專利名稱：適用于380～390GHz頻段的波導(dǎo)帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲無源器件，更為具體地說，是涉及一種適用于380 390GHz頻段的基于MEMS體硅工藝的波導(dǎo)帶通濾波器。
背景技術(shù)：
濾波器是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它通過在濾波器通帶頻率內(nèi)提供信號傳輸并在阻帶內(nèi)提供衰減的特性，用以選擇系統(tǒng)中某處的頻率響應(yīng)。典型的頻率響應(yīng)包括低通、高通、帶通和帶阻特性。濾波器實(shí)際上已廣泛應(yīng)用于各種類型的通信、雷達(dá)測試或測量系統(tǒng)中。濾波器的功能構(gòu)件是約束或引導(dǎo)電磁波能量定向傳輸?shù)膫鬏斁€系統(tǒng)，即導(dǎo)行系統(tǒng)，導(dǎo)行波是指能量的全部或絕大部分受傳輸線導(dǎo)體或介質(zhì)的邊界約束、在傳輸線有限截面內(nèi)沿確定方向(一般為軸向)傳輸?shù)碾姶挪?，?dǎo)行波的模式，又稱為傳輸模、正規(guī)模，是指能夠沿傳輸線獨(dú) 立存在的場型，傳輸線中導(dǎo)模兩相同相位面之間的距離稱為該導(dǎo)模的波導(dǎo)波長λ g,是一與傳輸線結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的參數(shù)。濾波器將一個(gè)或多個(gè)諧振腔通過耦合的形式連接起來，實(shí)現(xiàn)一定的頻率響應(yīng)；諧振腔是一段一定長度的導(dǎo)行系統(tǒng)，其長度一般為波導(dǎo)半波長或四分之一波導(dǎo)波長；耦合的形式則可以根據(jù)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(jù)耦合面處等效電路的性質(zhì)分為容性耦合、感性耦合等。太赫茲頻率一般指300GHz 3000GHz范圍內(nèi)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(shù)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(fā)殆盡，這一段“空白”亟需加以利用。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，對適用于太赫茲頻段的器件以及系統(tǒng)的研究得以進(jìn)行，其中作為太赫茲系統(tǒng)的重要組成部件一太赫茲濾波器已成為目前研究的熱點(diǎn)。但在太赫茲頻率區(qū)間的不同頻段，電磁波的傳輸有不同的特性，因此，研究開發(fā)適用于特定頻段的太赫茲頻段的波導(dǎo)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(xiàn)狀，研究開發(fā)可適用于太赫茲頻率特定頻段的波導(dǎo)濾波器，是所屬領(lǐng)域的科技工作者共同面臨的課題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有濾波器在應(yīng)用頻率上的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種應(yīng)用在380 390GHz頻段的太赫茲波導(dǎo)濾波器，以拓展頻譜資源的利用范圍，改變電磁頻譜日益擁擠的現(xiàn)狀。本發(fā)明的發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，在太赫茲頻段，各種介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗急劇增大，含有介質(zhì)填充的濾波器難以應(yīng)用在這個(gè)頻段，例如基于微帶的平面濾波器。發(fā)明人同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在38(T390GHz太赫茲頻段，可以利用94GHz的大氣窗口實(shí)現(xiàn)四倍頻大功率輸出，又可以利用本頻段大氣吸收窗口實(shí)現(xiàn)特定條件下的通信。發(fā)明人基于上述發(fā)現(xiàn)，研究開發(fā)出了可應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器。本發(fā)明提供的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，上腔體和下腔體閉合形成濾波器波導(dǎo)腔，閉合形成濾波器波導(dǎo)腔的上腔體和下腔體為硅基鍍金材質(zhì)，波導(dǎo)腔由輸入段、輸出段以及位于輸入段與輸出段之間3 7個(gè)諧振腔構(gòu)成，以空氣為填充介質(zhì)，波導(dǎo)腔橫截面的寬、高尺寸分別為O. 56πιπι±5μπι、0. 28mm±5 μ m，諧振腔由對稱隔墻構(gòu)成的感性耦合窗分隔形成，位于兩端的諧振腔腔長小于位于中間諧振腔腔長，位于兩端的感性耦合窗的窗寬大于位于中間的感性耦合窗的窗寬。