适用于太赫兹频段的四端口器件测试结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于太赫兹频段的四端口器件测试装置。其包括太赫兹分支波导功分器，所述太赫兹分支波导功分器的波导腔包括主波导腔和副波导腔，所述主波导腔和副波导腔相互平行且都呈长方体结构，所述主波导腔和副波导腔之间还具有呈长方体结构的N个分支波导腔，所述波导腔具体包括直耦合测试结构波导腔、平行耦合测试结构波导腔和隔离度测试结构波导腔三种测试结构波导腔。本发明的有益效果是：本发明的各测试端口直波导长度显著减短，器件趋于小型化，有效解决了直波导过长而带来巨大损耗的问题，具有低插损，功率容量大等特点，更为重要的是易于对器件性能进行测试。
【专利说明】适用于太赫兹频段的四端口器件测试结构
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹频段器件测试【技术领域】，尤其涉及一种适用于太赫兹频段的四端口器件测试结构。
【背景技术】
[0002]太赫兹波频段处于300GHZ-3000GHZ范围以内，位于电磁波谱中微波与红外波段之间。太赫兹科学是一门介于电子学与光学之间的交叉科学，长波方向研究主要依靠电子学科学技术，短波方向研究主要是光子学科学技术。由于其所处的特殊位置，太赫兹波可以表现出许多有别于其他种类电磁辐射的独特特性，这些特性决定了太赫兹波在很多领域具有广泛良好的应用前景。太赫兹系统的输出功率直接决定了系统的作用半径、抗干扰能力以及通信质量。为了提高太赫兹系统的输出功率，通常采用的方法是功率合成技术。该技术是将单个器件输出的功率通过功率分配/合成网络集中输出，从而增大了系统的输出功率，功率合成技术是目前提高太赫兹系统输出功率的常用并且有效的方法。同时，功率分配器可以为系统提供同一信号源的多路输出，满足系统的使用需求。到目前为止，功分/合成器结构类型众多，其中四端口的多分支矩形波导电桥结构因具有各端口匹配、隔离度高、插入损耗小功率容量高等优点而被广泛应用。在微波毫米波频段，常采用双端口的矢量网络分析仪对四端口功率分配器进行测试，测试时需要使用带有标准法兰的匹配负载与非测试端口相连以保证测试的正常进行，这意味着器件各端口直波导部分需要适当延长以保证器件有足够大的尺寸使得一种功率分配器测试结构能够对所有性能进行测试。在太赫兹波段，由于器件的尺寸随着频率的升高而不断减小，而且趋肤效应以及相关的损耗致使器件对内部粗糙度有着很苛刻的要求，应用传统的机械加工技术制作，很难达到加工精度要求，甚至无法加工。而现有的微细加工技术中的深反应离子刻蚀(DRIE)技术对于太赫兹波导传输器件的加工已可以胜任，加工精度在微米量级。DRIE技术是一种各相异性高深宽比刻蚀技术，属于干法蚀刻，也叫先进硅蚀刻技术，一般都基于电感耦合等离子体对硅进行深层加工。和其它硅的体微加工相比，DRIE技术不依赖于衬底晶向，有着更大的加工自由空间。典型的刻蚀掩膜为二氧化硅或光刻胶，刻蚀选择比与特定的工艺参数有关。采用DRIE技术可加工高深宽比的硅结构，这些硅结构作为产生金属结构的模具，或在硅结构上沉积金属薄膜直接用作器件。在325GHz-500GHz频段范围以内使用DRIE技术加工制造的直波导的损耗大约为0.4dB/mm,这意味着波导损耗不可忽略,测试器件端口外延直波导长度越短越好。在太赫兹频段，由于被测器件尺寸远远小于测试系统标准法兰的尺寸，导致不能使用微波毫米波频段常用的四端口器件的测试方法进行测试，即非测试端口无法采用端接匹配负载的方式来对被测器件的所有性能进行测试。除此之外，由于器件的被测端口之间的距离相对于测试系统起连接作用的螺钉和销钉的长度较短，导致测试时正常的连接会出现互相抵触的现象。这些将为我们的测试带来困难，甚至无法对器件进行测试。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明提出了一套适用于太赫兹频段的四端口器件测试结构。
