0 引言

    太赫茲波是指頻率為0.1～10 THz的電磁波^[1]，定向耦合器作為一種有著方向性的功率分配器件，它能夠通過控制輸出信號的大小來定向的耦合傳輸信號^[2]。其中波導定向耦合器^[3]由于其突出性能(如具有較高的方向性和較低的插入損耗等)，在微波領域中用途十分廣泛，在通信系統、電子對抗、雷達系統和測試測量儀器中都有著重要作用。其主要用途有對功率進行分配和合成、擴大功率量程、監視功率和頻譜^[4]，在系統中耦合器主要性能表現為在最小的干擾下對主信號獲得較精確的耦合信號。其主要指標有方向性、耦合度、插入損耗等。為了解決太赫茲頻段信號的采集和測量存在的難題，研究出體積小且性能高的太赫茲波導定向耦合器具有重要意義^[5]。

    本文設計的耦合器，以分支線理論為基礎，在中間部分加一橫向貫穿的支線形成兩個田字來提高工作帶寬，對分支線底部進行加粗來提高加工的可行性；用HFSS軟件仿真，結果較好，有較高的方向性、強耦合度和較低的插入損耗；以硅為材料，用MEMS刻蝕工藝對其進行加工，并且給出了實物圖。

1 波導定向耦合器的設計

    如圖1所示，在兩波導中間有一些等間距排列的孔，信號從端口1輸入，從端口2和端口3輸出，端口4無輸出(因為其為隔離端)^[6]。從端口1到端口4的功率分別為P₁～P₄，理想狀態下P₄的值為0，但是在實際工作中仍會有小部分信號從端口4輸出。

    為了使耦合信號滿足一定的分布，可以通過調整耦合孔的位置和大小來使反向波的振幅達到最小^[7]，即使隔離端的信號輸出達到最小，從而實現有效增加帶寬和提高方向性的目的。

    基于這個原理，在分支線中間部位加入一橫向貫穿3支線的窄槽形成一個田字型，用同樣的方法形成雙田字，從而有效增加帶寬。對靠近波導寬邊的分支線根部進行加粗是為了提高應力，使得在進行刻蝕步驟時不易斷裂，提高加工的可行性。耦合器模型圖如圖2所示。

    波導定向耦合器主要指標之間存在一定的關系，即如果想要耦合度達到較好的平坦性，那么帶寬和方向性將會降低；若要達到較高的方向性，那么就要犧牲工作帶寬和耦合度平坦性。耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指標之一，用HFSS軟件仿真，且綜合考慮主要指標之間的關系后確定了最優尺寸，各參數代表的物理意義和各參數的值分別如圖3和表1所示。

    a和b分別表示靠近波導寬邊的加粗部位的高度和長度，c表示兩分支線的距離，l為兩波導之間的距離。

2 波導定向耦合器的仿真和優化

    該波導定向耦合器使用商業軟件HFSS進行仿真和優化，在該模型中輸入和輸出采用WR-2.2標準波導，其尺寸為0.56 mm×0.28 mm。

    圖4(a)和圖4(b)分別為波導定向耦合器S參數曲線圖和各端口回波損耗圖。從圖4(a)中可知，插入損耗S₂₁接近于0 dB，隔離度S₄₁小于-20 dB，耦合度S₃₁在工作帶寬內為-6.3 dB，屬于強耦合，耦合度平坦性是耦合器的重要指標之一，它關系到測量結果的準確與否。曲線波動越小，測量結果越精確。S₃₁曲線近乎于一條直線，說明該耦合器具有較好的耦合度平坦性。從圖4(b)可知，各端口的回波損耗小于-20 dB。

    對各個參數進行優化的過程中發現，耦合孔的高度即兩波導寬邊的距離l對耦合度影響較大，其他參數對結果也有一定影響。給l設置一定的變化范圍，從0.15 mm～0.4 mm之間變化，間隔為0.05 mm，圖5給出了耦合度S₃₁隨耦合孔的高度l變化的關系曲線。隨著l的增加，耦合度曲線先逆時針旋轉逐漸趨于平穩，隨后曲線向反方向傾斜且在高頻段出現了毛刺，即S31圍繞著某一點逆時針旋轉，該點大概在中心頻率附近。綜合考慮耦合度和方向性等指標之間的關系，最后選取l=0.30 mm。

    圖6為耦合器電場分布圖，色譜上部分表示高電場，下部分表示低電場，電場分布主要集中在低電場部分。從圖6中可知，從端口1輸入的大部分信號通過直通波導從端口2輸出，僅有一小部分信號從耦合端口3輸出，端口4被隔離，無信號輸出。

3 波導定向耦合器的工藝及實現方案

    由于太赫茲頻段較高，波導定向耦合器尺寸微小，為微米級別，對加工精度有著較高的要求，一般的機械加工難以滿足其要求，在高頻段設備尺寸的改變對電磁波傳輸性能有著較大的影響^[8]。

    圖7為太赫茲波導定向耦合器的加工工藝流程。圖7(a)以硅片為基底，勻膠；圖7(b)光刻出圖形并顯影；圖7(c)對硅片進行刻蝕，形成通孔；圖7(d)除去掩膜層，濺射50 nm的金屬鈦，然后濺射金屬金、電鍍，由趨膚深度公式[9]可知金的厚度要達到3 μm，其中鈦的作用是作為粘附層，增加金和硅片的粘附力；圖7(e)在一定的溫度和壓力條件下進行金-金鍵合。圖8為鍵合工藝簡圖，用另外兩片薄硅片濺射上一定厚度的金屬金在一定條件下進行鍵合，使其形成封閉腔室且使結構內部金屬化。

    在深硅刻蝕的過程中發現，硅的側壁陡直度^[10]達不到90°，側壁越傾斜，對后續硅片的金屬化影響越嚴重，則對耦合器性能影響也越大，但在實驗中發現側壁陡直度可以達到89.5°，影響較小。圖9為耦合器實物圖。

4 結論

    本文主要討論了工作頻率在313～383 GHz太赫茲波導定向耦合器的設計與制作，介紹了多孔耦合原理，使用標準波導口（WR-2.2）在分支線耦合原理基礎上設計了雙田字型結構，相比于分支線結構和單田字型結構，雙田字型結構有效增加了帶寬和提高了方向性。通過優化耦合孔的各個尺寸來完成其寬頻帶的設計，該耦合器帶寬為70 GHz，具有高方向性和強耦合度，且耦合度曲線有較好的平坦性。介紹了基于MEMS工藝的制作流程，通過深硅刻蝕工藝來完成主要部分的加工，可以很好地控制好耦合孔的厚度，使耦合孔厚度效應不顯著，并且可以保證耦合孔尺寸的精度，保證耦合器的各項性能。在保證加工高精度要求的前提下，同時也滿足了定向耦合器的小型化，使結構緊湊，這在固有的機械領域是很難實現的。該設計為高性能太赫茲波段耦合器的設計及加工工藝提供了一定參考，為大批量生產耦合器提供了一定的借鑒。

參考文獻

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