微立体光刻3D打印125GHz倍频器的波导腔体

太赫兹波是指频率在0.1THz~10THz内的电磁波，它的波长介于30~3000μm，在频谱中的位置处于微波和可见光之间，长波段部分与毫米波重合，短波段部分与红外线重合，在电磁波频谱中占据非常特殊的位置，具有很多特殊的性质：宽带性、互补性、瞬态性、相干性、低能性、投射性。相对于毫米波而言，太赫兹波的频率更高、波长更短，因此具有更高的分辨率、更强的方向性和更大的信息容量，同时器件可以更小；相对于光波而言，太赫兹波具有更强的穿透性，适合于云雾、硝烟等极端恶劣环境。太赫兹频率源是太赫兹技术发展的关键，其性能指标影响着整个太赫兹系统的性能，所以太赫兹频率源的获得至关重要。通过倍频的方式获得的信号源具有高频稳定性好、设备的主振动频率低、工作频段宽的优点，是目前获取太赫兹频率源广泛采取的方案。

基于GaAs肖特基二极管的太赫兹倍频器因其高效率、低能量消耗和室温下可适用性，已广泛用于外差接收器中局部振荡器(LO)的可靠信号源。太赫兹倍频器具有广泛的实际应用，包括大气遥感、医学成像甚至高速通信。目前，用于封装太赫兹倍频器的波导腔体通常采用计算机数控(CNC)加工制造，该工艺成熟，可实现高精确度、高精密度和良好表面光洁度，能满足电子元件与波导腔体间严格的尺寸公差要求。近年来，3D打印凭借其小批量快速加工的能力，逐渐被用于加工被动微波器件。但是，兼具大的打印幅面以及高公差控制的打印设备较少，因此鲜少有3D打印制备超过100GHz频段的器件报道。3D打印的倍频器更是未见报道。

图1. 125GHz倍频器的剖面图:(a)波导腔体的布局;(b)MMIC的特写

图2. 微纳3D打印的波导腔体(左)和放置MMIC的波导通道(右)

近日，英国伯明翰大学的Talal Skaik和Yi Wang等首次采用面投影微立体光刻(PμSL)3D打印工艺制备太赫兹倍频器的波导腔体。研究团队使用摩方精密科技有限公司(BMF)的nanoArch® S140系统3D打印了波导腔体，打印材料为耐高温树脂(HTL)，如图2所示，外形尺寸为30.4 mm×25.5 mm×19.1 mm，打印层厚为20μm以及光学精度为10μm。打印后在异丙醇中清洗，并进行30分钟的紫外线固化，最后在60°C下进行30分钟的热固化。制备的波导腔体通过光学系统检测并未发现缺陷，与MMIC（单片微波集成电路）配合的波导通道测量值为609μm，优于设计的630μm；同时超高光学精度打印保证了严格的尺寸公差，确保波导腔体的两部分能精确配合，避免MMIC电路的损坏。

图3. 电镀后波导腔体的表面光洁度

图4. 装配后的太赫兹倍频器

为促进信号的传递以及减小外界干扰，在波导腔体表面镀上4μm厚的铜和0.1μm厚的金，平均表面光洁度约为1.4μm，如图3和图4所示，电磁仿真结果表明该粗糙度对变频损耗的影响可以忽略不计。

图5.  3D打印与传统CNC加工的太赫兹倍频器的性能参数对比

实验测试发现，3D打印制备的太赫兹倍频器与传统CNC制备的倍频器性能非常接近，相关性能参数如图5所示。3D打印的太赫兹倍频器在输出频率为126GHz下达到33mW的最大输出功率，在80mW~110mW的输入功率下转换效率约为32%，与传统CNC加工的倍频器具有相近的最大输出功率和转换功率。

此研究成果以题为“125 GHz Frequency Doubler using a Waveguide Cavity Produced by Stereolithography”发表在会议期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 》上。