太赫兹双通带波导滤波器结构探讨
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中图分类号： TN623 文献标识码：A
摘要：本文通过比较波导滤波器设计在太赫兹波段与微波波段的区别，阐述太赫兹滤波器的设计要点。结合传统双通带滤波器设计理论，提出了几种适合太赫兹频段的波导双通带滤波器结构。
关键字：太赫兹双通带滤波器波导滤波器
1 引言
太赫兹有很多优点：高数据传输率、优秀的方向性、更高的安全性、较低的散射、更高的透射比等等。太赫兹通信技术已经成为许多发达国家的研究重点。对于太赫兹通信系统而言，波导是实现诸如滤波器，功分器，耦合器等无源器件的良好媒介。本文研究的太赫兹波导滤波器作为太赫兹通信系统的重要组成部分，有着非常重要的研究意义。
太赫兹技术通过这几年的飞速发展，利用光子晶体或者采用MEMS加工技术都成功设计出了许多太赫兹滤波器，太赫兹通信系统也应运而生。使用双通带滤波器可以配合多通带收发机以及多通带天线，组成多通带的通信系统，相比于传统双通带通信系统，它的体积大大降低，可靠性提高，成本降低。太赫兹双通带滤波器的研究是一项有着推动意义的工作。
2 太赫兹滤波器设计关键
太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）波泛指频率在0.1～10THz范围波段内的电磁波，介于微波与远红外光之间，其长波段与亚毫米波重合，短波段与红外线重合，所以其既有一些微波的性质，也符合一些微观量子论的光学特征。太赫兹领域的研究也从一开始就分成了电学、光学的两个方向。本文是从电磁学的角度，对太赫兹波段中频率较低波长较长的波段（即频率范围100-1000GHz的波段）进行分析的。
矩形波导是最早用于微波信号的传输线类型之一，被用于制作从1GHz到超过220GHz波段的大量元件[1]。本文选择使用矩形波导传输线是因为：第一，相比于平面传输线，封闭波导结构的辐射损耗要低得多，可以使滤波器的插损减小；第二，矩形波导是结构最简单的波导之一，使用矩形波导设计太赫兹滤波器有许多经典结论可以参考，而且矩形波导结构更易加工。
频率达到太赫兹波段，电子元件的最大特点就是尺寸大幅缩小。卫星数字广播常用的Ku波段（12GHz-18GHz）使用的标准波导BJ140内截面尺寸为15.799mm×7.899mm，工程上允许偏差范围为±0.031mm。而太赫兹频段的第一个大气窗口[2]，频率140GHz的频段所使用的标准波导BJ1400的内截面尺寸为1.651mm×0.8255mm，允许偏差范围±0.0064mm。可见，由于尺寸大幅缩小，太赫兹频段元件所要求的加工精度将提高数倍甚至数十倍之多。
虽然太赫兹元件的加工工艺正在飞速发展，但是目前的工艺仍然很难达到很理想的情况，如前文所见，波导内截面尺寸精度在太赫兹最低频段部分就需要将误差控制在±6um，一些复杂结构的滤波器内部结构所需精度更高，而且这个数值还将随着频率的升高而升高，所以对于滤波器结构的选择与加工技术有密切的关系。可以这么说，如果加工精度一定，那么追求相对误差小的滤波器结构是太赫兹滤波器设计的关键。
3几种合适的双通带太赫兹滤波器结构
按经典滤波器设计理论，微波滤波器是由谐振腔与耦合结构组成的。上文讲到要追求较小的相对误差，那么滤波器的谐振腔与耦合结构应当尽量简单。
最传统的E面膜片并联电感耦合结构是最容易想到的，采用这种结构的滤波器误差影响最大的部分是耦合膜片结构，设计时可以适当增加膜片厚度来减小误差的影响，这种滤波器加工比较简单，国内已经有单位加工并测试成功了这种结构中心频率140GHz的单通带滤波器[3]，图1（a）为此种结构的双通带滤波器结构模型。
一种新型波纹型滤波器在模型上更为简单[4]，此种结构利用矩形波导的交错对接代替了膜片结构产生耦合效果。图1（b）为这种结构的双通带滤波器结构模型。这种结构加工也比较简单，而且加工误差所带来的影响更小一些，但是设计难度较刚才有所提高。
前面两种结构的双通带滤波器都是两路单通带滤波器并联的结构，图1（c）是一种双模谐振腔双通带滤波器结构模型，此结构最早由J. Bornemannd等人提出[5]。此种结构省去了一条滤波器支路和T型传输接头，对加工误差敏感度不高，但是加工难度更大，设计难度也比上两种结构高。
（a） （b） （c）
图1三种双通带滤波器结构模型图
4结束语
本文分析了太赫兹滤波器的设计要点，提出了三种双通带太赫兹滤波器结构，并简要分析了它们各自的优缺点。为了验证以上这些结构，仿真、加工、测试等等环节还需跟上。太赫兹双通带滤波器的研究还处在萌芽阶段，这个工作不只需要对太赫兹双通带滤波器理论的研究，还需要依靠加工工艺的更新发展。
参考文献
[1]David M. Pozar.微波工程（第三版），电子工业出版社，2006
[2]Michael J.Fitch， Robert Osiander. Terahertz waves communications and sensing[J]. Johns Hopkins APL Technical Digest， 2004， 24（4）： 348-355
[3]杜亦佳，鲍景富，赵兴海。太赫兹微加工波导滤波器[J].电子与信息学报，2012， 34（3）：728-732（EI：20122315093112）
[4]谢善谊，张勇.一种新型太赫兹波纹波导滤波器[C]. 第一届全国太赫兹技术学术会议， 成都，四川，Auguest 12-14， 2012： 121-124.
[5] J. Bornemann， U. Rosenberg， S. Amari， R. Vahldieck， Edge-conditioned vector basis functions for the analysis and optimization of rectangular waveguide dual-mode filters，in IEEEMTT-S Int. Microw.Symp. Dig.， Anaheim， CA， Jun. 1999， pp. 16951698.