基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器及其制作方法，属于太赫兹通信和成像技术领域。太赫兹波导双工器是空心腔体结构，采用体硅MEMS工艺制备，包括第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器和T形波导结。第一波导带通滤波器的第一输出端口和第二波导带通滤波器的第二输出端口分别连接T形波导结的两个水平枝节的输入端口。本发明专利技术能良好工作在太赫兹频段，具有结构紧凑和高性能的特点，适用于太赫兹通信系统或者太赫兹成像系统。

Terahertz waveguide duplexer based on bulk silicon MEMS technology and its fabrication method

The invention relates to a terahertz waveguide duplexer based on the bulk silicon MEMS process and the method for making it, which belongs to the field of terahertz communication and imaging technology. Terahertz waveguide diplexer is a hollow cavity structure. It is fabricated by bulk silicon MEMS process, including the first waveguide bandpass filter, second waveguide bandpass filter and T waveguide junction. The input port second output port of the first waveguide bandpass filter of the first output port and second waveguide bandpass filter are respectively connected with the two level side T waveguide junction. The invention can work well in the terahertz band, and has the characteristics of compact structure and high performance. It is suitable for the terahertz communication system or the terahertz imaging system.

【技术实现步骤摘要】
基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器及其制作方法
本专利技术涉及一种基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器及其制作方法，属于太赫兹通信和成像