[0004]本发明的技术方案是:适用于太赫兹频段的四端口器件测试结构，包括太赫兹分支波导功分器，所述太赫兹分支波导功分器的波导腔包括主波导腔和副波导腔，所述主波导腔和副波导腔相互平行且都呈长方体结构，所述主波导腔和副波导腔之间还具有呈长方体结构的N个分支波导腔；所述主波导腔一端为波导输入段，另一端为波导直通输出段，所述副波导腔一端为波导隔离段，另一端为波导耦合输出段，所述主波导腔的波导输入段与副波导腔的波导隔离段位于N个分支波导腔的同一侧，主波导腔的波导直通输出段与副波导腔的波导耦合输出段位于N个分支波导腔的另一侧；所述波导腔具体包括直耦合测试结构波导腔、平行耦合测试结构波导腔和隔离度测试结构波导腔三种测试结构波导腔；所述波导腔采用在特定端口设置垂直拐角的结构，测试端口位于同一水平对齐线，非测试端口拐向侧面塞入吸波材料，所述吸波材料采用尖劈结构，尖头插入非测试端波导口内。
[0005]进一步地，上述直耦合测试结构波导腔的副波导腔两端分别具有垂直拐角且沿背向主波导腔一侧延伸；第一分支波导腔一端与主波导腔的波导输入段相连接，另一端与副波导腔垂直拐角的波导隔离段相连接，第N分支波导腔一端与主波导腔的波导直通输出段相连接，另一端与副波导腔垂直拐角的波导耦合输出段相连接。
[0006]进一步地，上述平行耦合测试结构波导腔的主波导腔的波导直通输出段具有垂直拐角且沿背向副波导腔一侧延伸；所述副波导腔的波导隔离段具有垂直拐角且背向主波导腔一侧延伸，所述波导耦合输出段经两次垂直拐角且沿与波导输入段同一水平对齐线方向延伸；第一分支波导腔一端与主波导腔的波导输入段相连接，另一端与副波导腔垂直拐角的波导隔离段相连接，第N分支波导腔一端与主波导腔垂直拐角的波导直通输出段相连接，另一端与副波导腔垂直拐角的波导耦合输出段相连接。
[0007]进一步地，上述隔离度测试结构波导腔的主波导腔两端分别具有垂直拐角且沿背向副波导腔一侧延伸；所述副波导腔两端分别具有垂直拐角且沿背向主波导腔一侧延伸；所述波导直通输出段与波导耦合输出段位于同一水平对齐线，所述波导输入段与波导隔离段位于同一水平对齐线；第一分支波导腔一端与主波导腔垂直拐角的波导输入段相连接，另一端与副波导腔垂直拐角的波导隔离段相连接，第N分支波导腔一端与主波导腔垂直拐角的波导直通输出段相连接，另一端与副波导腔垂直拐角的波导耦合输出段相连接。
[0008]本发明的有益效果是:本发明将现有的功分器分支电桥结构采用不同形式垂直拐角的方式处理形成三种测试结构，共同完成对功率分配器的性能测试，测试结构中将测试的两个端口放置在一个水平对齐线上，非测试端口塞入吸波材料来降低对两个测试端口性能的影响。此方案设计的一套测试结构相比于现有结构可使各测试端口直波导长度显著减短，器件趋于小型化，有效解决了直波导过长而带来巨大损耗的问题，具有低插损，功率容量大等特点，更为重要的是易于对器件性能进行测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明的太赫兹波导功分器内部结构俯视图。
[0010]图2是本发明的太赫兹波导功分器直耦合测试结构立体结构示意图。
[0011]图3是本发明的太赫兹波导功分器直耦合测试结构上腔体结构俯视图。
[0012]图4是本发明的太赫兹波导功分器直耦合测试结构下腔体结构俯视图。
[0013]图5是本发明的太赫兹波导功分器直耦合测试结构在325?440GHz频段下的测试曲线。
[0014]图6是本发明的太赫兹波导功分器平行耦合测试结构立体结构示意图。
[0015]图7是本发明的太赫兹波导功分器平行耦合测试结构上腔体结构俯视图。
[0016]图8是本发明的太赫兹波导功分器平行耦合测试结构下腔体结构俯视图。
[0017]图9是本发明的太赫兹波导功分器平行耦合测试结构在325?440GHz频段下的测试曲线。
[0018]图10是本发明的太赫兹波导功分器隔离度测试结构立体结构示意图。
[0019]图11是本发明的太赫兹波导功分器隔离度测试结构上腔体结构俯视图。
[0020]图12是本发明的太赫兹波导功分器隔离度测试结构下腔体结构俯视图。
[0021]图13是本发明的太赫兹波导功分器隔离度测试结构在325?440GHz频段下的测试曲线。
