CN108461884A - 四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，旨在提供一种工作频带较宽、耦合平稳、隔离度高、射频信号传输***损耗小的太赫兹介质波导耦合器结构。本发明通过下述方案予以实现：采用空气作为传输介质组成空气介质矩形波导腔，在波导腔中设两条沿直条介质波导端向分弧形成的两段π形弓传输线组合的四端口耦合线，形成带有四端口的耦合直槽缝隙，其中一条作为主线，把直通线功率的一部分或全部耦合到另一条作为副线的耦合线中，太赫兹波经过耦合器后，太赫兹波从波导口的输入端进入，与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口，从另一端波导口的直通输出端口和耦合输出端口，两个出口输出，从而形成太赫兹耦合器。

Description

四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器

技术领域

本发明是关于一种基于平板介质波导的太赫兹新型介质波导耦合器结构，实现太赫兹射频信号功分耦合输出的导波结构，特别适用于太赫兹频段平面电路之间的有效互连。

背景技术

由于太赫兹THz波具有较高的空间分辨率、时间分辨率、良好的介质辐射穿透性和较低的光子能量，可以穿透大部分干燥的非金属和非极性物质,以及太赫兹THz科学和技术的具体应用，已经越来越受到人们的关注。可在许多研究工作中，THz波大多是在大气中传输，水蒸汽的吸收和大气散射造成了THz能量的大量衰减。由于太赫兹波的独特特性，水汽等对太赫兹波有强烈吸收，使太赫兹空间传输受限。为了减少能量损耗，很多研究机构相继开展了THz波传输的深入研究，导波传输是其中最有前途的解决方案之一。但是由于在THz光谱范围内，金属的有限传导率或介质材料的高吸收系数会造成能量高损耗，导波技术还处于初步发展阶段。目前，已经实现的，并且比较有实用价值的波导结构主要有四种：金属波导，介质波导，平行板波导，金属丝波导。金属波导是用准光学方法耦合传输THz波，它分为两种：圆形波导和矩形波导，两者都能将自由传输的亚皮秒(sub-ps)THz波耦合到亚毫米金属波导内。矩形波导与圆形波导有部分不同，矩形波导能量吸收系数小于0.5cm-1。在入射光谱中，圆形波导只交叠了25个以上的导波模式，而矩形波导达35个以上。介质波导可以比金属波导有更少的吸收。且与金属波导相比，介质波导中传输的模式是单个模式。在聚乙烯塑料条板介质波导内，自由传输的太赫兹波和单个波导模式之间可以得到极好的准光学耦合。板间距为108μm的铜平行板波导，具有无群速度色散、低损耗、单个横电磁模式的传输，其振幅吸收系数与频率相关，反比于板间距。将准光学元件和互联层组合，可以形成横电磁模式的太赫兹平面互联，此互联有可忽略的群速度色散和低损耗的特点。在上述情况中，太赫兹脉冲的有效传输受限于高损耗，或导波的群速度色散。

在太赫兹领域中，太赫兹定向耦合器是应用最多、分布最广的实用器件，其功能是将微波信号按照一定的比例进行功率分配，其中波导型定向耦合器可以实现宽频带和高方向性等指标，在大功率***中得到广泛应用，越来越受到人们的关注。随着电磁波频率的升高，对相应器件的特征尺寸要求越小，趋肤效应和其它损耗对器件的加工精度提出了更加苛刻的要求，常规的微精密机械加工工艺已经很难达到太赫兹器件小尺寸、高精度及批量化生产的要求；而基于IC工艺的大规模集成电路制造技术难以满足大尺寸三维结构高度上的要求，这严重制约了太赫兹器件的发展。

耦合器通常由传输线构成。同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器。从结构上，定向耦合器种类繁多，差异很大。但从它的耦合机理来看主要分为小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T四种。定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件。它是一种四端口元件，通常由称为直通线(主线)和耦合线(副线)的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制，例如缝隙、孔、耦合线段等，把直通线功率的一部分或全部耦合到耦合线中，并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则无功率输出。主线中传输的功率可以通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反，则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变,也就是说，功率的耦合(分配)是有方向的，因此称为定向耦合器(方向性耦合器)。定向耦合器是把两根传输线放置在足够近的位置使得一条线上的功率可以耦合到另一条线上的元件。它的两个输出端口的信号幅度可以相等也可以不等。它可以被用来为温度补偿和幅度控制电路提供采样功率，可以在很宽的频率范围完成功率分配与合成。波导定向耦合器^]由于其突出性能，如具有较高的方向性和较低的***损耗等，在微波领域中用途十分广泛，在通信***、雷达***和测试测量仪器中都有着重要作用。其主要用途有对功率进行分配和合成、扩大功率量程、监视功率和频谱^]，在***中耦合器主要性能表现为在最小的干扰下对主信号获得较精确的耦合信号。其主要指标有方向性、耦合度、***损耗等。为了解决太赫兹频段信号的采集和测量存在的难题，研究出体积小且性能高的太赫兹波导定向耦合器具有重要意义^[5]。

