一种采用贴片谐振器的高效紧凑型530-610 GHz带通滤波器，用于开发单边带频谱仪

《IEEE Transactions on Mobile Computing》：A Highly Compact 530-610 GHz Bandpass Filter Using Patch Resonators to Develop SSB Spectrometer

　　摘要：在双边带（DSB）接收系统中，所需的信号和不需要的镜像频率都会被下变频，因此需要有效的滤波来提高系统的选择性和灵敏度。本文介绍了一种新型的亚毫米波带通滤波器，该滤波器旨在抑制光谱仪系统中不需要的镜像频率，该光谱仪系统经过优化，可以检测通带内的关键大气成分，包括水蒸气（H2O – 559.9 GHz）、二氧化氘（HDO – 539.0 GHz）和氧气（O3 – 570.1 GHz）。滤波器设计采用了紧凑的三角形微带贴片谐振器，实现了陡峭的衰减特性和宽的阻带性能，使其非常适合用于亚毫米波和太赫兹（THz）波段的镜像抑制应用。该滤波器制造在15 μm的石英基板上，并进行了0.5 μm的金膜镀层处理，提供了大约80 GHz的3 dB带宽，在530 GHz以下和610 GHz以上的频率范围内具有明确的抑制特性。信号耦合通过微带波导馈电探针实现。这种设计方法具有很大的灵活性，可以方便地调整中心频率和带宽，适用于从1 GHz到2 THz的不同应用。所提出的滤波器架构在射电天文学、国防系统和高频通信网络应用中具有实用性。CCBY - IEEE不是该材料的版权持有者。请通过https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/获取全文文章和API文档中的规定。

第一节 引言
光谱学能够表征物质与光之间的相互作用，并通过光谱特征进行元素和分子的现场识别。在亚毫米波段，光谱仪作为遥感工具已经证明了其有效性，可用于研究挥发性化合物（特别是水及其同位素）、以及太阳系内外的各种环境中的冰和凝结物。预计美国国家航空航天局（NASA）即将推出的新一代光谱仪将能够详细分析气态巨行星、类地行星、彗星、卫星羽流和小行星外层空间的大气成分，从而提供关于它们组成和动态的重要数据。作为技术成熟过程的一部分，通过简化设计方法减少亚毫米波光谱仪的尺寸、重量和功耗（SWAP）特性，将使其更适于未来的太空任务。采用单边带（SSB）接收机架构设计的光谱仪——使用滤波器而不是混合耦合器和镜像抑制混频器（参见[1]中的讨论）——具有许多优势。这些优势包括：a) 镜像抑制能力，能够有效消除或衰减不需要的信号干扰和噪声；b) 通过限制带宽提高频带的选择性，从而实现更有针对性的测量；c) 提高灵敏度，获得更高质量的光谱数据；d) 更紧凑和集成的系统架构。

图1展示了本振器（ωLO）以及表示为上边带（USB）和下边带（LSB）区域的射频带。DSB接收机的架构使得USB（ωRF）和LSB（ωImage）都能下变频到一个较低的 intermediate Frequency（ωIF）上进行光谱数据处理（参见方程（1）和方程（2））。因此，这两个下变频信号的结合会导致IF噪声加倍，从而对仪器的灵敏度产生不利影响。ωIF=ωImage=Acos(ωRF?ωLO)Acos(ωRF?2ωIF) (1)(2)

大多数SSB接收机采用复杂的接收机架构，如频带分离（BS）或镜像抑制（IR）技术。这些方法使用多个90度混合耦合器和混频器来消除不需要的频率带，依赖于相位抵消。除了这种技术的复杂性外，它还会增加体积和成本，这对太空应用来说是不理想的。另一种方法是使用带通滤波器来去除镜像频率带并抑制杂散信号，从而提高接收机的选择性和灵敏度[3][4][5][6][7][8]。图1中的虚线表示带通滤波，只允许USB信号通过并抑制LSB。因此，下变频后的IF信号将只与USB相关联。

具有周期性光圈、腔体或E平面短路的波导滤波器适用于200 GHz以下的频率，主要使用计算机数控（CNC）工具制造[9]。然而，随着对高频（短波长）组件的需求增加（尤其是在300 GHz以上，用于天文学、通信和军事等领域[10]，这项技术面临许多挑战。对于许多亚毫米波组件，如周期性腔体或光圈滤波器，要实现所需的滤波器响应，关键特征的要求误差必须小于2%。通常，CNC技术的精度为±10 μm，这导致在500 GHz时加工误差约为3–7%，而在1 THz以上的频率误差超过10%（图2）。在这个频段（>500 GHz），主要挑战之一是实现±2 μm的波导尺寸精度和适当的表面光洁度。此外，管理和精确手动对准CNC机床对于大规模生产和可扩展性来说非常困难且成本高昂[11]。以前的技术已经在 degenerate掺杂硅上成功应用了微加工滤波器，用于400 GHz以上的频率，以精确定义关键结构[12]。波导谐振腔结构是在绝缘体上硅（SOI）器件层内制造的，通过使用光敏聚合物创建特定图案。随后，SOI器件层通过深反应离子刻蚀（DRIE）工艺进行刻蚀，刻蚀停止在内部二氧化硅层[13][14][15]。微加工技术通过仔细控制SOI器件层的厚度，实现了亚微米级滤波器通道深度的精确定义，误差幅度小于1%。然而，这种方法在维持深沟结构的垂直侧壁方面遇到了挑战，这可能阻碍所需的滤波器性能的实现[16][17][18][19]。