[0022]其中，1、上腔体；2、下腔体；3、波导腔；3.1、直耦合测试结构波导腔；3.2、平行耦合测试结构波导腔；3.3、隔离度测试结构波导腔；4、主波导腔；5、副波导腔；6、波导输入段；7、波导直通输出段；8、波导耦合输出段；9、波导隔离段；10、第一分支波导腔；11、第二分支波导腔；12、第三分支波导腔；13、第四分支波导腔；14、第五分支波导腔；15、垂直拐角；16、凸台。
【具体实施方式】
[0023]在325?500GHz频段内，使用DRIE技术加工制造的直波导的损耗大约为0.4dB/mm。为减小损耗，直波导长度需缩短到适当长度，但这却为测试增加了难度。介于此，发明人发明了三种测试结构共同完成对功分器的性能测试，此发明也同样适用于其他太赫兹四端口器件的性能测试。
[0024]如图1所示为太赫兹波导功分器的核心内部结构俯视图。在此基础上拓展为本发明申请提供的太赫兹波导功分器的三种测试结构，如图2、图6、图10所示，由位于上部的上腔体I (如图3、图7、图11所示)和位于下部的下腔体2 (如图4、图8、图12所示)层叠构成。上腔体I封盖在下腔体2上，通过DRIE技术对上腔体I的下表面和下腔体2的上表面进行刻蚀后闭合形成所需要的镂空结构波导腔3。波导腔3分为三种不同结构，分别为直耦合测试结构波导腔3.1、平行耦合测试结构波导腔3.2和隔离度测试结构波导腔3.3，三种结构分别用以测试直耦合端插入损耗、平行耦合端插入损耗以及隔离度。波导腔3以空气为填充介质，上腔体I和下腔体2为娃基镀金材质，即在两片厚度为0.5mm的娃质基片上通过蚀刻分别加工出波导腔的部分结构，再通过溅射镀金工艺在波导腔结构上镀覆镀金层，镀金层的厚度最好为2.5?3.5 μ m，最后将两片金属化的硅片键合在一起形成波导腔的整体结构。
[0025]上述直耦合测试结构波导腔3.1包括主波导腔4和副波导腔5，主波导腔4和副波导腔5之间从左到右依次为呈长方体的第一分支波导腔10、第二分支波导腔11、第三分支波导腔12、第四分支波导腔13和第五分支波导腔14 (如图3、图4所示)，五个分支波导腔可将信号从主波导腔4耦合至副波导腔5。第一分支波导腔10、第二分支波导腔11、第三分支波导腔12、第四分支波导腔13和第五分支波导腔14之间分别具有凸台16。主波导腔4 一端为波导输入段6,另一端为波导直通输出段7 ;副波导腔5 —端为波导隔离段9,另一端为波导耦合输出段8，副波导腔5两端分别具有垂直拐角15且沿背向主波导腔4 一侧延伸。测试的两个端口波导输入段6和波导直通输出段7位于同一水平对齐线上，非测试端口波导耦合输出段8和波导隔离段9具有垂直拐角15且延伸至侧面并塞入吸波材料代替端接的体积较大的匹配负载。第一分支波导腔10 —端与主波导腔4的波导输入段6相连接，另一端与副波导腔的波导隔离段9相连接；第五分支波导腔14 一端与主波导腔的波导直通输出段7相连接，另一端与副波导腔的波导耦合输出段8相连接。波导输入段6、波导直通输出段7、波导耦合输出段8、波导隔离段9为标准WR2.2矩形波导，横截面的宽、高尺寸分别为560μ--±5μπ?、280μπ?±5μπ?。在一个水平对齐线上的两个测试端口之间的距离为6_，可见直波导长度显著缩短，有效降低了不必要的损耗。波导腔的平面结构可设计为相对垂直于信号传输方向的中心线对称，如相对图3、图4中的中心线Α-Α’对称，测试结果如图5所示。
[0026]上述平行耦合测试结构波导腔3.2包括主波导腔4和副波导腔5，主波导腔4和副波导腔5之间从左到右依次为呈长方体的第一分支波导腔10、第二分支波导腔11、第三分支波导腔12、第四分支波导腔13和第五分支波导腔14(如图7、图8所示)，五个分支波导腔可将信号从主波导腔4耦合至副波导腔5。第一分支波导腔10、第二分支波导腔11、第三分支波导腔12、第四分支波导腔13和第五分支波导腔14之间分别具有凸台16。主波导腔4 一端为波导输入段6，另一端为波导直通输出段7。