650GHz蝴蝶结型波导探针设计.pdf

第 52 卷 第 5 期2 0 2 3年10月Vol.52，No.5Oct.，2 0 2 3上海师范大学学报（自然科学版）Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）650 GHz蝴蝶结型波导探针设计王博勋，李尧，陈敏然，曹铎*，张毅，刘锋*，石旺舟（上海师范大学 数理学院，上海 200234）摘 要：设计了一种面向超导混频器的650 GHz蝴蝶结型波导探针.结合现有成熟的Si/SiO2衬底工艺，采用全高波导并结合背向短路腔体优化其特性.对波导探针进行了仿真与优化.结果表明，在620680 GHz频段内，该波导探针的回波损耗低于8 dB，插入损耗低于8 dB；在650 GHz时低于14 dB，嵌入阻抗约为16，且平坦度良好，能满足实际应用需求.关键词：波导-微带转换；亚毫米波；超导混频器中图分类号：P 111 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2023）05-0616-07Design of a 650 GHz bow-tie shaped waveguide probeWANG Boxun，LI Yao，CHEN Minran，CAO Duo*，ZHANG Yi，LIU Feng*，SHI Wangzhou（Mathematics and Science College，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）Abstract：A 650 GHz bow-tie shaped waveguide microstrip probe structure is proposed.The waveguide probe was designed using the existing mature Si/SiO2 substrate technology.Full-height waveguide and backshort cavity were used to optimize its characteristics.The structure was simulated and optimized.The results show that in the frequency range of 620-680 GHz，the return loss of the waveguide probe is less than 8 dB，the insertion loss is less than 8 dB，and even less than 14 dB at 650 GHz.The embedding impedance is about 16 with good frequency independence.The proposed waveguide probe can meet the practical application requirements.Key words：waveguide-to-microstrip transition；submillimeter wave；superconducting mixer0 引 言 亚毫米波具有丰富且独特的优势，在天文观测、6G通信、生物监测等领域有着巨大的应用和研究价值.它的频段位于无线电和光学之间，既具有显著的波动性，又有明显的粒子性，对该波段的研究和探DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.05.011收稿日期：2023-08-24基金项目：国家自然科学基金（12073018，12141303，12373099，U1931205）；上海市启明星计划（21QA1406800）作者简介：王博勋（1998），男，硕士研究生，主要从事超导隧道结混频器方面的研究.E-mail：*通信作者：曹 铎（1988），男，副教授，主要从事亚毫米波接收系统、超导探测器方面的研究.E-mail：；刘 锋（1980），男，教授，主要从事亚毫米天文探测技术方面的研究.E-mail：引用格式：王博勋，李尧，陈敏然，等.650 GHz蝴蝶结型波导探针设计 J.上海师范大学学报（自然科学版），2023，52（5）：616622.Citation format：WANG B X，LI Y，CHEN M R，et al.Design of a 650 GHz bow-tie shaped waveguide probe J.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2023，52（5）：616622.第5期王博勋，李尧，陈敏然，等：650 GHz蝴蝶结型波导探针设计测需要兼顾电磁波的波动与量子效应，是最后一段未被人类充分认识和利用的电磁波段.亚毫米波技术同时涵盖电子学和光子学两个领域，尤为缺乏研究且困难，是当今国际前沿研究领域1-3.从天文学角度来看，由于宇宙大爆炸产生的大部分光子、星际分子及冷暗天体的许多特征谱线都在亚毫米波范围，且星际介质在该波段消光远低于可见光和近红外光，因此亚毫米波段的观测对于研究宇宙结构、星系形成和演化等具有非常重要的意义.