關(guān)于一種雙田字型太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計方法

0 引言

太赫茲波是指頻率為0.1～10 THz的電磁波[1]，定向耦合器作為一種有著方向性的功率分配器件，它能夠通過控制輸出信號的大小來定向的耦合傳輸信號[2]。其中波導(dǎo)定向耦合器[3]由于其突出性能(如具有較高的方向性和較低的插入損耗等)，在微波領(lǐng)域中用途十分廣泛，在通信系統(tǒng)、電子對抗、雷達(dá)系統(tǒng)和測試測量儀器中都有著重要作用。其主要用途有對功率進(jìn)行分配和合成、擴大功率量程、監(jiān)視功率和頻譜[4]，在系統(tǒng)中耦合器主要性能表現(xiàn)為在最小的干擾下對主信號獲得較精確的耦合信號。其主要指標(biāo)有方向性、耦合度、插入損耗等。為了解決太赫茲頻段信號的采集和測量存在的難題，研究出體積小且性能高的太赫茲波導(dǎo)定向耦合器具有重要意義[5]。

本文設(shè)計的耦合器，以分支線理論為基礎(chǔ)，在中間部分加一橫向貫穿的支線形成兩個田字來提高工作帶寬，對分支線底部進(jìn)行加粗來提高加工的可行性；用HFSS軟件仿真，結(jié)果較好，有較高的方向性、強耦合度和較低的插入損耗；以硅為材料，用MEMS刻蝕工藝對其進(jìn)行加工，并且給出了實物圖。

1 波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計

如圖1所示，在兩波導(dǎo)中間有一些等間距排列的孔，信號從端口1輸入，從端口2和端口3輸出，端口4無輸出(因為其為隔離端)[6]。從端口1到端口4的功率分別為P1～P4，理想狀態(tài)下P4的值為0，但是在實際工作中仍會有小部分信號從端口4輸出。

為了使耦合信號滿足一定的分布，可以通過調(diào)整耦合孔的位置和大小來使反向波的振幅達(dá)到最小[7]，即使隔離端的信號輸出達(dá)到最小，從而實現(xiàn)有效增加帶寬和提高方向性的目的。

基于這個原理，在分支線中間部位加入一橫向貫穿3支線的窄槽形成一個田字型，用同樣的方法形成雙田字，從而有效增加帶寬。對靠近波導(dǎo)寬邊的分支線根部進(jìn)行加粗是為了提高應(yīng)力，使得在進(jìn)行刻蝕步驟時不易斷裂，提高加工的可行性。耦合器模型圖如圖2所示。

波導(dǎo)定向耦合器主要指標(biāo)之間存在一定的關(guān)系，即如果想要耦合度達(dá)到較好的平坦性，那么帶寬和方向性將會降低；若要達(dá)到較高的方向性，那么就要犧牲工作帶寬和耦合度平坦性。耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指標(biāo)之一，用HFSS軟件仿真，且綜合考慮主要指標(biāo)之間的關(guān)系后確定了最優(yōu)尺寸，各參數(shù)代表的物理意義和各參數(shù)的值分別如圖3和表1所示。

a和b分別表示靠近波導(dǎo)寬邊的加粗部位的高度和長度，c表示兩分支線的距離，l為兩波導(dǎo)之間的距離。

2 波導(dǎo)定向耦合器的仿真和優(yōu)化

該波導(dǎo)定向耦合器使用商業(yè)軟件HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化，在該模型中輸入和輸出采用WR-2.2標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，其尺寸為0.56 mm×0.28 mm。

圖4(a)和圖4(b)分別為波導(dǎo)定向耦合器S參數(shù)曲線圖和各端口回波損耗圖。從圖4(a)中可知，插入損耗S21接近于0 dB，隔離度S41小于-20 dB，耦合度S31在工作帶寬內(nèi)為-6.3 dB，屬于強耦合，耦合度平坦性是耦合器的重要指標(biāo)之一，它關(guān)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確與否。曲線波動越小，測量結(jié)果越精確。S31曲線近乎于一條直線，說明該耦合器具有較好的耦合度平坦性。從圖4(b)可知，各端口的回波損耗小于-20 dB。

