谐振腔（即第三谐振腔8），用于在通带低端形成一个传输零点，优化带通滤波在低端的带外抑制。

耦合路径一包含波导输入段4[2403μm×（560±5μm）×（280±5μm）]、第一谐振腔6[（506±3μm）×（506±3μm）×（280±5μm）]、第二谐振腔7[（506±3μm）×（506±3μm）×（280±5μm）]、波导输出段5[2403um×（560±5μm）×（280±5μm）]、波导输入段4与第一谐振腔6之间的第一感性耦合窗9[（306±3μm）×（44±3μm）×（280±5μm）]、第一谐振腔6与第二谐振腔7之间的第三感性耦合窗11[（216±3μm）×（74±3μm）×（280±5μm）]、第二谐振腔7与波导输出段5之间的第二感性耦合窗10[（306±3μm）×（44±3μm）×（280±5μm）]。方括号内的数据分别表示了长方体形的谐振腔和耦合窗在长、宽和高的三维尺寸，±表示其三维尺寸所允许的误差值。

耦合路径二包含波导输入段4[2403um×（560±5μm）×（280±5μm）]、第三谐振腔8[（506±3μm）×（806±3μm）×（280±5μm）]、波导输出段5[2403um×（560±5μm）×（280±5μm）]、波导输入段4与第三谐振腔8之间的第四感性耦合窗12[（206±3μm）×（114±3μm）×（280±5μm）]、第三谐振腔8与波导输出段5之间的第五感性耦合窗13[（206±3μm）×（114±3μm）×（280±5μm）]。

第一感性耦合窗9距离波导输入段4的短路端15的距离为50±5μm，第二感性耦合窗10距离波导输出段5的短路端16的距离为50±5μm，第三感性耦合窗11距离第一谐振腔6的第一感性耦合窗9端面的距离为140±5m，第四感性耦合窗12贴紧波导输入段4的短路端15，第五感性耦合窗13贴紧波导输出段5的短路端16。

上述感性耦合窗由位于其两侧的隔墙构成，隔墙的上缘与下腔体2的硅质基片表面平齐，隔墙的下缘与下腔体2的谐振腔底面平齐，即感性耦合窗的高度也为280μm±5μm。

为了更好地实现本实用新型的目的，本实用新型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。

上述太赫兹波导滤波器为剖分结构，闭合形成滤波器波导腔3的上腔体1的结合面为平整基片，下腔体2的接合面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1封盖在下腔体3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。

上述波导腔的平面结构可设计为相对垂直于信号传输方向的中心线对称，如相对图4中的中心线A-A对称。

上述感性耦合窗两侧的隔墙，其上缘与下腔体基片表面平齐，下端与谐振腔底面平齐。

上述波导腔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。

本实用新型提供的太赫兹波导腔体滤波器，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，该腔即为滤波器的谐振腔（图4中的6、7或8）。

如图6所示，本实用新型提供的太赫兹波导腔体滤波器，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387GHz中心频点损耗为4.37dB，3-dB带宽为12.8GHz（380.6～393.4GHz），反射约为-20dB，带外抑制大于20dB。这意味着本实用新型的波导滤波器在太赫兹低端（325～500GHz）可以实现完整滤波性能和较低的插入损耗，解决了其它形式滤波器由于损耗过大，难以应用在这个频段的难题。

本实用新型的波导腔体滤波器通带位于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。

本实用新型提供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。

本实用新型的太赫兹波导腔体滤波器，采用WR2.2标准矩形波导接口，具有工作频率高，损耗小，易于制造，通用性强等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。

有必要在此指出的是，上面的实施例只是用于进一步阐述本实用新型，以便于本领域的普通技术人员更好地理解本实用新型。本实用新型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，并在不偏离本实用新型的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims

1.太赫兹波导腔体滤波器，由位于上部的上腔体和位于下部的下腔体层叠构成，所述上腔体封盖在下腔体上并在两者结合处具有镂空结构形成的波导腔，所述波导腔位于下腔体内；其特征在于，所述波导腔包括呈长方体的波导输入段和波导输出段，位于波导输入段和波导输出段之间并且也呈长方体的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，所述波导输入段与第一谐振腔之间通过第一感性耦合窗串联，所述第一谐振腔与第二谐振腔通过第三感性耦合窗串联，所述第二谐振腔与波导输出段通过第二感性耦合窗串联，所述波导输入段与第三谐振腔之间通过第四感性耦合窗串联，所述第三谐振腔与波导输出段之间通过第五感性耦合窗串联；所述波导输入段、第一感性耦合窗、第一谐振腔、第三感性耦合窗、第二谐振腔、第二感性耦合窗和波导输出段依次串联构成耦合路径一作为主信号通路；所述波导输入段、第四感性耦合窗、第三谐振腔、第五感性耦合窗和波导输出段依次串联构成耦合路径二，用于在通带低端形成一个传输零点；所述第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔的中间部位具有用以间隔三个谐振腔、波导输入段和波导输出段的凸台。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波导腔体滤波器，其特征在于，所述波导腔的波导输入段和波导输出段为标准WR2.2矩形波导。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波导腔体滤波器，其特征在于，所述感性耦合窗由位于其两侧的隔墙构成，隔墙的上缘与下腔体的硅质基片表面平齐，隔墙的下缘与下腔体的谐振腔底面平齐。

4.根据权利要求3所述的太赫兹波导腔体滤波器，其特征在于，所述第一感性耦合窗距离波导输入段的短路端的距离为50±5μm，第二感性耦合窗距离波导输出段的短路端的距离为50±5μm，第三感性耦合窗距离第一谐振腔的第一感性耦合窗端面的距离为140±5μm，第四感性耦合窗贴紧波导输入段的短路端，第五感性耦合窗贴紧波导输出段的短路端。