140 GHz空腔濾波器設(shè)計及加工工藝研究*

甯　彪，繆　旻，2*

（1.北京信息科技大學(xué)信息微系統(tǒng)研究所，北京100101；2.北京大學(xué)微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，北京100871）

?

140 GHz空腔濾波器設(shè)計及加工工藝研究*

甯彪1，繆旻1，2*

（1.北京信息科技大學(xué)信息微系統(tǒng)研究所，北京100101；2.北京大學(xué)微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，北京100871）

摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種采用進(jìn)口電火花技術(shù)加工的D波段電感膜片耦合的矩形波導(dǎo)空腔濾波器。采用等效電路法設(shè)計了一個140 GHz矩形空腔帶通濾波器。采用有限元仿真軟件HFSS分析了腔體個數(shù)對濾波器主要性能的影響，最終成功設(shè)計了一個性能優(yōu)良的四階空腔濾波器，中心頻率（140±3）GHz，帶內(nèi)插入損耗S21在-3 dB以內(nèi)，回波損耗S11在-20 dB以下。采用電火花微加工技術(shù)成功加工出了四階濾波器的主體部分，相應(yīng)完成了結(jié)構(gòu)鍵合等關(guān)鍵工藝，首次制作了基于電火花技術(shù)的D波段矩形波導(dǎo)空腔濾波器。測試結(jié)果為中心頻率（138.5±3）GHz，帶內(nèi)插入損耗最好達(dá)到了-4.4 dB。結(jié)果表明濾波器在140 GHz具有帶通特性和濾波功能，盡管與理論上的-3 dB有差異，但考慮到加工誤差、夾具損耗等情況下，樣品主要技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計值較為一致。

關(guān)鍵詞：濾波器；空腔；毫米波；太赫茲；全波仿真；電火花微加工

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61176102，60976083，60501007）；國家重大科技專項基金項目（2009ZX02038）；北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計劃項目（PHR201108257）；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計劃項目（長城學(xué)者培養(yǎng)計劃，CIT&TCD20150320）

D波段（0.11 THz~0.17 THz）處于光子學(xué)與電子學(xué)的空白地帶，140 GHz更是電磁波在大氣傳播的窗口，在這個波段，電磁波具有傳輸速率高、方向性好及穿透性強(qiáng)等特性，在物體成像，環(huán)境監(jiān)測，軍事，通信，醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有這非常重要的戰(zhàn)略地位［1-3］。

濾波器是一種至關(guān)重要的射頻器件，用于選擇頻率，在發(fā)射機(jī)中抑制帶外功率，提高系統(tǒng)的電磁兼容特性，可以提高某些有源器件的功率和效率；在接受機(jī)中濾除工作帶寬外的環(huán)境噪聲和干擾頻率［4-6］。國內(nèi)外主要從2個方面研究毫米波至太赫茲濾波器，一是研究新型材料與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)太赫茲濾波特性，如1999年，英國Michael E MacDonald［7］等在介質(zhì)薄膜上放置金屬薄片交叉槽孔實現(xiàn)了THz帶通濾波器，2000年，Libon I H，Dawson P［8］等提出了一種基于混合型量子阱結(jié)構(gòu)的光可調(diào)THz濾波器，2003年，德國埃爾蘭根Nurem?berg大學(xué)的Stephan Biber［9］等人基于二元光柵理論設(shè)計了中心頻率為300 GHz，截止頻率為450 GHz的帶通濾波器，University of California［10］的一些研究人員設(shè)計了一款超穎材料等離子體太赫茲濾波器，2004年，法國H.Nemec等［11］發(fā)明了一維光子晶體可調(diào)太赫茲濾波器，2006年，我國臺灣Chao-yuan Chen等［12］研制了基于液晶材料的可調(diào)太赫茲立奧濾波器，可調(diào)中心頻率范圍是388 GHz ~564 GHz。二是基于傳統(tǒng)理論，采用更加精細(xì)的加工工藝加工器件，實現(xiàn)太赫茲濾波特性，2011年，我國東南大學(xué)Tang Hongjun，Hong Wei［13］等人采用MEMS工藝制作了一種基于硅襯底的多模THz帶通濾波器，通帶范圍是350 GHz~370 GHz，2012年，國內(nèi)中物院5所的趙興海［14］等人采用深硅蝕刻法，制作了基于WR6.5波導(dǎo)的140 GHz濾波器，2013年，海軍裝備部的吳中川［15］采用集成電路制作工藝制作了基于WR4.3波導(dǎo)的220 GHz濾波器。