表面波波导这类传输线既可用在波长较长时(如米波),也可用在相当短的波长(如毫米波),甚至,可能用到太赫波波段。表面波传输线横向尺寸不大,因而有广泛的实用价值。平板介质波导可以工作在波导的基模模上，在毫米波和太赫兹平面电路上起着非常重要的作用。相比于金属平行板波导，平板介质波导能够更有效地将电磁能量聚集在内部介质区域中进行传输，从而增强波导的能量聚集能力。平行板金属波导上述两种波导都有很大的群速度色散(GVD)，波导的GVD导致了正输出脉冲，限制了宽带脉冲的有效传输。而平行板金属波导因为没有截止频率，所以由GVD导致的过大的脉冲展宽不存在。

发明内容

本发明目的是针对当前太赫兹平面电路之间无法实现有效互连的问题，提供一种结构简单紧凑，易于加工，工作频带较宽、耦合平稳、隔离度高、射频信号传输***损耗小的太赫兹介质波导耦合器结构。

矩形波导腔本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，包括：两个等同的金属平行板波导固联的介质波导，由下层平行板波导的支撑壁和上层平行板波导的悬空结构，其截面为矩形，采用空气作为传输介质组成的空气介质矩形波导腔，其特征在于：在空气介质矩形波导腔中设有两条对称中心线，沿直条介质波导端向分弧形成的两段π形弓传输线组合的四端口耦合线，两个π形弓耦合线相向对称，弯曲方向相反，形成带有四端口的耦合直槽缝隙，其中一条作为主线，把直通线功率的一部分或全部耦合到另一条作为副线的耦合线中，太赫兹波经过耦合器后，太赫兹波从波导口的输入端进入，与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口，从另一端波导口的直通输出端口和耦合输出端口，两个出口输出，从而形成太赫兹耦合器。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

结构简单紧凑，易于加工，成本低。本发明两个等同的金属平行板波导固联的介质波导，采用空气作为传输介质组成空气介质矩形波导腔，以平板介质波导作为一路射频信号输入结构形式，通过介质材料进行传输，输出二路射频信号。相对于当前所提出矩形金属波导、共面波导、微带等太赫兹功分器结构，结构简单紧凑，易于加工，成本低。相比于采用微带结构或者悬置微带结构太赫兹平面电路，它们的结构更为简单，更易于加工实现，其结构具有非常明显的优势。从而解决了现有单一结构形式的太赫兹导波结构制造工艺要求高，实际应用较困难，难于加工等问题。采用本发明可以很好的解决太赫兹信号的平面传输问题。

工作频带较宽、耦合平稳、隔离度高耦合强度高。本发明采用由下层平行板波导的支撑壁和上层平行板波导的悬空结构，其截面为矩形，采用空气作为传输介质组成的空气介质矩形波导腔，将沿直条介质波导端向分弧形成的两段π形弓传输线组合的四端口耦合线放置在密封的净化空气盒子内，减少了水蒸汽的吸收，这样就可以最佳化穿透波导的THz信号，实现高电阻率和有效耦合，同时提高了***的灵敏度。采用两个等同的金属平行板波导固联的介质波导实现太赫兹信号传输，能够将太赫兹信号的能量有效地耦合于介质层内部，获得更强的能量聚集特性，降低了太赫兹信号存在于外部空间的辐射损耗，可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的耦合效率。当电磁波在介质波导内传输时，波导金属壁上会产生感应电流，即壁电流。由于趋肤效应，壁电流只存在于波导的内表面很浅的一层，低损耗传输矩形波导。通过在介质波导上沿直条介质波导端向分弧形成的两段π形弓传输线组合的四端口耦合线，两个π形弓耦合线相向对称，弯曲方向相反，形成带有四端口的耦合直槽缝隙，大大提高了耦合的效率，耦合度可以达到7.5±0.8dB,隔离度达到30dB,方向性优于20dB,各端口回波损耗小于-20dB。结果表明该耦合器性能优异,在0.35-0.36THz频段内,隔离度优于40dB,各端口的回波损耗大于40dB,***损耗小于0.2dB。由于改变条板波导的厚度，可以改变GVD，调节板间距，其变化范围为0到103μm，可以改善耦合器的耦合度。通过改变金属板的大小和两个金属板之间的间距，调节两个介质波导之间的间隔距离，保证窄板间距的有效耦合，将两个等同的金属平行板波导固联的介质波导条板配置成有可控GVD的THz互联，能够将太赫兹信号的能量有效地耦合于内部介质层，获得更强的能量聚集特性，降低太赫兹信号存在于外部空间的辐射损耗，可以更好的实现太赫兹频段平面电路之间的有效互连可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效传输，实现较宽的带宽和良好的耦合平坦度,减小了反射损耗。本发明特别适用于太赫兹频段平面电路之间的有效互连，并且耦合频率与耦合强度可调的太赫兹频段的平面电路传输装置。

