技術文章
Technical articles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??;相對于光波而言,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發(fā)展的關鍵,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用,包括大氣遙感、醫(yī)學成像甚至高速通信。目前,用于封裝太赫茲倍頻器的波導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)波導腔體的布局;(b)MMIC的特寫
圖2. 微納3D打印的波導腔體(左)和放置MMIC的波導通道(右)
近日,英國伯明翰大學的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。制備的波導腔體通過光學系統(tǒng)檢測并未發(fā)現(xiàn)缺陷,與MMIC(單片微波集成電路)配合的波導通道測量值為609μm,優(yōu)于設計的630μm;同時超高光學精度打印保證了嚴格的尺寸公差,確保波導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。