本文從加工工藝的角度，探索性地采用了進(jìn)口電火花加工技術(shù)，制作了基于WR6.5波導(dǎo)的140 GHz濾波器，因其體積小、重量輕和加工成本相對較低等特點使得在太赫茲系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用潛力。

1　濾波器的設(shè)計

設(shè)計腔體濾波器的時候，首先需要考慮腔體的個數(shù)。本文設(shè)計了波紋為3 dB的三階、四階和五階契比雪夫空腔帶通濾波器，對比了各自的S參數(shù)性能，并得出了結(jié)論。濾波器的諧振腔是通過膜片耦合相互作用。在太赫茲通信和遙測系統(tǒng)中，都是采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口作為傳輸線結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的140 GHz空腔濾波器采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口是WR-6（截面尺寸是1.651 mm×0.82 mm）。

1.1電感膜片等效電路

對波導(dǎo)濾波器的研究方法比較多，主要方法有模式匹配法、等效電路法及散射參數(shù)法。其中模式匹配法和散射參數(shù)法準(zhǔn)確性高，但是對模型準(zhǔn)確性要求也高，而等效電路法對模型準(zhǔn)確性要求不高，且能根據(jù)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)方便地調(diào)整等效參數(shù)，能快速粗略地設(shè)計出濾波器尺寸，然后在通過高頻電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，得出準(zhǔn)確的濾波器尺寸。本文采用的是等效電路法［16-17］。

電感膜片的等效電路圖如圖1所示。窗口面積為b×d的電感膜片的電導(dǎo)可以通過式（1）得到［18］：

式中，λ0為中心頻率f0對應(yīng)的波導(dǎo)波長，a為波導(dǎo)端口的寬度，d為膜片的間距。

圖1　矩形波導(dǎo)濾波器電感膜片的等效電路圖

1.2仿真及分析

通過契比雪夫低通原型轉(zhuǎn)換為帶通濾波器原型，通過上述等效電路模型計算矩形膜片波導(dǎo)濾波器的幾何尺寸，即諧振腔長度L和膜片的間距d。膜片的厚度選為0.2 mm。通過計算得到的初始尺寸，利用有限元仿真軟件HFSS進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，如圖2所示，同時對其進(jìn)行了仿真優(yōu)化，分別得到了140 GHz的三階、四階和五階空腔濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖2　空腔濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　140 GHz空腔濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果

從圖3可以看出，三階腔體濾波器的-3 dB通帶頻率為138 GHz~142 GHz，相對帶寬為2.9%，帶內(nèi)回波損耗S11最大值小于-30 dB；盡管五階腔體濾波器的-3 dB通帶頻率為132 GHz~148 GHz，相對帶寬也達(dá)到了11.4%，但是在通帶內(nèi)的回波損耗S11最大值大于了-10 dB，損耗太大，不能完成濾波器的濾波功能，因此不能完成要求；而四階空腔濾波器的-3 dB通帶頻率為137 GHz~143 GHz，相對帶寬為5.3%，帶內(nèi)的回波損耗S11的最大值小于-20 dB，通帶外側(cè)的衰減坡度也比較陡峭。

因此，與三階、五階空腔濾波器相比，盡管四階濾波器的通帶帶寬比不上五階濾波器的通帶寬度，在帶內(nèi)的回波損耗S11沒有三階濾波器那么小，但是它的帶內(nèi)回波損耗比五階濾波器小，通帶帶寬比三階濾波器大。因此綜合來看，四階濾波器的性能指標(biāo)更為優(yōu)良。

為了驗證采用有限元仿真軟件HFSS仿真出來的S參數(shù)結(jié)果的正確性，同時利用有限積分仿真軟件對四階矩形波導(dǎo)電感膜片耦合的濾波器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模及優(yōu)化設(shè)計，得到了一組新的S參數(shù)結(jié)果，如圖4所示。

將圖4和圖3中通過有限元仿真軟件仿真得到的四階空腔濾波器的S參數(shù)相對比，可以發(fā)現(xiàn)，兩個圖的波形幾乎一致，因此進(jìn)一步證明了通過等效電路法設(shè)計的濾波器是成功的。

設(shè)計的四階空腔濾波器性能指標(biāo)如表1所示。

通過有限元和有限積分仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到的四階矩形電感膜片耦合的空腔濾波器的幾何尺寸如圖5所示。

