太赫茲微加工波導(dǎo)濾波器

杜亦佳 鮑景富* 趙興海 鄭英彬

①(電子科技大學(xué) 成都 611731)

②(中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 綿陽(yáng) 621900)

1 引言

濾波器是所有電子系統(tǒng)最重要的器件之一，在太赫茲(THz)系統(tǒng)中，THz濾波器用于濾除環(huán)境噪聲和不需要的頻率成分，以提高系統(tǒng)性能[1,2]。由于波導(dǎo)濾波器是完全的金屬閉合結(jié)構(gòu)，避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，不需要考慮封裝問(wèn)題，相比于其他類(lèi)型的濾波器有高Q值、低插損、功率容量大等特點(diǎn)[3- 6]。

在THz波段，波長(zhǎng)變短濾波器尺寸減小，應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝(銑、磨、拋等)制作，加工誤差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致濾波器損耗增大、Q值降低，而且難以集成進(jìn)行批量化生產(chǎn)。而微加工技術(shù)采用光刻、腐蝕、電鍍等工藝手段來(lái)獲得復(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu)[7,8]，加工精度在微米量級(jí)，THz科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)就是和微納米科學(xué)和工藝結(jié)合[9]。文獻(xiàn)[10]也指出微加工技術(shù)可用來(lái)加工微屏蔽線、波導(dǎo)、天線、平面?zhèn)鬏斁€、可動(dòng)梁等THz器件和結(jié)構(gòu)，并使其具有優(yōu)異的性能。

本文從目前已有的微加工工藝條件出發(fā)，選取工藝難度小的THz波導(dǎo)濾波器形式，設(shè)計(jì)加工出中心頻率為141.5 GHz，帶寬為10.6%電感膜片耦合波導(dǎo)濾波器。由于THz器件結(jié)構(gòu)尺寸微小，在制作時(shí)極易引起表面不平整和結(jié)構(gòu)不連續(xù)，導(dǎo)致器件性能惡化，所以本文同時(shí)研究工藝因素(表面粗糙度、垂直方向陡峭度等)對(duì)濾波器性能的影響，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，給出THz波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)思路，得到最終的濾波器設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)本文提出的工藝流程加工樣品，采用功率計(jì)測(cè)試其濾波特性。

2 太赫茲波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為了保證一定的帶外抑制提高矩形系數(shù)，合理有效地應(yīng)用微加工工藝，中心頻率為140 GHz、帶寬為10%的微加工波導(dǎo)帶通濾波器采用6階并聯(lián)電感膜片耦合的形式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微加工波導(dǎo)帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，6個(gè)矩形波導(dǎo)諧振器之間通過(guò)電感膜片耦合，諧振腔長(zhǎng)度分別為l1,l2,l3，膜片空隙分別為d2,d3,d4，相同尺寸的終端矩形波導(dǎo)與諧振器之間也通過(guò)膜片耦合，膜片空隙為d1。波導(dǎo)濾波器的輸入輸出接口均采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口BJ1400(波導(dǎo)尺寸a= 1 .651 mm ,b= 0 .8255 mm)，便于與其他THz器件連接。

2.1 膜片加工因素的影響

在微加工濾波器的設(shè)計(jì)中，為了減小工藝加工難度同時(shí)增加膜片的可靠性，膜片厚度t(如圖1所示)不能無(wú)限薄。在低頻段，膜片厚度較小時(shí)可以忽略其對(duì)濾波器性能的影響[11]，但是在THz頻段，這種經(jīng)驗(yàn)不再適用。當(dāng)膜片有一定厚度時(shí)，其等效電路如圖2所示，有兩個(gè)電抗元件XA和XB。

根據(jù)圖2，以ABCD矩陣為橋梁推導(dǎo)得出電抗元件參數(shù)XA和XB與膜片S參數(shù)的關(guān)系如式(1)所示。

圖2 有一定厚度時(shí)的膜片等效電路模型

把XA和XB的表達(dá)式代入式(2)計(jì)算得出阻抗變換器參數(shù)。

而諧振器的實(shí)際電長(zhǎng)度也附加了一定厚度的膜片所帶來(lái)的傳輸線效應(yīng)，如式(3)所示，其中qj是矩形波導(dǎo)諧振器本身的電長(zhǎng)度。

所以，當(dāng)膜片厚度和縫隙寬度發(fā)生變化時(shí)，其S參數(shù)發(fā)生變化，XA,XB,K以及qj-1,j均會(huì)發(fā)生變化。圖3表明了當(dāng)其他尺寸不變時(shí)，膜片厚度的變化對(duì)濾波器性能產(chǎn)生的影響。當(dāng)t從0.005 mm到0.21 mm變化時(shí)，隨著t的增大，濾波器帶寬變窄，中心頻率略有變高，要通過(guò)調(diào)節(jié)膜片縫隙d和諧振腔長(zhǎng)度l來(lái)加以改善；只有當(dāng)t＜ 0 .01 mm ,t的影響較小可以忽略，圖 3(a)中所示當(dāng)t= 0 .005 mm與t= 0 .01 mm兩種情況下的性能曲線基本一致。膜片厚度在大于0.01 mm時(shí)對(duì)濾波器中心頻率和帶寬影響較大，在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)該充分考慮它帶來(lái)的影響，在工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的膜片厚度基礎(chǔ)上整體優(yōu)化濾波器結(jié)構(gòu)。表1給出了在保持濾波器帶寬和中心頻點(diǎn)相同的情況下，膜片厚度分別為0.1 mm和0.3 mm的濾波器尺寸對(duì)比。

