关于一种双田字型太赫兹波导定向耦合器的设计方法

0 引言

太赫兹波是指频率为0.1～10 THz的电磁波[1]，定向耦合器作为一种有着方向性的功率分配器件，它能够通过控制输出信号的大小来定向的耦合传输信号[2]。其中波导定向耦合器[3]由于其突出性能(如具有较高的方向性和较低的插入损耗等)，在微波领域中用途十分广泛，在通信系统、电子对抗、雷达系统和测试测量仪器中都有着重要作用。其主要用途有对功率进行分配和合成、扩大功率量程、监视功率和频谱[4]，在系统中耦合器主要性能表现为在最小的干扰下对主信号获得较精确的耦合信号。其主要指标有方向性、耦合度、插入损耗等。为了解决太赫兹频段信号的采集和测量存在的难题，研究出体积小且性能高的太赫兹波导定向耦合器具有重要意义[5]。

本文设计的耦合器，以分支线理论为基础，在中间部分加一横向贯穿的支线形成两个田字来提高工作带宽，对分支线底部进行加粗来提高加工的可行性；用HFSS软件仿真，结果较好，有较高的方向性、强耦合度和较低的插入损耗；以硅为材料，用MEMS刻蚀工艺对其进行加工，并且给出了实物图。

1 波导定向耦合器的设计

如图1所示，在两波导中间有一些等间距排列的孔，信号从端口1输入，从端口2和端口3输出，端口4无输出(因为其为隔离端)[6]。从端口1到端口4的功率分别为P1～P4，理想状态下P4的值为0，但是在实际工作中仍会有小部分信号从端口4输出。

为了使耦合信号满足一定的分布，可以通过调整耦合孔的位置和大小来使反向波的振幅达到最小[7]，即使隔离端的信号输出达到最小，从而实现有效增加带宽和提高方向性的目的。

基于这个原理，在分支线中间部位加入一横向贯穿3支线的窄槽形成一个田字型，用同样的方法形成双田字，从而有效增加带宽。对靠近波导宽边的分支线根部进行加粗是为了提高应力，使得在进行刻蚀步骤时不易断裂，提高加工的可行性。耦合器模型图如图2所示。

波导定向耦合器主要指标之间存在一定的关系，即如果想要耦合度达到较好的平坦性，那么带宽和方向性将会降低；若要达到较高的方向性，那么就要牺牲工作带宽和耦合度平坦性。耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指标之一，用HFSS软件仿真，且综合考虑主要指标之间的关系后确定了最优尺寸，各参数代表的物理意义和各参数的值分别如图3和表1所示。

a和b分别表示靠近波导宽边的加粗部位的高度和长度，c表示两分支线的距离，l为两波导之间的距离。

2 波导定向耦合器的仿真和优化

该波导定向耦合器使用商业软件HFSS进行仿真和优化，在该模型中输入和输出采用WR-2.2标准波导，其尺寸为0.56 mm×0.28 mm。

图4(a)和图4(b)分别为波导定向耦合器S参数曲线图和各端口回波损耗图。从图4(a)中可知，插入损耗S21接近于0 dB，隔离度S41小于-20 dB，耦合度S31在工作带宽内为-6.3 dB，属于强耦合，耦合度平坦性是耦合器的重要指标之一，它关系到测量结果的准确与否。曲线波动越小，测量结果越精确。S31曲线近乎于一条直线，说明该耦合器具有较好的耦合度平坦性。从图4(b)可知，各端口的回波损耗小于-20 dB。

对各个参数进行优化的过程中发现，耦合孔的高度即两波导宽边的距离l对耦合度影响较大，其他参数对结果也有一定影响。给l设置一定的变化范围，从0.15 mm～0.4 mm之间变化，间隔为0.05 mm，图5给出了耦合度S31随耦合孔的高度l变化的关系曲线。随着l的增加，耦合度曲线先逆时针旋转逐渐趋于平稳，随后曲线向反方向倾斜且在高频段出现了毛刺，即S31围绕着某一点逆时针旋转，该点大概在中心频率附近。综合考虑耦合度和方向性等指标之间的关系，最后选取l=0.30 mm。

图6为耦合器电场分布图，色谱上部分表示高电场，下部分表示低电场，电场分布主要集中在低电场部分。从图6中可知，从端口1输入的大部分信号通过直通波导从端口2输出，仅有一小部分信号从耦合端口3输出，端口4被隔离，无信号输出。

3 波导定向耦合器的工艺及实现方案

由于太赫兹频段较高，波导定向耦合器尺寸微小，为微米级别，对加工精度有着较高的要求，一般的机械加工难以满足其要求，在高频段设备尺寸的改变对电磁波传输性能有着较大的影响[8]。

图7为太赫兹波导定向耦合器的加工工艺流程。图7(a)以硅片为基底，匀胶；图7(b)光刻出图形并显影；图7(c)对硅片进行刻蚀，形成通孔；图7(d)除去掩膜层，溅射50 nm的金属钛，然后溅射金属金、电镀，由趋肤深度公式[9]可知金的厚度要达到3 μm，其中钛的作用是作为粘附层，增加金和硅片的粘附力；图7(e)在一定的温度和压力条件下进行金-金键合。图8为键合工艺简图，用另外两片薄硅片溅射上一定厚度的金属金在一定条件下进行键合，使其形成封闭腔室且使结构内部金属化。

在深硅刻蚀的过程中发现，硅的侧壁陡直度[10]达不到90°，侧壁越倾斜，对后续硅片的金属化影响越严重，则对耦合器性能影响也越大，但在实验中发现侧壁陡直度可以达到89.5°，影响较小。图9为耦合器实物图。

4 结论

本文主要讨论了工作频率在313～383 GHz太赫兹波导定向耦合器的设计与制作，介绍了多孔耦合原理，使用标准波导口（WR-2.2）在分支线耦合原理基础上设计了双田字型结构，相比于分支线结构和单田字型结构，双田字型结构有效增加了带宽和提高了方向性。通过优化耦合孔的各个尺寸来完成其宽频带的设计，该耦合器带宽为70 GHz，具有高方向性和强耦合度，且耦合度曲线有较好的平坦性。介绍了基于MEMS工艺的制作流程，通过深硅刻蚀工艺来完成主要部分的加工，可以很好地控制好耦合孔的厚度，使耦合孔厚度效应不显著，并且可以保证耦合孔尺寸的精度，保证耦合器的各项性能。在保证加工高精度要求的前提下，同时也满足了定向耦合器的小型化，使结构紧凑，这在固有的机械领域是很难实现的。该设计为高性能太赫兹波段耦合器的设计及加工工艺提供了一定参考，为大批量生产耦合器提供了一定的借鉴。