太赫兹单片集成带通滤波器的研究

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随着无线通信系统向高数据传输速率,大数据量的方向不断发展,太赫兹波段因具有超宽的频带资源获得了众多学者的关注。带通滤波器是通信系统中重要的无源器件,对于太赫兹滤波器的研究具有重要意义。基于第三代半导体材料SiC的有源器件已经应用于新能源汽车,5G通信基站等领域,具有优异的功率和高频特性,这些优点使得SiC材料同样可以应用于无源器件的设计中。当前主流高频滤波器主要基于LTCC,CNC和PCB等工艺,但这些工艺存在加工精度或集成度的问题,并不能完全满足未来太赫兹单片集成电路(Terahertz Monolithic Integrated Circuit,TMIC)发展的需求。本文中采用了SiC材料,利用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)和共面波导结构(Coplanar Waveguide,CPW),对太赫兹带通滤波器的设计与工艺制备进行了深入研究。本文的研究工作包含如下部分:滤波器工艺研究。在设计前介绍了SiC材料的特点和滤波器工艺流程,并着重研究了电镀,SiC衬底的减薄和刻蚀。电镀工艺包括电镀金和电镀镍,通过多组实验得到小粗糙度高质量的金属镀层,提高了谐振腔的品质因数,改善了镍掩膜的质量;在保证衬底平整度和机械强度的前提下提高减薄速率,在不同的阶段选择不同的研磨材料和工艺条件,成功将SiC衬底减薄至100μm;进行ICP通孔刻蚀实验优化参数,主要研究了温度和支撑片条件对通孔侧壁及底部形貌和半径外扩情况的影响,找到了最优的间歇刻蚀条件,完成了不同深宽比通孔的刻蚀。基于工艺条件设计SIW太赫兹窄带滤波器。SIW结构具有高品质因数,高集成度等优点,本文设计了两种采用四矩形腔体耦合(CQ)拓扑结构和三种采用圆形腔体引入高次模的滤波器,并进行了工艺。在CQ型滤波器的设计中采用了两个完全不同的电耦合结构,并通过主动空间映射(Active Space Mapping,ASM)借助ADS软件对滤波器进行优化,提高了滤波器的设计效率。滤波器工作频率为172 GHz,相对带宽分别为1.9%和2.1%,通带两端具有传输零点,具备较好的过渡带特性和带外寄生模式抑制。在圆形腔体滤波器的设计中分析了各模式的场分布和微扰方式。用微扰谐振腔与表面槽线结构实现带有通带间传输零点的双通带滤波器,工作频率分别为121 GHz和164 GHz,带宽分别为9 GHz和12 GHz,带内插损低至-1.2 d B。将微扰谐振腔与矩形腔体耦合实现具有良好低频寄生模式抑制的带通滤波器,工作频率170GHz,带宽4.67 GHz。通过两个微扰谐振腔组成有更大带宽和良好高频寄生模式抑制的带通滤波器,中心频率166 GHz,带宽7.62 GHz。基于工艺条件设计CPW太赫兹滤波器。CPW结构设计灵活,与微带线相比电磁兼容性更好。与SIW滤波器的设计不同,本文首先研究了CPW缝隙电容和接地电感两种结构,通过软件提取得到这两种结构的等效电路模型,可以看作两个并联谐振回路和耦合结构。接下来将两种结构应用在滤波器中,采用非对称SIW结构,通过添加枝节和缺陷地结构改善滤波器的传输特性,最终实现了宽带和通带左侧带有零点的两种带通滤波器结构,将CPW滤波器的工作频率提高至250 GHz以上,中心频率分别为262.7 GHz和278.64 GHz,带宽分别为43.2 GHz和13.9 GHz,将半开放结构在太赫兹波段的插损减小至-2.45 dB,并完成了滤波器工艺。
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