波导直通输出段7具有垂直拐角15且沿背向副波导5 —侧延伸；副波导腔5 —端为波导隔离段9，另一端为波导耦合输出段8 ;波导隔离段9具有垂直拐角15且沿背向主波导腔4 一侧延伸；波导耦合输出段8经两次垂直拐角15且沿与波导输入段6同一水平对齐线方向延伸。测试的两个端口波导输入段6和波导耦合输出段8位于同一水平对齐线上；非测试端口波导直通输出段7和波导隔离段9具有垂直拐角15且延伸至侧面并塞入吸波材料代替体积较大的匹配负载。第一分支波导腔10 —端与主波导腔4的波导输入段6相连接，另一端与副波导腔的波导隔离段9相连接；第五分支波导腔14 一端与主波导腔的波导直通输出段7相连接，另一端与副波导腔的波导耦合输出段8相连接。波导输入段6、波导直通输出段7、波导耦合输出段8、波导隔离段9为标准WR2.2矩形波导，横截面的宽、高尺寸分别为560 μ m±5 μ m、280 μ m±5 μ m。在一个水平对齐线上的两个测试端口之间的距离为7mm，可见直波导显著减短，有效降低了不必要的损耗，测试结果如图9所示。
[0027]上述隔离度测试结构波导腔3.3包括主波导腔4和副波导腔5，主波导腔4和副波导腔5之间从左到右依次为呈长方体的第一分支波导腔10、第二分支波导腔11、第三分支波导腔12、第四分支波导腔13和第五分支波导腔14(如图11、图12)，五个分支波导腔可将信号从主波导腔4耦合至副波导腔5。第一分支波导腔10、第二分支波导腔11、第三分支波导腔12、第四分支波导腔13和第五分支波导腔14之间分别具有凸台16。主波导腔4一端为波导输入段6，另一端为波导直通输出段7，主波导腔4两端分别具有垂直拐角15且沿背向副波导5 —侧延伸；副波导腔5 —端为波导隔离段9,另一端为波导I禹合输出段8,副波导腔5两端分别具有垂直拐角15且沿背向主波导腔4 一侧延伸。测试端口波导直通输出段7与波导耦合输出段8在同一水平对齐线上，非测试端口波导输入段6与波导隔离段9在同一水平对齐线上并塞入吸波材料代替体积较大的匹配负载。第一分支波导腔10 —端与主波导腔4的波导输入段6相连接，另一端与副波导腔5的波导隔离段9相连接；第五分支波导腔14 一端与主波导腔4的波导直通输出段7相连接，另一端与副波导腔5的波导耦合输出段8相连接.波导输入段6、波导直通输出段7、波导f禹合输出段8、波导隔离段9为标准WR2.2矩形波导，横截面的宽、闻尺寸分别为560 μ m±5 μ m、280 μ m±5 μ m。在一个水平对齐线上的两个测试端口之间的距离为7mm，可见直波导显著减短，有效降低了不必要的损耗。波导腔的平面结构可设计为相对平行于信号传输方向的中心线对称，如相对图11、图12中的中心线B-B’对称，测试结果如图13所示。
[0028]为了更好地实现本发明的目的，本发明采取非测试端口塞入吸波材料的方法代替体积较大的匹配负载，吸波材料采用尖劈形结构，需将尖头插入待测功分器非测试端波导口内。由图5、图9、图13可知吸波材料吸波性能良好，达到了预期期望的效果。
[0029]上述微细加工技术中的DRIE加工工艺，其工艺流程大致如下:(a)制备刻蚀掩膜:娃片厚度为500um,在娃质基片表面上形成氧化层；(b)光刻:通过光刻的方式在掩模层上生成图形，图形位于需要腐蚀的硅质基片部分掩模层上的对应位置，并将这部分的掩模层除去，裸露出之下的硅质基片；(c) ICP刻蚀硅:刻蚀出规定深度和形状的矩形槽，刻蚀深度为280um ； (d)移除掩膜:刻蚀后将残留的掩膜移除；(e)镀金:通过溅射Au，使硅结构的表面金属化；(f)键合:采用Au-Au键合技术将两块互为镜像结构的硅片键合，完成流片加工，最后通过划片来获得所设计的太赫兹器件样品。
[0030]采用矢量网络分析仪系统结合频率拓展模块进行测试，测试结果显示，中心频点在380GHz的E面矩形波导分支线电桥功分器直耦合端的插入损耗在350GHz?410GHz宽频带内约为2dB左右(扣除3dB固有损耗)，带内幅度波动小，端口回波损耗均优于15dB。平行耦合端的插入损耗在350GHz?410GHz宽频带内约为1.5dB左右(扣除3dB固有损耗)，带内幅度波动小，端口回波损耗均优于20dB。隔离度在350GHz?410GHz宽频带内均优于30dB，在375GHz?385GHz，1GHz带宽内均优于40dB。这意味着本发明的四端口器件测试装置在太赫兹低端(325GHz?500GHz)可以实现较低的插入损耗，解决了太赫兹频段四端口功率分配器损耗过大，不便测试的难题。
