CN107317074A - 一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器 - Google Patents
一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器，该双工器包括：吸波腔体、极化隔离器、两个极化变换器、一对收发互易喇叭天线及一对天线支架，其中两个极化变换器分别工作于不同的频段；吸波腔体是一外部形状为T字型的波导腔体；极化隔离器的其一侧设有带金属线光栅的薄膜；极化隔离器固定于吸波腔体内的水平段与垂直段相贯处，并与水平段呈45度夹角；极化变换器两侧表面贴有薄膜，每一薄膜外表面上设有周期性金属单元阵列，金属单元为一贯穿薄膜表面的长方形金属薄片，相邻两个长方形金属薄片之间均匀设有一排正方形金属薄片；两个极化变换器均倾斜一定角度固定于吸波腔体的水平段内。本发明能够很好解决同频点信号的收发隔离的问题。
Description
技术领域
本发明属于雷达及通信技术领域，具体涉及一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器。
背景技术
在无线系统中，发射机工作于超高功率，而接收机则工作于超低功率，当需要收发信息在同一地点完成时，如何保证发射机功率不进入接收机使接收机烧毁，是保证系统正常工作的必要条件，实现这一功能的器件成为双工器。低频微波波段的双工器形式主要有波导双工器、同轴双工器、介质双工器、声表面波(Surface Acoustic Wave-SAW)双工器、微带双工器等，然而上述形式的双工器受限于制造工艺在太赫兹波段是极难实现的，目前现有实用波导型双工器也仅在110GHz左右，进入厘米波频段应用较多的环形器实现收发隔离，且结合铁氧体的研究和应用是该微波技术近来的一大突破。环形器应用了1/4波长的微波传输线原理，十分依赖于工作波长，因此带宽较窄，但是仍无法应用在毫米波及亚毫米波波段。目前，南京55所应用MEMS技术制作的双工器最高工作频段为60-90GHz。
针对太赫兹频段电磁波，波长进入毫米及微米量级，上述双工器的制作是十分有难度的。因此近年来国内外提出了很多基于准光学的方法来制造在太赫兹频段的双工器。主要类型有：基于光学分束器的收发隔离，该方法虽然简单易行成本低,但是信号通路传输损耗大，隔离度较低；基于法拉第旋转片出射波为线极化的准光型双工器，但是随着频率的升高由法拉第极化旋转片带来的损耗将加大，隔离度一般最大在40dB左右，出射波为线极化，照射复杂物体时回波信噪比较低；基于反射型极化变换器和透射性极化变换器的准光型双工器，其中基于反射型极化变换器的准光型双工器突出优点是传输损耗低隔离度高，但是其工作带宽较窄，对摆放角度和电磁波入射角具有较高要求，基于透射性极化变换器的准光型双工器可有效克服这些缺点，但是高性能透射型极化变换器的设计和加工在毫米波及太赫兹频段难度较大，且由于器件特征尺寸较小，有效吸波材料的缺乏，非常容易在器件的边缘产生电磁波的绕射。340GHz和450GHz频段作为大气窗口，自由空间传输损耗较小因此在未来的高速率太赫兹通信中最具有应用潜力，而高性能太赫兹器件的发展是太赫兹技术实际应用的关键。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器，能够不仅解决现有技术中在同频点信号的收发隔离问题，由于所设计的双工器除极化变换器外，其他器件在两个频段通用，大大的降低了器件成本。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器，该双工器包括：吸波腔体、极化隔离器、两个极化变换器、一对收发互易喇叭天线及一对天线支架，其中两个极化变换器分别工作于340GHz和450GHz；