因此，需要一种适用于300 GHz以上频率的滤波器技术，其制造方法更简单，能够有效抑制接收机中的镜像信号。为了解决这一挑战，设计、制造并测试了一种新型的亚毫米波紧凑滤波器，利用三角形贴片谐振器来开发SSB接收系统。该滤波器的通带为530–610 GHz，仅允许USB信号通过并抑制LSB信号。

表1展示了本文讨论的中心频率附近之前展示的滤波器技术。在这些频率下工作的滤波器技术通常是微加工的，例如[12][20][21]中的研究，其分数带宽范围为3.64%至9%，插入损耗范围为0.65至1.4 dB，中心频率处的回波损耗在10–19 dB之间。

我们的设计采用了平面微制造技术，这是一种集成芯片方法，使用平面电路制造工艺，性能与之前展示的技术相似（约500–650 GHz），并且具有改进的回波损耗特性（见表1）。此外，这种方法相比之前的技术（如微加工和CNC）具有多个优势：a) 它提供了更简单的制造工艺，便于大规模生产；b) 它可以轻松与非线性组件（如肖特基混频器、乘法器、放大器等）集成，无需波导过渡，从而避免不必要的传输损耗；c) 使用平面微制造技术可以将设计扩展到2 THz的更高频率，而目前的CNC加工或微加工技术无法实现这一点，因为当前的技术能够制造特征尺寸远小于1微米的晶圆。

因此，所提出的滤波器设计可以满足新一代通信行业的需求，这些需求要求提高选择性，合理利用通信频谱，同时实现紧凑、低成本的设计和低插入损耗。

第二节 滤波器设计
所开发的滤波器采用了等腰三角形图案元件，每个元件都有两条等长的边[4]。每个三角形贴片包含一个半波谐振器，形成了多极谐振滤波器设计。在薄石英基板上沉积了0.5 μm厚的金层作为导电层来实现这些贴片。石英介电基板的相对介电常数约为εr ～ 4[19]，有助于减少谐振器的有效长度。我们设计的初始阶段包括创建一个低阶滤波器，由两个对称放置的三角形贴片与一个电感探针耦合组成。最终的设计（见图3顶部）显示出中心频率约为575 GHz的带通滤波器特性。这种低阶滤波器的衰减率为15 dB/Octave，并且在指定频带之外显示出有限的抑制效果。为了提高外部频带的抑制效果，我们将含有三角形贴片的π网络数量加倍，并与其电感线电容耦合。S参数响应（图3底部）显示了通过滤波器的信号比例（S12）与反射回源的信号比例（S11），显示出明确的带通特性。由于在两个π网络之间添加了额外的电感结构，中心频率从低阶滤波器的550 GHz增加了25 GHz。这种滤波器阶数的增加使得衰减率提高到了45 dB/Octave。我们进一步扩展了设计，加入了六个三角形贴片，并通过添加一个并联的半波谐振器来细化滤波器的衰减特性（见图4底部）。每个谐振器由几乎等大小的三角形结构组成，优化过程使得W1和W2之间的尺寸差异小于1 μm。一个电感指针将电场从探针耦合到三角形结构，而它们之间的电容耦合建立了高极谐振滤波器。因此，设计实现了超宽的外部频带抑制效果，衰减率超过60 dB/Octave（见图4顶部：HFSS模型显示了包括嵌入波导结构中的耦合探针的六角形贴片滤波器；底部：优化后的滤波器设计和尺寸，中心频率为570 GHz，带宽为80 GHz，3 dB）。

为了将高频电磁波耦合到滤波器微带结构中，使用了WM-380标准金属波导，适用于500–750 GHz的操作，其尺寸为a = 380 μm和b = 190 μm[22]。滤波器设计中加入了一个波导探针，创建了E平面波导分块和微带模式之间的阻抗匹配过渡。滤波器的关键参数和优化值见表2。

图4展示了完整的电路设计，包括输入和输出耦合探针，尺寸为80 × 110 μm。探针在基板上的位置分别为前面和侧面凹陷了5 μm和23.5 μm。包括输入/输出探针在内的整个电路长度为1.4 mm，在探针两侧有90 μm的空气悬浮层。输入和输出电路通道以及基板尺寸经过精心优化，以确保在指定频带内实现单模激发。这种优化对于减少滤波器结构内多模激发表现至关重要，因为多模激发会干扰贴片谐振器的性能并影响滤波器响应。图5使用高频结构模拟器（HFSS）展示了前五种波导模式的衰减（α）。主要波导模式TE10在传播过程中不会衰减。相反，其余模式会衰减，其中第二个模式在大约820 GHz时变得活跃，而该频率超出了750 GHz的预定频率范围。优化过程最终确定了使用尺寸为183.5 × 91.5 × 91.5 μm的封装来容纳滤波电路，该电路安装在一个宽度为143 μm、厚度为15 μm的石英基板上。图6展示了这种六极滤波器设计在570 GHz带内工作和500 GHz带外工作时的表面电流分布（J）。在570 GHz时，滤波器通带中心区域的表面电流分布均匀，表明了良好的传输特性；然而，在500 GHz附近，频率带外的表面电流分布被破坏，导致能量被反射。图6显示了在500 GHz和570 GHz下模拟的表面电流（J）分布。