圖4　采用有限積分法得到的S參數(shù)仿真結(jié)果

表1　140 GHz空腔濾波器性能指標(biāo)Table 1 The performance index of 140 GHz cavity filter

圖5　空腔濾波器的尺寸示意圖

2　濾波器加工

濾波器采用進(jìn)口電火花加工工藝進(jìn)行制作。濾波器采用的材料是不銹鋼，加工流程：首先將工具電極和不銹鋼分別接脈沖電源的兩極，將其浸入工作液中；其次，通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極向不銹鋼供給，當(dāng)兩電極間的間隙達(dá)到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電；最后，火花放電產(chǎn)生的大量熱能使得放電的微細(xì)通道的溫度和壓力急劇變化，從而使得浸入在工作液中的不銹鋼材料立刻熔化、氣化，并濺射到工作液中，迅速凝固，形成固體金屬微粒，被工作液帶走，剩下的不銹鋼材料形成所需要的濾波器形狀，加工樣品的主體部分如圖6（a）所示，包括凹槽和蓋板兩個部分，通過鍵合工藝，將主體部分鍵合，形成閉合的腔體結(jié)構(gòu)，同時為了便于測試，設(shè)計并加工了金屬法蘭夾具，將原型濾波器組合起來，形成了濾波器組件，如圖6（b）所示。

圖6　濾波器加工樣品

3　濾波器測試

借用中國電子科技集團(tuán)第四十一研究所的AV3672B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、AV3640A毫米波擴(kuò)頻控制機(jī)和AV3646A S參數(shù)測試模塊（110 GHz~170 GHz）搭建了測試平臺，測試場景如圖7所示。其中一個樣品的功率衰減特性如圖8所示。

圖7　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試場景圖

圖8　濾波器測試結(jié)果

從圖中可以看出，測試的結(jié)果是中心頻率為（138.5±3）GHz，帶內(nèi)插入損耗為-4.4 dB，回波損耗小于-20 dB，帶外抑制小于-20 dB，測試結(jié)果表明濾波器在140 GHz處具有帶通特性和濾波功能。

測試結(jié)果顯示插入損耗S21為-4.4 dB，與指標(biāo)要求的-3 dB有一定的差異，出現(xiàn)這種情況原因有：第1，由于樣品的材質(zhì)是不銹鋼，沒有在其表面進(jìn)行鍍金，使得電磁波的損耗增大；第2，由于加工精度的原因，加工樣品與仿真模型之間存在一定的差異，此點可以通過光學(xué)顯微鏡觀察樣品的局部視圖看出，如圖9所示，從該圖可以看出加工樣品的膜片不是仿真模型所顯示的規(guī)則矩形狀；第3，測試有誤差，由于加工的測試夾具-法蘭與AV3646A S參數(shù)測試模塊的波導(dǎo)端口沒有完全對準(zhǔn)，輸入樣品的信號會有發(fā)射損失，從而使得損耗增大。

圖9　樣品局部視圖

4　結(jié)論

本文介紹了一種140 GHz電感膜片耦合的空腔濾波器的設(shè)計、加工和測試。設(shè)計時采用了等效電路法，分別設(shè)計了三階、四階、五階的空腔濾波器，經(jīng)過有限元軟件的仿真，將結(jié)果進(jìn)行了對比，得到了一個性能相對更加優(yōu)良的四階空腔濾波器，中心頻率為（140±3）GHz，帶內(nèi)的插入損耗在-3 dB以內(nèi)，回波損耗小于-20 dB。同時將有限積分仿真結(jié)果和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明通過不同方法得到的結(jié)果幾乎一致，進(jìn)一步驗證了所設(shè)計的濾波器的正確性，成功設(shè)計出了一組最優(yōu)化的140 GHz濾波器尺寸。采用進(jìn)口電火花技術(shù)進(jìn)行了空腔濾波器的制作。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測試，測試的結(jié)果是中心頻率為（138.5±3）GHz、帶內(nèi)插入損耗為-4.4 dB左右，結(jié)果表明濾波器在140 GHz處具有帶通特性和濾波功能，本文提出的設(shè)計與加工方法是可行的。

參考文獻(xiàn)：

［1］余卓哲. D波段寬帶三倍頻器研究［D］.成都：成都電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009：1-3.

［2］陳墨，姜益平，徐金平. D波段雙環(huán)鎖相信號源性能仿真［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2008，38（3）：371-375.