所述吸波腔体是一外部形状为T字型的波导腔体，腔体内部形状与外部形状相同；所述极化隔离器是一椭圆形金属垫片，其一侧设有带金属线光栅的薄膜；所述极化隔离器固定于吸波腔体内的水平段与垂直段相贯处，并与水平段呈45度夹角；所述极化变换器是一圆形金属垫片，其两侧表面贴有薄膜，每一薄膜外表面上设有周期性金属单元阵列，所述金属单元为一贯穿薄膜表面的长方形金属薄片，相邻两个长方形金属薄片之间均匀设有一排正方形金属薄片，两个极化变换器上长方形金属薄片与正方形金属薄片的尺寸不同；两个极化变换器均倾斜一定角度固定于吸波腔体的水平段内；所述天线支架中的一个固定于吸波腔体垂直段的顶端，另一个固定于吸波腔体水平段的一端；所述喇叭天线固定于天线支架上。
进一步地，本发明所述极化变换器倾斜的角度处于5°-20°之间，较佳选取为15°。
进一步地，本发明所述极化隔离器一侧金属薄膜上的金属光栅为：周期小于工作波长的占空比为0.5的金属线栅结构；较佳选取极化隔离器的金属栅条宽为10um，周期为20um。
进一步地，本发明所述极化隔离器一侧金属薄膜采用聚酰亚胺衬底，薄膜的厚度为10um。
进一步地，本发明所述极化变换器为透射型极化变换器，所述极化变换器两侧薄膜采用聚酰亚胺衬底，薄膜的厚度为5um。
进一步地，本发明所述聚酰亚胺衬底为液态聚酰亚胺溶液通过在硬质基片表面旋涂固化得到。
进一步地，本发明所述周期性金属单元阵列的材料采用铝，厚度为500nm。
进一步地，本发明工作在340GHz极化变换器的长方形金属薄片宽为116um，周期为457um，正方形金属薄片宽为136um，周期为261um。
进一步地，本发明工作在450GHz极化变换器的长方形金属薄片宽为90um，周期为352um，正方形金属薄片宽为96um，周期为184um。
有益效果：
1、本发明吸波腔体的设计使得信号传输路径短，且发射通道和接收通道共用，节省了材料和提高了效率。
2、本发明在吸波腔体内设置极化隔离器的设计，可同时工作在340GHz和450GHz，在提高隔离度的同时减少了电磁波的多径效应。
3、本发明吸波腔体、天线支架及收发天线共同形成波导型器件，在小型化基础上大大的减小了器件本身的质量，更加适合于航天及航空系统中的应用，同时本发明中将收发天线利用天线支架和吸波腔体集成在一起，解决了在太赫兹波段微组装的难题。
4、本发明不仅应用频率高、应用带宽大，而且传输损耗小，其中关键器件极化隔离器和极化变换器的选材和结构设计满足了340GHz高频设备的应用,且在325GHz-355GHz和430GHz-470GHz频段内皆有较高性能。
5、本发明吸波腔体中极化变换器放置位置与吸波腔体中轴线具有一个小角度，在角度较小时增加了器件的隔离度，且对传输损耗影响较小；同时，本发明通过公用极化隔离器和吸波腔体，极大地降低了器件成本和实用的灵活性。
6、本发明相对传统双工器而言，在同频点、同频带内均能提供高隔离度。
附图说明
图1为本发明基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器腔体的剖视图；
图2为本发明基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器的三维示意图(包含了天线支架和天线)；
图3为极化变换器周期性金属单元阵列的结构示意图；
图4为本发明实施例的基于薄膜型器件的340GHz和450GHz宽带双工器中薄膜示意图；
图5为本发明实施例双工器在340GHz两正交极化电场方向传输损耗测试图；
图6为本发明实施例双工器在340GHz宽带隔离度实测结果；
图7为本发明实施例双工器450GHz两正交极化电场方向传输损耗测试图；
图8为本发明实施例双工器450GHz宽带隔离度实测结果。
