CN104393388B - 太赫兹基片集成波导多路功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于太赫兹(THz)频段的采用空气透镜的基片集成波导多路功分器。输入和输出采用基片集成波导H面喇叭天线，以实现能量的馈入和接收。通过在介质基片层上开槽形成空气透镜和有限周期空气相位栅，空气透镜和有限周期空气相位栅能够有效的实现波束的转换和分配。通过合理的设计空气透镜和有限周期空气相位栅可以实现单层两路功分输出，通过使用N(N＝1,2,3...)层介质基片，则可以实现2×N路的阵列式功率分配/合成。最大限度地减小信号传输损耗。本发明具有高效率、小型化、性能稳定、良好的输入驻波比等优良特性，各路功分输出端口信号幅度/相位一致性好等优点。本发明主要用于THz功率合成放大系统、相控阵天线馈电网络等，在通信、雷达、测控等THz系统中有广阔的应用前景。

Description

太赫兹基片集成波导多路功分器

技术领域

本发明涉及一种适用于太赫兹频段的采用空气透镜的基片集成波导多路功分器。

背景技术

太赫兹(THz)波是介于微波和红外(频率为0.1THz-10THz)之间的电磁波，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空隙区”。太赫兹技术作为一种新的、快速发展的技术在安检及反恐、物体成像、无损检测、射电天文、电子对抗、宽带移动通信、THz雷达和卫星空间通信等方面应用广泛。而高效率、小体积、较大功率、性能稳定的THz固态频率源是小型化THz系统的核心部件。因而，小型化的较大功率THz固态频率源的研究成为THz技术发展和应用的重要环节。

为了提高THz固态频率源的输出功率，THz功率合成技术是一种非常有效的技术手段。传统的波导内空间功率合成技术由于THz频段波导尺寸和加工工艺的问题而受到限制；自由空间阵列功率合成技术由于结构本身的辐射损耗限制了它的THz频段的应用；传统的准光功率合成技术在THz频段会产生电路小型化和有效散热的矛盾，限制了它在THz频段的应用。因此，急需一种能够应用在太赫兹频段的功率合成技术来提高THz固态频率源的输出功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于太赫兹频段的多路功分器，它具有高效率、小型化、低损耗、性能稳定、良好的输入驻波比等优良特性，可一次性实现多路功分输出，其各路功分输出端口信号幅度/相位一致性好。适用于太赫兹频段的多路功率合成系统以获得高功率THz固态源或THz阵列天线中的功分馈电网络。

为了实现上述目的，本发明提出了一种采用空气透镜和有限周期空气相位栅的太赫兹基片集成波导多路功分器。其具体技术方案如下：

太赫兹基片集成波导多路功分器，包括输入/输出基片集成波导端口、输入/输出基片集成波导H面喇叭天线、空气透镜和有限周期空气相位栅，其特征在于，所述功分器采用多层基片集成波导结构，输入和输出的H面喇叭天线采用基片上金属化通孔实现，所述空气透镜通过在介质基片上开凹型空气槽实现，所述有限周期空气相位栅也通过在介质基片上开空气槽实现，采用空气透镜和有限周期空气相位栅可以有效实现波束的转换和分配。所述功分器是对称结构，每层基片有两路输出端口，多层基片可实现一次性2×N阵列分布的2N路功率输出，实现2N路功率分配功能，每路输出端口的信号幅度/相位相等，最大限度地减少了信号的传输损耗。介质基板采用石英基片，通过光刻技术或者金属溅射技术可以在石英表面形成所需的金属板，以形成电气屏蔽。多层石英基片可以通过粘合技术固定。

信号从输入基片集成波导端口馈入，传输到输入H面喇叭天线，输入H面喇叭天线采用基片上金属化通孔实现。这种H面喇叭天线可以实现宽频带的匹配。与输入H面喇叭天线类似，输出H面喇叭天线也采用同样的方法实现。

空气透镜用来实现输入H面喇叭天线输出的球面波到准平面波的波束转换，空气透镜通过在基片上开凹型空气槽形成，可看成一个凹型空气透镜，它具有波束会聚功能。为了实现H面喇叭天线输出的球面波到准平面波的转换，需要保证输入H面喇叭天线的相位中心和空气透镜的一个焦点重合。

有限周期空气相位栅用来将空气透镜输出的准平面波调制成几个能量会聚的波束，它也是通过在基片上开空气槽形成。有限周期空气相位栅采用二元光学理论和标量衍射理论或矢量衍射理论进行设计，通过周期性的介电常数的变化实现对电磁波的干涉和衍射调制，进而实现电磁波束的会聚。通过开槽形成的有限周期空气相位栅，其所需开槽的数目与单层基片上输出端口的数目的关系为：开槽数目＝单层基片上输出端口数目+1。

本发明所提出的太赫兹基片集成波导多路功分器工作原理如下：

信号从输入基片集成波导端口馈入，经过输入H面喇叭天线后输出，形成球面波，球面波经过空气透镜的波束转换，形成具有准平面波特性的波束，再经过有限周期空气相位栅的调制之后，实现多路电磁波束的会聚，经过多路输出H面喇叭天线的接收实现并行的功率分配。通过适当的设计空气透镜和有限周期空气相位栅，可以有效地实现单层2路功分输出。通过采用N层介质基片，其中N＝1,2,3……,则可以实现2×N路的阵列式功率分配。由于整体电路结构的对称性，各路输出信号的幅度和相位一致性较好。多路信号分配可以一次性实现，最大限度地降低了信号的传输损耗。根据电路的互易性，本发明所提出的太赫兹基片集成波导多路功分器可作为太赫兹基片集成波导多路功率合成器使用，其工作原理与设计方案与功分器相同。

