適用于太赫茲頻段的四端口器件測試結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于太赫茲頻段的四端口器件測試裝置。其包括太赫茲分支波導功分器，所述太赫茲分支波導功分器的波導腔包括主波導腔和副波導腔，所述主波導腔和副波導腔相互平行且都呈長方體結構，所述主波導腔和副波導腔之間還具有呈長方體結構的N個分支波導腔，所述波導腔具體包括直耦合測試結構波導腔、平行耦合測試結構波導腔和隔離度測試結構波導腔三種測試結構波導腔。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的各測試端口直波導長度顯著減短，器件趨于小型化，有效解決了直波導過長而帶來巨大損耗的問題，具有低插損，功率容量大等特點，更為重要的是易于對器件性能進行測試。
【專利說明】適用于太赫茲頻段的四端口器件測試結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲頻段器件測試【技術領域】，尤其涉及一種適用于太赫茲頻段的四端口器件測試結構。

【背景技術】
[0002]太赫茲波頻段處于300GHZ-3000GHZ范圍以內，位于電磁波譜中微波與紅外波段之間。太赫茲科學是一門介于電子學與光學之間的交叉科學，長波方向研究主要依靠電子學科學技術，短波方向研究主要是光子學科學技術。由于其所處的特殊位置，太赫茲波可以表現(xiàn)出許多有別于其他種類電磁輻射的獨特特性，這些特性決定了太赫茲波在很多領域具有廣泛良好的應用前景。太赫茲系統(tǒng)的輸出功率直接決定了系統(tǒng)的作用半徑、抗干擾能力以及通信質量。為了提高太赫茲系統(tǒng)的輸出功率，通常采用的方法是功率合成技術。該技術是將單個器件輸出的功率通過功率分配/合成網(wǎng)絡集中輸出，從而增大了系統(tǒng)的輸出功率，功率合成技術是目前提高太赫茲系統(tǒng)輸出功率的常用并且有效的方法。同時，功率分配器可以為系統(tǒng)提供同一信號源的多路輸出，滿足系統(tǒng)的使用需求。到目前為止，功分/合成器結構類型眾多，其中四端口的多分支矩形波導電橋結構因具有各端口匹配、隔離度高、插入損耗小功率容量高等優(yōu)點而被廣泛應用。在微波毫米波頻段，常采用雙端口的矢量網(wǎng)絡分析儀對四端口功率分配器進行測試，測試時需要使用帶有標準法蘭的匹配負載與非測試端口相連以保證測試的正常進行，這意味著器件各端口直波導部分需要適當延長以保證器件有足夠大的尺寸使得一種功率分配器測試結構能夠對所有性能進行測試。在太赫茲波段，由于器件的尺寸隨著頻率的升高而不斷減小，而且趨膚效應以及相關的損耗致使器件對內部粗糙度有著很苛刻的要求，應用傳統(tǒng)的機械加工技術制作，很難達到加工精度要求，甚至無法加工。而現(xiàn)有的微細加工技術中的深反應離子刻蝕(DRIE)技術對于太赫茲波導傳輸器件的加工已可以勝任，加工精度在微米量級。DRIE技術是一種各相異性高深寬比刻蝕技術，屬于干法蝕刻，也叫先進硅蝕刻技術，一般都基于電感耦合等離子體對硅進行深層加工。和其它硅的體微加工相比，DRIE技術不依賴于襯底晶向，有著更大的加工自由空間。典型的刻蝕掩膜為二氧化硅或光刻膠，刻蝕選擇比與特定的工藝參數(shù)有關。采用DRIE技術可加工高深寬比的硅結構，這些硅結構作為產(chǎn)生金屬結構的模具，或在硅結構上沉積金屬薄膜直接用作器件。在325GHz-500GHz頻段范圍以內使用DRIE技術加工制造的直波導的損耗大約為0.4dB/mm,這意味著波導損耗不可忽略,測試器件端口外延直波導長度越短越好。