亚毫米波段电磁信号的传输和接收通常采用准光学或波导模式.准光学模式虽然具有宽频带、灵活度高的特点，但其系统稳定性低.相比较而言，波导模式具有功率容量大、损耗低、稳定性高等优势，被广泛应用于亚毫米波器件中，但是其带宽和欧姆损耗依赖于波导结构.由于天文观测属于被动探测，面临信号弱、噪声高等问题，通常采用超导技术来获得足够的探测灵敏度和响应.其中超导混频器具有超高灵敏度、超高动态范围和超快响应时间等优点，已成为亚毫米天文谱线探测终端最常用的核心探测器.作为波导型超导混频器前端极为重要的部分，信号耦合电路的作用是实现射频信号和本振信号从喇叭天线到非线性混频器件的有效耦合，一般由波导-微带转换结构和射频滤波器组成4.通常，人们希望混频器采用无机械的调谐方式，所以要求其信号耦合电路具有理想的信号接收能力.实际上，波导探针有效地接收带宽很大程度上决定了信号耦合电路的带宽.亚毫米波超导混频器的波导探针通常有两种形式，一种是信号馈点在波导中心的蝴蝶结型波导探针结构，另一种是信号馈点在微带腔中的单边波导探针结构.依据混频电路的需要，波导探针可以贯穿整个波导或部分波导.单边波导探针结构由于只有一个单侧的信号输出通道，需要对混频器的dc/IF信号返回路径另做专门的设计，通常采用一个/4的高阻抗线来连接信号传输线和接地端5-8.这种方式需添加一个细的高阻抗线，若采用键合线，其长度是难以精确控制的；另外，由于/4的高阻抗线靠近非线性混频器件，嵌入阻抗也受其较大影响9.相比较而言，蝴蝶结型波导探针结构贯穿整个波导的宽边，由于信号可以向双侧传输，其中一侧自然地提供了dc/IF信号的返回路径；而且这种方式具有结构简单、阻抗稳定、宽频带等优点，在亚毫米波混频器相关领域具有很大的应用潜力10-13.本文提出一种面向超导混频器的650 GHz蝴蝶结型波导探针设计.基于实验室现有成熟的芯片工艺，采用Si/SiO2芯片衬底，并通过高频电磁场仿真软件HFSS对650 GHz蝴蝶结型波导-微带转换结构进行了仿真和优化设计.本文第2章描述了波导探针的结构组成，第3章利用高频电磁场仿真软件对波导探针结构进行了仿真分析，并给出了优化的设计结果.1 波导-微带转换结构 亚毫米波混频器芯片的尺寸通常较小（约百微米级），目前的高频电磁场仿真软件HFSS可以方便地采用集总信号源端口处理位于波导中的信号馈点14，本设计中采用了蝴蝶结型波导-微带转换结构.在波导尺寸的选择方面，采用全高波导并结合背向短路腔（背短腔）体优化其带宽特性.波导-微带转换结构的芯片槽和基片厚度的选择主要取决于混频芯片的基板特性及尺寸，和希望实现的微带端口输入阻抗.射频滤波器主要用来阻止射频和本振信号的通过，并确保中频和直流偏置信号的通过.射频滤波器采用微波电路中的常规高低阻抗线滤波器或锤头型高低阻抗线滤波器.实际应用时，在中频带宽小于5 GHz时，射频滤波器对信号耦合结构传输特性的影响不明显，设计并不关键.考虑到亚毫米波混频器没有采用宽中频的设计，这里选择常规的高低阻抗线滤波器.波导探针采用超导微带线结构，通过一段起耦合作用的微带线将波导中的电磁场耦合到微带中.通常在矩形波导中，短路面需离开转换探针/4的距离，以保证探针在波导内处于最大电压，此处即电6172023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）场最强位置.芯片固定并安装于芯片槽内，贯穿矩形波导，整体构成一个密封结构.这种波导-微带转换的结构可以满足多种微带电路，尤其是各种极端条件下对器件稳定性有较高要求的应用场景，并且可以和平面电路进行一体化设计和加工.在波导-微带转换结构的实际设计中，芯片槽开在波导宽边，需选择适当的尺寸，尽量将能量集中在微带上，从而抑制高频次模式耦合到微带线腔体.同时，芯片槽要有足够的高度，以免影响微带线的场结构.650 GHz蝴蝶结型波导-微带转换结构如图1所示，表1和图2给出了波导探针的尺寸参数，其中 Lumped port 为集总端口，bowtie1（Trapezoid）为蝴蝶结型探针连接集总端口的梯形部分，bowtie2（Rectangle）为蝴蝶结型探针的矩形部分，hil为高阻线，lpf1和lpf2分别为低通滤波器的两段阻抗变换线，if_mic1和if_mic2分别为两段中频微带传输线.波导探针的衬底材料为Si/SiO2片，其中SiO2厚度为300 nm，并且采用380 m190 m的全高波导.图1650 GHz蝴蝶结型波导-微带转换结构表1波导探针结构尺寸结构Lumped portbowtie1(Trapezoid)bowtie2(Rectangle)hillpf1lpf2if_mic1if_mic2尺寸6.8 m2 m6.8 m10 m45 m84 m45 m51 m11 m63 m75 m63 m11 m350 m69 m350 m80 m图2波导探针结构尺寸618第5期王博勋，李尧，陈敏然，等：650 GHz蝴蝶结型波导探针设计2 仿真与优化设计 蝴蝶结型波导-微带转换结构性能的好坏与波导背短腔长度、蝴蝶结型探针的张角和尺寸、滤波器结构等参量息息相关15.首先，根据图1的总体结构图及表1给出的尺寸，在高频电磁场仿真软件HFSS中建立三维模型图，设置好相关的介质、导体的电学参数，并设置好边界条件及激发端口.对图1所示的波导-微带转换结构进行了仿真分析和优化设计.