CN110492214A - 方同轴传输线太赫兹等功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种方同轴传输线太赫兹等功分器，旨在提供一种具有低传输损耗、高隔离、的功分器。本发明通过下述技术方案予以实现：公共端方同轴传输线通过太赫兹功分器的公共端口通道，垂直相连方同轴T型结，方同轴T型结两路垂直分支传输线順向通过λ/4匹配方同轴传输线相连分支方同轴传输线，并通过分支方同轴传输线耦合端方同轴T型结上垂直相交的有损方同轴传输线延伸至功分端口构成功分器电路；信号通过公共端方同轴传输线输入，在方同轴T型结中等幅度功分为两路，两路分支信号沿经λ/4匹配方同轴传输线阻抗匹配后，馈入到完全对称，电势相同的耦合端方同轴T型结，经过分支波导方同轴传输线两个支臂输出两个半功率信号。

Description

方同轴传输线太赫兹等功分器

技术领域

本发明涉及一种主要应用于太赫兹***的信号功率分配的等功分器。

背景技术

功分器作为一种微波无源器件，在无线通信领域中得到了广泛的应用，但随着使用者对功分器性能指标和结构尺寸小型化的要求越来越高，传统功分器工作频率低，已经不能满足使用者对更高频率的使用需求。任何通信网络的最基本组件之一是允许信号发送到多个用户和设备的功率分配器(功分器)的种类很多,有等功分、不等功分(不等分功率分配器)、三功分等多种形式。功分器的主要用途是实现对信号几路或多路的分配与合成，等功分器是功分器中最常使用的电路。太赫兹等功分器是在太赫兹网络中使用的基本设备，作为太赫兹信道的关键器件，太赫兹波功分器是一种重要的功能器件，是太赫兹应用***中不可缺少的组成部分，广泛应用于各种工作平台的太赫兹***中。太赫兹等功分器主要用于太赫兹信号功率合成电路、分布式放大电路和太赫天线馈电网络等。现有的太赫兹波功分器大都存在着结构复杂、功分效率低、成本高等诸多缺点。

传统的太赫兹等功分器常采用矩形波导机械加工或微带电路实现，而随着工作频率的提高，矩形波导尺寸更小，现有机械加工精度常常无法满足太赫兹电路设计的容差要求。且基于矩形波导太赫兹功分器不能提供功分端7的隔离，当功分端7接的负载存在一定失配时，会严重恶化整个电路的电气性能。采用微带电路加工的太赫兹功分器，由于微带线为开结构，且其两个分支电路必须凑的很近才能与隔离电阻相连，即两支路间的缝隙很小，但这样又会引起输出两支路间的强耦合，破坏了所要的功分比。如果加大缝隙，即要加长电阻的尺寸和分支电路，分支电路变长，功分器的工作频率就会降低，导致功分器无法工作至太赫兹频段。

传输线是用以引导能量(电磁能、光能、热能甚至是语音、图像、数据信息)从一处传递到另一处的一种装置。工作于太赫兹频段的传输线形式主要有矩形波导、微带传输线和共面线等。圆同轴线通常工作于0.1THz以下，频率再向上提升，圆同轴传输线的内径和外径变的非常为微小，难以加工实现。而基于硅基芯片的金属溅镀工艺和硅基光刻工艺，设计同轴传输线内部导体和外部导体为正方形，形成太赫兹方同轴传输线的实现成为可能，通过反复的光刻可以实现方同轴传输线的加工制造。基于方同轴传输线开发太赫兹功分器电路成为一种可行的方案。方同轴传输线外壁为金属导体，为封闭结构，相邻的两个分支电路不存在空间耦合，避免了两路功分信号的串扰。方同轴内部填充为空气介质，传输损耗低，可是现太赫兹功分器的低损耗设计。基于有限导体材料(如氮化钽)加工有损方同轴传输线，可以实现太赫兹的实阻抗设计，基于此设计的太赫兹隔离电阻，实现太赫兹功分器隔离电阻的实现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，旨在提供一种具有低传输损耗、高隔离、高截止频率，适用于太赫兹芯片集成的，基于方同轴传输线的太赫兹等功分器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来实现，一种方同轴传输线太赫兹等功分器，包括：带有方同轴内外导体的方同轴传输线和太赫兹功分器，其特征在于：公共端方同轴传输线1通过太赫兹功分器的公共端口8，垂直连接内置于功分器矩形腔体中的方同轴T型结2，方同轴T型结2两路垂直分支传输线順向通过上、下两端点上相连的λ/4匹配方同轴传输线3相连耦合端T型结4，同时順向通过耦合端T型结4连接两分支方同轴传输线6，两分支方同轴传输线6通过上、下耦合端T型结4垂直相交损方同轴传输线5，延伸至两个分支端口的功分端7，输出半功率信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

具有低传输损耗。本发明采用在耦合端方同轴T型结处完全对称，电势相同两路信号，在有损方同轴传输线5中无传输，不增加传输损耗。并且方同轴内部填充为空气介质，信号在方同轴传输线内壁与外壁之间传输，这种表面电流在内被和外壁的金属表面传输的方式，与传统的微带线相比，方同轴传输线几乎没有介质损耗，故相同长度的方同轴传输线比微带传输损耗更低，功分效率更高。