在太赫茲頻段，由于被測器件尺寸遠遠小于測試系統(tǒng)標準法蘭的尺寸，導致不能使用微波毫米波頻段常用的四端口器件的測試方法進行測試，即非測試端口無法采用端接匹配負載的方式來對被測器件的所有性能進行測試。除此之外，由于器件的被測端口之間的距離相對于測試系統(tǒng)起連接作用的螺釘和銷釘?shù)拈L度較短，導致測試時正常的連接會出現(xiàn)互相抵觸的現(xiàn)象。這些將為我們的測試帶來困難，甚至無法對器件進行測試。


【發(fā)明內容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一套適用于太赫茲頻段的四端口器件測試結構。
[0004]本發(fā)明的技術方案是:適用于太赫茲頻段的四端口器件測試結構，包括太赫茲分支波導功分器，所述太赫茲分支波導功分器的波導腔包括主波導腔和副波導腔，所述主波導腔和副波導腔相互平行且都呈長方體結構，所述主波導腔和副波導腔之間還具有呈長方體結構的N個分支波導腔；所述主波導腔一端為波導輸入段，另一端為波導直通輸出段，所述副波導腔一端為波導隔離段，另一端為波導耦合輸出段，所述主波導腔的波導輸入段與副波導腔的波導隔離段位于N個分支波導腔的同一側，主波導腔的波導直通輸出段與副波導腔的波導耦合輸出段位于N個分支波導腔的另一側；所述波導腔具體包括直耦合測試結構波導腔、平行耦合測試結構波導腔和隔離度測試結構波導腔三種測試結構波導腔；所述波導腔采用在特定端口設置垂直拐角的結構，測試端口位于同一水平對齊線，非測試端口拐向側面塞入吸波材料，所述吸波材料采用尖劈結構，尖頭插入非測試端波導口內。
[0005]進一步地，上述直耦合測試結構波導腔的副波導腔兩端分別具有垂直拐角且沿背向主波導腔一側延伸；第一分支波導腔一端與主波導腔的波導輸入段相連接，另一端與副波導腔垂直拐角的波導隔離段相連接，第N分支波導腔一端與主波導腔的波導直通輸出段相連接，另一端與副波導腔垂直拐角的波導耦合輸出段相連接。
[0006]進一步地，上述平行耦合測試結構波導腔的主波導腔的波導直通輸出段具有垂直拐角且沿背向副波導腔一側延伸；所述副波導腔的波導隔離段具有垂直拐角且背向主波導腔一側延伸，所述波導耦合輸出段經(jīng)兩次垂直拐角且沿與波導輸入段同一水平對齊線方向延伸；第一分支波導腔一端與主波導腔的波導輸入段相連接，另一端與副波導腔垂直拐角的波導隔離段相連接，第N分支波導腔一端與主波導腔垂直拐角的波導直通輸出段相連接，另一端與副波導腔垂直拐角的波導耦合輸出段相連接。
[0007]進一步地，上述隔離度測試結構波導腔的主波導腔兩端分別具有垂直拐角且沿背向副波導腔一側延伸；所述副波導腔兩端分別具有垂直拐角且沿背向主波導腔一側延伸；所述波導直通輸出段與波導耦合輸出段位于同一水平對齊線，所述波導輸入段與波導隔離段位于同一水平對齊線；第一分支波導腔一端與主波導腔垂直拐角的波導輸入段相連接，另一端與副波導腔垂直拐角的波導隔離段相連接，第N分支波導腔一端與主波導腔垂直拐角的波導直通輸出段相連接，另一端與副波導腔垂直拐角的波導耦合輸出段相連接。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將現(xiàn)有的功分器分支電橋結構采用不同形式垂直拐角的方式處理形成三種測試結構，共同完成對功率分配器的性能測試，測試結構中將測試的兩個端口放置在一個水平對齊線上，非測試端口塞入吸波材料來降低對兩個測試端口性能的影響。此方案設計的一套測試結構相比于現(xiàn)有結構可使各測試端口直波導長度顯著減短，器件趨于小型化，有效解決了直波導過長而帶來巨大損耗的問題，具有低插損，功率容量大等特點，更為重要的是易于對器件性能進行測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的太赫茲波導功分器內部結構俯視圖。
