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微立體光刻3D列印125GHz倍頻器的波導腔體

釋出時間◕•▩│:2022-07-29      點選次數◕•▩│:344


太赫茲波是指頻率在0.1THz~10THz內的電磁波·◕,它的波長介於30~3000μm·◕,在頻譜中的位置處於微波和可見光之間·◕,長波段部分與毫米波重合·◕,短波段部分與紅外線重合·◕,在電磁波頻譜中佔據非常特殊的位置·◕,具有很多特殊的性質◕•▩│:寬頻性▩↟↟•、互補性▩↟↟•、瞬態性▩↟↟•、相干性▩↟↟•、低能性▩↟↟•、投射性₪☁◕•。相對於毫米波而言·◕,太赫茲波的頻率更高▩↟↟•、波長更短·◕,因此具有更高的解析度▩↟↟•、更強的方向性和更大的資訊容量·◕,同時器件可以更小;相對於光波而言·◕,太赫茲波具有更強的穿透性·◕,適合於雲霧▩↟↟•、硝煙等極.端惡劣環境₪☁◕•。太赫茲頻率源是太赫茲技術發展的關鍵·◕,其效能指標影響著整個太赫茲系統的效能·◕,所以太赫茲頻率源的獲得至關重要₪☁◕•。透過倍頻的方式獲得的訊號源具有高頻穩定性好▩↟↟•、裝置的主振動頻率低▩↟↟•、工作頻段寬的優點·◕,是目前獲取太赫茲頻率源廣泛採取的方案₪☁◕•。


基於GaAs肖特基二極體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·◕,已廣泛用於外差接收器中區域性振盪器(LO)的可靠訊號源₪☁◕•。太赫茲倍頻器具有廣泛的實際應用·◕,包括大氣遙感▩↟↟•、醫學成像甚至高速通訊₪☁◕•。目前·◕,用於封裝太赫茲倍頻器的波導腔體通常採用計算機數控(CNC)加工製造·◕,該工藝成熟·◕,可實現高精確度▩↟↟•、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列印憑藉其小批次快速加工的能力·◕,逐漸被用於加工被動微波器件₪☁◕•。但是·◕,兼具大的列印幅面以及高公差控制的列印裝置較少·◕,因此鮮少有3D打印製備超過100GHz頻段的器件報道₪☁◕•。3D列印的倍頻器更是未見報道₪☁◕•。


圖1. 125GHz倍頻器的剖面圖:(a)波導腔體的佈局;(b)MMIC的特寫


圖2. 微納3D列印的波導腔體(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.次採用面投影微立體光刻(PμSL)3D列印工藝製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3D列印了波導腔體·◕,列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·◕,列印層厚為20μm以及光學精度為10μm₪☁◕•。列印後在異丙醇中清洗·◕,並進行30分鐘的紫外線固化·◕,最後在60°C下進行30分鐘的熱固化₪☁◕•。製備的波導腔體透過光學系統檢測並未發現缺陷·◕,與MMIC(單片微波積體電路)配合的波導通道測量值為609μm·◕,優於設計的630μm;同時超高光學精度列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. 電鍍後波導腔體的表面光潔度


圖4. 裝配後的太赫茲倍頻器


為促進訊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·◕,電磁模擬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列印與傳統CNC加工的太赫茲倍頻器的效能引數對比


實驗測試發現·◕,3D打印製備的太赫茲倍頻器與傳統CNC製備的倍頻器效能非常接近·◕,相關效能引數如圖5所示₪☁◕•。3D列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"發表在會議期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 》上₪☁◕•。



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