技术介绍
太赫兹双工器是太赫兹通信系统和成像系统的关键组成部分。双工器分为同频双工器和选频双工器两类。当双工器的两条支路工作频率不同时，使用两个工作频率不同的带通滤波器为基础设计的选频双工器将非常适合太赫兹通信和成像系统。在毫米波频段，由于电磁波波长在1cm附近，双工器可以采用精密机械加工的方法加工出来。但是在太赫兹频段，波长通常在毫米量级，受限于材料特性和制备工艺的限制，采用常规加工工艺已经无法满足精细结构的设计要求。对于双工器这种内部包含谐振结构的功能器件来说，加工工艺的精度对器件性能的影响更是十分显著的，加工尺寸的误差将会对双工器性能的优劣产生直接的影响。目前，体硅MEMS工艺的加工精度可以达到微米量级，而且由于其采用硅片作为衬底，非常适合太赫兹功能器件的加工和集成。
技术实现思路
本专利技术的目的是将体硅MEMS工艺与选频双工器相结合，提出一种基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器及其制作方法，能良好工作在太赫兹频段，具有结构紧凑和高性能的特点，适用于太赫兹通信系统或者太赫兹成像系统。实现本专利技术的技术方案如下：本专利技术的太赫兹波导双工器整体采用体硅MEMS工艺制备，包括第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器和T形波导结。第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器分别与T形波导结相连，集成一体组成具有三个端口(第一输入端口、第二输入端口、第三输出端口)的空心腔体结构。第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器结构相同，大小尺寸不同。第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器工作在不同频率，通带中心频率高的滤波器尺寸小于通带中心频率低的滤波器，且第一波导带通滤波器的通带不与第二波导带通滤波器的通带重叠。第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器分别采用多层矩形空心波导腔体级联的结构。每层矩形空心波导腔体均为空心长方体，该空心长方体上下两个表面分别开凿矩形通孔，使电磁波能从空心长方体的上方输入，从下方输出，且不会从四个侧面泄露出滤波器。每层矩形空心波导腔体在硅片上形成，每层矩形空心波导腔体的空心部分厚度均相同，但是尺寸不相同。每层矩形空心波导腔体在级联时，其下表面与下一层矩形空心波导腔体的上表面相连，两个面的通孔形成一个连通的矩形耦合窗口，空心波导腔体中的电磁波通过耦合窗口传导到下一层中，保证电磁波沿着波导带通滤波器的输入端口向着输出端口单向传播。为了提高每层矩形空心波导腔体的对位精度，在采用体硅MEMS工艺制作双工器时，在每层硅片上，除了预留出形成矩形空心波导腔体的位置以外，还需要在不与矩形空心波导腔体的物理结构发生冲突的位置上刻蚀出定位槽结构。第一波导带通滤波器的第一输入端口和第一输出端口，以及第二波导带通滤波器的第二输入端口和第二输出端口均为标准尺寸的矩形波导。第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器均采用基于耦合矩阵的设计方法优化其外形尺寸。所述基于耦合矩阵的设计方法是在给定滤波器通带的中心频率、相对带宽和插入损耗等技术指标后，调整带通滤波器的耦合系数和外部品质因数，从而得到第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器的具体外形尺寸。具体方法为：步骤1，考虑带通滤波器中心频率对每层空心波导腔体尺寸大小的影响，由公式(1)得出每层空心波导腔体尺寸的大小。其中，fmnl为带通滤波器的中心频率，c为真空中光速，μr为相对磁导率，εr为相对电导率，m,n,l表示波导腔体中电磁波的场幅度沿空心波导腔体的长、宽、高方向变化的半周期数，a,b,d分别为空心波导腔体的长、宽和高，即空心波导腔体的尺寸大小。由于每层空心波导腔体之间相互耦合，会导致仿真结果的工作频率发生偏移。为了纠正工作频率的偏移，还需要仿真优化调整每层空心波导腔体的长和宽的尺寸。最终形成的每层空心波导腔体的尺寸不相同。步骤2，考虑带通滤波器的外部品质因数与输入端口相连的空心波导腔体耦合窗口尺寸大小的关系，由公式(2)得到外部品质因数。Qe＝g0g1/FBW(2)其中，Qe为带通滤波器的外部品质因数，g0为0阶切比雪夫低通原型的原件值，g1为1阶切比雪夫低通原型的原件值，FBW为滤波器的相对带宽。根据计算得到的外部品质因数，通过仿真优化的方式，每改变一次耦合窗口的大小，得到一个外部品质因数的仿真结果，与公式(2)得到的计算结果比对，直至将耦合窗口调整到仿真结果与计算结果一致。最终，得到与带通滤波器输入端口相连的空心波导腔体耦合窗口大小。通过此方法得到与第一输入端口相连的空心波导腔体耦合窗口大小和与第二输入端口相连的空心波导腔体耦合窗口大小。步骤3，考虑不同的带通滤波器耦合系数对每层空心波导腔体之间的耦合窗口尺寸大小的影响，对其中任意一层空心波导腔体，由公式(3)得到耦合系数。其中，Mi,i+1为带通滤波器耦合系数，gi为i阶切比雪夫低通原型的原件值，gi+1为i+1阶切比雪夫低通原型的原件值。通过仿真优化的方式，每改变一次耦合窗口的尺寸，得到一个在工作频率范围内的插入损耗仿真结果，根据公式(4)，其中，M是通过仿真结果得到的耦合系数，fh是插入损耗仿真结果中频率较高的峰对应的频点，fl是插入损耗仿真结果中频率较低的峰对应的频点。将计算得到的耦合系数结果与仿真得到的耦合系数结果进行比对，调整耦合窗口的尺寸，直至计算结果与仿真结果一致，从而得到该层空心波导腔体之间的耦合窗口大小。按照步骤3的方法，得到所有相邻两层空心波导腔体之间的耦合窗口大小。通过步骤1-步骤3，得到第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器的具体外形尺寸。第一波导带通滤波器的第一输出端口和第二波导带通滤波器的第二输出端口分别连接T形波导结的两个水平枝节的输入端口。T形波导结两个枝节输入端口的尺寸与第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器的输出端口尺寸完全相同，输入端口与输出端口无缝连接。为了减小连接时的对位误差，在实际加工时会在硅片上不与T形波导结接触的位置刻蚀定位槽，该定位槽的位置与第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器各层的定位槽位置对应相同，通过使定位槽结构重叠将输入端口与输出端口的位置对准并重合。所述T形波导结是一个T形中空腔体结构，也是采用多层波导腔体级联的结构。为了保证左右两枝节的电磁波不会相互泄露，T形波导结水平枝节的左右两端枝节长度不同。左枝节与第一波导带通滤波器相连，右枝节与第二波导带通滤波器相连，左枝节与右枝节的工作频率不同。由公式(5)计算左右枝节的长度。其中，l1和l2分别表示左枝节和右枝节的长度，λ1和λ2分别表示第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器的工作频率对应的工作波长。并通过仿真优化最终确定左右枝节的长度。在T形波导结中，垂直于水平枝节的部分为主馈线，主馈线的作用是将左、右枝节的能量混合并进行传输。主馈线的第三输出端口和左、右枝节的输入端口均为矩形波导，且端口的尺寸均相同。所述第一输入端口和第二输入端口分别与相同频段的太赫兹天线相连，天线接受不同频率的太赫兹波，两个不同频率的太赫兹波分别通过第一输入端口和第二输入端口进入到太赫兹波导双工器内部。从两个输入端口进入到双工器内部的混合电磁波通过第三输出端口传到下一级电路中。所述太本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器，其特征在于：包括第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器和T形波导结；第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器分别与T形波导结相连，集成一体组成具有三个端口的空心腔体结构；第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器结构相同，大小尺寸不同；第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器工作在不同频率，通带中心频率高的滤波器尺寸小于通带中心频率低的滤波器，且第一波导带通滤波器的通带不与第二波导带通滤波器的通带重叠；第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器分别采用多层矩形空心波导腔体级联的结构；每层矩形空心波导腔体均为空心长方体，该空心长方体上下两个表面分别开凿矩形通孔，使电磁波能从空心长方体的上方输入，从下方输出，且不会从四个侧面泄露出滤波器；每层矩形空心波导腔体在硅片上形成，每层矩形空心波导腔体的空心部分厚度均相同，但是尺寸不相同；每层矩形空心波导腔体在级联时，其下表面与下一层矩形空心波导腔体的上表面相连，两个面的通孔形成一个连通的矩形耦合窗口，空心波导腔体中的电磁波通过耦合窗口传导到下一层中，电磁波沿着波导带通滤波器的输入端口向着输出端口单向传播；在每层硅片上、不与矩形空心波导腔体的物理结构发生冲突的位置上刻蚀定位槽结构；第一波导带通滤波器的第一输入端口和第一输出端口，以及第二波导带通滤波器的第二输入端口和第二输出端口均为标准尺寸的矩形波导；第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器均采用基于耦合矩阵的设计方法优化其外形尺寸；第一波导带通滤波器的第一输出端口和第二波导带通滤波器的第二输出端口分别连接T形波导结的两个水平枝节的输入端口；T形波导结两个枝节输入端口的尺寸与第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器的输出端口尺寸完全相同，输入端口与输出端口无缝连接；为了减小连接时的对位误差，在实际加工时会在硅片上不与T形波导结接触的位置刻蚀定位槽，该定位槽的位置与第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器各层的定位槽位置对应相同，通过使定位槽结构重叠将输入端口与输出端口的位置对准并重合；所述T形波导结是一个T形中空腔体结构，采用多层波导腔体级联的结构；T形波导结水平枝节的左右两端枝节长度不同；左枝节与第一波导带通滤波器相连，右枝节与第二波导带通滤波器相连，左枝节与右枝节的工作频率不同；由公式(5)计算左右枝节的长度；...

