太赫兹馈源喇叭制造工艺综述

李 源 刘兰波 柴艳红 仇 志 钱志鹏

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引言

随着探测技术、通信技术以及航天技术的高速发展，太赫兹频段的探测与通信特性得到了更多的重视与发展。太赫兹波通常被定义在0.1～10 THz的频段，即其工作波长为30 μm～3 mm段。其中140与220 GHz作为重要的大气窗口可以实现大容量的卫星-地面通信或者地面中继通信［1］。而在地球环境探测、深空探测等领域，从100 GHz～2 THz的一些探测器，例如欧空局（ESA）的MetOp系列卫星的微波探测器（MWS）与普朗克（Planck）宇宙辐射背景探测器等，已经实现或规划长期在轨运行工作［2-4］。作为通信与探测的馈源或辐射器，喇叭天线大量地应用在各类探测器载荷中，其直接对应着载荷产品的微波频段与应用方向，其性能也直接影响着整个系统的性能。馈源喇叭的形式多种多样，包括多模喇叭、介质棒加载喇叭、波纹喇叭等。波纹喇叭是其中应用最为广泛的形式，是反射面天线最为理想的一种馈源喇叭形式［5］。波纹喇叭在喇叭内壁存在一系列波纹槽，这些槽结构减小了喇叭口径边缘（E面边缘）的绕射，使得波纹喇叭在辐射方向图可以做到圆对称，工作频带宽，副瓣电平低，交叉极化分量小，相位特性良好，作为馈源，可以使反射面天线效率提升到75%～80%。

P.J.B.Clarricoats 与A.D.Olver 团队在其论著中全面地介绍了波纹喇叭的工作原理，从理论和实验上分析了波纹喇叭的辐射特性，并给出了波纹喇叭设计的一些经验性公式［6］。而根据该经验公式，波纹馈源喇叭内部波纹槽的齿槽深度传统设计为其工作波长的λ/4，波纹槽的间隔为其波长的λ/10，加工精度要求则为槽间隔的±λ/100。因此随着波纹馈源喇叭的工作频段到达太赫兹段，其内腔波纹槽的间隔到达3～300 μm，其加工精度要求则到达0.3～30 μm。馈源喇叭内腔有限的微小空间更是进一步增大了这样高精度波纹微结构的加工难度。当前国内外针对太赫兹馈源喇叭均开展了一系列工艺研究，主要采用的技术手段包括：精密数控机械加工、精密电铸工艺、叠片装配、3D打印等方法。国内外学者在这些方法的基础上开展了系列技术、材料创新，并引入了系列多种新工艺开展了综合制造研究。本文针对这些方法重点阐述了各类工艺最新工作进展与其应用案例，并分类分析了各方法在太赫兹馈源喇叭制备上的优势、局限性以及发展趋势，拟为各类工艺的后续发展以及各段太赫兹喇叭产品的结构设计与工艺设计选择具有重要的指导与借鉴意义。

1 精密机械加工

精密机械加工是最常用的馈源喇叭批量制备工艺，而随着需求频段的提升，国内外针对太赫兹波纹馈源喇叭加工难度大的问题，精密机械加工方面主要的研究与改进大致可以分为两类：一类是通过对变张角/曲线赋形喇叭等类型的光壁赋形喇叭的优化设计从而在保障性能的基础上降低制备成本；另一类则是从加工工艺出发通过更高精度的数控加工技术实现高频馈源喇叭的直接制备。

中国电科网络通讯研究院的李勇及其团队通过蒙特卡罗方法对320～360 GHz 的太赫兹圆锥多模变张角喇叭进行了设计与性能容差模拟分析，其验证了该设计下20 μm 加工容差值的性能有效性，最终以成本较低的常规数控精密加工工艺完成了制造（图1）［7］。