本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案，太赫茲波導(dǎo)濾波器設(shè)置有5飛個(gè)的諧振腔，諧振腔腔長由兩端向內(nèi)分別為449±3 μ m、499±3 μ m、502±3 μ m,感性f禹合窗的窗寬由兩端向內(nèi)分別為 287±3um、187±3um、171±3um。本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案，太赫茲波導(dǎo)濾波器為剖分結(jié)構(gòu)，閉合形成濾波器波導(dǎo)腔的上腔體為平整基片，下腔體為在基片上通過蝕刻加工出濾波器波導(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，上腔體封蓋在下腔體鍵合構(gòu)成太赫茲波導(dǎo)濾波器。太赫茲波導(dǎo)濾波器采取上述結(jié)構(gòu)，可完全避免傳統(tǒng)濾波器上、下腔體分別蝕刻一半濾波結(jié)構(gòu)，在上、下腔體閉合時(shí)可能產(chǎn)生對位不準(zhǔn)的問題。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還可進(jìn)一步采取以下技術(shù)措施。以下技術(shù)措施可單獨(dú)采取，也可組合采取，甚至一并采取。下腔體的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為在橫、縱方向均相對于中心線對稱。構(gòu)成感性耦合窗的隔墻，其上緣最好與下腔體基片表面平齊，下端最好與諧振腔底面平齊。隔墻厚度最好為60μπι±3μπι。下腔體最好采取在硅質(zhì)基片上通過蝕刻加工出波導(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，再通過濺射鍍金工藝在波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)上鍍覆鍍金層。鍍金層的厚度最好為2. 5^3. 5 μ m。本發(fā)明提供的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，采取體硅加工工藝加工制取。體娃加工工藝是MEMS (Microelectromechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))工藝中具有代表性的一種。MEMS所代表的是由特征尺寸在O. OOlmm O. Imm的組件所集成的系統(tǒng)，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(shí)具有加工費(fèi)用相對低廉、加工條件相對簡單以及技術(shù)要求相對較低的特點(diǎn)。所述體硅加工工藝，其工藝流程大致如下首先，在娃質(zhì)基片的表面生成一層不同化學(xué)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(zhì)基片部分在掩模層上的對應(yīng)位置，并將這部分的掩模層除去，裸露出之下的硅質(zhì)基片。隨后，通過氣相腐蝕劑腐蝕硅質(zhì)基片，得到規(guī)定深度和形狀的矩形槽，氣相腐蝕劑具有各向異性的特點(diǎn)，以保證其主要在深度上進(jìn)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(hù)其下的硅質(zhì)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(yīng)對硅質(zhì)基片沒有腐蝕作用，該工序完成后，只余下經(jīng)過刻蝕處理的硅質(zhì)基片。此后，在硅質(zhì)基片的表面，以及矩形槽的表面通過金屬濺射的方式進(jìn)行金屬化操作。最后，將該基片與另外一塊經(jīng)過表面金屬化處理的基片進(jìn)行鍵合，形成一個(gè)內(nèi)表面金屬化的腔，該腔即為濾波器的波導(dǎo)腔。本發(fā)明提供的太赫茲波導(dǎo)濾波器，是以空氣為填充介質(zhì)的波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)，即濾波器的功能構(gòu)件是以空氣為填充介質(zhì)的波導(dǎo)。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)(Agilent N5245A)結(jié)合頻率拓展模塊(0ML-V022VNA2)對其進(jìn)行測量，測量結(jié)果是在380 390GHz頻段的單位長度波導(dǎo)的損耗僅為O. 3 O. 56dB/mm。這意味著本發(fā)明的波導(dǎo)濾波器可以實(shí)現(xiàn)較低的插入損耗，解決了現(xiàn)有技術(shù)以其他介質(zhì)為填充的濾波器，在太赫茲頻段介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗急劇增大，難以應(yīng)用在這個(gè)頻段的難題。本發(fā)明的波導(dǎo)濾波器應(yīng)用于38(T390GHz頻段，可利用94GHz的大氣窗口實(shí)現(xiàn)四倍頻大功率輸出，又可以利用本頻段大氣吸收窗口實(shí)現(xiàn)特定條件下的通信等特點(diǎn)，具有優(yōu)良的傳輸性能。