具有高隔离、高截止频率。本发明输入信号通过公共端方同轴馈入，经过第一个方同轴T型结分为两路，这两路信号再分别经过一段垂直弯折的λ/4匹配方同轴传输线阻抗匹配，然后分别经过一个方同轴T型结，在功分端7方同轴分别输出。由于两路功分信号在有损方同轴两侧走过的路径相同，所以电势相同，则功分信号在有损方同轴中无传输。而当功分端7一端接失配负载时，信号从上分支方同轴6输入，输入的信号Ae^jθA为幅度、θ为相位会在上耦合端T型结4中等功分为两路信号两路信号在下耦合端T型结4中等幅反向抵消，信号在分支波导方同轴传输线6中无输出，实现方同轴功分端7的信号隔离。并且方同轴传输线的截止频率与方同轴内外壁边长和成反比。方同轴传输线的传输模式为TEM模，具有非常宽工作带宽和高的截止频率。

本发明功分器方同轴的隔离度由损方同轴传输线提供，该等功分器的功分端口7之间的隔离度由有损方同轴传输线的特性阻抗和内导体材料的电阻率共同决定。2等功分器端的隔离度可通过调整方同轴内壁边长的长度和内导体材料的电阻率调整隔离度。也可以通过调整有损方同轴传输线的特性阻抗和内壁导体的电阻率设计功分器的隔离度。由于损方同轴传输线内壁导体采用有限电导材料(如氮化钽)溅镀，当TEM电磁波在内壁导体形成表面电流时产生欧姆损耗，增大方同轴内部TEM电磁波传输系数的实部，从而衰减方同轴内部TEM电磁波，实现功分器隔离度。理论和仿真结果显示,输入端匹配良好,并且两个输出端实现隔离。仿真结果和理论结果趋势吻合,验证了该方法的可行性。

具有良好的可扩展性。本发明利用功分器各个组成电路的方同轴的外壁边长相同且中心同轴，具备便于多个等功分器级联的特性，可通过级联拓展实现2ⁿ的多路功分，具有良好的多路拓展性。在方同轴内壁边长和外壁边长比值不变的情况下，减小内壁和外壁边长的和，可提高功分器的工作频率。

结构简单。本发明采用功分器方同轴的外壁导体外形尺寸相同，通过调整内壁导体的外形尺寸改变方同轴电路的特性阻抗，实现方同轴特性阻抗设计，且易于加工实现。公共端方同轴传输线1通过方同轴T型结2连接分λ/4匹配方同轴传输线3，经上下分支同轴传输线，连接耦合端T型结4，并与有损方同轴传输线5相交形成相互平行的闭环；功分器的结构形式简单，尺寸小、成本低，易于实现。功分器各个组成电路的方同轴的外壁边长相同且中心同轴，设计方便，无需调试，并具有可调性。该等功分器的工作频率可以通过调整λ/4匹配方同轴传输线3的传输线长度，改变功分器工作频率。长度变短，工作频率上升；长度变长，工作频率下降。

附图说明

图1是本发明方同轴传输线太赫兹等功分器的构造示意图。

图2是图1的电路原理框图。

图中：1公共端方同轴传输线，2方同轴T型结，3λ/4匹配方同轴传输线，4、耦合端方同轴T型结，5有损方同轴传输线，6分支方同轴传输线，7功分端，8公共端口。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中，一种方同轴传输线太赫兹等功分器，包括：带有方同轴内外导体的方同轴传输线和太赫兹功分器，其特征在于：公共端方同轴传输线1通过太赫兹功分器的公共端口8，垂直连接内置于功分器矩形腔体中的方同轴T型结2，方同轴T型结2两路垂直分支传输线順向通过上、下两端点上相连的λ/4匹配方同轴传输线3相连耦合端T型结4，同时順向通过耦合端T型结4连接两分支方同轴传输线6，两分支方同轴传输线6通过上、下耦合端T型结4垂直相交损方同轴传输线5，延伸至两个分支端口的功分端7，输出功率信号。太赫兹信号通过公共端方同轴传输线1输入，在方同轴T型结2中等幅度功分为两路，两路分支信号沿经λ/4匹配方同轴传输线3阻抗匹配后，馈入到完全对称，电势相同的耦合端T型结4，经过分支波导方同轴传输线6两个支臂输出两个半功率信号。

在可选实施例中，公共端方同轴传输线1、分支方同轴传输线6的特性阻抗为50Ω，2段λ/4匹配方同轴传输线3的特性阻抗约为70Ω，有损方同轴传输线6的特性阻抗约为100Ω。

优选的有损方同轴传输线5的内壁导体为有限导体材料，所述有限导体材料是氮化钽，而其它电路的内壁导体为良导体。通过调整有损方同轴传输线5的特性阻抗和内壁导体的电阻率可设计功分器的隔离度。