国外的研究团队同样开展了类似研究，瑞典的Omnisys公司团队则成功地设计并采用仿形钻头加工出了中心频率为340 GHz光壁赋形喇叭以取代更难加工的波纹喇叭，加工实例已经应用于卫星气候研究载荷STEAMR上［图2（a）］［8］。牛津大学的Boon-Kok Tan及其团队，在其设计钻头反复铣削加工230 GHz光壁馈源喇叭的成熟技术基础上，推广设计并制造完成700 GHz的光壁馈源喇叭实例［图2（b）］［9］。

通过高精度数控直接进行高频波纹喇叭的制备主要受限于其内腔的空间过小，用以加工波纹槽微结构的刀具制备较为困难，其加工中的进给与运动的空间十分受限，其刀尖形状导致的波纹槽底边缘的圆弧角也会对电性能带来不利影响，因此往往仅用于制备300 GHz 以下的波纹馈源喇叭与大张角形的高频太赫兹波纹喇叭。日本国家天文台（NAOJ）的Alvaro Gonzalez 及其团队针对ALMA 的望远镜的应用需求，通过优化设计并以高精度数控机加工工艺直接加工铝材制备了1.25～1.57 THz 光学接收器用的圆形波纹喇叭（图3）［10］。面向小张角形的高频太赫兹波纹喇叭，高精度的数控机械加工往往是作为其中的一道辅助工艺参与制备，例如芯模加工、微孔预加工或者叠片加工制备等。

精密机械加工的最大优势在于其能够以较低的成本批量直接加工出各类馈源喇叭产品，但同时其劣势也在于此，即其对高精度加工设备的要求非常高。综上案例与分析可知，国内受到设备能力的限制，当前精密机械加工可以作为200 GHz以内波纹馈源喇叭与300 GHz以内光壁赋形喇叭最主要的制备手段；而在国外，虽然存在1.25～1.57 THz波纹馈源喇叭的直接加工的案例，但此方法依然不是主流手段。

2 精密电铸工艺

精密电铸工艺是如今应用最广泛的制备波纹馈源喇叭的工艺之一，其采用精密加工方法加工相对容易的外表面，并通过电铸工艺将其准确地将外表面尺寸与粗糙度复制到腔体的内表面。该工艺应用在太赫兹波纹馈源喇叭加工中主要关键点在于：（1）波纹微结构尺寸的减小、精度以及表面粗糙度要求的提升使得芯模加工难度急剧增大；（2）电铸的系列工艺效应在面对细微尺度高深宽比的芯模结构会在微结构内部产生“囊腔”的风险。南京电子技术研究所与南京航空航天大学团队合作展开了亚毫米尺度波纹槽结构工艺验证试验。其采用了锯片铣与电解线切割等工艺分别进行了波纹结构芯模加工，并采用电铸工艺完成结构试件的加工研究，其得出波纹筋槽宽度越小内部囊腔缺陷越容易出现。实验中，在筋宽0.3 mm 时，深宽比达到3∶1才会出现缺陷，而筋宽到0.1 mm 时，深宽比仅1∶1 即出现了缺陷［11］。上海航天电子技术研究所通过优化波纹结构设计，以微细电解线切割工艺实现了高精度的波纹芯模加工，并通过精密电铸工艺参数与过程的控制研究，完成了425 GHz 高频波纹馈源喇叭的精密电铸加工（图4）［12-13］。

国外的研究机构与企业充分利用其高精密数控加工能力的优势，普遍采用直接机加工的工艺批量制备高频太赫兹波纹馈源喇叭芯模，这降低了喇叭的制备成本，也促进了精密电铸工艺的发展，较早地实现了高频太赫兹波纹喇叭产品的产业化。图5 为英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室加工的2 THz的波纹喇叭芯模，后续以精密铜电铸的工艺实现了馈源喇叭的制备［14-15］。

