微立體光刻3D打印125GHz倍頻器的波導腔體

太赫茲波是指頻率在0.1THz~10THz內的電磁波，它的波長介于30~3000μm，在頻譜中的位置處于微波和可見光之間，長波段部分與毫米波重合，短波段部分與紅外線重合，在電磁波頻譜中占據非常特殊的位置，具有很多特殊的性質：寬帶性、互補性、瞬態性、相干性、低能性、投射性。相對于毫米波而言，太赫茲波的頻率更高、波長更短，因此具有更高的分辨率、更強的方向性和更大的信息容量，同時器件可以更小；相對于光波而言，太赫茲波具有更強的穿透性，適合于云霧、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，其性能指標影響著整個太赫茲系統的性能，所以太赫茲頻率源的獲得至關重要。通過倍頻的方式獲得的信號源具有高頻穩定性好、設備的主振動頻率低、工作頻段寬的優點，是目前獲取太赫茲頻率源廣泛采取的方案。

基于GaAs肖特基二極管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，已廣泛用于外差接收器中局部振蕩器(LO)的可靠信號源。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信。目前，用于封裝太赫茲倍頻器的波導腔體通常采用計算機數控(CNC)加工制造，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打印憑借其小批量快速加工的能力，逐漸被用于加工被動微波器件。但是，兼具大的打印幅面以及高公差控制的打印設備較少，因此鮮少有3D打印制備超過100GHz頻段的器件報道。3D打印的倍頻器更是未見報道。

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

圖2. 微納3D打印的波導腔體(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.次采用面投影微立體光刻(PμSL)3D打印工藝制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打印了波導腔體，打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，打印層厚為20μm以及光學精度為10μm。打印后在異丙醇中清洗，并進行30分鐘的紫外線固化，最后在60°C下進行30分鐘的熱固化。制備的波導腔體通過光學系統檢測并未發現缺陷，與MMIC（單片微波集成電路）配合的波導通道測量值為609μm，優于設計的630μm；同時超高光學精度打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. 電鍍后波導腔體的表面光潔度

圖4. 裝配后的太赫茲倍頻器

為促進信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，電磁仿真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打印與傳統CNC加工的太赫茲倍頻器的性能參數對比

實驗測試發現，3D打印制備的太赫茲倍頻器與傳統CNC制備的倍頻器性能非常接近，相關性能參數如圖5所示。3D打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。