對各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程中發(fā)現(xiàn)，耦合孔的高度即兩波導(dǎo)寬邊的距離l對耦合度影響較大，其他參數(shù)對結(jié)果也有一定影響。給l設(shè)置一定的變化范圍，從0.15 mm～0.4 mm之間變化，間隔為0.05 mm，圖5給出了耦合度S31隨耦合孔的高度l變化的關(guān)系曲線。隨著l的增加，耦合度曲線先逆時針旋轉(zhuǎn)逐漸趨于平穩(wěn)，隨后曲線向反方向傾斜且在高頻段出現(xiàn)了毛刺，即S31圍繞著某一點逆時針旋轉(zhuǎn)，該點大概在中心頻率附近。綜合考慮耦合度和方向性等指標(biāo)之間的關(guān)系，最后選取l=0.30 mm。

圖6為耦合器電場分布圖，色譜上部分表示高電場，下部分表示低電場，電場分布主要集中在低電場部分。從圖6中可知，從端口1輸入的大部分信號通過直通波導(dǎo)從端口2輸出，僅有一小部分信號從耦合端口3輸出，端口4被隔離，無信號輸出。

3 波導(dǎo)定向耦合器的工藝及實現(xiàn)方案

由于太赫茲頻段較高，波導(dǎo)定向耦合器尺寸微小，為微米級別，對加工精度有著較高的要求，一般的機械加工難以滿足其要求，在高頻段設(shè)備尺寸的改變對電磁波傳輸性能有著較大的影響[8]。

圖7為太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的加工工藝流程。圖7(a)以硅片為基底，勻膠；圖7(b)光刻出圖形并顯影；圖7(c)對硅片進(jìn)行刻蝕，形成通孔；圖7(d)除去掩膜層，濺射50 nm的金屬鈦，然后濺射金屬金、電鍍，由趨膚深度公式[9]可知金的厚度要達(dá)到3 μm，其中鈦的作用是作為粘附層，增加金和硅片的粘附力；圖7(e)在一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行金-金鍵合。圖8為鍵合工藝簡圖，用另外兩片薄硅片濺射上一定厚度的金屬金在一定條件下進(jìn)行鍵合，使其形成封閉腔室且使結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬化。

在深硅刻蝕的過程中發(fā)現(xiàn)，硅的側(cè)壁陡直度[10]達(dá)不到90°，側(cè)壁越傾斜，對后續(xù)硅片的金屬化影響越嚴(yán)重，則對耦合器性能影響也越大，但在實驗中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁陡直度可以達(dá)到89.5°，影響較小。圖9為耦合器實物圖。

4 結(jié)論

本文主要討論了工作頻率在313～383 GHz太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計與制作，介紹了多孔耦合原理，使用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口（WR-2.2）在分支線耦合原理基礎(chǔ)上設(shè)計了雙田字型結(jié)構(gòu)，相比于分支線結(jié)構(gòu)和單田字型結(jié)構(gòu)，雙田字型結(jié)構(gòu)有效增加了帶寬和提高了方向性。通過優(yōu)化耦合孔的各個尺寸來完成其寬頻帶的設(shè)計，該耦合器帶寬為70 GHz，具有高方向性和強耦合度，且耦合度曲線有較好的平坦性。介紹了基于MEMS工藝的制作流程，通過深硅刻蝕工藝來完成主要部分的加工，可以很好地控制好耦合孔的厚度，使耦合孔厚度效應(yīng)不顯著，并且可以保證耦合孔尺寸的精度，保證耦合器的各項性能。在保證加工高精度要求的前提下，同時也滿足了定向耦合器的小型化，使結(jié)構(gòu)緊湊，這在固有的機械領(lǐng)域是很難實現(xiàn)的。該設(shè)計為高性能太赫茲波段耦合器的設(shè)計及加工工藝提供了一定參考，為大批量生產(chǎn)耦合器提供了一定的借鑒。