CN106921015A - 分支线电桥太赫兹四路功分器 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种分支线电桥太赫兹四路功分器，四路功分器的基本组成单元是四分支线电桥3dB定向耦合器，该耦合器由两条主波导以及四条垂直于主波导的分支线波导构成。利用波导弯头对两级分支线电桥定向耦合器进行级联，第一级有一个定向耦合器，第二级有两个定向耦合器，对输入的功率进行两次均等的分配，得到四路均等的功率输出。在两级的三个耦合器的隔离端口用波导弯头进行弯折以抑制输出。本发明具有结构简单，功分效率高，输出误差小等优点。

Description

分支线电桥太赫兹四路功分器

技术领域

本发明涉及太赫兹电路单元组件，具体而言，是一种分支线电桥太赫兹四路功分器。

背景技术

太赫兹辐射通常是指频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，其频率范围为0.1～10THz。太赫兹波的长波段与亚毫米波段相重合，其发展主要依靠电子学科学技术；而短波段与远红外波段相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，可见太赫兹波是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，在电磁波频谱中占有很特殊的地位。由于其所处的特殊位置，太赫兹波可以表现出许多有别于其他种类电磁辐射的独特特性，这些特性决定了太赫兹波在很多领域具有广泛良好的应用前景。到目前为止，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，并得到了广泛的应用和发展，而太赫兹波尚未得到充分的研究。由于太赫兹波具有很多优越的特性，有非常重要的学术和工程研究价值，受到了研究学者广泛的关注与支持。

太赫兹波功分器是太赫兹波功率分配器的简称，是一类重要的太赫兹无源器件，它的作用是将单路输入的能量分成两路或多路输出信号能量，输出能量可等分也可不等分，若逆向使用则称之为功率合成器，即可将多路输入信号能量合成到一路能量输出。近年来太赫兹波功分器已成为国内外研究的热点和难点。现有的太赫兹波功分器大都存在结构复杂、功分效率低、成本高等诸多缺点，如现有的采用Y型分支的四路功分器，为了减小插入损耗，一般将四个端口设置在两层，形成了立体的结构，而在太赫兹频段特征尺寸极小，这种复杂的结构大大提高了加工难度，导致功分器的加工成本大大提高，不能适应市场化的应用。也有采用小孔耦合结构的功分器，因为结构本身电磁性能的限制，导致耦合度难以提高，功分器的效率大大降低。因此有必要设计一种结构简单、尺寸小、功分性能优良的太赫兹功分器来满足未来太赫兹通信、成像、监测等领域的应用。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中太赫兹功分器结构复杂，输出误差大，导致太赫兹功率分配器加工困难，功率分配效率低且性能不稳定，影响在太赫兹频段实际应用的问题。提出了一种结构巧妙、功分效率高、成本低的分支线电桥太赫兹四路功分器。本发明的技术方案如下：

一种分支线电桥太赫兹四路功分器，其包括：第一定向耦合器、第二定向耦合器及第三定向耦合器，其中第二定向耦合器的输入端和第三定向耦合器的输入端分别通过波导弯头与第一定向耦合器连通，功率信号从第一定向耦合器的第一输入端输入后，在第一定向耦合器的两个输出端均采用波导弯头，分别连接第二定向耦合器及第三定向耦合器的输入端，并在第一定向耦合器、第二定向耦合器及第三定向耦合器的隔离端口采用隔离波导弯头进行弯折，构成一路输入，四路输出的功分器结构。

进一步的，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器及第三定向耦合器具有同样的结构，均采用四分支线电桥3dB定向耦合器，包括两条主波导和四条分支线波导，两条主波导平行放置，四条分支线波导相互平行，且垂直放置于两条主波导之间，端面齐平并与主波导连接。

进一步的，所述主波导的宽度为0.280mm，四条分支线波导的宽度分别为0.108mm、0.677mm、0.677mm及0.108mm，分别为第一分支线波导、第二分支线波导、第三分支线波导、第四分支线波导，第一分支线波导与第二分支线波导的中心线之间的间距为0.339mm，第二分支线波导与第三分支线波导的中心线之间的间距为0.216mm，第三分支线波导与第四分支线波导之间的间距为0.339mm，两条主波导相互平行放置，四条分支线波导相互平行放置，四条分支线波导与主波导垂直且放置于两条主波导之间，端面齐平且与主波导连接，所以两条主波导之间的间距与分支线波导的长度相同，为0.312mm，主波导与分支线波导的高度均相同，且其高度为0.560mm，每一个作为基本组成单元的分支线电桥3dB定向耦合器其主波导长度均设置为2.000mm。