[0010]圖2是本發(fā)明的太赫茲波導功分器直耦合測試結構立體結構示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明的太赫茲波導功分器直耦合測試結構上腔體結構俯視圖。
[0012]圖4是本發(fā)明的太赫茲波導功分器直耦合測試結構下腔體結構俯視圖。
[0013]圖5是本發(fā)明的太赫茲波導功分器直耦合測試結構在325?440GHz頻段下的測試曲線。
[0014]圖6是本發(fā)明的太赫茲波導功分器平行耦合測試結構立體結構示意圖。
[0015]圖7是本發(fā)明的太赫茲波導功分器平行耦合測試結構上腔體結構俯視圖。
[0016]圖8是本發(fā)明的太赫茲波導功分器平行耦合測試結構下腔體結構俯視圖。
[0017]圖9是本發(fā)明的太赫茲波導功分器平行耦合測試結構在325?440GHz頻段下的測試曲線。
[0018]圖10是本發(fā)明的太赫茲波導功分器隔離度測試結構立體結構示意圖。
[0019]圖11是本發(fā)明的太赫茲波導功分器隔離度測試結構上腔體結構俯視圖。
[0020]圖12是本發(fā)明的太赫茲波導功分器隔離度測試結構下腔體結構俯視圖。
[0021]圖13是本發(fā)明的太赫茲波導功分器隔離度測試結構在325?440GHz頻段下的測試曲線。
[0022]其中，1、上腔體；2、下腔體；3、波導腔；3.1、直耦合測試結構波導腔；3.2、平行耦合測試結構波導腔；3.3、隔離度測試結構波導腔；4、主波導腔；5、副波導腔；6、波導輸入段；7、波導直通輸出段；8、波導耦合輸出段；9、波導隔離段；10、第一分支波導腔；11、第二分支波導腔；12、第三分支波導腔；13、第四分支波導腔；14、第五分支波導腔；15、垂直拐角；16、凸臺。

【具體實施方式】
[0023]在325?500GHz頻段內，使用DRIE技術加工制造的直波導的損耗大約為0.4dB/mm。為減小損耗，直波導長度需縮短到適當長度，但這卻為測試增加了難度。介于此，發(fā)明人發(fā)明了三種測試結構共同完成對功分器的性能測試，此發(fā)明也同樣適用于其他太赫茲四端口器件的性能測試。
[0024]如圖1所示為太赫茲波導功分器的核心內部結構俯視圖。在此基礎上拓展為本發(fā)明申請?zhí)峁┑奶掌澆▽ЧΨ制鞯娜N測試結構，如圖2、圖6、圖10所示，由位于上部的上腔體I (如圖3、圖7、圖11所示)和位于下部的下腔體2 (如圖4、圖8、圖12所示)層疊構成。上腔體I封蓋在下腔體2上，通過DRIE技術對上腔體I的下表面和下腔體2的上表面進行刻蝕后閉合形成所需要的鏤空結構波導腔3。波導腔3分為三種不同結構，分別為直耦合測試結構波導腔3.1、平行耦合測試結構波導腔3.2和隔離度測試結構波導腔3.3，三種結構分別用以測試直耦合端插入損耗、平行耦合端插入損耗以及隔離度。波導腔3以空氣為填充介質，上腔體I和下腔體2為娃基鍍金材質，即在兩片厚度為0.5mm的娃質基片上通過蝕刻分別加工出波導腔的部分結構，再通過濺射鍍金工藝在波導腔結構上鍍覆鍍金層，鍍金層的厚度最好為2.5?3.5 μ m，最后將兩片金屬化的硅片鍵合在一起形成波導腔的整體結構。
