CN105680140A - 一种毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器 - Google Patents

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宋开军
张樊
胡顺勇
朱宇
樊茂宇
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/181—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being hollow waveguides

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Abstract

本发明提出了一种毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器。通过喇叭天线阵列馈电，新型衍射相位元件的相位调制和反射面的能量汇聚，在中心频率300GHz时，其理论合成效率高达63.1％。本发明所采用的衍射相位元件尺寸参数敏感度低，结构简单易于加工，用于多路功率分配/合成时具有不受合成路数和器件及芯片的散热限制等特点。本发明可用于毫米波/太赫兹准光功率合成放大系统、阵列天线等，在通信、雷达等毫米波/太赫兹系统中有广阔的应用前景。

Description

一种毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器
技术领域
本发明涉及一种适用于毫米波/太赫兹频段的二维结构准光功分器/合成器。
背景技术
大功率信号源一直是毫米波及太赫兹通信系统设计的技术瓶颈之一。而解决这一技术瓶颈之一的手段就是采用功率合成。传统的功率合成技术大多是基于平面电路或者波导结构的。芯片型功率合成技术由于散热问题，无法实现太多管芯数目的合成，电路型功率合成电路在合成单元器增多时，随之增大的腔体会产生许多新的场模式，因此效率不高，并且在微波毫米波和太赫兹频段，会有很大的损耗，准光功率合成是在毫米波及太赫兹频段主要手段之一，传统的准光功率合成技术在毫米波高端和太赫兹频段会产生电路小型化和有效散热的矛盾，限制了它的应用。因此，急需一种能够应用在毫米波/太赫兹频段的功率合成技术来提高毫米波/太赫兹固态频率源的输出功率。
发明内容
本发明提出了一种毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器。通过喇叭天线阵列馈电，新型衍射相位元件的相位调制和反射面的能量汇聚，在中心频率300GHz时，其理论合成效率高达63.1％。本发明所采用的衍射相位元件尺寸参数敏感度低，结构简单易于加工，用于多路功率分配/合成时具有不受合成路数和器件及芯片的散热限制等特点。
为了实现上述目地，本发明提出的具体技术方案如下：
电路形式是一种准光结构的空间功率合成，由喇叭天线阵列、衍射相位元件、反射面和一个喇叭天线组成。电路做功率合成时，由M行×N列的喇叭天线阵列馈电，辐射的电磁波经过一块有M行×N列小孔的衍射相位元件的相位调制，在反射面处形成准平面波，此处的电磁波能量经过反射面的反射聚焦到一个接收喇叭天线处进行接收，达到多路功率合成1路的目的。
二维周期形式M行×N列的喇叭天线阵列由矩形喇叭天线或者圆形喇叭天线等形式的喇叭天线组成，这些喇叭天线完全相同，喇叭天线间横向间距相等，纵向间距也相等，横向间距和纵向间距的范围都在数个到数十个波长范围内。
衍射相位元件由一块具有周期性小孔的介质基板构成。介质基板周期性排列一定深度的盲孔或通孔，这些盲孔或通孔沿二维按照M行×N列的形式排列。衍射相位元件上每个孔的大小及深度完全相同，形状可以是圆形、椭圆形或者方形等，小孔间横向间距等于喇叭天线阵列的横向间距，小孔间纵向间距等于喇叭天线阵列的纵向间距，每个小孔的中心正对着相应的喇叭天线口径中心。以圆孔为例，由于圆孔的半径和圆孔之间的距离达到了数个到数十个波长，这样使得这种二维周期衍射相位元件可以工作在高频段(如毫米波或THz频段等)而不会受加工工艺的限制，并且在应用于大数量有源器件功率合成时不会造成散热困难，这为该结构在毫米亚及太赫兹频段上的实际应用提供了保证。小孔的数量可以大于喇叭天线阵列中喇叭天线的数量，例如3×3喇叭天线阵列，对应的衍射相位元件上的小孔可以是4×4的阵列分布，即有16个小孔。介质基片的厚度取决于此处的相位分布，选择合适厚度的目的是使得喇叭天线阵列辐射的电磁波从衍射相位元件介质部分通过后和从小孔中通过后的相位在介质背面尽可能趋于一致，达到调制电磁波相位的目的。衍射相位元件最小厚度在一个工作波长到两个波长之间，可在最小厚度的基础上增加整数个工作波长厚度。
反射面由对电磁波具有良好反射效果的金属构成，反射面放置在衍射相位元件正面前一段距离处，并偏转了一定角度，图1中反射面口径为圆形，长方形和正方形的反射面均可。反射面可通过赋形优化设计，使得汇聚到接收喇叭天线(4)处的电磁场能量更加集中，且能量集中区域的电场幅度和相位分布尽可能接近接收喇叭天线口径处理论的电场幅度和相位分布，以提高接收喇叭天线(4)的能量接收效率。
喇叭天线(4)用来接收发射面汇聚过来的能量，实现多路合成的目的。
本发明所提出的毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器工作原理如下：
作为功率合成器使用时，由喇叭天线阵列(1)馈电辐射出的电磁波经过衍射相位元件(2)的相位调制后，在反射面(3)处形成准平面波，电磁波能量经过反射面(3)汇聚到喇叭天线(4)处接收，实现功率合成；作为功率分配器使用，根据电路的互易性，其工作原理与设计方案的合成器相同。由喇叭天线(4)馈电辐射出的电磁波经过反射面(3)的反射后，在衍射相位元件(2)处形成准平面波，经过衍射相位元件(2)的调制后在喇叭天线阵列(1)处形成多个能量聚集光斑，由喇叭天线阵列(1)接收，实现功率分配。
通过在介质基板上打二维阵列小孔的方式实现电磁波的相位调制，使得本发明具有结构简单、易于加工、损耗低、大数量功分路数、散热效果好、工作频率高，工作带宽宽等优点。本发明可用于毫米波/太赫兹准光功率合成放大系统、阵列天线等，在通信、雷达等毫米波/太赫兹系统中有广阔的应用前景。
附图说明
图1是3×3阵列9路功率分配/合成器三维结构示意图；
图2是本发明中具有3×3阵列小孔的二维周期衍射相位元件(2)的平面结构示意图；
图3是9路功率合成在喇叭天线(4)处的电场幅度分布图；
图4是9路功率合成在喇叭天线(4)处的电场相位分布图；
图5是喇叭天线阵列(1)到喇叭天线(4)处的传输特性。
附图中标号对应名称为：
(1)喇叭天线阵列，(2)衍射相位元件，(3)反射面，(4)喇叭天线。
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，本发明提出的毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器，其电路包含以下几个部分：3×3阵列的喇叭天线阵列、3×3小孔分布的二维周期衍射相位元件、金属反射面和接收喇叭天线，电路工作中心频率为300GHz。做功率合成器时，由3×3喇叭天线阵列馈电，辐射的电磁波经过衍射相位元件后在反射面处形成准平面波，形成准平面波有助于更好的实现反射面的汇聚效果，并降低反射面赋形的难度。准平面波经过反射面的汇聚，把电磁场能量汇聚到接收喇叭天线处，由接收喇叭天线进行接收。为了尽可能多的使反射面上的电磁场能更好的汇聚在接收喇叭天线口径处，降低接收喇叭天线周围电磁的能量，对反射面进行了赋形设计。理论计算表明，3×3阵列9路合成效率在300GHz时可达75％。
图3是9路功率合成在喇叭天线(4)处的电场幅度分布图，由图可以看出，电场能量主要集中在一个小的区域，其它区域电场幅度大部分小于-20dB，且能量集中区域电场幅度分布和接收喇叭天线口径处理论的电场幅度分布吻合得很好。
图4是9路功率合成在喇叭天线(4)处的电场相位分布图，由图可以看出，在图4中电场能量集中的区域，图5中同样的区域中电场的相位横向和纵向分布都接近二次方分布，和接收喇叭天线口径上理论的电场相位分布吻合得很好。
图5是喇叭天线阵列(1)到喇叭天线(4)处的传输特性。由图可以看出，在中心频率300GHz时，电路的理论插入损耗为-2.0dB，即接收面能接收到63.1％的能量，电路具有宽带和高合成效率的特性。
根据电路的互易性，本发明所提出的毫米波/太赫兹二维准光功率合成器可作为毫米波/太赫兹准光功率分配器使用，其工作原理与设计方案的合成器相同。当应用于功率分配时，由喇叭天线(4)馈电，3×3喇叭天线阵列(1)进行电磁场能量接收，实现9路功率分配。