进一步的，所述波导弯头的转弯半径为0.53mm。

进一步的，所述第一定向耦合器的波导弯头与第二定向耦合器的波导弯头在连接处之间有一小段直波导，其长度为0.300mm，所述第一定向耦合器的波导弯头与第三定向耦合器的波导弯头在连接处也有一小段直波导，其长度为0.300mm。

进一步的，所述隔离端口的隔离波导弯头的转弯半径为0.344mm，通过隔离波导弯头，隔离端口的端面旋转了180°，弯折后的波导与原主波导保持平行，三个作为基本组成单元的分支线电桥3dB定向耦合器其隔离端口的隔离波导弯头结构和尺寸均相同。

进一步的，所述分支线电桥太赫兹四路功分器共有五个端口，其中，第一定向耦合器的输入端口①作为整个四路功分器的输入端口，第二定向耦合器及第三定向耦合器总共有四个输出端口，分别为端口②、端口③、端口④、端口⑤作为四路功分器的四个输出端口，当一路功率信号从端口①输入后，在四个输出端口得到均等输出的功率信号，且其功率均为端口①输入信号的四分之一。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明与同性能定向耦合器相比，结构更加简单，加工可行性得到提高。

2、本发明提出了一种新的结构应用于太赫兹频段的四路功分器，采用了E面分支线电桥3dB定向耦合器作为功分器的基本组成单元，进而采用定向耦合器的二级级联的形式达到四路均等的功率分配。该功分器的结构是对称的，经过两级耦合器的传输，抵消了一部分由第一级产生的输出幅度误差，因此达到了更小的输出幅度误差。本发明的所有传输结构均为金属矩形波导，其结构简单规整，对电磁波的传输稳定，衰减小，因而能够使功分器的性能更加稳定。

3、本发明结构简单、实施方便、设计巧妙，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例基本组成单元分支线电桥3dB定向耦合器示意图；

图2是分支线电桥太赫兹四路功分器示意图；

图3是四路功分器仿真S参数。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

以350GHz的四路功分器为例，图1是该四路功分器的基本组成单元分支线电桥3dB定向耦合器的结构示意图，其结构包括两条主波导1和四条分支线波导2、3、4、5，两条主波导1平行放置，四条分支线波导2、3、4、5相互平行，且垂直放置于两条主波导1之间，端面齐平与主波导连接。

所述主波导的宽度为0.280mm，四条分支线波导2、3、4、5的宽度分别为0.108mm，0.677mm，0.677mm，0.108mm，分支线波导2与分支线波导3的中心线之间的间距为0.339mm，分支线波导3与分支线波导4的中心线之间的间距为0.216mm，分支线波导4与分支线波导5的中心线之间的间距为0.339mm，两条主波导之间的间距，即是四条分支线波导的长度为0.312mm，主波导与分支线波导的高度均相同，且其高度为0.560mm。每一个作为基本组成单元的分支线电桥3dB定向耦合器其主波导长度均设置为2.000mm。

图2是分支线电桥太赫兹四路功分器的结构示意图，其结构是由上述的分支线电桥3dB定向耦合器采用两级级联的结构构成。在第一级的一个分支线电桥3dB定向耦合器的两个输出端口，采用波导弯头的结构，分别连接第二级的两个分支线电桥耦合器，连接处的波导弯头是中心对称的结构。则当一定的功率信号从第一级的输入端口①输入后，在第一级的分支线3dB定向耦合器中首先进行了一次分配，之后通过波导弯头进入到第二级的两个分支线电桥定向耦合器中进行二次分配，又从两个端口分别输出，最终，从端口①输入的信号被均等的分配到端口②、端口③、端口④、端口⑤。

如图2中所示，第一级的定向耦合器与第二级定向耦合器之间连接处的波导弯头，其转弯半径为0.53mm，在连接处的波导弯头之间有一小段直波导，其长度为0.300mm。第一级定向耦合器的两个端口与第二级的两个耦合器的输入端口连接，其结构是对称的，故结构参数也相同。

在第一级与第二级的总共三个分支线电桥3dB定向耦合器的隔离端口，采用波导弯头进行弯折抑制隔离端口的输出，如图2中所示，隔离端口的波导弯头，其转弯半径为0.344mm，通过波导弯头，隔离端口的端面旋转了180°，弯折后的波导与原主波导1保持平行。三个作为基本组成单元的分支线电桥3dB定向耦合器其隔离端口的波导弯头结构和尺寸均相同。

