一种硅基太赫兹双通带波导滤波器的制作方法

本发明属于波导滤波器，尤其涉及一种硅基太赫兹双通带波导滤波器。

背景技术：

1、太赫兹通信具有通信容量大、方向性强的特点，且太赫兹波对非金属非极性材料具有较强的穿透力，因此太赫兹通信技术被认为是6g无线通信的核心技术之一，对6g无线通信技术的发展意义重大。太赫兹滤波器是太赫兹收发系统射频前端模块中非常重要的部件，在信号通路中用于抑制杂波和干扰、衰减带外噪声，其中太赫兹双通带滤波器是具有两个通带的滤波器，可用于频分收发系统或双频带接收系统中，以显著提高系统集成化并提高系统性能，具有非常重要的工程应用价值。

2、太赫兹双通带滤波器根据实现方式不同可分为频率选择表面型和波导型。频率选择表面型双通带滤波器是一种平面或准平面结构的滤波器，在电磁波传播方向上的尺寸很小，但通带平整度和矩形系数较差，通常是由大量无源谐振单元组成的单层或多层周期性阵列结构，常集成于准光馈电网络中用于不同频率信号的选择，难以与封闭结构的波导器件直接集成。波导型双通带滤波器常基于te模谐振腔，在h平面进行拓扑结构设计，具有q值高、插损小和稳定性高等特点，一般通过计算机数控(cnc)分裂加工再装配实现，滤波器通常体积较大，器件性能很大程度决定于机械加工精度和装配精度，10微米的加工装配误差引起的频响变化常常都是不可接受的。此外，金属波导滤波器集成在系统中时，金属法兰盘间通过螺钉压合，腔体受应力影响会产生微弱的形变；在高温或低温环境下工作时，金属受温度变化影响亦会引起腔体产生微弱的形变。太赫兹频段由于信号波长短，微弱的腔体形变会引起滤波器中心频率和传输零点的变化，进而影响滤波器的性能。最后，由于太赫兹双通带波导滤波器常选择铝或铜等金属材料，较一般的介质材料密度大，造成所实现的滤波器重量较大。目前，太赫兹通信系统对系统集成化程度的要求越来越高，传统金属结构的太赫兹双通带波导滤波器在体积重量、性能、稳定性和集成化方面都面临一些问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种硅基太赫兹双通带波导滤波器，具有结构紧凑、插损低、易于系统集成、器件实际性能与设计性能一致性较高的优点。

2、本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种硅基太赫兹双通带波导滤波器，包括：输入端波导、输出端波导、n个tm三模波导腔体和n+1个耦合窗波导；n为不小于2的正整数，其中，n个tm三模波导腔体和n+1个耦合窗波导均设置于所述输入端波导和所述输出端波导之间；所述输入端波导与n个tm三模波导腔体中的第一个tm三模波导腔体通过一个耦合窗波导相连接；所述输出端波导与n个tm三模波导腔体中的最后一个tm三模波导腔体通过一个耦合窗波导相连接；相邻的两个tm三模波导腔体通过一个耦合窗波导相连接。

3、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述耦合窗波导为纵向长度为硅基片厚度的长方体结构。

4、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述tm三模波导腔体为纵向长度l为硅基片厚度的长方体结构。

5、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述耦合窗波导的腔体横截面为矩形。

6、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述tm三模波导腔体的腔体横截面为矩形。

7、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述tm三模波导腔体的宽和高通过如下公式得到：

8、

9、

10、其中，w为所述tm三模波导腔体的宽，h为所述tm三模波导腔体的高，c为电磁波在波导中的传播速度，f120为tm120模谐振频率，f210为tm210模谐振频率。

11、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述耦合窗波导具有te10凋落模特征。

12、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述tm三模波导腔体具有tm120模、tm210模两个谐振模和tm110模一个非谐振模总共三个模式。