Claims (3)

1.一种毫米波/太赫兹二维准光功分器/合成器，由喇叭天线阵列(1)、衍射相位元件(2)、反射面(3)和喇叭天线(4)组成，其特征在于，采用新型衍射相位元件实现电磁波的相位调制，以实现在毫米波/太赫兹频段多路高合成效率。
2.根据权利要求1所述，本发明作为功率合成器使用时，由喇叭天线阵列(1)馈电辐射出的电磁波经过衍射相位元件(2)的相位调制后，由反射面(3)汇聚电磁波能量到喇叭天线(4)处接收；作为功率分配器使用时，由喇叭天线(4)馈电辐射出的电磁波经过反射面(3)反射后，再经过衍射相位元件(2)的相位调制后在喇叭天线阵列(1)处形成多个能量聚集光斑，由喇叭天线阵列(1)接收，反射面(3)的表面可通过赋形设计，实现优良的电磁场波束分布。
3.根据权利要求1所述，衍射相位元件(2)由透波介质材料组成，通过周期性的孔分布实现电磁波的相位调制，孔的形状可以是圆形，椭圆形或者是方形等，孔的形式可以是通孔，也可以是一定深度的盲孔。
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WO2024055601A1 (zh) * 2022-09-15 2024-03-21 四川太赫兹通信有限公司 一种太赫兹相控阵波导腔体、通信系统及前端

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