本发明所提出的太赫兹基片集成波导多路功分器采用了多层基片集成波导结构实现，具有高效率、小型化、低损耗、输出信号幅度和相位一致性好等优势。本发明可应用于微波毫米波及太赫兹系统、阵列天线等，在太赫兹通信、雷达等系统中有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提出的太赫兹基片集成波导功分器结构示意图；

图2是整体电路电场强度示意图；

图3是图1的S参数仿真曲线和相位；

附图中标号对应名称为：

(1)输入基片集成波导端口，(2)输入基片集成波导H面喇叭天线，(3)空气透镜，(4)有限周期空气相位栅，(5)介质基片层，(6)输出基片集成波导H面喇叭天线，(7)金属层，(8)输出基片集成波导端口。

具体实施方式

下面通过举例来说明本发明的优点。

例1:如图1所示，本发明提出的太赫兹基片集成波导4路功分器，它采用2层基片集成波导结构来实现，其包含以下几个部分：输入基片集成波导端口、4个输出基片集成波导端口，输入基片集成波导H面喇叭天线、4个输出基片集成波导H面喇叭天线、空气透镜和有限周期空气相位栅。

输入/输出H面喇叭天线采用基片上金属化通孔实现，设计方便。空气透镜通过在基片上开凹型空气槽实现，由于基片的相对介电常数大于空气的相对介电常数，凹型空气透镜具有波束会聚功能。有限周期空气相位栅也采用开空气槽方式实现，通过在特定位置开3个空气槽来实现介电常数的周期性变化，进而实现对电磁波的调制，形成2束特定的波束会聚。整体电路结构由两层介质基片构成，每层各有两路输出H面喇叭天线。通过这种2×2的阵列分布实现一次性的四路功率分配，最大限度的减少信号的传输损耗。

图1给出了整体电路示意图。整体电路包含2层介质基片和三层金属层(上层、下层和中间层)。其中只有输出H面喇叭天线和输出基片集成波导端口处有中间金属层，以保证实现2×2的四路阵列式功率分配。

图2显示了有限周期空气相位栅输出的两束电磁波束的电场分布。由图2可以看出，馈入的电磁能量经过有限周期空气相位栅后，调制成了两束电磁波输出。

图3(a)是例1的输入回波损耗S11和传输特性S21-S51的曲线，由图可知在314GHz-331GHz范围内输入端口的回波损耗S11是大于10dB，在319GHz-327.8GHz范围内输入端口的回波损耗S11是大于20dB，通带内的最小插损SN1(N＝2,3,4,5)在321.6GHz，为6.7dB(包含四路功分的6dB理论插损)。在314.4GHz-330.4GHz范围内，四路功分器的平均效率约为75.35％，最高效率在321.6GHz，为85.7％，最低效率在330.4GHz，为67.2％，幅度不平坦度小于1dB。

图3(b)是例1的输出端口相位特性曲线，由图可知在314GHz-332GHz范围内输出端口相位一致性较好。

Claims (6)

1.太赫兹基片集成波导多路功分器，包括输入基片集成波导端口(1)、输入基片集成波导H面喇叭天线(2)、空气透镜(3)、有限周期空气相位栅(4)、介质基片层(5)、输出基片集成波导H面喇叭天线(6)、金属层(7)、输出基片集成波导端口(8)，其特征在于，所述输入基片集成波导H面喇叭天线(2)和输出基片集成波导H面喇叭天线(6)采用基片上金属化通孔构成，所述空气透镜(3)通过在介质基片层(5)上开凹型空气槽实现，所述有限周期空气相位栅(4)也通过在介质基片层(5)上开空气槽实现，所述空气透镜(3)能够有效地将输入基片集成波导H面喇叭天线(2)输出的球面波转换成所需的准平面波，所述有限周期空气相位栅(4)能够有效地将空气透镜(3)输出的准平面波进行调制，在一定位置形成电磁波束的汇聚，有效实现波束的转换和分配。

2.根据权利要求1所述的太赫兹基片集成波导多路功分器，所述空气透镜(3)具有波束转换作用，空气透镜(3)的曲率半径和厚度由电路设计确定。

3.根据权利要求1所述的太赫兹基片集成波导多路功分器，所述功分器的空气透镜(3)的焦点应该与输入基片集成波导H面喇叭天线(2)的相位中心重合，以保证空气透镜(3)输出所需的准平面波。

4.根据权利要求1所述的太赫兹基片集成波导多路功分器，所述有限周期空气相位栅(4)对空气透镜(3)输出的准平面波进行了调制，所需空气槽的周期和尺寸由电路设计确定。

5.根据权利要求1所述的太赫兹基片集成波导多路功分器，所述功分器可以采用N层介质基片层(5)构成，其中N＝1,2,3……，通过合理地设计空气透镜(3)和有限周期空气相位栅(4)可以实现单层2路功分输出，而整体电路则可以实现2×N路的阵列式功率分配/合成。

6.根据权利要求1所述的太赫兹基片集成波导多路功分器，所述功分器的输入/输出端口进行交换，将变成功率合成器，太赫兹基片集成波导功率合成器的结构和设计与上述功分器完全一样。