基于3D打印技术和微加工的微波和THz波导器件研究

发布时间：2017-12-19 02:28

  本文关键词：基于3D打印技术和微加工的微波和THz波导器件研究

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【摘要】：现代无线电通信系统需要高性能多功能的微波/毫米波甚至太赫兹(THz)器件以适应复杂多变的电磁环境。在这些无线电通信系统尤其是射频前端收发系统中,传统的无源波导器件具有射频损耗低和功率容量大等优势。与平面微波传输线(如微带线和共面波导)相比,这些空气填充的金属波导器件在要求低射频损耗/高功率的应用中扮演着重要角色。然而,射频功能复杂的波导器件往往具有复杂的3-D物理结构,当采用传统机械加工工艺如计算机数控铣(Computer Numerical Control(CNC)Milling)制造这些器件时,需要将一个结构整体拆分成多个部件进行加工,且难以实现形状特殊的3-D结构。虽然CNC技术非常成熟,加工精度也很高,但若被用作加工毫米波高频端甚THz波段的波导器件时,CNC的加工成本会急剧提高。此外,传统的全金属制波导器件重量大,冗余结构材料多,不利于在机载、舰载和航空航天等诸多应用中实现通信系统的小型化和轻型化。一种比传统CNC加工工艺具有更高尺寸精度的3-D结构制造工艺是基于硅或光刻胶(如SU-8厚膜)的微加工技术,该技术能够实现亚微米量级的加工精度,有利于加工很小的特征尺寸,因此这些微加工技术已经被广泛用于制作毫米波高频端直至THz波波段的高性能波导器件。近年来,3-D打印技术的发展为微波/毫米波波导器件的快速低成本加工提供了一种新的选择,该技术不仅能够轻易的制造出复杂的三维几何形状,还可以用多种原材料打印器件。若选用远低于金属材料密度的非金属介质作为3-D打印的结构材料(如光敏树脂、塑料、尼龙和陶瓷等),在相同结构下器件重量可以减小一半以上,这对于无线电通信系统尤其是卫星等航空航天通信系统的轻型化具有重要意义。上述多种新型加工工艺的提出有效的降低了波导器件的成本并提高了设计的灵活性。本论文围绕微波/毫米波直至THz波导器件的多种加工工艺,分别研究了基于3-D打印技术的微波/毫米波无源波导器件和基于CNC和SU-8微加工的毫米波和THz波导变频电路,包括倍频器和混频器,这些变频电路是一个300GHz通信系统中的核心射频模块。本论文的研究内容具体如下:(1).“3-D打印技术”并非某一种加工技术的特称而是一类制造工艺的总称。并不是所有的3-D打印工艺都能被用于制作微波/毫米波器件,且制作不同类型或不同工作频段的器件也需要采用不同的3-D打印工艺。本论文在充分研究了多种3-D打印技术的前提下,根据微波器件的成型方式将利用3-D打印技术制作微波器件的方法分为了四类,其中最常见的一类为“非金属3-d打印器件结构+表面金属化”模式。本文以该模式为基础,设计并加工了数款腔体滤波器,工作频率从10ghz到100ghz。其中包括基于新型高q值单模和双模球形谐振腔的10ghz带通滤波器(相对带宽(fbw)分别为5%和3%),基于裂缝波导结构的90ghz带通滤波器(fbw:11%)和基于紧凑片上结构的100ghz带通滤波器(fbw:4%)。这些滤波器大多结构复杂但性能优良,很难用传统的cnc技术加工实现,充分体现了3-d打印技术在制作复杂结构器件上的优势。另外,由于采用了非金属打印材料(光敏树脂),这些滤波器比用纯铜制作的器件(结构相同)轻80%左右。(2).(1)中提出的滤波器均由激光固化光敏树脂成型,这种技术被称为立体光刻(stereolithography(sla))。一般来说,光敏树脂的耐热性和机械强度均远远比不上如铜或铝等金属材料。这就限制了用sla技术打印的微波器件在高功率或高温环境下的应用。比如说,(1)中提到的的一些滤波器采用了accuraxtreme树脂作为打印材料,这种材料的最高工作温度约为50°c(厂家给出的建议值),故用这种材料制作的滤波器可以在常温下工作,但无法放到高温环境中使用。为了适应高温高功率环境条件下的应用,本论文找到了一种新型的掺杂了陶瓷粉末的光敏树脂(somosperform),由于掺杂了纳米陶瓷粉末,使得本来不耐高温的光敏树脂具备了较好的耐热性和更高的机械强度。本论文用这种材料重新制作了(1)中的一款x波段滤波器。然后设计了实验对这两个滤波器(相同设计,不同材料)在不同温度下的射频性能进行了测试。结果表明,采用陶瓷粉末掺杂光敏树脂材料制作的滤波器不仅能轻易工作到140°c以上,且滤波器随温度变化的中心频率偏移量(Δf)也远低于用普通光敏树脂制作的滤波器,而相比纯金属材料来说,这种光敏树脂仍旧保持了轻质的优点。但不可避免的,由于掺杂了陶瓷粉末,树脂的密度提高了约20%。(3).在毫米波和thz波段,一些传统的有源电路(如放大器,倍频器,混频器等)选择在平面传输线(如微带线,共面线)上实现半导体器件(如schottky二极管,hemt管)的阻抗匹配,但平面传输线的q值较低,当电路的工作频率不断提高时,平面电路上的阻抗匹配网络往往会引入较大的损耗。为了降低这一部分损耗,本论文提出了一种“滤波匹配网络理论”,该理论基于微波带通滤波器的等效电路模型导了具备阻抗匹配功能的新型n+2耦合矩阵。由该耦合矩阵描述的滤波器的源阻抗和负载阻抗可以是任意的复数,故从概念上讲,这种带通滤波器在维持特定滤波特性的同时还具备阻抗匹配功能。这种新型的耦合矩阵可以用来设计一些由波导谐振腔实现的滤波匹配网络,从而将平面电路中的阻抗匹配网络移除。(4).(3)中提出的滤波匹配理论在本文中被用于设计多款基于schottky二极管的毫米波/thz倍频器和混频器。在这些设计中,由于采用了波导谐振腔实施阻抗匹配,故必须采用全波仿真软件(如CST,HFSS)来对波导结构进行建模和仿真。另一方面,对非线性半导体器件的建模和仿真又必须用到具备谐波平衡仿真功能的电路仿真软件(如ADS)。因此,为了准确且高效的设计这些非线性电路,全波仿真软件和电路仿真软件必须结合起来。基于这一需求,本文提出了两种电磁场-电路联合仿真/优化方法。其中,一种以电路仿真软件为主,以用全波仿真软件生成的“SNP文件库”为辅的联合仿真/优化办法具有较强的适用性,较高的精度和效率。本论文根据这两种方法设计了五款毫米波/THz变频电路。分别为一款90GHz三倍频器,两款142.5GHz三倍频器,一款300GHz谐波混频器以及一款47.5-142.5-300GHz倍频/混频链,由于采用了高Q值的矩形波导谐振腔去实现非线性半导体器件的阻抗匹配,故仿真得到的射频性能较为理想。最后,这些波导变频电路的腔体部分由CNC和SU-8微加工技术实现。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN252;TP391.73

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 赵伟;毫米波及太赫兹混频技术研究[D];电子科技大学;2015年

2 杨晓帆;基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器研究[D];电子科技大学;2012年

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本文编号：1306571