本發(fā)明提供的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取了以平整基片作為閉合形成濾波器波導(dǎo)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(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，上腔體封蓋在下腔體鍵合構(gòu)成太赫茲波導(dǎo)濾波器，摒棄了現(xiàn)有技術(shù)的濾波器在上、下腔體分別蝕刻一半濾波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，完全避免了上、下腔體閉合時(shí)有可能產(chǎn)生對位不準(zhǔn)的問題，大大提高了濾波器的加工制作性。本發(fā)明的太赫茲波導(dǎo)濾波器，具有工作頻率高，損耗小，易于制造，便于集成等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。


附圖I為本發(fā)明的太赫茲波導(dǎo)濾波器主視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為本發(fā)明的太赫茲波導(dǎo)濾波器俯視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3為太赫茲波導(dǎo)濾波器的下腔體的主視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4為太赫茲波導(dǎo)濾波器的下腔體的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖5為本發(fā)明的濾波器的功能構(gòu)件在380 390GHz頻段下的損耗測試曲線。在上述附圖中各圖示標(biāo)號標(biāo)識的對象分別為1-上腔體；2_下腔體；3_波導(dǎo)腔；4-波導(dǎo)輸入段；5_波導(dǎo)輸出段；6 10_諧振腔；lf 16-構(gòu)成感性耦合窗的隔墻。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，并通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的具體描述。有必要在此指出的是，下面的實(shí)施例只是用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。本發(fā)明已通過文字揭露了其首選實(shí)施方案，但通過閱讀這些技術(shù)文字說明可以領(lǐng)會(huì)其中的可優(yōu)化性和可修改性，并在不偏離本發(fā)明的范圍和精神上進(jìn)行改進(jìn)，但這樣的改進(jìn)應(yīng)仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。實(shí)施例I本實(shí)施例應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其結(jié)構(gòu)如附圖I至4所示，由上腔體I和下腔體2構(gòu)成，為剖分結(jié)構(gòu)，上腔體封蓋在下腔體形成濾波器波導(dǎo)腔3，以空氣為填充介質(zhì)。上腔體為平整基片，下腔體為在基片上通過蝕刻加工出濾波器波導(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，且在橫、縱方向均相對于中心線對稱。上腔體和下腔體均采用MEMS體硅工藝在硅基片上蝕刻成型，之后在內(nèi)表面進(jìn)行鍍金處理。硅質(zhì)基片的表面鍍金層厚度為3 μ m。最后采用鍵合工藝封閉，形成濾波器的濾波結(jié)構(gòu)。整體外部尺寸為3_X0. 966_X5mm。太赫茲波導(dǎo)濾波器的波導(dǎo)腔由輸入段4、輸出段5以及位于輸入段與輸出段之間5個(gè)諧振腔構(gòu)成，為WR-2. 8規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，橫截面的寬、高尺寸分別為O. 56mm±5 μ m、O. 28mm±5 μ m，諧振腔由對稱隔墻構(gòu)成的感性耦合窗分隔形成。位于兩端的諧振腔腔長小于位于中間諧振腔腔長，各個(gè)諧振腔的具體長度為諧振腔6和諧振腔10的腔長為449 ± 3 μ m,諧振腔7和諧振腔9的腔長為499 ± 3 μ m,諧振腔8的腔長為502 ± 3 μ m。由隔墻構(gòu)成的感性稱合窗的窗寬，位于兩端的感性稱合窗的窗寬大于位于中間的感性稱合窗的窗寬，各感性耦合窗的具體窗寬為由隔墻11、16分別形成的感性耦合窗寬287±3μπι，由隔墻12、15分別形成的感性耦合窗寬187±3μπι，由隔墻13、14分別形成的感性耦合窗寬171±3μπι。隔墻的上緣與硅質(zhì)基片表面平齊，其下端與諧振腔底面平齊，即感性耦合 窗的高度為O. 28πιπι±5μπι。輸入段4與輸出段5的長度按照實(shí)際加工數(shù)據(jù)增減，預(yù)計(jì)為1121±16. 5μπι。