【技术特征摘要】
1.基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器，其特征在于：包括第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器和T形波导结；第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器分别与T形波导结相连，集成一体组成具有三个端口的空心腔体结构；第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器结构相同，大小尺寸不同；第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器工作在不同频率，通带中心频率高的滤波器尺寸小于通带中心频率低的滤波器，且第一波导带通滤波器的通带不与第二波导带通滤波器的通带重叠；第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器分别采用多层矩形空心波导腔体级联的结构；每层矩形空心波导腔体均为空心长方体，该空心长方体上下两个表面分别开凿矩形通孔，使电磁波能从空心长方体的上方输入，从下方输出，且不会从四个侧面泄露出滤波器；每层矩形空心波导腔体在硅片上形成，每层矩形空心波导腔体的空心部分厚度均相同，但是尺寸不相同；每层矩形空心波导腔体在级联时，其下表面与下一层矩形空心波导腔体的上表面相连，两个面的通孔形成一个连通的矩形耦合窗口，空心波导腔体中的电磁波通过耦合窗口传导到下一层中，电磁波沿着波导带通滤波器的输入端口向着输出端口单向传播；在每层硅片上、不与矩形空心波导腔体的物理结构发生冲突的位置上刻蚀定位槽结构；第一波导带通滤波器的第一输入端口和第一输出端口，以及第二波导带通滤波器的第二输入端口和第二输出端口均为标准尺寸的矩形波导；第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器均采用基于耦合矩阵的设计方法优化其外形尺寸；第一波导带通滤波器的第一输出端口和第二波导带通滤波器的第二输出端口分别连接T形波导结的两个水平枝节的输入端口；T形波导结两个枝节输入端口的尺寸与第一波导带通滤波器、第二波导带通滤波器的输出端口尺寸完全相同，输入端口与输出端口无缝连接；为了减小连接时的对位误差，在实际加工时会在硅片上不与T形波导结接触的位置刻蚀定位槽，该定位槽的位置与第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器各层的定位槽位置对应相同，通过使定位槽结构重叠将输入端口与输出端口的位置对准并重合；所述T形波导结是一个T形中空腔体结构，采用多层波导腔体级联的结构；T形波导结水平枝节的左右两端枝节长度不同；左枝节与第一波导带通滤波器相连，右枝节与第二波导带通滤波器相连，左枝节与右枝节的工作频率不同；由公式(5)计算左右枝节的长度；其中，l1和l2分别表示左枝节和右枝节的长度，λ1和λ2分别表示第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器的工作频率对应的工作波长；并通过仿真优化最终确定左右枝节的长度；在T形波导结中，垂直于水平枝节的部分为主馈线，主馈线将左、右枝节的能量混合并进行传输；主馈线的第三输出端口和左、右枝节的输入端口均为矩形波导，且端口的尺寸均相同；所述太赫兹波导双工器腔体内部为空气或者真空；所述太赫兹波导双工器腔体内壁溅射金处理。2.根据权利要求1所述的基于体硅MEMS工艺的太赫兹波导双工器，其特征在于：所述基于耦合矩阵的设计方法是在给定滤波器通带的中心频率、相对带宽和插入损耗等技术指标后，调整带通滤波器的耦合系数和外部品质因数，从而得到第一波导带通滤波器和第二波导带通滤波器的具体外形尺寸；具体方法为：步骤1，考虑带通滤波器中心频率对每层空心波导腔体尺寸大小的影响，由公式(1)得出每层空心波导腔体尺寸的大小；其中，fmnl为带通滤波器的中心频率，c为真空中光速，μr为相对磁导率，εr为相对电导率，m,n,l表示波导腔体中电磁波的场幅度沿空心波导腔体的长、宽、高方向变化的半周期数，a,b,d分别为空心波导腔体的长、宽和高，即空心波导腔体的尺寸大小；但是在设计过程中，由于每层空心波导腔体之间相互耦合，会导致...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘埇，刘植鹏，赵鹏飞，刘嘉山，周颖，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11