摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)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(jì)了一個(gè)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(gè)數(shù)對(duì)濾波器主要性能的影響，最終成功設(shè)計(jì)了一個(gè)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(cè)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(jì)值較為一致。

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(gè)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(cè)，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(guó)內(nèi)外主要從2個(gè)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(shí)現(xiàn)太赫茲濾波特性，如1999年，英國(guó)Michael E MacDonald［7］等在介質(zhì)薄膜上放置金屬薄片交叉槽孔實(shí)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(guó)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(jì)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(jì)了一款超穎材料等離子體太赫茲濾波器，2004年，法國(guó)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(guó)臺(tái)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(shí)現(xiàn)太赫茲濾波特性，2011年，我國(guó)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(guó)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(duì)較低等特點(diǎn)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(jì)

設(shè)計(jì)腔體濾波器的時(shí)候，首先需要考慮腔體的個(gè)數(shù)。本文設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)膜片耦合相互作用。在太赫茲通信和遙測(cè)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(jì)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(duì)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(duì)模型準(zhǔn)確性要求也高，而等效電路法對(duì)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(jì)出濾波器尺寸，然后在通過(guò)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(guò)式（1）得到［18］：

式中，λ0為中心頻率f0對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，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(guò)契比雪夫低通原型轉(zhuǎn)換為帶通濾波器原型，通過(guò)上述等效電路模型計(jì)算矩形膜片波導(dǎo)濾波器的幾何尺寸，即諧振腔長(zhǎng)度L和膜片的間距d。膜片的厚度選為0.2 mm。通過(guò)計(jì)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(shí)對(duì)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3140 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(duì)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(duì)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(duì)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(méi)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(lái)看，四階濾波器的性能指標(biāo)更為優(yōu)良。

為了驗(yàn)證采用有限元仿真軟件HFSS仿真出來(lái)的S參數(shù)結(jié)果的正確性，同時(shí)利用有限積分仿真軟件對(duì)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(jì)，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(guò)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(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)圖的波形幾乎一致，因此進(jìn)一步證明了通過(guò)等效電路法設(shè)計(jì)的濾波器是成功的。

設(shè)計(jì)的四階空腔濾波器性能指標(biāo)如表1所示。

通過(guò)有限元和有限積分仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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1140 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(guò)間隙自動(dòng)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(shí)，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(gè)部分，通過(guò)鍵合工藝，將主體部分鍵合，形成閉合的腔體結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了便于測(cè)試，設(shè)計(jì)并加工了金屬法蘭夾具，將原型濾波器組合起來(lái)，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(cè)試

借用中國(guó)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(cè)試模塊（110 GHz~170 GHz）搭建了測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試場(chǎng)景如圖7所示。其中一個(gè)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(cè)試場(chǎng)景圖

圖8濾波器測(cè)試結(jié)果

從圖中可以看出，測(cè)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(cè)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(cè)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(méi)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(diǎn)可以通過(guò)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(cè)試有誤差，由于加工的測(cè)試夾具-法蘭與AV3646A S參數(shù)測(cè)試模塊的波導(dǎo)端口沒(méi)有完全對(duì)準(zhǔn)，輸入樣品的信號(hào)會(huì)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(jì)、加工和測(cè)試。設(shè)計(jì)時(shí)采用了等效電路法，分別設(shè)計(jì)了三階、四階、五階的空腔濾波器，經(jīng)過(guò)有限元軟件的仿真，將結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到了一個(gè)性能相對(duì)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(shí)將有限積分仿真結(jié)果和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明通過(guò)不同方法得到的結(jié)果幾乎一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的濾波器的正確性，成功設(shè)計(jì)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(cè)試，測(cè)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(jì)與加工方法是可行的。

審核編輯：湯梓紅