13、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，tm三模波导腔的两个正交谐振模式tm120模和tm210模的耦合系数通过控制耦合窗波导相对tm三模波导腔中心的旋转θ角度实现；由耦合窗波导相对tm三模波导腔中心偏移距离s以激励非谐振模tm110，实现带外有限频率传输零点。

14、上述硅基太赫兹双通带波导滤波器中，所述tm三模波导腔体的长度l小于非谐振模tm110模对应波导波长的四分之一。

15、本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

16、(1)本发明解决了由于传统机械加工精度和装配精度有限导致传统结构的太赫兹双通带波导滤波器普遍存在插损较高、频偏较大、体积较大等问题，提出了以tm多模耦合腔为基础，采用刻蚀和堆叠键合工艺实现的太赫兹双通带波导滤波器，具有结构紧凑、插损低、易于系统集成、器件实际性能与设计性能一致性较高的特点；

17、(2)本发明的三模波导腔同时具有两个谐振模(tm120模和tm210模)和一个非谐振模(tm110模)，单个腔体单元即可实现双频带通响应和每个各有一个有限频率传输零点，使得双带通滤波器的总的结构尺寸高度紧凑；

18、(3)本发明的波导腔的三种基本模式均与纵向长度无关，因此可以按照指定的纵向长度(基片厚度)设计腔体，从而具有较大的横截面尺寸和较小的纵向长度。这一方面允许较大的工艺误差，明显降低了对加工工艺的要求；另一方面，可以采用较少的基片堆叠层数实现太赫兹双通带滤波器，减少整体尺寸和滤波器插入损耗；

19、(4)本发明耦合窗采用具有基片厚度的硅基金属凋落模波导实现，受相邻波导腔体的影响小，耦合系数的改变通过对藕合窗孔径的调节即可实现；

20、(5)本发明提出硅基双通带滤波器具有解析公式计算其尺寸初始值，后继仅需根据电磁场数值仿真结果进行少许优化，设计简便易行，产品生产效率高。

技术特征：

1.一种硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于包括：输入端波导、输出端波导、n个tm三模波导腔体和n+1个耦合窗波导；n为不小于2的正整数，其中，

2.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述耦合窗波导为纵向长度为硅基片厚度的长方体结构。

3.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述tm三模波导腔体为纵向长度l为硅基片厚度的长方体结构。

4.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述耦合窗波导的腔体横截面为矩形。

5.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述tm三模波导腔体的腔体横截面为矩形。

6.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述tm三模波导腔体的宽和高通过如下公式得到：

7.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述耦合窗波导具有te10凋落模特征。

8.根据权利要求1所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述tm三模波导腔体具有tm120模、tm210模两个谐振模和tm110模一个非谐振模总共三个模式。

9.根据权利要求8所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：tm三模波导腔的两个正交谐振模式tm120模和tm210模的耦合系数通过控制耦合窗波导相对tm三模波导腔中心的旋转θ角度实现；由耦合窗波导相对tm三模波导腔中心偏移距离s以激励非谐振模tm110，实现带外有限频率传输零点。

10.根据权利要求8所述的硅基太赫兹双通带波导滤波器，其特征在于：所述tm三模波导腔体的长度l小于非谐振模tm110模对应波导波长的四分之一。

技术总结
本发明公开了一种硅基太赫兹双通带波导滤波器，包括：输入端波导、输出端波导、n个TM三模波导腔体和n+1个耦合窗波导；n为不小于2的正整数，其中，n个TM三模波导腔体和n+1个耦合窗波导均设置于所述输入端波导和所述输出端波导之间；所述输入端波导与n个TM三模波导腔体中的第一个TM三模波导腔体通过一个耦合窗波导相连接；所述输出端波导与n个TM三模波导腔体中的最后一个TM三模波导腔体通过一个耦合窗波导相连接；相邻的两个TM三模波导腔体通过一个耦合窗波导相连接。本发明具有结构紧凑、插损低、易于系统集成、器件实际性能与设计性能一致性较高的优点。

技术研发人员：李升,杨士成,朱忠博,李小军,王彩霞,邵伟,朱舸
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15