本文基于電抗耦合半波長(zhǎng)濾波器理論，研制了一款425 GHz帶通濾波器。該濾波器選用矩形諧振腔結(jié)構(gòu)，采用精密金屬加工技術(shù)進(jìn)行濾波器加工。本文利用羅德與施瓦茨公司的太赫茲矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (ZVA-Z500) 對(duì)研制的濾波器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在416-440 GHz的通帶內(nèi)，該濾波器插損小于1.5 dB，回波損耗大于10 dB。

Abstract: A 425GHz bandpass filter based on Reactance coupled half wavelength filter theory is proposed. The filter is designed with the structure of rectangular resonant cavity and carried out with precise metal processing technology. In this paper, the filter is measured with R&S advanced vector network analyzer (ZVA-Z500). The pass-band insertion loss of the filter is less than 1.5 dB from 416GHz to 440GHz, the return loss is better than -10dB in the pass-band.

Key words: Reactance coupled half wavelength filter; Cavity waveguide filter; Terahertz network analyzer(ZVA-Z500)

1. 引言

太赫茲波的頻譜位于毫米波和紅外線頻譜之間，其憑借獨(dú)特的性質(zhì)廣泛地應(yīng)用于通信、遙感、成像等領(lǐng)域。太赫茲濾波器可用于選擇頻率，在接收機(jī)中濾除工作帶寬外的環(huán)境噪聲和干擾頻率；在發(fā)射機(jī)中抑制帶外功率，提高系統(tǒng)的電磁兼容特性，是太赫茲系統(tǒng)最重要的無(wú)源器件之一。本文研究的濾波器工作在425 GHz (一個(gè)氧分子吸收窗口頻率)，可用于氣象探測(cè)系統(tǒng)和雷達(dá)成像系統(tǒng)等關(guān)鍵電路中。

近年來(lái)羅德與施瓦茨等公司陸續(xù)推出的太赫茲擴(kuò)頻模塊極大改善了國(guó)內(nèi)太赫茲器件的測(cè)試條件，保障了太赫茲器件測(cè)試的準(zhǔn)確性，有力地推動(dòng)了太赫茲器件的研究和發(fā)展。

2. 波導(dǎo)濾波器理論

波導(dǎo)濾波器的常見設(shè)計(jì)方法有：模式匹配法、等效電路法以及散射參數(shù)法。本文采用等效電路法，利用半波長(zhǎng)濾波器原型，結(jié)合太赫茲濾波器的指標(biāo)計(jì)算出濾波器的階數(shù)和粗略尺寸，再通過(guò)數(shù)值算法優(yōu)化，得出準(zhǔn)確的濾波器尺寸。

半波長(zhǎng)濾波器是一種利用階梯阻抗不連續(xù)性所構(gòu)成的微波濾波器的低通原型。半波長(zhǎng)濾波器的阻抗階梯是在輸入端阻抗上交替變化的，由于各阻抗節(jié)長(zhǎng)度等于其中心頻率上波長(zhǎng)的二分之一[1]。

（圖1 半波長(zhǎng)濾波器符號(hào)定義）

其中端口電壓駐波比和反射系數(shù)定義為：

(公式1)

其相對(duì)帶寬 定義為：

λg1和λg2分別為半波長(zhǎng)濾波器通帶內(nèi)最長(zhǎng)和最短的波導(dǎo)波長(zhǎng)， λg0為中心頻率上的波導(dǎo)波長(zhǎng)，λg為任意頻率變量的波導(dǎo)波長(zhǎng)。

圖2展示了利用并聯(lián)電感耦合形式實(shí)現(xiàn)半波長(zhǎng)濾波器的等效電路。每個(gè)諧振器近似為半波長(zhǎng)，由并聯(lián)電感耦合而成。此種形式的濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

（圖2 并聯(lián)電感耦合形式帶通濾波器等效電路）

太赫茲濾波器通常采用矩形波導(dǎo)加載電感膜片的形式實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感。由于太赫茲波長(zhǎng)短，加工難度大，通常是采用諧振腔結(jié)構(gòu)等效電感膜片。

3. 濾波器仿真優(yōu)化

425 GHz太赫茲濾波器中仍然采用半波長(zhǎng)電抗耦合形式，通過(guò)諧振腔濾波器的形式實(shí)現(xiàn)。先根據(jù)既定指標(biāo)和濾波器原型初步計(jì)算出濾波器的階數(shù)和粗略尺寸，再利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。濾波器三維仿真模型如圖3所示：

（圖3 425 GHz波導(dǎo)濾波器電磁仿真模型）

（圖4 425 GHz波導(dǎo)濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果）

濾波器仿真結(jié)果如圖4所示，在設(shè)計(jì)通帶414 GHz-436 GHz內(nèi)，濾波器的插入損耗均優(yōu)于1 dB，回波損耗大于12 dB。

4. 濾波器加工工藝

425 GHz濾波器采用精密機(jī)械加工技術(shù)加工而成，腔體材料為黃銅，沿標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)E面剖分為左右兩個(gè)腔體，左右腔體單獨(dú)進(jìn)行機(jī)械加工。實(shí)物圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

（圖5（a）425 GHz濾波器實(shí)物圖 ）

（圖5（b）425 GHz濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖）

5. 濾波器測(cè)試

太赫茲無(wú)源器件一直存在測(cè)試難的問(wèn)題，羅德與施瓦茨公司推出的新一代太赫茲矢網(wǎng)擴(kuò)頻模塊很好地解決了客戶的測(cè)試?yán)щy。本文中425 GHz濾波器采用羅德與施瓦茨公司的300-500 GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試。300-500 GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由較低頻率矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (ZVA40) 和兩個(gè)當(dāng)前最先進(jìn)的矢網(wǎng)擴(kuò)頻模塊ZVA-Z500搭配組成。太赫茲濾波器的測(cè)試平臺(tái)如圖6所示：

（圖6425 GHz波導(dǎo)濾波器測(cè)試平臺(tái)）

在如圖所示搭建好矢網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)后，使用矢網(wǎng)擴(kuò)頻模塊配件中的校準(zhǔn)件對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，然后將待測(cè)件接入測(cè)試平臺(tái)并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

利用羅德與施瓦茨公司的太赫茲矢網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)得到的濾波器S參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。測(cè)試結(jié)果顯示該濾波器在416-440 GHz的通帶內(nèi)，插入損耗小于1.5 dB，回波損耗大于 10 dB。測(cè)試結(jié)果較好，與仿真結(jié)果基本一致。

（圖7 425 GHz濾波器S參數(shù)測(cè)試結(jié)果）

5. 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了太赫茲波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)原理，研制出一款425 GHz波導(dǎo)帶通濾波器，并使用羅德與施瓦茨公司的太赫茲矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了測(cè)試。濾波器測(cè)試結(jié)果較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，為未來(lái)太赫茲濾波器的研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。