附图说明

图1是本发明四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器的透视图。

图1中：1金属平行板波导、2空气介质矩形波导腔，3介质波导。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，包括：两个等同的金属平行板波导1固联的介质波导3，由下层平行板波导的支撑壁和上层平行板波导的悬空结构，其截面为矩形，采用空气作为传输介质组成的空气介质矩形波导腔2。在空气介质矩形波导腔2中设有两条对称中心线，沿直条介质波导端向分弧形成的两段π形弓传输线组合的四端口耦合线，两个π形弓耦合线相向对称，弯曲方向相反，形成带有四端口的耦合直槽缝隙，其中一条作为主线，把直通线功率的一部分或全部耦合到另一条作为副线的耦合线中，太赫兹波经过耦合器后，太赫兹波从波导口的输入端进入，与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口，从另一端波导口的直通输出端口和耦合输出端口，两个出口输出，从而形成太赫兹耦合器。

耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指标之一。可以通过调整介质波导的尺寸大小和调节两个介质波导之间的间隔距离，来使反向波的振幅达到最小，改善耦合器的耦合度达到较好的平坦性。为了使耦合信号满足一定的分布，可以调节耦合直槽缝隙开度使隔离端的信号输出达到最小，实现有效增加带宽和提高方向性的目的。

改变两个金属平行板波导1金属板的大小和两个金属板之间的间距来传输相应的太赫兹射频信号。

介质波导3太赫兹射频信号在介质波导中进行传输，调整介质波导的尺寸和材料参数来优化它的传输参数。

介质波导3通过调整两个介质波导间的间隔参数优化太赫兹耦合器的耦合度。

本发明具体实施可采用以下步骤：

首先根据所需的太赫兹工作频段，选择聚四氟乙烯和石英作为介质基片材料，利用微波电路计算机辅助软件，建立图1的结构模型，在仿真软件中设定工作频段和在工作频段内的S参数仿真目标，通过软件的优化设计程序，从而确定各单元传输线参数。

本发明应用于太赫兹频段的基于平板介质波导的太赫兹新型介质波导耦合器结构，太赫兹波从耦合器的输入端进入，与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口。太赫兹波经过耦合器后，从另一端的两个出口——直通输出端口和耦合输出端口输出，从而形成太赫兹耦合器。该发明可以更好的实现太赫兹频段平面电路之间的有效互连，能够将输入的太赫兹信号通过该发明实现二路输出，一路为直通输出，另一路为耦合输出。该发明即可以与矩形波导相连，也可以与鳍线和微带进行互连，解决了工程应用中太赫兹平面电路之间实现互连的难题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，包括：两个等同的金属平行板波导(1)固联的介质波导(3)，由下层平行板波导的支撑壁和上层平行板波导的悬空结构，其截面为矩形，采用空气作为传输介质组成的空气介质矩形波导腔(2)，其特征在于：在空气介质矩形波导腔(2)中设有两条对称中心线，沿直条介质波导端向分弧形成的两段π形弓传输线组合的四端口耦合线，两个π形弓耦合线相向对称，弯曲方向相反，形成带有四端口的耦合直槽缝隙，其中一条作为主线，把直通线功率的一部分或全部耦合到另一条作为副线的耦合线中，太赫兹波经过耦合器后，太赫兹波从波导口的输入端进入，与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口，从另一端波导口的直通输出端口和耦合输出端口，两个出口输出，从而形成太赫兹耦合器。

2.如权利要求1所述的四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，其特征在于：改变两个金属平行板波导(1)金属板的大小和两个金属板之间的间距来传输相应的太赫兹射频信号。

3.如权利要求1所述的四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，其特征在于：介质波导(3)太赫兹射频信号在介质波导中进行传输，调整介质波导的尺寸和材料参数来优化它的传输参数。

4.如权利要求1所述的四分支端口平板介质太赫兹波导耦合器，其特征在于：介质波导(3)通过调整两个介质波导间的间隔参数优化太赫兹耦合器的耦合度。