基于3D打印技术的太赫兹器件研制 | 应用物理前沿推介系列No.17
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本期推介
基于3D打印技术的太赫兹器件研制
增材制造（又名3D打印）技术已引起各行各业的高度关注。3D打印技术不仅可用于制造复杂结构体以及许多利用传统技术难以实现的整体部件，还能利用聚合物和金属合金等材料来制造新器件。采用聚合物材料的最常见3D打印工艺包括熔融沉积成型和立体光刻成型（SLA）；而金属增材制造的最常见工艺是选择性激光烧结成型（SLS）。
在无线通信应用中，3D打印技术主要被用来实现波导腔体滤波器，其具体构型包括整体结构件或双块拼合的形式。近年来，一些研究团队分别报道了基于SLA工艺实现的基于矩形、球形和螺旋谐振器结构的微波带通滤波器[1]-[3]。这些由聚合物构成的滤波器机械强度较差，热膨胀系数较高，并且需要在介质表面进行金属镀膜。相比之下，由金属增材制造实现的滤波器可克服上述缺陷，在Ku、Ka、E波段甚至W波段均已成功实现[4]-[6]。
尽管与传统计算机数控洗削（CNC）技术相比，3D打印制造具有速度快、成本低的优势，但其在太赫兹频段（100 GHz以上）的技术成熟度难以与CNC技术相媲美。这一方面归咎于有限的3D打印精度，目前达到10μm精度量级的3D打印机极为罕见；另一方面归咎于较大的表面粗糙度所带来的器件插入损耗。经调研，发现目前100 GHz频段以上利用3D打印技术实现的滤波器、波导和喇叭天线非常少见，仅有英国伯明翰大学的Skaik等人研制出3D打印的G波段（140-220 GHz）滤波器，但插损高达3 dB [7].
2022年，该研究团队取得的最新的研究进展，研制出一款利用微型激光烧结（MLS）技术实现的可工作于300 GHz频段的3D打印波导腔体滤波器[8]。这是目前世界上第一个工作在H波段的3D打印滤波器，通过联合MLS工艺以及先进的抛光及镀膜技术，器件性能可与CNC等技术实现的同频段滤波器性能相媲美，但却极大地节省了制造时间及成本，因此在太赫兹通信与感知等技术领域极具应用前景。
如图1（a）所示，该300 GHz带通滤波器由5个波导谐振腔级联构成，并通过电容性窗孔调节谐振器之间的耦合系数。滤波器设计中心频率在300 GHz，相对带宽为10.5%。此外，该滤波器还包含2个背靠背H面直角弯波导结构，分别用于输入输出端口的可靠接触与耦合。通过CST软件进行仿真优化，所设计的弯波导结构在250-330 GHz频带范围内的S11均低于-20 dB。图1（b）所示为采用3D打印技术加工的滤波器实物。首先，选取仅7μm厚度的不锈钢316L材料，并利用高精度MLS工艺（激光束功率50 W，光斑尺寸30 μm）进行3D打印制造。接着进行了等离子电解抛光处理，以减小表面粗糙度；最后再对抛光后的器件进行3 μm厚度的镀金处理以增加电导率，并在制造中添加镍层以增强粘合性。图1（c）所示为滤波器测试装置，采用Keysight太赫兹矢量网络分析仪进行散射参数测试。图1（d）所示为仿真与测试结果。结果表明，未镀金情况下300 GHz纯不锈钢滤波器的通带插损高达4.7 dB，而镀金后滤波器插损可显著降低，在整个通带范围内插损为1.1-2.7 dB。而造成滤波器插损的一个主要原因是与表面粗糙度相关联的等效电导率恶化。其中，利用Alicona光学系统测定的结构尺寸误差仅±15 μm级别，利用扫描电子显微镜观察到材质表面存在微裂纹与微孔，但分析结果表明这些微裂纹与微孔的影响可忽略。
图1. 基于MLS技术的300GHz频段3D打印波导腔体滤波器[8]：（a）几何模型；（b）滤波器实物；（c）测试装置；（d）仿真与测试结果
伯明翰大学报道的这项研究成果是目前世界上第一个工作在H波段的3D打印滤波器，属太赫兹应用基础研究领域技术突破的重要里程碑。尽管如此，3D打印滤波器插损依然有较大的改进空间，应设法降低表面粗糙度以进一步实现插损指标的质的飞跃。相比之下，我国在3D打印太赫兹器件研制方面相对落后，任重道远。为缩短国内外差距，建议一方面显著提升我国3D打印精度，以适应更高频段太赫兹器件研制的需求；另一方面改进器件制造工艺，优化设计方法，显著提升太赫兹器件性能指标，促进太赫兹通信与感知等系统技术的发展。
推介人
高翔，北京理工大学网络空间安全学院教授，主要研究方向为毫米波/太赫兹无线通信，微波/毫米波/太赫兹天线、高温超导器件与通信接收机、太赫兹成像与信号处理等。
参考资料
[1] Shang et al, IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 64, 2572 (2016).
[2] Guo et al, IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 25, 442 (2015).
[3] Shang et al, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. pp. 1587 (2017).
[4] Peverini et al, IET Microw., Antennas Propag. 11, 1936 (2017).
[5] Zhang et al, IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 26, 331 (2016).
[6] Salek et al, IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs 66, 61 (2019).
[7] Skaik et al, 13th U.K.-Europe-China Workshop MillimetreWaves Terahertz Technol. pp. 1 (2020).
[8] T. Skaik, Y. Wang, M. Salek, ”A 3-D printed 300 GHz waveguide cavity filter by micro laser sintering,” IEEE Trans. THz Sci. Technol., 12, 274 (2022).
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
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