太赫兹腔体滤波器设计与分层结构交叉耦合研究

摘要

广义的太赫兹是指0.1THz—10THz频段的电磁波，它下接毫米波，上接远红外频段，主要应用包括雷达、医学成像、天文学、无损检测、安全检查等众多领域，因此，开展太赫兹器件和系统的研究，具有重要的意义。作为一种广泛应用的微波无源器件，太赫兹滤波器的研究正在日益受到关注。
　　本文的研究重点是以滤波器基本理论为基础，对太赫兹滤波电路进行研究，力求通过简洁的结构，完成准确的理论设计，并采用合适工艺完成滤波器实物的制作，首要目标是研究适合太赫兹频段的滤波器结构，在此基础上，提升滤波器的性能。
　　主要研究内容如下：
　　1.了解微机械工艺，包括国内外现有的SU-8厚膜工艺，硅基微机械加工(MEMS)，LIGA，深离子反应刻蚀(DRIE)，微机械加工等，根据实际情况选取合适的加工工艺。
　　2.设计了两款中心频率300GHz的直接耦合太赫兹波导滤波器。目前，国内外对100GHz以上滤波器的研究并不太多，尤其是300GHz以上的频段，因此本文所做的研究就显得非常必要，同时具备一定的开创性。
　　两款滤波器均采用矩形波导结构，以切比雪夫滤波器为原型，基于耦合矩阵原理和耦合系数进行设计。其中一款滤波器为四腔梳状结构，中心频率300GHz，带宽10GHz，通带内回波损耗大于20dB，插入损耗小于0.1dB，距中心频率2倍带宽处的抑制分别为49dB和35dB。另一款为三腔E面金属膜片结构，中心频率300GHz，带宽10GHz，通带内回波损耗大于20dB，插入损耗小于0.1dB，距中心频率2倍带宽处的抑制分别为33dB和17dB。
　　3.设计了两款具有传输零点的交叉耦合分层结构波导滤波器。由于太赫兹频率很高，造成相应器件尺寸非常小，滤波器的耦合结构对尺寸极其敏感，导致交叉耦合的实现非常困难，本文所设计的这两款滤波器在太赫兹频段实现了交叉耦合，极大的改善了滤波器的带外性能，具有极其重要的指导意义。
　　两款滤波器均采用 CQ拓扑结构，以四阶切比雪夫滤波器为原型，基于耦合矩阵原理和耦合系数进行设计。其中一款滤波器为四腔 CQ矩形波导结构，主耦合采用 H面偏移结构，交叉耦合通过1、4谐振腔之间的电耦合实现，中心频率300GHz，带宽10GHz，通带内回波损耗大于20dB，插入损耗小于0.1dB，传输零点位于290GHz和311GHz，抑制度均大于60dB。另一款为四腔 CQ圆波导结构，主耦合通过在圆柱侧壁开窗口实现，交叉耦合通过1、4谐振腔之间的电耦合实现，中心频率100GHz，带宽4GHz，通带内回波损耗大于20dB，插入损耗小于0.1dB，传输零点位于96GHz和107GHz处，抑制度分别为64dB和83dB。
　　本文通过研究太赫兹滤波电路的理论和工艺，成功设计了100GHz和300GHz的交叉耦合分层结构太赫兹滤波器和300GHz的直接耦合太赫兹滤波器，对太赫兹器件的发展具有一定的促进作用。

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第一章 绪论

1.1 太赫兹滤波器的发展

1.2 太赫兹滤波器的特点和加工工艺

1.3 本文的主要内容及创新

第二章 滤波器基础理论

2.1 滤波器的基本概念和设计指标

2.2 低通原型滤波器

2.3 低通原型到各类滤波器的变换

2.4 耦合矩阵的引入

2.5 本章小结

第三章 直接耦合太赫兹波导滤波器的研究

3.1 梳状矩形波导滤波器

3.2 E面膜片矩形波导滤波器

3.3 本章小结

第四章 交叉耦合分层结构波导滤波器的设计

4.1 交叉耦合特性分析

4.2 矩形谐振腔交叉耦合分层结构波导滤波器

4.3 圆柱谐振腔交叉耦合分层结构波导滤波器

4.4 本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献

附录

攻硕期间取得的研究成果