图7展示了采用π网络布局的六角形贴片滤波器的仿真性能。该滤波器在传输带内表现出明显的衰减特性和低损耗，并能有效抑制带外噪声信号。通过改变关键参数，该滤波器可以适应1 GHz到2 THz范围内的其他频率条件，实现可调性和可扩展性。例如，调整G1参数或任意两个三角形之间的距离（G2）可以改变带宽；改变等腰三角形的尺寸（H1和W1）以及优化间距和基板高度（G1）可以显著改变中心频率。如果需要使用不同介电常数的基板（如Roger 3003（εr = 3）、氧化铝（εr = 9.4）或砷化镓（εr = 11.9）来适应低频应用，则需将这些因素纳入Hammerstad和Jensen微带模型[5][6]中的方程3进行计算，同时确保微带线在输入和输出端的阻抗为50欧姆（Z0 = 120πεeff(w/whh+1.393+0.667 ln(w/wh h +1.444)）。

图8提供了最终设计的等效集总元件电路，有助于进一步理解传输线结构及其响应特性。由电感器L3和两侧电容C3组成的两个π网络分别代表左侧或右侧的三角形贴片对，每个贴片作为半波谐振器；中间的两个三角形贴片通过π网络（L4和C4）组合成另一个半波谐振器。L1、C0和C1组成的梯形网络起到变压器的作用，将输入端的50 Ω阻抗提升到约375 Ω的水平，为所需的滤波器带宽提供适当的品质因数。连接三个谐振器的电容C2提供了足够的耦合，使三个谐振器协同工作，并通过微调中间谐振器的共振频率来最小化通带内的波动。电路参数（L1 = 31.0, L3 = 27.6, L4 = 29.1 pH, C0 = 2.20, C1 = 2.30, C2 = 0.97, C3 = 4.95, C4 = 4.56 fF）与基于几何形状的简单估算值相当。

滤波器的制造和组装采用了标准微制造工艺。步骤包括：掩模制备、基板清洗与承载层粘接、光刻（抗蚀剂构图）、金属化（沉积Ti粘附层和金层）、剥离工艺、切片及热处理/紫外光释放等。为了测试滤波器电路，还设计了带有适当通道的金属E面分块结构，并使用CNC工具进行加工。为了减少金属损耗，铝块表面镀了0.5微米厚的金层。滤波器组件通过准确定位键安装在金属通道中，并使用导电银环氧树脂（H20E）固定。

为了单独测试滤波器电路，首先将其组装到带有波导结构的金属块中。随后，采用类似的组装流程将贴片滤波器组件组装到金属外壳中，该外壳尺寸为20 × 20 × 7 mm，并配备便于连接的波导接口。最后，使用矢量网络分析仪（VNA）对滤波器进行了性能表征。测量结果显示，滤波器在530–750 GHz频率范围内的插入损耗为2.9 dB，返回损耗为15 dB。

为了准确评估滤波器结构的插入损耗，还需分析波导和探针结构的损耗。通过测量包含类似长度的通线和波导探针的电路的传输特性，发现通线的插入损耗为2.9 dB，返回损耗为15 dB。这种损耗主要是由于波导和滤波电路中的导电损耗造成的（金材料的电导率为约38 × 10^6 S/m）。进一步分析表明，实际制造过程中的某些因素（如光刻掩模补偿因子变化和CNC加工误差）影响了滤波器性能。经过调整后的仿真模型能够更准确地预测滤波器性能。最终，滤波器的实际S11值为-18 dB，符合设计要求。

为了准确分离滤波器结构自身的损耗，我们计算了通线插入损耗（2.9 dB）与带有探针的滤波器损耗（3.8 dB）之间的差异，结果发现仅滤波器本身的插入损耗为0.9 dB。在单边带（SSB）接收机应用中，这种较低的损耗显著优于典型的双边带（DSB）接收机。此外，该滤波器设计可扩展到2 THz以上的工作频率，适用于CNC或微加工波导等传统方法无法满足的应用场景。

总之，我们设计并制造了一种新型紧凑型带通滤波器，其在530–610 GHz频率范围内表现出优异的性能：插入损耗低（<0.9 dB），通带内的返回损耗超过18 dB，同时具有陡峭的衰减特性和宽的带外抑制能力。这种结构易于与混频器和倍频芯片集成，适用于抑制干扰信号的各类应用。所采用的平面电路设计在成本效益、频率扩展性（可达2 THz）和中心频率/带宽的可调性方面具有显著优势，适用于天文学、国防系统及高频无线通信等领域。