140 GHz空腔濾波器設計及加工工藝研究

摘要：設計并實現了一種采用進口電火花技術加工的D波段電感膜片耦合的矩形波導空腔濾波器。采用等效電路法設計了一個140 GHz矩形空腔帶通濾波器。采用有限元仿真軟件HFSS分析了腔體個數對濾波器主要性能的影響，最終成功設計了一個性能優良的四階空腔濾波器，中心頻率（140±3）GHz，帶內插入損耗S21在-3 dB以內，回波損耗S11在-20 dB以下。采用電火花微加工技術成功加工出了四階濾波器的主體部分，相應完成了結構鍵合等關鍵工藝，首次制作了基于電火花技術的D波段矩形波導空腔濾波器。測試結果為中心頻率（138.5±3）GHz，帶內插入損耗最好達到了-4.4 dB。結果表明濾波器在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，樣品主要技術指標與設計值較為一致。

D波段（0.11 THz~0.17 THz）處于光子學與電子學的空白地帶，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等特性，在物體成像，環境監測，軍事，通信，醫學和生物學等領域有這非常重要的戰略地位［1-3］。

濾波器是一種至關重要的射頻器件，用于選擇頻率，在發射機中抑制帶外功率，提高系統的電磁兼容特性，可以提高某些有源器件的功率和效率；在接受機中濾除工作帶寬外的環境噪聲和干擾頻率［4-6］。國內外主要從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構，實現太赫茲濾波特性，如1999年，英國Michael E MacDonald［7］等在介質薄膜上放置金屬薄片交叉槽孔實現了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構的光可調THz濾波器，2003年，德國埃爾蘭根Nurem?berg大學的Stephan Biber［9］等人基于二元光柵理論設計了中心頻率為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］發明了一維光子晶體可調太赫茲濾波器，2006年，我國臺灣Chao-yuan Chen等［12］研制了基于液晶材料的可調太赫茲立奧濾波器，可調中心頻率范圍是388 GHz ~564 GHz。二是基于傳統理論，采用更加精細的加工工藝加工器件，實現太赫茲濾波特性，2011年，我國東南大學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波導的220 GHz濾波器。

本文從加工工藝的角度，探索性地采用了進口電火花加工技術，制作了基于WR6.5波導的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中有著巨大的應用潛力。

1濾波器的設計

設計腔體濾波器的時候，首先需要考慮腔體的個數。本文設計了波紋為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參數性能，并得出了結論。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中，都是采用標準波導端口作為傳輸線結構。本文設計的140 GHz空腔濾波器采用標準波導端口是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法。其中模式匹配法和散射參數法準確性高，但是對模型準確性要求也高，而等效電路法對模型準確性要求不高，且能根據復雜的結構方便地調整等效參數，能快速粗略地設計出濾波器尺寸，然后在通過高頻電磁仿真軟件進行優化，得出準確的濾波器尺寸。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的電感膜片的電導可以通過式（1）得到［18］：

式中，λ0為中心頻率f0對應的波導波長，a為波導端口的寬度，d為膜片的間距。

圖1矩形波導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進行結構建模，如圖2所示，同時對其進行了仿真優化，分別得到了140 GHz的三階、四階和五階空腔濾波器的S參數仿真結果，如圖3所示。

圖2空腔濾波器結構示意圖

圖3140 GHz空腔濾波器的S參數仿真結果

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，相對帶寬也達到了11.4%，但是在通帶內的回波損耗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%，帶內的回波損耗S11的最大值小于-20 dB，通帶外側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，在帶內的回波損耗S11沒有三階濾波器那么小，但是它的帶內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更為優良。

為了驗證采用有限元仿真軟件HFSS仿真出來的S參數結果的正確性，同時利用有限積分仿真軟件對四階矩形波導電感膜片耦合的濾波器進行了結構建模及優化設計，得到了一組新的S參數結果，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參數相對比，可以發現，兩個圖的波形幾乎一致，因此進一步證明了通過等效電路法設計的濾波器是成功的。

設計的四階空腔濾波器性能指標如表1所示。

通過有限元和有限積分仿真軟件進行優化設計，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參數仿真結果

表1140 GHz空腔濾波器性能指標
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

濾波器采用進口電火花加工工藝進行制作。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控制工具電極向不銹鋼供給，當兩電極間的間隙達到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產生火花放電；最后，火花放電產生的大量熱能使得放電的微細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，形成閉合的腔體結構，同時為了便于測試，設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第四十一研究所的AV3672B矢量網絡分析儀、AV3640A毫米波擴頻控制機和AV3646A S參數測試模塊（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矢量網絡分析儀測試場景圖

圖8濾波器測試結果

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

測試結果顯示插入損耗S21為-4.4 dB，與指標要求的-3 dB有一定的差異，出現這種情況原因有：第1，由于樣品的材質是不銹鋼，沒有在其表面進行鍍金，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參數測試模塊的波導端口沒有完全對準，輸入樣品的信號會有發射損失，從而使得損耗增大。

圖9樣品局部視圖

4結論

本文介紹了一種140 GHz電感膜片耦合的空腔濾波器的設計、加工和測試。設計時采用了等效電路法，分別設計了三階、四階、五階的空腔濾波器，經過有限元軟件的仿真，將結果進行了對比，得到了一個性能相對更加優良的四階空腔濾波器，中心頻率為（140±3）GHz，帶內的插入損耗在-3 dB以內，回波損耗小于-20 dB。同時將有限積分仿真結果和有限元仿真結果進行了對比，結果表明通過不同方法得到的結果幾乎一致，進一步驗證了所設計的濾波器的正確性，成功設計出了一組最優化的140 GHz濾波器尺寸。采用進口電火花技術進行了空腔濾波器的制作。采用矢量網絡分析儀進行了測試，測試的結果是中心頻率為（138.5±3）GHz、帶內插入損耗為-4.4 dB左右，結果表明濾波器在140 GHz處具有帶通特性和濾波功能，本文提出的設計與加工方法是可行的。

審核編輯：湯梓紅