美国ZAX 毫米波公司、英国TK 仪器（Thomas Keating and QMC Instruments）、德国RPG 公司（Radiometer Physics GmbH）是将太赫兹高频馈源喇叭产业化较为成功的几家公司。他们在较低频段太赫兹波纹喇叭（190 GHz 以下）均采用的是精密数控机床进行直接加工，而对于高频段太赫兹波纹喇叭均采用的是精密电铸的工艺进行加工。如图6（a）ZAX 采用高精度数控机床直接加工了190 GHz 的波纹馈源喇叭，325 GHz则采用数控机床加工铝芯模然后通过精密铜电铸的工艺加工出波纹馈源喇叭［16］。如图6（b），TK 公司同样高精数控机床加工系列低频段波纹馈源喇叭与高频喇叭芯模。图6（b）中的机床旁直接加工出的系列喇叭应用于了ALMA 望远镜。TK 公司通过精密电铸工艺加工出的600 与1 200 GHz 的波纹馈源喇叭应用于了欧空局JUICE 木星探测器中［17］。德国RPG 公司同样采用精密电铸的工艺制造出了最高超过1.5 THz的波纹馈源喇叭［18］。

精密电铸工艺的优势在于其可以实现高精度的内腔结构成型，其技术较为成熟同时也可以实现小批量的制备，这也是其成为太赫兹波纹馈源喇叭制备的最主要手段的原因。但是精密电铸工艺同样受限于其芯模的精密加工，其电铸过程时间长，相对成本较高。当前国内外均将精密电铸工艺作为200～600 GHz 以内太赫兹波纹馈源喇叭制备的最主要手段，国外太赫兹喇叭的产业化发展同样基于该工艺手段，并且已经进一步实现了1.5～2 THz该工艺制备的案例。

3 叠片法

叠片法为将难以加工的波纹内腔结构进行分层，通过加工出包含微结构的叠片并以各种形式进行叠装以获得最终的波纹馈源喇叭或者喇叭阵列。该方法极大地降低了复杂内腔结构的加工成本，但同时也将难点转化为了叠装技术方面。叠片法早在20世纪80年代就已经广泛应用，在1993年美国通用公司航空喷气研究所就提交了多层叠片法制备波纹馈源喇叭阵列的专利［19］。该方法经过数十年的研究推进，更多的材料与工艺被引入了该方法，当前主要发展下面几类。

（1）精密加工铝/黄铜制备叠片，通过精密的结构定位与紧固件等结构形式压紧形成产品。该方法主要应用于U～W 频段的波纹馈源喇叭及其阵列的制备［3，20］，其主要优势在于：（a）整体制备成本较低；（b）制备的馈源阵列的焦平面精度较高；（c）便于大批量生产。该方法的主要劣势在于：（a）由于需要定位与紧固结构使得整体产品体积较大，其质量难以控制；（b）机械定位与紧固不可避免地存在叠装缝隙使得其无法应用于较高频段的太赫兹产品。意大利米兰大学以此方法制备了140～170 GHz 的波纹馈源喇叭阵列用于宇宙微波辐射背景探测（图7）［21］。

（2）通过以硅片等材料作为基底，以光刻掩膜腐蚀等微机电系统工艺制备单层叠片，最后通过叠片的表面金属化处理保障其电性能，以产品结构或者工装结构实现精密定位装配，最终以紧固件或者通过键合工艺实现产品的成型。常规硅片的厚度在300～600 μm，而这也可以对应到一些频段喇叭的一层波纹槽/筋或者作为一层台阶结构包含槽与筋。该方法与金属叠片机加工制备的方法相比其加工精度更高，可以达到亚微米级，但是同时也受到硅片厚度以及其需要金属化处理工艺的限制。美国NIST采用光刻制备的氧化层掩膜做深反应离子刻蚀在500 μm的硅片上刻出250 μm 深的台阶，作为波纹槽与筋。在叠片上溅射200 nm 的Ti 与1 μm 的Cu 完成金属化，最后以2.5 mm 的定位孔定位以紧固件实现叠装（图8）［22］。该方法制备的130～170 GHz 波纹馈源喇叭阵列被部署于阿塔卡马宇宙望远镜（ACTpol）与南极望远镜（SPTpol）。