權(quán)利要求
1.ー種應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，上腔體(I)和下腔體(2)閉合形成濾波器波導(dǎo)腔(3)，其特征在于閉合形成濾波器波導(dǎo)腔的上腔體和下腔體為硅基鍍金材質(zhì)，波導(dǎo)腔由輸入段(4)、輸出段(5)以及位于輸入段與輸出段之間Tl個(gè)諧振腔構(gòu)成，以空氣為填充介質(zhì)，波導(dǎo)腔橫截面的寬、高尺寸分別為0. 56mm±5 ii m、0. 28mm±5 ii m,諧振腔由對稱隔墻構(gòu)成的感性耦合窗分隔形成，位于兩端的諧振腔腔長小于位于中間諧振腔腔長，位于兩端的感性稱合窗的窗寬大于位于中間的感性稱合窗的窗寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于設(shè)置有5飛個(gè)的諧振腔，諧振腔腔長由兩端向內(nèi)分別為449 ± 3 ii m、499 ± 3 ii m、502±3u m,感性率禹合窗的窗寬由兩端向內(nèi)分別為287 ±3iim、187±3iim、171±3iim。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于閉合形成濾波器波導(dǎo)腔的上腔體為平整基片，下腔體為在基片上通過蝕刻加工出濾波器波導(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，上腔體封蓋在下腔體鍵合構(gòu)成濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于下腔體(2)的結(jié)構(gòu)在橫、縱方向均相對于中心線對稱。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于構(gòu)成感性耦合窗的隔墻上緣與下腔體基片表面平齊，其下端與諧振腔底面平齊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于構(gòu)成感性耦合窗的隔墻厚度為60 ii m±3 ii m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于下腔體(2)為在硅質(zhì)基片上通過蝕刻加工出波導(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，再通過濺射鍍金工藝在波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)上鍍覆鍍金層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于下腔體(2)為在硅質(zhì)基片上通過蝕刻加工出波導(dǎo)腔的整體結(jié)構(gòu)，再通過濺射鍍金工藝在波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)上鍍覆鍍金層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于鍍金層的厚度為2. 5^3. 5 Um0
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用于380 390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，其特征在于鍍金層的厚度為2. 5^3. 5 Um0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于380～390GHz的太赫茲波導(dǎo)濾波器，上腔體和下腔體閉合形成濾波器波導(dǎo)腔，閉合形成濾波器波導(dǎo)腔的上腔體和下腔體為硅基鍍金材質(zhì)，波導(dǎo)腔由輸入段、輸出段以及位于輸入段與輸出段之間3~7個(gè)諧振腔構(gòu)成，以空氣為填充介質(zhì)，波導(dǎo)腔橫截面的寬、高尺寸分別為0.56mm±5μm、0.28mm±5μm，諧振腔由對稱隔墻構(gòu)成的感性耦合窗形成，位于兩端的諧振腔腔長小于位于中間諧振腔腔長，位于兩端的感性耦合窗的窗寬大于位于中間的感性耦合窗的窗寬。本發(fā)明具有工作頻段高，損耗小，易加工，方便與其他組件連接等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01P1/208GK102856615SQ20121033981
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者張勇, 胡江, 徐銳敏, 延波, 謝善誼 申請人:電子科技大學(xué)