微立體光刻3D打印125GHz倍頻器的波導(dǎo)腔體

來源：摩方精密


太赫茲波是指頻率在0.1THz~10THz內(nèi)的電磁波,，它的波長介于30~3000μm，在頻譜中的位置處于微波和可見光之間，長波段部分與毫米波重合，短波段部分與紅外線重合，在電磁波頻譜中占據(jù)非常特殊的位置,，具有很多特殊的性質(zhì)：寬帶性、互補性,、瞬態(tài)性,、相干性、低能性,、投射性,。相對于毫米波而言，太赫茲波的頻率更高,、波長更短,，因此具有更高的分辨率、更強的方向性和更大的信息容量,，同時器件可以更�,。幌鄬τ诠獠ǘ���,，太赫茲波具有更強的穿透性,，適合于云霧、硝煙等極端惡劣環(huán)境,。太赫茲頻率源是太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,，其性能指標影響著整個太赫茲系統(tǒng)的性能，所以太赫茲頻率源的獲得至關(guān)重要,。通過倍頻的方式獲得的信號源具有高頻穩(wěn)定性好,、設(shè)備的主振動頻率低、工作頻段寬的優(yōu)點,，是目前獲取太赫茲頻率源廣泛采取的方案,。

基于GaAs肖特基二極管的太赫茲倍頻器因其高效率、低能量消耗和室溫下可適用性,，已廣泛用于外差接收器中局部振蕩器(LO)的可靠信號源,。太赫茲倍頻器具有廣泛的實際應(yīng)用，包括大氣遙感,、醫(yī)學(xué)成像甚至高速通信,。目前，用于封裝太赫茲倍頻器的波導(dǎo)腔體通常采用計算機數(shù)控(CNC)加工制造，該工藝成熟,，可實現(xiàn)高精確度,、高精密度和良好表面光潔度，能滿足電子元件與波導(dǎo)腔體間嚴格的尺寸公差要求,。近年來,，3D打印憑借其小批量快速加工的能力,，逐漸被用于加工被動微波器件,。但是，兼具大的打印幅面以及高公差控制的打印設(shè)備較少,，因此鮮少有3D打印制備超過100GHz頻段的器件報道,。3D打印的倍頻器更是未見報道。

圖1. 125GHz倍頻器的剖面圖:(a)波導(dǎo)腔體的布局;(b)MMIC的特寫


圖2. 微納3D打印的波導(dǎo)腔體(左)和放置MMIC的波導(dǎo)通道(右)

近日,，英國伯明翰大學(xué)的Talal Skaik和Yi Wang等首次采用面投影微立體光刻(PμSL)3D打印工藝制備太赫茲倍頻器的波導(dǎo)腔體,。研究團隊使用摩方精密科技有限公司(BMF)的nanoArch® S140系統(tǒng)3D打印了波導(dǎo)腔體，打印材料為耐高溫樹脂(HTL),，如圖2所示,，外形尺寸為30.4 mm×25.5 mm×19.1 mm，打印層厚為20μm以及光學(xué)精度為10μm,。打印后在異丙醇中清洗,，并進行30分鐘的紫外線固化，最后在60°C下進行30分鐘的熱固化,。制備的波導(dǎo)腔體通過光學(xué)系統(tǒng)檢測并未發(fā)現(xiàn)缺陷,，與MMIC（單片微波集成電路）配合的波導(dǎo)通道測量值為609μm，優(yōu)于設(shè)計的630μm,；同時超高光學(xué)精度打印保證了嚴格的尺寸公差,，確保波導(dǎo)腔體的兩部分能精確配合，避免MMIC電路的損壞,。

圖3. 電鍍后波導(dǎo)腔體的表面光潔度


圖4. 裝配后的太赫茲倍頻器

為促進信號的傳遞以及減小外界干擾,，在波導(dǎo)腔體表面鍍上4μm厚的銅和0.1μm厚的金，平均表面光潔度約為1.4μm,，如圖3和圖4所示,，電磁仿真結(jié)果表明該粗糙度對變頻損耗的影響可以忽略不計。

圖5.  3D打印與傳統(tǒng)CNC加工的太赫茲倍頻器的性能參數(shù)對比

實驗測試發(fā)現(xiàn),，3D打印制備的太赫茲倍頻器與傳統(tǒng)CNC制備的倍頻器性能非常接近,，相關(guān)性能參數(shù)如圖5所示。3D打印的太赫茲倍頻器在輸出頻率為126GHz下達到33mW的最大輸出功率,，在80mW~110mW的輸入功率下轉(zhuǎn)換效率約為32%,，與傳統(tǒng)CNC加工的倍頻器具有相近的最大輸出功率和轉(zhuǎn)換功率。

此研究成果以題為“125 GHz Frequency Doubler using a Waveguide Cavity Produced by Stereolithography”發(fā)表在會議期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 》上。


原文鏈接：https://doi.org/10.1109/TTHZ.2021.3131915