140 GHz空腔滤波器设计及加工工艺研究

摘　要：设计并实现了一种采用进口电火花技术加工的D波段电感膜片耦合的矩形波导空腔滤波器。采用等效电路法设计了一个140 GHz矩形空腔带通滤波器。采用有限元仿真软件HFSS分析了腔体个数对滤波器主要性能的影响，最终成功设计了一个性能优良的四阶空腔滤波器，中心频率（140±3）GHz，带内插入损耗S21在-3 dB以内，回波损耗S11在-20 dB以下。采用电火花微加工技术成功加工出了四阶滤波器的主体部分，相应完成了结构键合等关键工艺，首次制作了基于电火花技术的D波段矩形波导空腔滤波器。测试结果为中心频率（138.5±3）GHz，带内插入损耗最好达到了-4.4 dB。结果表明滤波器在140 GHz具有带通特性和滤波功能，尽管与理论上的-3 dB有差异，但考虑到加工误差、夹具损耗等情况下，样品主要技术指标与设计值较为一致。

D波段（0.11 THz~0.17 THz）处于光子学与电子学的空白地带，140 GHz更是电磁波在大气传播的窗口，在这个波段，电磁波具有传输速率高、方向性好及穿透性强等特性，在物体成像，环境监测，军事，通信，医学和生物学等领域有这非常重要的战略地位［1-3］。

滤波器是一种至关重要的射频器件，用于选择频率，在发射机中抑制带外功率，提高系统的电磁兼容特性，可以提高某些有源器件的功率和效率；在接受机中滤除工作带宽外的环境噪声和干扰频率［4-6］。国内外主要从2个方面研究毫米波至太赫兹滤波器，一是研究新型材料与结构，实现太赫兹滤波特性，如1999年，英国Michael E MacDonald［7］等在介质薄膜上放置金属薄片交叉槽孔实现了THz带通滤波器，2000年，Libon I H，Dawson P［8］等提出了一种基于混合型量子阱结构的光可调THz滤波器，2003年，德国埃尔兰根Nurem⁃berg大学的Stephan Biber［9］等人基于二元光栅理论设计了中心频率为300 GHz，截止频率为450 GHz的带通滤波器，University of California［10］的一些研究人员设计了一款超颖材料等离子体太赫兹滤波器，2004年，法国H.Nemec等［11］发明了一维光子晶体可调太赫兹滤波器，2006年，我国台湾Chao-yuan Chen等［12］研制了基于液晶材料的可调太赫兹立奥滤波器，可调中心频率范围是388 GHz ~564 GHz。二是基于传统理论，采用更加精细的加工工艺加工器件，实现太赫兹滤波特性，2011年，我国东南大学Tang Hongjun，Hong Wei［13］等人采用MEMS工艺制作了一种基于硅衬底的多模THz带通滤波器，通带范围是350 GHz~370 GHz，2012年，国内中物院5所的赵兴海［14］等人采用深硅蚀刻法，制作了基于WR6.5波导的140 GHz滤波器，2013年，海军装备部的吴中川［15］采用集成电路制作工艺制作了基于WR4.3波导的220 GHz滤波器。

本文从加工工艺的角度，探索性地采用了进口电火花加工技术，制作了基于WR6.5波导的140 GHz滤波器，因其体积小、重量轻和加工成本相对较低等特点使得在太赫兹系统中有着巨大的应用潜力。

1　滤波器的设计

设计腔体滤波器的时候，首先需要考虑腔体的个数。本文设计了波纹为3 dB的三阶、四阶和五阶契比雪夫空腔带通滤波器，对比了各自的S参数性能，并得出了结论。滤波器的谐振腔是通过膜片耦合相互作用。在太赫兹通信和遥测系统中，都是采用标准波导端口作为传输线结构。本文设计的140 GHz空腔滤波器采用标准波导端口是WR-6（截面尺寸是1.651 mm×0.82 mm）。

1.1　电感膜片等效电路

对波导滤波器的研究方法比较多，主要方法有模式匹配法、等效电路法及散射参数法。其中模式匹配法和散射参数法准确性高，但是对模型准确性要求也高，而等效电路法对模型准确性要求不高，且能根据复杂的结构方便地调整等效参数，能快速粗略地设计出滤波器尺寸，然后在通过高频电磁仿真软件进行优化，得出准确的滤波器尺寸。本文采用的是等效电路法［16-17］。

电感膜片的等效电路图如图1所示。窗口面积为b×d的电感膜片的电导可以通过式（1）得到［18］：

式中，λ0为中心频率f0对应的波导波长，a为波导端口的宽度，d为膜片的间距。

图1　矩形波导滤波器电感膜片的等效电路图

1.2　仿真及分析

通过契比雪夫低通原型转换为带通滤波器原型，通过上述等效电路模型计算矩形膜片波导滤波器的几何尺寸，即谐振腔长度L和膜片的间距d。膜片的厚度选为0.2 mm。通过计算得到的初始尺寸，利用有限元仿真软件HFSS进行结构建模，如图2所示，同时对其进行了仿真优化，分别得到了140 GHz的三阶、四阶和五阶空腔滤波器的S参数仿真结果，如图3所示。