另外，由于刻蝕工藝的局限性，膜片壁陡直度不是絕對(duì)的90°(如圖1(a)所示)，耦合窗尺寸出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致諧振腔之間的耦合系數(shù)受到影響，耦合系數(shù)計(jì)算公式如式(4)所示[12]。

圖3 膜片厚度對(duì)濾波器S參數(shù)的影響

表1 膜片厚度為0.1 mm和0.3 mm中心頻點(diǎn)為140 GHz的波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)尺寸 (mm)

其中g(shù)j為切比雪夫低通原型濾波器的參數(shù)值，fres為諧振頻率，BW為相對(duì)帶寬。膜片壁陡直度導(dǎo)致濾波器耦合膜片的有效縫隙寬度和有效膜片厚度的變化。而從前面分析看到，縫隙寬度和膜片厚度變化會(huì)導(dǎo)致帶寬和中心頻率的變化。圖4給出了當(dāng)電感膜片呈現(xiàn)梯形時(shí)濾波器的性能曲線圖，當(dāng)膜片陡直度為75°的時(shí)候，性能惡化得較為厲害，中心頻率與帶寬出現(xiàn)較大偏移，但是當(dāng)膜片陡直度為89°的時(shí)候，濾波器性能得以保持。

綜合考慮膜片厚度的影響和工藝誤差帶來(lái)的傾斜度問(wèn)題，設(shè)計(jì)t= 0 .1 mm ，采用模式匹配法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)尺寸如表1所示，得到微加工濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示，中心頻率為140 GHz, 3 dB帶寬為10%，阻帶抑制在153 GHz和130 GHz時(shí)均大于 34 dB。由于采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸，波導(dǎo)的刻蝕深度為0.8255 mm，而膜片的厚度只有0.1 mm，對(duì)微加工刻蝕提出了挑戰(zhàn)。感應(yīng)耦合等離子ICP 刻蝕技術(shù)具有加工精度高、大面積刻蝕均勻性好、污染小和刻蝕垂直度好等特點(diǎn)，可以獲得較大的深寬比(＞20:1)，所以本文在硅片上刻蝕矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)采用這種方法。

2.2 工藝因素對(duì)波導(dǎo)諧振腔Q值的影響

矩形波導(dǎo)諧振腔的無(wú)載Q值可由式(5)來(lái)表示，其中Qc為有耗導(dǎo)體壁但腔內(nèi)填充介質(zhì)為無(wú)耗時(shí)的Q值，Rs為波導(dǎo)內(nèi)部金屬壁表面電阻[13]。a,b,d分別為矩形波導(dǎo)橫截面長(zhǎng)、寬和諧振腔的長(zhǎng)度，h為波阻抗，k為傳播常數(shù)。Qpro表示由于工藝因素的不理想性帶來(lái)的能量損耗，腔體內(nèi)部表面金屬化質(zhì)量、金屬鍍膜厚度、均勻性和粗糙度等都不同程度地影響電磁波的損耗。

圖 6(a)和圖 6(b)分別為當(dāng)所鍍金屬為.金(電導(dǎo)率s=41000000 S/m)時(shí)，諧振腔Q值隨金屬厚度和金屬表面粗糙度的變化情況，利用 3維仿真軟件HFSS進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算得到。圖 6(b)為均勻粗糙度的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算時(shí)金屬厚度取為無(wú)限大，從圖中可以看出，諧振腔Q值隨金屬厚度增加而變大，當(dāng)金屬厚度大于15 μm之后Q值基本保持不變，因?yàn)榇藭r(shí)金屬厚度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁波趨膚深度；而當(dāng)粗糙度大于1.2 μm后會(huì)造成Q值急劇下降。工藝加工中有限的金屬厚度和不可避免的粗糙度都會(huì)造成諧振腔Q值的下降，本文通過(guò)反復(fù)工藝試驗(yàn)將粗糙度控制在1 μm，并盡可能增加金屬電鍍厚度來(lái)保證諧振腔Q值。

3 工藝流程

圖4 膜片加工陡直度對(duì)濾波器S參數(shù)的影響

圖5 并聯(lián)電感耦合波導(dǎo)濾波器S參數(shù)