该四路功分器共有五个端口，其中，第一级的分支线电桥3dB定向耦合器的输入端口①作为整个四路功分器的输入端口，第二级的两个分支线电桥3dB定向耦合器分别有两个输出端口，总共四个输出端口，分别为端口②、端口③、端口④、端口⑤作为四路功分器的四个输出端口。功率分配的效果为，当一路功率信号从端口①输入后，在四个输出端口得到均等输出的功率信号，且其功率均为端口①输入信号的四分之一。

图3(a)是四路功分器的回波损耗参数曲线，可以看出，在330～390GHz的频率范围内，回波损耗小于-19dB，在378GHz附近达到-45dB，在中心频率360GHz附近，回波损耗低于-27dB，达到一般无源器件对于回波损耗的要求。

图3(b)是四路功分器的四个输出端口的S21，S31，S41，S51参数曲线，输出端口幅度在340～360GHz的频率范围内稳定平坦，输出误差小。各端口的输出幅度相对于输入端口①均下降6dB，即为输入端口幅度的四分之一，各端口输出相对于-6dB的偏差均小于0.2dB，输出幅度非常稳定，功率分配效果良好。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，包括：第一定向耦合器、第二定向耦合器及第三定向耦合器，其中第二定向耦合器的输入端和第三定向耦合器的输入端分别通过波导弯头与第一定向耦合器连通，功率信号从第一定向耦合器的第一输入端输入后，在第一定向耦合器的两个输出端均采用波导弯头，分别连接第二定向耦合器及第三定向耦合器的输入端，并在第一定向耦合器、第二定向耦合器及第三定向耦合器的隔离端口采用隔离波导弯头进行弯折，构成一路输入，四路输出的功分器结构。

2.根据权利要求1所述的分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器及第三定向耦合器具有同样的结构，均采用四分支线电桥3dB定向耦合器，包括两条主波导和四条分支线波导，两条主波导平行放置，四条分支线波导相互平行，且垂直放置于两条主波导之间，端面齐平并与主波导连接。

3.根据权利要求2所述的分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，所述主波导的宽度为0.280mm，四条分支线波导的宽度分别为0.108mm、0.677mm、0.677mm及0.108mm，分别为第一分支线波导、第二分支线波导、第三分支线波导、第四分支线波导，第一分支线波导与第二分支线波导的中心线之间的间距为0.339mm，第二分支线波导与第三分支线波导的中心线之间的间距为0.216mm，第三分支线波导与第四分支线波导的中心线之间的间距为0.339mm，两条主波导相互平行放置，四条分支线波导相互平行放置，四条分支线波导与主波导垂直且放置于两条主波导之间，端面齐平且与主波导连接，所以两条主波导之间的间距与分支线波导的长度相同，为0.312mm，主波导与分支线波导的高度均相同，且其高度为0.560mm，每一个作为基本组成单元的分支线电桥3dB定向耦合器其主波导长度均设置为2.000mm。

4.根据权利要求1-3之一所述的分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，所述波导弯头的转弯半径为0.53mm。

5.根据权利要求4所述的分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，所述第一定向耦合器的波导弯头与第二定向耦合器的波导弯头在连接处之间有一小段直波导，其长度为0.300mm，所述第一定向耦合器的波导弯头与第三定向耦合器的波导弯头在连接处也有一小段直波导，其长度为0.300mm。

6.根据权利要求1-3之一所述的分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，所述隔离端口的隔离波导弯头的转弯半径为0.344mm，通过隔离波导弯头，隔离端口的端面旋转了180°，弯折后的波导与原主波导保持平行，三个作为基本组成单元的分支线电桥3dB定向耦合器其隔离端口的隔离波导弯头结构和尺寸均相同。

7.根据权利要求1-3之一所述的分支线电桥太赫兹四路功分器，其特征在于，所述分支线电桥太赫兹四路功分器共有五个端口，其中，第一定向耦合器的输入端口①作为整个四路功分器的输入端口，第二定向耦合器及第三定向耦合器总共有四个输出端口，分别为端口②、端口③、端口④、端口⑤作为四路功分器的四个输出端口，当一路功率信号从端口①输入后，在四个输出端口得到均等输出的功率信号，且其功率均为端口①输入信号的四分之一。