图2　空腔滤波器结构示意图

图3　140 GHz空腔滤波器的S参数仿真结果

从图3可以看出，三阶腔体滤波器的-3 dB通带频率为138 GHz~142 GHz，相对带宽为2.9%，带内回波损耗S11最大值小于-30 dB；尽管五阶腔体滤波器的-3 dB通带频率为132 GHz~148 GHz，相对带宽也达到了11.4%，但是在通带内的回波损耗S11最大值大于了-10 dB，损耗太大，不能完成滤波器的滤波功能，因此不能完成要求；而四阶空腔滤波器的-3 dB通带频率为137 GHz~143 GHz，相对带宽为5.3%，带内的回波损耗S11的最大值小于-20 dB，通带外侧的衰减坡度也比较陡峭。

因此，与三阶、五阶空腔滤波器相比，尽管四阶滤波器的通带带宽比不上五阶滤波器的通带宽度，在带内的回波损耗S11没有三阶滤波器那么小，但是它的带内回波损耗比五阶滤波器小，通带带宽比三阶滤波器大。因此综合来看，四阶滤波器的性能指标更为优良。

为了验证采用有限元仿真软件HFSS仿真出来的S参数结果的正确性，同时利用有限积分仿真软件对四阶矩形波导电感膜片耦合的滤波器进行了结构建模及优化设计，得到了一组新的S参数结果，如图4所示。

将图4和图3中通过有限元仿真软件仿真得到的四阶空腔滤波器的S参数相对比，可以发现，两个图的波形几乎一致，因此进一步证明了通过等效电路法设计的滤波器是成功的。

设计的四阶空腔滤波器性能指标如表1所示。

通过有限元和有限积分仿真软件进行优化设计，得到的四阶矩形电感膜片耦合的空腔滤波器的几何尺寸如图5所示。

图4　采用有限积分法得到的S参数仿真结果

表1　140 GHz空腔滤波器性能指标
Table 1 The performance index of 140 GHz cavity filter

图5　空腔滤波器的尺寸示意图

2　滤波器加工

滤波器采用进口电火花加工工艺进行制作。滤波器采用的材料是不锈钢，加工流程：首先将工具电极和不锈钢分别接脉冲电源的两极，将其浸入工作液中；其次，通过间隙自动控制系统控制工具电极向不锈钢供给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电；最后，火花放电产生的大量热能使得放电的微细通道的温度和压力急剧变化，从而使得浸入在工作液中的不锈钢材料立刻熔化、气化，并溅射到工作液中，迅速凝固，形成固体金属微粒，被工作液带走，剩下的不锈钢材料形成所需要的滤波器形状，加工样品的主体部分如图6（a）所示，包括凹槽和盖板两个部分，通过键合工艺，将主体部分键合，形成闭合的腔体结构，同时为了便于测试，设计并加工了金属法兰夹具，将原型滤波器组合起来，形成了滤波器组件，如图6（b）所示。

图6　滤波器加工样品

3　滤波器测试

借用中国电子科技集团第四十一研究所的AV3672B矢量网络分析仪、AV3640A毫米波扩频控制机和AV3646A S参数测试模块（110 GHz~170 GHz）搭建了测试平台，测试场景如图7所示。其中一个样品的功率衰减特性如图8所示。

图7　矢量网络分析仪测试场景图

图8　滤波器测试结果

从图中可以看出，测试的结果是中心频率为（138.5±3）GHz，带内插入损耗为-4.4 dB，回波损耗小于-20 dB，带外抑制小于-20 dB，测试结果表明滤波器在140 GHz处具有带通特性和滤波功能。

测试结果显示插入损耗S21为-4.4 dB，与指标要求的-3 dB有一定的差异，出现这种情况原因有：第1，由于样品的材质是不锈钢，没有在其表面进行镀金，使得电磁波的损耗增大；第2，由于加工精度的原因，加工样品与仿真模型之间存在一定的差异，此点可以通过光学显微镜观察样品的局部视图看出，如图9所示，从该图可以看出加工样品的膜片不是仿真模型所显示的规则矩形状；第3，测试有误差，由于加工的测试夹具-法兰与AV3646A S参数测试模块的波导端口没有完全对准，输入样品的信号会有发射损失，从而使得损耗增大。

图9　样品局部视图

4　结论

本文介绍了一种140 GHz电感膜片耦合的空腔滤波器的设计、加工和测试。设计时采用了等效电路法，分别设计了三阶、四阶、五阶的空腔滤波器，经过有限元软件的仿真，将结果进行了对比，得到了一个性能相对更加优良的四阶空腔滤波器，中心频率为（140±3）GHz，带内的插入损耗在-3 dB以内，回波损耗小于-20 dB。同时将有限积分仿真结果和有限元仿真结果进行了对比，结果表明通过不同方法得到的结果几乎一致，进一步验证了所设计的滤波器的正确性，成功设计出了一组最优化的140 GHz滤波器尺寸。采用进口电火花技术进行了空腔滤波器的制作。采用矢量网络分析仪进行了测试，测试的结果是中心频率为（138.5±3）GHz、带内插入损耗为-4.4 dB左右，结果表明滤波器在140 GHz处具有带通特性和滤波功能，本文提出的设计与加工方法是可行的。

　　审核编辑：汤梓红