[0025]上述直耦合測試結構波導腔3.1包括主波導腔4和副波導腔5，主波導腔4和副波導腔5之間從左到右依次為呈長方體的第一分支波導腔10、第二分支波導腔11、第三分支波導腔12、第四分支波導腔13和第五分支波導腔14 (如圖3、圖4所示)，五個分支波導腔可將信號從主波導腔4耦合至副波導腔5。第一分支波導腔10、第二分支波導腔11、第三分支波導腔12、第四分支波導腔13和第五分支波導腔14之間分別具有凸臺16。主波導腔4 一端為波導輸入段6,另一端為波導直通輸出段7 ;副波導腔5 —端為波導隔離段9,另一端為波導耦合輸出段8，副波導腔5兩端分別具有垂直拐角15且沿背向主波導腔4 一側延伸。測試的兩個端口波導輸入段6和波導直通輸出段7位于同一水平對齊線上，非測試端口波導耦合輸出段8和波導隔離段9具有垂直拐角15且延伸至側面并塞入吸波材料代替端接的體積較大的匹配負載。第一分支波導腔10 —端與主波導腔4的波導輸入段6相連接，另一端與副波導腔的波導隔離段9相連接；第五分支波導腔14 一端與主波導腔的波導直通輸出段7相連接，另一端與副波導腔的波導耦合輸出段8相連接。波導輸入段6、波導直通輸出段7、波導耦合輸出段8、波導隔離段9為標準WR2.2矩形波導，橫截面的寬、高尺寸分別為560μ--±5μπ?、280μπ?±5μπ?。在一個水平對齊線上的兩個測試端口之間的距離為6_，可見直波導長度顯著縮短，有效降低了不必要的損耗。波導腔的平面結構可設計為相對垂直于信號傳輸方向的中心線對稱，如相對圖3、圖4中的中心線Α-Α’對稱，測試結果如圖5所示。
[0026]上述平行耦合測試結構波導腔3.2包括主波導腔4和副波導腔5，主波導腔4和副波導腔5之間從左到右依次為呈長方體的第一分支波導腔10、第二分支波導腔11、第三分支波導腔12、第四分支波導腔13和第五分支波導腔14(如圖7、圖8所示)，五個分支波導腔可將信號從主波導腔4耦合至副波導腔5。第一分支波導腔10、第二分支波導腔11、第三分支波導腔12、第四分支波導腔13和第五分支波導腔14之間分別具有凸臺16。主波導腔4 一端為波導輸入段6，另一端為波導直通輸出段7。波導直通輸出段7具有垂直拐角15且沿背向副波導5 —側延伸；副波導腔5 —端為波導隔離段9，另一端為波導耦合輸出段8 ;波導隔離段9具有垂直拐角15且沿背向主波導腔4 一側延伸；波導耦合輸出段8經(jīng)兩次垂直拐角15且沿與波導輸入段6同一水平對齊線方向延伸。測試的兩個端口波導輸入段6和波導耦合輸出段8位于同一水平對齊線上；非測試端口波導直通輸出段7和波導隔離段9具有垂直拐角15且延伸至側面并塞入吸波材料代替體積較大的匹配負載。第一分支波導腔10 —端與主波導腔4的波導輸入段6相連接，另一端與副波導腔的波導隔離段9相連接；第五分支波導腔14 一端與主波導腔的波導直通輸出段7相連接，另一端與副波導腔的波導耦合輸出段8相連接。波導輸入段6、波導直通輸出段7、波導耦合輸出段8、波導隔離段9為標準WR2.2矩形波導，橫截面的寬、高尺寸分別為560 μ m±5 μ m、280 μ m±5 μ m。在一個水平對齊線上的兩個測試端口之間的距離為7mm，可見直波導顯著減短，有效降低了不必要的損耗，測試結果如圖9所示。