圖6 諧振腔Q值的變化曲線

圖7 微加工濾波器加工工藝流程

本文所采用的工藝流程如圖7所示，在硅片上實(shí)現(xiàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的微加工工藝實(shí)現(xiàn)，和IC工藝相兼容，是一種可與其他微加工器件以及IC集成的THz濾波器結(jié)構(gòu)。在工藝制作時(shí)，首先在厚度為 1 mm的硅片上采用熱氧化形成氧化層，其厚度大于 3 μm；光刻腐蝕氧化層，形成深槽刻蝕掩模，采用ICP刻蝕機(jī)刻蝕出圖形結(jié)構(gòu)，刻蝕深度為0.825 mm；通過(guò)濺射工藝得到一層0.4 μm厚度的Cr/Au作為種子層，然后再電鍍一層 8 μm 厚的 Au。最后采用Au-Si共晶鍵合技術(shù)鍵合一鍍有Au層的玻璃蓋板，形成金屬化的波導(dǎo)密封結(jié)構(gòu)。

本文所采用的工藝流程是通過(guò)濺射和電鍍兩次工藝加厚腔體內(nèi)部表面金屬。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)摸索，找到可以保證膜片陡直度、鍍膜厚度、表面金屬化均勻性和粗糙度的工作參數(shù)，最終腔體內(nèi)部表面金屬厚度達(dá)到8 μm，最大粗糙度只有0.8 μm，膜片陡直度控制在89°以內(nèi)，保證了諧振腔Q值和濾波器性能。

圖 8所示為未加金屬化蓋板的濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)， ICP 刻蝕膜片SEM照片如圖8(b)所示。為了測(cè)試固定方便，加大了終端矩形波導(dǎo)的的尺寸使得濾波器長(zhǎng)度變大，終端矩形波導(dǎo)長(zhǎng)度均為8.15 mm。最終制作完成的單個(gè)微加工濾波器外徑尺寸為 24.0 mm×5.0 mm×1.66 mm。

圖8 微加工波導(dǎo)濾波器加工實(shí)物圖

4 測(cè)試結(jié)果

使用功率計(jì)測(cè)量所加工濾波器的傳輸損耗，首先將低頻頻率源倍頻到測(cè)試頻段，然后用功率計(jì)測(cè)量濾波器的傳輸衰減。在測(cè)試中使用可調(diào)夾具固定濾波器，這種可調(diào)夾具固定微小器件時(shí)能夠盡可能減小與測(cè)試波導(dǎo)之間連接損耗，提高測(cè)量精度。實(shí)際用作測(cè)量濾波器的尺寸為表1第1行所示尺寸，微加工濾波器衰減特性的測(cè)試結(jié)果如圖9所示，測(cè)試結(jié)果顯示加工的濾波器樣品和預(yù)期要求基本吻合，但是功率衰減變大，3 dB帶寬為134 GHz-149 GHz，中心頻率為 141.5 GHz，中心頻點(diǎn)的衰減為0.67 dB，帶寬內(nèi)最低插入衰減為0.60 dB。同時(shí)從測(cè)試結(jié)果看到，在153 GHz時(shí)，衰減≥15 dB，在130 GHz時(shí)，衰減≥23 dB。表2給出了本文所述濾波器和文獻(xiàn)中相近濾波器的性能比較。

圖9 微加工濾波器功率衰減特性測(cè)試結(jié)果

表2 并聯(lián)膜片耦合波導(dǎo)濾波器性能比較

造成測(cè)量結(jié)果中功率衰減增加、阻帶抑制惡化以及中心頻率、帶寬偏移的原因可能有以下幾個(gè)方面：首先是腔體內(nèi)表面金屬化誤差包括不均勻性、粗糙度等因素造成波導(dǎo)內(nèi)壁表面電阻增大，使得功率損耗增大；其次是工藝流程中鍵合過(guò)程存在縫隙，導(dǎo)致能量損失；另外，測(cè)量過(guò)程中存在由測(cè)量夾具連接誤差和對(duì)準(zhǔn)誤差等原因?qū)е碌臏y(cè)量誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了采用微加工工藝設(shè)計(jì)制作中心頻率為140 GHz的電感膜片耦合波導(dǎo)濾波器的方法。對(duì)工藝帶來(lái)的誤差和不理想性因素進(jìn)行電磁性能分析，用分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，綜合考慮加工難度、工藝誤差、可靠性、濾波器性能等方面的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化。整個(gè)THz濾波器結(jié)構(gòu)在硅基上實(shí)現(xiàn)，與系統(tǒng)級(jí)封裝(SOP)技術(shù)相兼容，克服了傳統(tǒng)機(jī)械加工手段誤差大、表面粗糙度大等缺點(diǎn)，適宜于高精度大批量加工。測(cè)試結(jié)果表明，該濾波器相對(duì)帶寬為+/-5.3%(134 GHz-149 GHz)，中心頻點(diǎn)處功率衰減小于1 dB，是一種插入損耗低、可集成的的THz濾波器，可應(yīng)用于140 GHz通信系統(tǒng)中，發(fā)揮其插損極低的優(yōu)點(diǎn)減小放大器的壓力，增大頻率源的輸出功率。同時(shí)也證明了本文所采用工藝方法的有效性，提出的工藝流程也可用于制作同頻段或者更高頻段的波導(dǎo)濾波器、混頻器以及天線等器件。

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