公共端方同轴传输线1通过方同轴T型结2端接两段λ/4匹配方同轴传输线3，经太赫兹的功分器的上下分支同轴腔体，连接耦合端T型结4，并与有损方同轴传输线5相交形成相互平行的闭环电路；连接耦合端T型结4通过相邻的分支方同轴传输线6两个支臂输出太赫兹波能量，太赫兹波能量按照1：1的比例从方同轴功分端口7半功率输出。

当信号沿着匹配方同轴传输线3传输至有损方同轴传输线6两端时，由于两路信号完全对称，电势相同，故不在有损方同轴传输线6中传输。

在可选实施例中，功分器电路基于方同轴传输线电路形式实现，方同轴传输线内壁和外壁为正方形，且两个正方形的中心重合。方同轴传输线的特性阻抗由内壁正方形边长和外壁正方形边长共同决定，方同轴传输线的特性阻抗与内壁正方形边长成反比，与外壁正方形边长成正比。

参阅图2。太赫兹信号从公共端方同轴传输线1输入，以A为幅度、θ为相位的输入信号Ae^jθ，经方同轴T型结2中等功分为两路信号分支耦合到λ/4匹配方同轴传输线3，两路太赫兹信号通过耦合端T型结4流入到功分器的两个分支端口的的功分端7输出半功率信号。

太赫兹信号从上分支方同轴传输线6输入，以A为幅度、θ为相位的输入信号Ae^jθ，通过耦合端T型结4等功分为两路信号一路信号先经过λ/4匹配方同轴传输线3分支耦合到方同轴T型结2，功分为流入到下耦合端T型结4；而另一路在有损方同轴传输线5幅度衰减3dB变为到达下耦合端T型结4的信号为两路信号在下方同轴T型结4中等幅反向抵消，分支波导方同轴传输线6信号无输出，实现方同轴功分端7的信号隔离，其中，e是常数，j为虚数单位。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种方同轴传输线太赫兹等功分器，包括：带有方同轴内外导体的方同轴传输线和太赫兹功分器，其特征在于：公共端方同轴传输线(1)通过太赫兹功分器的公共端口(8)，垂直连接内置于功分器矩形腔体中的方同轴T型结(2)，方同轴T型结(2)两路垂直分支传输线順向通过上、下两端点上相连的λ/4匹配方同轴传输线(3)相连耦合端T型结(4)，同时順向通过耦合端T型结(4)连接两分支方同轴传输线(6)，两分支方同轴传输线(6)通过上、下耦合端T型结(4)垂直相交损方同轴传输线(5)，延伸至两个分支端口的功分端(7)，构成输出功率信号的功分器电路。

2.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：方同轴传输线内壁和外壁为正方形，且两个正方形的中心重合。

3.如权利要求2所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：方同轴传输线的特性阻抗由内壁正方形边长和外壁正方形边长共同决定，方同轴传输线的特性阻抗与内壁正方形边长成反比，与外壁正方形边长成正比。

4.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：公共端方同轴传输线(1)、分支方同轴传输线(6)的特性阻抗为50Ω，2段λ/4匹配方同轴传输线(3)的特性阻抗为70Ω，有损方同轴传输线(5)的特性阻抗为100Ω。

5.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：公共端方同轴传输线(1)通过方同轴T型结(2)端接两段λ/4匹配方同轴传输线(3)连接耦合端T型结(4)，并与有损方同轴传输线(5)相交形成相互平行的闭环电路。

6.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：耦合端T型结(4)通过相邻的分支方同轴传输线(6)两个支臂输出太赫兹波能量，太赫兹波能量按照1：1的比例从两个方同轴功分端口7分别输出半功率。

7.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：功分器电路基于方同轴传输线电路形式实现。

8.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：太赫兹信号通过公共端方同轴传输线(1)输入，在方同轴T型结(2)中等幅度功分为两路，两路分支信号沿经λ/4匹配方同轴传输线(3)阻抗匹配后，馈入到完全对称，电势相同的耦合端T型结(4)，经过分支波导方同轴传输线(6)两个支臂输出两个半功率信号。

9.如权利要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：太赫兹信号从公共方同轴传输线(1)输入，以A为幅度、θ为相位的输入信号Ae^jθ，经方同轴T型结(2)中等功分为两路信号分支耦合到λ/4匹配方同轴传输线(3)，两路太赫兹信号通过耦合端T型结(4)流入到功分器的两个分支端口的功分端(7)输出半功率信号。

10.要求1所述的方同轴传输线太赫兹等功分器，其特征在于：太赫兹信号从上分支方同轴传输线(6)输入，以A为幅度、θ为相位的输入信号Ae^jθ，通过上耦合端T型结(4)等功分为两路信号一路信号先经过λ/4匹配方同轴传输线(3)分支耦合到方同轴T型结(2)，功分为流入到下耦合端T型结(4)；而另一路在有损方同轴传输线(5)幅度衰减3dB变为到达下耦合端T型结(4)的信号为两路信号在下方同轴T型结(4)中等幅反向抵消，分支波导方同轴传输线(6)信号无输出，实现方同轴功分端7的信号隔离，其中，e是常数，j为虚数单位。