该类方法同样适用于单个高频馈源喇叭的制备，美国NASA 采用300 μm 的硅片分别刻蚀制备出100 与200 μm 的台阶结构波纹叠片，通过2 μm Au溅射实现金属化，并通过精确销定位实现其与波导段的叠装（图9（a））［23］。北京理工大学的刘埇团队采用400 μm 的硅片制备出140 μm 的台阶结构波纹叠片，并通过表面溅射Au，在叠片结构与工装的辅助下实现叠装，并通过热真空Au-Au 键合工艺将叠片合成为0.5 THz波纹馈源喇叭整体（图9（b））［24-25］。

（3）其他方法叠片直接制备与叠装，在方法（1）与（2）之外，研究者们主要从叠片的材料与制备角度开展了系列创新。上海航天电子技术研究所提出了在晶圆表面通过光刻电铸LIGA 工艺分别制备金属材料波纹槽、筋叠片，后续通过腐蚀工艺使金属薄片从晶圆上脱离，并进行化学镀金增强其性能，最后通过精密装配与键合工艺制备形成馈源喇叭［26］。该方法可以突破了硅片尺寸对叠片的限制用于制备更高频段的波纹馈源喇叭。日本NTT 设备技术研究所则采用了低温共烧陶瓷（Low-temperature Co-fired Ceramic，LTCC）板材进行多孔阵列结构加工，并在每层叠片上镀覆金属层，在孔中填充银胶，最终叠装为300 GHz 的等效波纹喇叭天线（图10）［27］。该方法的优势在于其成本较低的同时模块集成较为容易。

综上工艺与案例分析，叠片法的优势在于其从另一个角度以较低的成本实现了波纹喇叭内腔微结构的成型，叠片本身制备手段的多样性也给该方法带来了更多的可能性；与此同时，叠装的精度、额外的集成工艺，以及材料的选用则是限制了该方法的应用范围。当前国内聚焦于采用该方法更低成本地制备单个高频段（例如500 GHz 及以上）的波纹馈源喇叭，其仍主要处于实验室研究阶段，国外则是聚焦于该方法实现200 GHz以内的馈源阵列低成本制备，并已经实现了在轨验证。

4 3D打印技术

3D 打印技术类似于叠片法，将喇叭模型进行分层拆解，在加工中直接逐层打印叠合实现直接整体成型，规避了叠片装配的精度控制问题。区别于等材与减材工艺，3D 打印直接成型使得其对内腔较为复杂的微结构制备较为友好。

瑞士洛桑联邦理工学院的A.Von Bieren 团队通过铜镀膜塑料材料精密3D 打印的工艺完成的330 GHz 的对角喇叭（图11）［28］。在该对角喇叭的制备中，3D 打印实现了对喇叭内腔的孔径与形状变化的灵活直接成型，同时将喇叭的法兰也一体成型，加工的精度较高、效率也较高。最终的产品通过铜镀膜后实现了性能保障，其最终产品的质量也较全金属喇叭更轻。瑞典的查尔姆斯理工大学的团队提出了金属材料选择-3D 打印-后处理的制备模式，并选用Cu-15Sn 与316L 不锈钢材料，通过3D 金属激光选区熔融成型（Selective Laser Melting，SLM）打印，并通过抛光、镀金、微加工等后处理工艺完成了110～170 GHz与220～325 GHz频段的喇叭产品加工［29］。

3D 打印成型可以直接成型复杂内腔的喇叭结构，并且其加工一致性较高，在批量生产时其成本也较低。然而当前3D 打印技术同样存在一系列的工艺限制。高频太赫兹波纹馈源喇叭的波纹槽结构的精度要求即到达微米级，当前最高精度的3D 打印主要包括：面投影立体光刻打印（精度最高±10 μm），石墨烯功能墨水熔融沉积成型（精度最高100 nm），微电化学沉积打印（精度最高0.6 μm），微滴喷射打印（纳米级精度）［30-32］。面投影立体光刻打印的材料为光敏树脂，其在光照与辐射下的易变形与损耗的材料特性就决定了其无法用于长期使用的喇叭产品。而精度更高的几种微3D 打印工艺其高精度就决定了打印的每个像素/体素需要到达亚微米甚至纳米级，这也就限制了此类工艺可以成型的最大产品体积远小于实际馈源喇叭的尺寸。例如微电化学沉积打印可以直接铜材料成型，但其打印对象的体积范围仅为0.1 μm3～0.002 mm3。这也就是当前3D 打印工艺难以制备高频太赫兹馈源喇叭的主要原因，也是当前该工艺重点的发展方向之一。

