基于3D打印技術(shù)和微加工的微波和THz波導(dǎo)器件研究.pdf

1、現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)需要高性能多功能的微波/毫米波甚至太赫茲(THz)器件以適應(yīng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。在這些無線電通信系統(tǒng)尤其是射頻前端收發(fā)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的無源波導(dǎo)器件具有射頻損耗低和功率容量大等優(yōu)勢(shì)。與平面微波傳輸線(如微帶線和共面波導(dǎo))相比，這些空氣填充的金屬波導(dǎo)器件在要求低射頻損耗/高功率的應(yīng)用中扮演著重要角色。然而，射頻功能復(fù)雜的波導(dǎo)器件往往具有復(fù)雜的3-D物理結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝如計(jì)算機(jī)數(shù)控銑(Computer Numeri

2、cal Control(CNC) Milling)制造這些器件時(shí)，需要將一個(gè)結(jié)構(gòu)整體拆分成多個(gè)部件進(jìn)行加工，且難以實(shí)現(xiàn)形狀特殊的3-D結(jié)構(gòu)。雖然CNC技術(shù)非常成熟，加工精度也很高，但若被用作加工毫米波高頻端甚THz波段的波導(dǎo)器件時(shí)，CNC的加工成本會(huì)急劇提高。此外，傳統(tǒng)的全金屬制波導(dǎo)器件重量大，冗余結(jié)構(gòu)材料多，不利于在機(jī)載、艦載和航空航天等諸多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的小型化和輕型化。一種比傳統(tǒng) CNC加工工藝具有更高尺寸精度的3-D結(jié)構(gòu)制造

3、工藝是基于硅或光刻膠(如SU-8厚膜)的微加工技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米量級(jí)的加工精度，有利于加工很小的特征尺寸，因此這些微加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于制作毫米波高頻端直至THz波波段的高性能波導(dǎo)器件。
　　近年來，3-D打印技術(shù)的發(fā)展為微波/毫米波波導(dǎo)器件的快速低成本加工提供了一種新的選擇，該技術(shù)不僅能夠輕易的制造出復(fù)雜的三維幾何形狀，還可以用多種原材料打印器件。若選用遠(yuǎn)低于金屬材料密度的非金屬介質(zhì)作為3-D打印的結(jié)構(gòu)材料(如光敏樹脂

4、、塑料、尼龍和陶瓷等)，在相同結(jié)構(gòu)下器件重量可以減小一半以上，這對(duì)于無線電通信系統(tǒng)尤其是衛(wèi)星等航空航天通信系統(tǒng)的輕型化具有重要意義。
　　上述多種新型加工工藝的提出有效的降低了波導(dǎo)器件的成本并提高了設(shè)計(jì)的靈活性。本論文圍繞微波/毫米波直至THz波導(dǎo)器件的多種加工工藝，分別研究了基于3-D打印技術(shù)的微波/毫米波無源波導(dǎo)器件和基于CNC和SU-8微加工的毫米波和THz波導(dǎo)變頻電路，包括倍頻器和混頻器，這些變頻電路是一個(gè)300GHz通信

5、系統(tǒng)中的核心射頻模塊。本論文的研究?jī)?nèi)容具體如下：
　　(1).“3-D打印技術(shù)”并非某一種加工技術(shù)的特稱而是一類制造工藝的總稱。并不是所有的3-D打印工藝都能被用于制作微波/毫米波器件，且制作不同類型或不同工作頻段的器件也需要采用不同的3-D打印工藝。本論文在充分研究了多種3-D打印技術(shù)的前提下，根據(jù)微波器件的成型方式將利用3-D打印技術(shù)制作微波器件的方法分為了四類，其中最常見的一類為“非金屬3-D打印器件結(jié)構(gòu)+表面金屬化”模式。

6、本文以該模式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并加工了數(shù)款腔體濾波器，工作頻率從10GHz到100GHz。其中包括基于新型高Q值單模和雙模球形諧振腔的10GHz帶通濾波器(相對(duì)帶寬(FBW)分別為5％和3%)，基于裂縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的90GHz帶通濾波器(FBW:11%)和基于緊湊片上結(jié)構(gòu)的100GHz帶通濾波器(FBW:4%)。這些濾波器大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜但性能優(yōu)良，很難用傳統(tǒng)的CNC技術(shù)加工實(shí)現(xiàn)，充分體現(xiàn)了3-D打印技術(shù)在制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件上的優(yōu)勢(shì)。另外，由于采用了非

