亚太赫兹重大突破！伯明翰大学研发八阶窄带滤波器方案

面向新一代气象遥感卫星、深空探测载荷与6G太赫兹通信系统，亚太赫兹频段窄带射频滤波器长期面临高损耗、杂散抑制差、加工精度难以匹配等多重技术壁垒。英国伯明翰大学联合欧洲航天局、卢瑟福·阿普尔顿实验室、摩方精密等研发团队，在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》刊发题为“3-D Printed Narrowband Sub-THz Filter With a Wide Spurious-Free Window Using High-Q Spherical TE₁₀₁ Resonators"的研究成果，提出基于高Q值球形TE₁₀₁谐振腔与摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术的八阶窄带滤波器方案，在180GHz G波段实现当前同频段最高无载品质因数，为星载亚毫米波探测接收机提供全新工程化解决方案。

本次研究的核心突破在于选用球面TE₁₀₁谐振单元，从电磁机理层面解决损耗与杂散矛盾。球面腔TE₁₀₁模式电场呈中心圆对称分布，腔体壁面表面电流大幅减弱，仿真验证180GHz下无载Qᵤ可达6646，远超矩形TE₁₀₁（1740）、矩形TM₁₁₀（4115）等常规谐振结构；且同等工作频率下球面腔体物理尺寸更大，显著降低微米级加工误差带来的频漂影响。

图1. (a)球形谐振器归一化谐振频率图谱（以TM₁₀₁模谐振频率为基准）；(b)球形谐振器电场分布，左侧为TM₁₀₁模式，右侧为TE₁₀₁模式。

图2. 不同相对带宽下滤波器仿真响应曲线。

针对高阶模式固有杂散谐振问题，团队提出弯折耦合拓扑+截止波导联合抑制方案。相邻谐振腔耦合窗采用90°角偏移弯折排布，利用TE₁₀₁电场旋转不变特性，大幅削弱TM₃₀₁、TM₁₀₂高频杂散模式耦合；输入输出端口增设截止波导段，截止频率设置在173GHz，隔绝TM₂₀₁低频杂散，最终在完整G波段（140–220GHz）实现宽无杂散窗口。

图3. 直连拓扑六阶球形滤波器。

图4. 滤波器结构（关键尺寸参数）。

截止波导不只是杂散抑制结构，其不连续界面可生成额外传输极点，仅采用6个球面谐振腔即可实现八阶滤波响应，在不增加腔体数量的前提下提升带内选择性，仅带来0.4dB额外插入损耗，实现性能与体积平衡。蒙特卡洛容差仿真进一步验证方案优势：矩形滤波器频偏标准差286.7MHz，带内平均回波损耗仅10.8dB；球面滤波器频偏标准差仅57.2MHz，平均回波损耗提升至18.8dB，加工容错能力实现量级提升。

图5. (a)矩形TE₁₀₁滤波器与(b)球形TE₁₀₁谐振器滤波器的容差分析对比。

研究团队采用摩方精密microArch^® S240（精度：10μm）3D打印系统，解决球面微结构成型难题。该系统搭载自适应分层打印方案，不再采用统一厚度的切片层厚：针对球面谐振腔、耦合波导等对尺寸精度要求严苛的核心功能区域，采用5μm超薄分层打印，精准还原曲面轮廓；而机身非关键结构则选用 40μm层厚快速成型。对比全程统一5μm层厚的打印方案，整套工艺总耗时直接缩减84%，在保证器件微米级成型精度的同时，大幅压缩加工时长与制造成本，实现高精度与生产效率的双向兼顾。

图6. 八阶概念验证滤波器原型的空气模式与CAD模型。

图7. 滤波器实物照片。

随后，实测结果充分验证整套设计与制造体系的工程价值，180GHz中心频率、2.8%相对带宽的八阶滤波器样机测试中心频点偏移0.4%，3dB实测带宽4.4GHz，最小插入损耗低至0.7dB，全通带回波损耗优于15dB；通过耦合矩阵反演提取器件平均无载品质因数约3600，是目前140–220GHz频段带通滤波器报道的水平。全G波段宽带测试表明，器件实现超宽无杂散窗口，仅215GHz以上频段出现微弱残余杂散，窄带工况下可消除该干扰，对比现有数控加工、硅微加工所得的太赫兹滤波器，在Q值、带内损耗、阻带抑制、加工复杂度四项核心指标上实现全面超越。

图8. (a)所制备滤波器原型的实测与仿真频率响应；(b)实测结果与基于提取耦合矩阵所得滤波器响应之间的对比。

图9. 滤波器原型的仿真与实测宽带传输响应。

总结：该研究成果打通高Q值球形谐振器件从理论设计、杂散抑制到微纳增材制造的完整技术链路，突破传统加工手段无法成型复杂曲面亚太赫兹腔体的瓶颈。面向气象卫星大气探测、行星深空探测载荷、6G 太赫兹通信射频前端等核心场景，这套低损耗、高容差、宽阻带的窄带滤波方案具备很强工程适配性，同时摩方微纳3D打印技术也为各类毫米波、亚太赫兹复杂无源器件提供轻量化、一体化制造新思路，推动高精度微纳增材制造技术在空间射频领域实现规模化应用，为下一代高分辨率无源探测卫星载荷研发奠定关键元器件技术基础。