[0027]上述隔離度測試結構波導腔3.3包括主波導腔4和副波導腔5，主波導腔4和副波導腔5之間從左到右依次為呈長方體的第一分支波導腔10、第二分支波導腔11、第三分支波導腔12、第四分支波導腔13和第五分支波導腔14(如圖11、圖12)，五個分支波導腔可將信號從主波導腔4耦合至副波導腔5。第一分支波導腔10、第二分支波導腔11、第三分支波導腔12、第四分支波導腔13和第五分支波導腔14之間分別具有凸臺16。主波導腔4一端為波導輸入段6，另一端為波導直通輸出段7，主波導腔4兩端分別具有垂直拐角15且沿背向副波導5 —側延伸；副波導腔5 —端為波導隔離段9,另一端為波導I禹合輸出段8,副波導腔5兩端分別具有垂直拐角15且沿背向主波導腔4 一側延伸。測試端口波導直通輸出段7與波導耦合輸出段8在同一水平對齊線上，非測試端口波導輸入段6與波導隔離段9在同一水平對齊線上并塞入吸波材料代替體積較大的匹配負載。第一分支波導腔10 —端與主波導腔4的波導輸入段6相連接，另一端與副波導腔5的波導隔離段9相連接；第五分支波導腔14 一端與主波導腔4的波導直通輸出段7相連接，另一端與副波導腔5的波導耦合輸出段8相連接.波導輸入段6、波導直通輸出段7、波導f禹合輸出段8、波導隔離段9為標準WR2.2矩形波導，橫截面的寬、聞尺寸分別為560 μ m±5 μ m、280 μ m±5 μ m。在一個水平對齊線上的兩個測試端口之間的距離為7mm，可見直波導顯著減短，有效降低了不必要的損耗。波導腔的平面結構可設計為相對平行于信號傳輸方向的中心線對稱，如相對圖11、圖12中的中心線B-B’對稱，測試結果如圖13所示。
[0028]為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取非測試端口塞入吸波材料的方法代替體積較大的匹配負載，吸波材料采用尖劈形結構，需將尖頭插入待測功分器非測試端波導口內。由圖5、圖9、圖13可知吸波材料吸波性能良好，達到了預期期望的效果。
[0029]上述微細加工技術中的DRIE加工工藝，其工藝流程大致如下:(a)制備刻蝕掩膜:娃片厚度為500um,在娃質基片表面上形成氧化層；(b)光刻:通過光刻的方式在掩模層上生成圖形，圖形位于需要腐蝕的硅質基片部分掩模層上的對應位置，并將這部分的掩模層除去，裸露出之下的硅質基片；(c) ICP刻蝕硅:刻蝕出規(guī)定深度和形狀的矩形槽，刻蝕深度為280um ； (d)移除掩膜:刻蝕后將殘留的掩膜移除；(e)鍍金:通過濺射Au，使硅結構的表面金屬化；(f)鍵合:采用Au-Au鍵合技術將兩塊互為鏡像結構的硅片鍵合，完成流片加工，最后通過劃片來獲得所設計的太赫茲器件樣品。
[0030]采用矢量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)結合頻率拓展模塊進行測試，測試結果顯示，中心頻點在380GHz的E面矩形波導分支線電橋功分器直耦合端的插入損耗在350GHz?410GHz寬頻帶內約為2dB左右(扣除3dB固有損耗)，帶內幅度波動小，端口回波損耗均優(yōu)于15dB。平行耦合端的插入損耗在350GHz?410GHz寬頻帶內約為1.5dB左右(扣除3dB固有損耗)，帶內幅度波動小，端口回波損耗均優(yōu)于20dB。隔離度在350GHz?410GHz寬頻帶內均優(yōu)于30dB，在375GHz?385GHz，1GHz帶寬內均優(yōu)于40dB。這意味著本發(fā)明的四端口器件測試裝置在太赫茲低端(325GHz?500GHz)可以實現(xiàn)較低的插入損耗，解決了太赫茲頻段四端口功率分配器損耗過大，不便測試的難題。
[0031]本發(fā)明提供的適用于太赫茲頻段的四端口器件測試裝置，采用WR2.2標準矩形波導接口，具有工作頻率高，損耗小，易于制造，通用性強等優(yōu)點，在太赫茲系統(tǒng)中具有良好的應用前景。