具体优化步骤如下.2.1背短腔优化封闭的矩形金属腔会使电磁波在腔内形成谐振驻波，背短腔与所传输波导中驻波的形成有关，它影响着传输的带宽特性和嵌入阻抗.需要优化背短腔的长度，使波导内部形成稳定驻波，同时馈点处具有最高的场强.图3（a）和3（b）为波导探针的回波损耗S11和嵌入阻抗.由图可知，在背短腔长度lbk为8 m时，回波损耗整体较低，同时，嵌入阻抗的实部变化范围小，虚部呈现收敛的趋势，因此，首先将背短腔长度优化为8 m.2.2探针结构优化为了能够高效地接收电磁波，在设计蝴蝶结型波导探针时，通常将其总长度与波导的宽度值设为一致，即2（1+hbt1+hbt2）=190 m.可以看出，蝴蝶结bow-tie的梯形长度hbt1和矩形长度hbt2是相关联的.因此，实际上影响探针结构的尺寸主要包含：宽度wbt、张角长度hbt1和衬底厚度ls.探针宽度直接影响嵌入的电阻，因此它与嵌入阻抗的实部密切相关；探针的张角大小会影响阻抗的频率特性，它与阻抗的平坦度相关；而衬底厚度影响嵌入的电容值，因此它与阻抗的虚部密切相关.为了获得回波损耗较小、阻抗平坦且合适的探针结构，将逐一优化上述变量.优化结果如图4所示.在背短腔优化的基础上，进一步优化蝴蝶结bow-tie的宽度.对比图4（a）和4（b）的仿真结果，发现在宽度wbt为45 m时，嵌入阻抗的实部整体较为平坦，变化范围小于10；且回波损耗S11在整个波段内低于 7 dB，整体性能相对较为优异.接下来优化张角长度 hbt1，图 4（c）和 4（d）的仿真结果表明，在 hbt1为10 m、hbt2为84 m时，波导探针嵌入阻抗的实部整体更为平坦，且回波损耗在650 GHz时低于9 dB，结合制备工艺，选定上述参数.最后优化衬底厚度ls，为了便于匹配，一般希望波导探针的嵌入电抗接近于0，由图4（e）和4（f）可知，在衬底厚度为36 m时，嵌入阻抗的虚部整体接近于0，此时阻抗实部的变化范围小于6，回波损耗在650 GHz时低于8 dB.2.3射频滤波器优化射频滤波器主要阻止射频和本振信号的通过，并确保中频和直流偏置信号通过.因此，射频滤波器图3背短腔优化6192023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）应使射频波段回波损耗S11和插入损耗S31都尽可能低，中频波段的插入损耗S31尽可能高.为了提升滤波性能，这里采用多段的高低阻抗线滤波器.图5给出了射频滤波器优化的结果，分别包括射频段和中频段的回波损耗和插入损耗，以及嵌入阻抗和史密斯圆图.由图5可知，结合波导探针的嵌入阻抗和传输损耗，当滤波器长度hlpf为75 m时，其嵌入阻抗的虚部整体接近于0，实部平坦度好，阻抗适中（约为16），非常适合与采用并联双子结PCTJ模式的超导隧道结进行匹配；插入损耗S31在射频波段全波段低于8 dB，650 GHz时低于14 dB，在中频波段图4探针结构优化620第5期王博勋，李尧，陈敏然，等：650 GHz蝴蝶结型波导探针设计高于3.3 dB，这说明射频滤波器具有良好的滤波性能；同时，回波损耗S11在射频全波段内基本低于8 dB，具有理想的亚毫米波传输和接收的性能，满足了实际应用需求.3 结 论 本文提出了一种应用于超导混频器的650 GHz蝴蝶结型的波导探针结构，并利用全波分析软件HFSS 对该转换结构进行了仿真与优化设计.该波导探针在 620680 GHz频段范围内插入损耗低于8 dB，在650 GHz时低于14 dB；回波损耗低于8 dB；嵌入阻抗约为16，且平坦度良好.该蝴蝶结型波导图5滤波器优化6212023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）探针能满足实际应用需求，具有较好的应用前景.参考文献：1PHILLIPS T G，PADIN S，ZMUIDZINAS J.Submillimeter telescopes J.Planets，Stars and Stellar Systems，2013，91：283-313.2ZMUIDZINAS J，RICHARDS P L.Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics J.IEEE Proceedings，2004，92：1598-1616.3ZHANG K，YAO M，LIU D，et al.Research on the adaptability of space environment about NbN superconducting SIS mixer for high sensitivity terahertz detection module J.Journal of Infrared，Millimeter，and Terahertz Waves，2023，42（2）：188-192.4ZHANG B，ZHANG Y，WU C K，et al.Millimeter-wave broadband waveguide-to-microstrip transition using a bifurcated probe J.IEEE Microwave and Wireless Components 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