[0031]本发明提供的适用于太赫兹频段的四端口器件测试装置，采用WR2.2标准矩形波导接口，具有工作频率高，损耗小，易于制造，通用性强等优点，在太赫兹系统中具有良好的应用前景。
[0032]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种适用于太赫兹频段的四端口器件测试装置，其特征在于:包括太赫兹分支波导功分器，所述太赫兹分支波导功分器的波导腔(3)包括主波导腔(4)和副波导腔(5)，所述主波导腔(4)和副波导腔(5)相互平行且都呈长方体结构，所述主波导腔(4)和副波导腔(5)之间还具有呈长方体结构的N个分支波导腔；所述主波导腔(4) 一端为波导输入段(6)，另一端为波导直通输出段(7)，所述副波导腔(5) —端为波导隔离段(9)，另一端为波导耦合输出段(8)，所述主波导腔⑷的波导输入段(6)与副波导腔(5)的波导隔离段(9)位于N个分支波导腔的同一侧，主波导腔(4)的波导直通输出段(7)与副波导腔(5)的波导耦合输出段(8)位于N个分支波导腔的另一侧；所述波导腔(3)具体包括直耦合测试结构波导腔(3.1)、平行耦合测试结构波导腔(3.2)和隔离度测试结构波导腔(3.3)三种测试结构波导腔；所述波导腔(3)采用在特定端口设置垂直拐角的结构，测试端口位于同一水平对齐线，非测试端口拐向侧面塞入吸波材料，所述吸波材料采用尖劈结构，尖头插入非测试端波导口内。
2.如权利要求1所述的适用于太赫兹频段的四端口器件测试装置，其特征在于:所述直耦合测试结构波导腔(3.1)的副波导腔(5)两端分别具有垂直拐角且沿背向主波导腔(4)一侧延伸；第一分支波导腔(10) —端与主波导腔(4)的波导输入段(6)相连接，另一端与副波导腔(5)垂直拐角的波导隔离段(9)相连接，第N分支波导腔一端与主波导腔(4)的波导直通输出段(7)相连接，另一端与副波导腔(5)垂直拐角的波导耦合输出段(8)相连接。
3.如权利要求1所述的适用于太赫兹频段的四端口器件测试装置，其特征在于:所述平行耦合测试结构波导腔(3.2)的主波导腔(4)的波导直通输出段(7)具有垂直拐角且沿背向副波导腔(5) —侧延伸；所述副波导腔(5)的波导隔离段(9)具有垂直拐角且背向主波导腔(4) 一侧延伸，所述波导耦合输出段(8)经两次垂直拐角且沿与波导输入段(6)同一水平对齐线方向延伸；第一分支波导腔(10) —端与主波导腔(4)的波导输入段(6)相连接，另一端与副波导腔(5)垂直拐角的波导隔离段(9)相连接，第N分支波导腔一端与主波导腔(4)垂直拐角的波导直通输出段(7)相连接，另一端与副波导腔(5)垂直拐角的波导耦合输出段⑶相连接。
4.如权利要求1所述的适用于太赫兹频段的四端口器件测试装置，其特征在于:所述隔离度测试结构波导腔(3.3)的主波导腔(4)两端分别具有垂直拐角且沿背向副波导腔(5)—侧延伸；所述副波导腔(5)两端分别具有垂直拐角且沿背向主波导腔(4) 一侧延伸；所述波导直通输出段(7)与波导耦合输出段(8)位于同一水平对齐线，所述波导输入段(6)与波导隔离段(9)位于同一水平对齐线；第一分支波导腔(10) —端与主波导腔(4)垂直拐角的波导输入段(6)相连接，另一端与副波导腔(5)垂直拐角的波导隔离段(9)相连接，第N分支波导腔一端与主波导腔(4)垂直拐角的波导直通输出段(7)相连接，另一端与副波导腔(5)垂直拐角的波导耦合输出段(8)相连接。
【文档编号】H01P5/16GK104183896SQ201410392045
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】胡江, 周扬帆, 刘双, 刘伊民, 张勇, 郑中万 申请人:电子科技大学