3D打印技术其优势在于其可以以较低的成本灵活地实现复杂内腔结构的批量成型，同时其增材的特性也提供了在轨制备的可能，但是此工艺本身的精度、制备目标体积限制了产品的种类，其材料的性能与环境寿命也限制了其产品的应用场景。当前3D打印太赫兹馈源喇叭依然处于实验室阶段，主要面向地面应用中的300 GHz 及以内馈源喇叭产品的制备。

5 结语

对太赫兹馈源喇叭的制造工艺进行了综述。分类分析了国内外精密机加工工艺、精密电铸工艺、叠片法、3D打印工艺在太赫兹馈源喇叭加工中的应用、研究进展与相应的方法优势与局限性。随着太赫兹频段应用的推广、商业探测与通讯卫星的发展以及对气象、深空探测深入研究的需求，太赫兹馈源喇叭需求会不断提升，其相应的工艺发展的趋势主要包括以下几个方面：

（1）产业化制造高效率、低成本趋势。随着太赫兹频段的民用化普及，以及低成本商业探测与通讯卫星的批量化生产，其中核心组件的太赫兹馈源喇叭产品的制造工艺必然面向产业化、批量化与经济化发展。当前国外通过其成熟的高精密数控加工技术以及精密电铸技术已经实现了包括高频太赫兹馈源喇叭产品在内的产业化。而随着我国高精密数控技术的突破以及3D 增材制造方法在该领域应用的技术突破，太赫兹馈源喇叭产品的批量化生产成本会进一步降低。随着整体成本的降低，民用以及商业卫星较低的成本需求以及相较于科研探测应用更低的使用寿命接受程度，也会使得一些使用寿命较低的材料，例如聚合物材料，被应用到该类产品的制造中。而在飞船以及空间站上常备增材制造设备的条件下，便利地在轨制备可替换的太赫兹核心组件也是一个重点的发展方向。

（2）太赫兹系统制造集成化趋势。随着频段的提升，太赫兹馈源喇叭必然向着小型化微型化方向发展。而民用探测特别是通讯需求的提升，也要求着太赫兹产品向着小型化、便携化、系统的集成化方向发展。因此后续将馈源喇叭与其连接波导甚至射频前端进行集成化的制造也将成为主要的发展方向。这样的需求会进一步推动着微3D 打印技术以及包括LIGA 在内的各项微机电系统工艺越来越多地在太赫兹馈源喇叭的制备中得到研发投入与突破。

（3）更高频段、更高精度与更优性能制造趋势。区别于民用与商用领域，气象与深空探测领域要求产品的频段会更高，甚至向着远红外的频段靠近，同时随着制冷接收等技术的发展也要求着产品的灵敏度更高、可靠性更强，其在馈源喇叭产品上则是频段更高、结构更小、制造精度要求更高、产品寿命与可靠性要求也更高。在此背景下，一些粒子束流工艺、精密电铸与更精密的叠片制备装配等更高加工成本、相对更长制备周期的工艺也会变得可以接受。

综上所述，为我国早日突破国际太赫兹精密核心组件的封锁，仍然需要我国的科研工作者在精密数控设备研制方向开展突破，在精密电铸等电化学方法上进一步进行新材料与工艺的发展，开拓更多新型的制备方案，将3D 打印增材制造进一步普及与降本并在引入更多的新型材料与新工作场景等方面开展不懈的研究。