7、金屬打印材料(光敏樹脂)，這些濾波器比用純銅制作的器件(結(jié)構(gòu)相同)輕80%左右。
　　(2).(1)中提出的濾波器均由激光固化光敏樹脂成型，這種技術(shù)被稱為立體光刻(Stereolithography(SLA))。一般來說，光敏樹脂的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上如銅或鋁等金屬材料。這就限制了用SLA技術(shù)打印的微波器件在高功率或高溫環(huán)境下的應(yīng)用。比如說，(1)中提到的的一些濾波器采用了Accura Xtreme樹脂作為打印材料，這種材

8、料的最高工作溫度約為50℃(廠家給出的建議值)，故用這種材料制作的濾波器可以在常溫下工作，但無法放到高溫環(huán)境中使用。為了適應(yīng)高溫高功率環(huán)境條件下的應(yīng)用，本論文找到了一種新型的摻雜了陶瓷粉末的光敏樹脂(Somos PerFORM)，由于摻雜了納米陶瓷粉末，使得本來不耐高溫的光敏樹脂具備了較好的耐熱性和更高的機(jī)械強(qiáng)度。本論文用這種材料重新制作了(1)中的一款 X波段濾波器。然后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)對(duì)這兩個(gè)濾波器(相同設(shè)計(jì)，不同材料)在不同溫度下的射頻

9、性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，采用陶瓷粉末摻雜光敏樹脂材料制作的濾波器不僅能輕易工作到140℃以上，且濾波器隨溫度變化的中心頻率偏移量(Δf)也遠(yuǎn)低于用普通光敏樹脂制作的濾波器，而相比純金屬材料來說，這種光敏樹脂仍舊保持了輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。但不可避免的，由于摻雜了陶瓷粉末，樹脂的密度提高了約20%。
　　(3).在毫米波和THz波段，一些傳統(tǒng)的有源電路(如放大器，倍頻器，混頻器等)選擇在平面?zhèn)鬏斁€(如微帶線，共面線)上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件(如Sc

10、hottky二極管， HEMT管)的阻抗匹配，但平面?zhèn)鬏斁€的Q值較低，當(dāng)電路的工作頻率不斷提高時(shí)，平面電路上的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)引入較大的損耗。為了降低這一部分損耗，本論文提出了一種“濾波匹配網(wǎng)絡(luò)理論”，該理論基于微波帶通濾波器的等效電路模型導(dǎo)了具備阻抗匹配功能的新型N+2耦合矩陣。由該耦合矩陣描述的濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗可以是任意的復(fù)數(shù)，故從概念上講，這種帶通濾波器在維持特定濾波特性的同時(shí)還具備阻抗匹配功能。這種新型的耦合矩陣可以用

11、來設(shè)計(jì)一些由波導(dǎo)諧振腔實(shí)現(xiàn)的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，從而將平面電路中的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)移除。
　　(4).(3)中提出的濾波匹配理論在本文中被用于設(shè)計(jì)多款基于Schottky二極管的毫米波/THz倍頻器和混頻器。在這些設(shè)計(jì)中，由于采用了波導(dǎo)諧振腔實(shí)施阻抗匹配，故必須采用全波仿真軟件(如CST，HFSS)來對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真。另一方面，對(duì)非線性半導(dǎo)體器件的建模和仿真又必須用到具備諧波平衡仿真功能的電路仿真軟件(如ADS)。因此，為了準(zhǔn)確且高

12、效的設(shè)計(jì)這些非線性電路，全波仿真軟件和電路仿真軟件必須結(jié)合起來?；谶@一需求，本文提出了兩種電磁場(chǎng)-電路聯(lián)合仿真/優(yōu)化方法。其中，一種以電路仿真軟件為主，以用全波仿真軟件生成的“SNP文件庫(kù)”為輔的聯(lián)合仿真/優(yōu)化辦法具有較強(qiáng)的適用性，較高的精度和效率。本論文根據(jù)這兩種方法設(shè)計(jì)了五款毫米波/THz變頻電路。分別為一款90GHz三倍頻器，兩款142.5GHz三倍頻器，一款300GHz諧波混頻器以及一款47.5-142.5-300GHz倍頻/