［3］李凱. 140 GHz毫米波接收機(jī)［D］.成都：成都電子科技大學(xué)，2005：1-3.

［4］Siege P H. THz Applications for Outer and Inner Space［C］//17thInternational Zurich Symposium on Eletromagnetic Compatibility. Singapore：［s.n］，2006：1-4.

［5］YAO Jianquan，CHI Nan，YANG Pengfei，et al. Study and Out?look of Terahertz Communication Technology［J］. Chinese Journal of Lasers，2009，36（9）：2213-2233.

［6］Fischer B M，Helm H，Hepsen P U. Chemical Recognition with Broadband THz Spectroscopy［J］. Proceedings of the IEEE，2007，95（8）：1592-1604.

［7］MacDonald M E，Alexanian A，York R A，et al. Spectral Transmit?tance of Lossy Printed Resonant-Grid Terahertz Band Pass Filters ［J］. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，2000，48（4）：712-718.

［8］Libon A H，Baumgartner S，Hempel M，et al. An Optically Con?trlllable Terahertz Filter［J］. Appl Phys Lett，2000，75（20）：2821-2823.

［9］Biber S，Hofmann A，Shulz R，et al. Design and Measurement of a Bandpass Filter at 300 GHz Based on a Highly Efficient Binary Grating［J］. IEEE Trans on Mircrowave Theory and Techniques，2004，52（9）：2183-2189.

［10］Dongmin Wu，Nicholas Fang，Cheng Sun，et al. Terahertz Pasmon?ic High Pass Filter［J］. Appl Phys Lett，2003，83（1）：201-203.

［11］Nemec H，Duvillaret L，Garet F，et al. Thermally Tunable Filter for Terahertz Range Based on a One Dimensional Photonic Crystal with a Defect［J］. J Appl Phys，2004，96（8）：4072-4075.

［12］Chao-Yuan Chen，Ci-Ling Pan，Cho-Fan Hsieh，et al. Liquid-Crystal-Based Terahertz Tunable Lyot Filter［J］. Appl Phys Lett，2006，88（10）：101107.

［13］Tang Hongjun，Hong Wei，Yang Guangqi，et al. Silicon Based THz Antenna and Filter with MEMS Process［C］//2011 Interna?tional Workshop on Antenna Technology. Hongkong：［s.n］，2011：148-151.

［14］趙興海，單光存，鄭英彬，等. 140 GHz MEMS矩形波導(dǎo)濾波器［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2013，32（2）：165-169.

［15］吳中川.一種220GHz濾波器的設(shè)計［J］.太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報，2013，11（2）：355-358.

［16］Hunter I C. Theory and Design of Microwave Filter［M］. London：Institution of Engineering and Technology，2006.

［17］唐敬賢，黃卡瑪，劉永清，等.計算矩形波導(dǎo)中任意感性膜片電納的新方法［J］.電子學(xué)報，1994，22（12）：85-87.

［18］顧繼慧.微波技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：251-252.

甯彪（1990-），男，四川廣安人，碩士，主要研究領(lǐng)域為射頻微波、真空微電子、返波振蕩器等方面的研究，1012900522@qq.com。

繆旻（1973-），男，漢族，博士，教授, 2005于北京大學(xué)獲博士學(xué)位。主要從事信息與通信工程、微米/納米加工、微電子學(xué)與固體電子學(xué)、高等教育學(xué)等方面的研究，miaomin@bistu.edu.cn。

Single-Source Gate Driving Circuit for SiC Bipolar Junction Transistor*

ZHANG Ying，WANG Yaozhou，CHEN Naiming，XU Huajuan，QIN Haihong*

（Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211100，China）

Abstract：The topology of SiC BJT driving circuit is discussed. After analyzing and comparing the constitution of power loss of SiC BJT driving circuit，two single-supply driving circuits were presented，including single resistor and resistor-capacitor network. The switching speed of two driving schemes was compared. Then，for the single-sup?ply resistor-capacitor network，the key circuit parameters were analyzed，and the optimized combinations of driving circuit parameters were given for a 1 200 V/6 A rating SiC BJT. The driving power loss of it is 3.85 W，and it has the space for the further optimization.

Key words：power electronic technology；SiC BJT；quantitative experiment；single source driver；resistor-capacitor network；low loss

doi：EEACC：121010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.006

收稿日期：2015-04-08修改日期：2015-04-28

中圖分類號：TN713.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0021-05