[0032]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種適用于太赫茲頻段的四端口器件測試裝置，其特征在于:包括太赫茲分支波導功分器，所述太赫茲分支波導功分器的波導腔(3)包括主波導腔(4)和副波導腔(5)，所述主波導腔(4)和副波導腔(5)相互平行且都呈長方體結構，所述主波導腔(4)和副波導腔(5)之間還具有呈長方體結構的N個分支波導腔；所述主波導腔(4) 一端為波導輸入段(6)，另一端為波導直通輸出段(7)，所述副波導腔(5) —端為波導隔離段(9)，另一端為波導耦合輸出段(8)，所述主波導腔⑷的波導輸入段(6)與副波導腔(5)的波導隔離段(9)位于N個分支波導腔的同一側，主波導腔(4)的波導直通輸出段(7)與副波導腔(5)的波導耦合輸出段(8)位于N個分支波導腔的另一側；所述波導腔(3)具體包括直耦合測試結構波導腔(3.1)、平行耦合測試結構波導腔(3.2)和隔離度測試結構波導腔(3.3)三種測試結構波導腔；所述波導腔(3)采用在特定端口設置垂直拐角的結構，測試端口位于同一水平對齊線，非測試端口拐向側面塞入吸波材料，所述吸波材料采用尖劈結構，尖頭插入非測試端波導口內。
2.如權利要求1所述的適用于太赫茲頻段的四端口器件測試裝置，其特征在于:所述直耦合測試結構波導腔(3.1)的副波導腔(5)兩端分別具有垂直拐角且沿背向主波導腔(4)一側延伸；第一分支波導腔(10) —端與主波導腔(4)的波導輸入段(6)相連接，另一端與副波導腔(5)垂直拐角的波導隔離段(9)相連接，第N分支波導腔一端與主波導腔(4)的波導直通輸出段(7)相連接，另一端與副波導腔(5)垂直拐角的波導耦合輸出段(8)相連接。
3.如權利要求1所述的適用于太赫茲頻段的四端口器件測試裝置，其特征在于:所述平行耦合測試結構波導腔(3.2)的主波導腔(4)的波導直通輸出段(7)具有垂直拐角且沿背向副波導腔(5) —側延伸；所述副波導腔(5)的波導隔離段(9)具有垂直拐角且背向主波導腔(4) 一側延伸，所述波導耦合輸出段(8)經(jīng)兩次垂直拐角且沿與波導輸入段(6)同一水平對齊線方向延伸；第一分支波導腔(10) —端與主波導腔(4)的波導輸入段(6)相連接，另一端與副波導腔(5)垂直拐角的波導隔離段(9)相連接，第N分支波導腔一端與主波導腔(4)垂直拐角的波導直通輸出段(7)相連接，另一端與副波導腔(5)垂直拐角的波導耦合輸出段⑶相連接。
4.如權利要求1所述的適用于太赫茲頻段的四端口器件測試裝置，其特征在于:所述隔離度測試結構波導腔(3.3)的主波導腔(4)兩端分別具有垂直拐角且沿背向副波導腔(5)—側延伸；所述副波導腔(5)兩端分別具有垂直拐角且沿背向主波導腔(4) 一側延伸；所述波導直通輸出段(7)與波導耦合輸出段(8)位于同一水平對齊線，所述波導輸入段(6)與波導隔離段(9)位于同一水平對齊線；第一分支波導腔(10) —端與主波導腔(4)垂直拐角的波導輸入段(6)相連接，另一端與副波導腔(5)垂直拐角的波導隔離段(9)相連接，第N分支波導腔一端與主波導腔(4)垂直拐角的波導直通輸出段(7)相連接，另一端與副波導腔(5)垂直拐角的波導耦合輸出段(8)相連接。
【文檔編號】H01P5/16GK104183896SQ201410392045
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權日:2014年8月11日
【發(fā)明者】胡江, 周揚帆, 劉雙, 劉伊民, 張勇, 鄭中萬 申請人:電子科技大學