其中，1-吸波腔体，2-极化隔离器，3-极化变换器，31-周期性金属单元，32-正方形金属薄片。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供一种基于薄膜型器件340GHz和450GHz宽带双工器，如图1和图2所示，该双工器包括吸波腔体1、极化隔离器2、两个极化变换器3、一对收发互易喇叭天线4和一对天线支架5，两个极化变换器分别工作在340GHz和450GHz两个频段；所述吸波腔体1是一外部形状为T字型的波导腔体，腔体内部形状与外部形状相同；所述极化隔离器2是一椭圆形金属垫片，其一侧设有带金属线光栅的薄膜，所述极化隔离器固定于吸波腔体1内的水平段与垂直段相贯处，并与水平段呈45度夹角；所述极化变换器3是一圆形金属垫片，其两侧表面贴有薄膜，每一薄膜外表面上设有周期性金属单元31阵列，所述金属单元31为一贯穿薄膜表面的长方形金属薄片，相邻两个长方形金属薄片之间均匀设有一排正方形金属薄片32，如图3所示，两个极化变换器上长方形金属薄片与正方形金属薄片的尺寸不同；两个极化变换器均倾斜一定角度固定于吸波腔体的水平段内；所述天线支架中的一个固定于吸波腔体垂直段的顶端，另一个固定于吸波腔体水平段的一端；所述喇叭天线固定于天线支架上。
本实施例天线支架通过波导端口与吸波腔体固定，且另一个天线支架固定于吸波腔体水平段靠近极化隔离器的一端上。
本实施例中极化变换器倾斜一定的角度(即与吸波腔体中轴线之间形成一个小角度)，随着角度的增加可增加器件的隔离度，但是角度过大会增加该双工器的传输损耗，因此本实例中该角度处于5度-20度的角度范围内，较佳为为15度。
本实例吸波腔体1采用波导型模块，内部电磁波传输通道为直径约30mm的内腔；为了降低金属腔体四周电磁波的多径反射，采用北矿磁材有限公司铁氧体吸波材料BMA-RD对波导腔内表面进行贴装，即内部表面贴装一层BMA-RD铁氧体吸波材料。
本实例极化隔离器2一侧的金属薄膜上的光栅为周期远小于工作波长的占空比为0.5的金属线栅结构，能够实现很好的隔离效果；本发明极化隔离器设计为宽带器件，可同时工作在340GHz和450GHz。
本实施例周期性金属单元阵列采用铝；周期性金属单元阵列的厚度为500nm，大于工作频段的三倍趋肤深度。其中工作在340GHz的极化变换器其正方形金属薄片宽为136um，长方形金属薄片宽为116um，其周期为457um*261um；工作在450GHz的极化变换器其正方形金属薄片宽为96um，长方形金属薄片宽为90um，周期性金属单元的周期为352um*184um。
本实施例极化变换器3为透射型极化变换器，极化隔离器2和极化变换器3上的薄膜采用超薄聚酰亚胺衬底，该聚酰亚胺衬底为液态聚酰亚胺溶液通过在硬质基片如玻璃片、硅片等表面旋涂固化得到，极化隔离器中薄膜的厚度均为10um，极化变换器中薄膜的厚度为5um。
利用本发明基于薄膜型器件340GHz和450GHz宽带双工器，若发射天线发射电磁波为垂直线极化波，极化隔离器能够顺利通过发射的垂直线极化波，且传输损耗维持在低于0.5dB水平；对接收天线而言(其极化方向与发射天线相互垂直)，水平极化分量的发射波会在极化隔离器位置被隔离掉大部分功率，该器件能满足发射天线波束中心功率密度与进入接收天线功率密度之比维持在43dB以上。发射通路中，极化变换器可以把发射端垂直线极化波变换为圆极化波(假设极化方向为左旋)，当发射波照射到探测目标，形成逆向圆极化回波，此时该圆极化波旋向方向与发射圆极化波相反，即右旋圆极化波。该右旋圆极化波由极化变换器再次变成线极化波，此时回波为水平线极化波(即回波与发射线极化波相互正交)。回波在极化隔离器处表现为反射形式，进入接收天线且反射损耗很小。此时接收通道接收的目标回波信号能量本就相对很低，对发射通道造成影响基本可忽略不计，本发明双工器在在340GHz和450GHz两正交极化电场方向传输损耗测试图如图5和图7所示；本发明双工器在340GHz和450GHz隔离度测试图如图6和图8所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，该双工器包括：吸波腔体、极化隔离器、两个极化变换器、一对收发互易喇叭天线及一对天线支架，其中两个极化变换器分别工作在340GHz和450GHz；
所述吸波腔体是一外部形状为T字型的波导腔体，腔体内部形状与外部形状相同；所述极化隔离器是一椭圆形金属垫片，其一侧设有带金属线光栅的薄膜；所述极化隔离器固定于吸波腔体内的水平段与垂直段相贯处，并与水平段呈45度夹角；所述极化变换器是一圆形金属垫片，其两侧表面贴有薄膜，每一薄膜外表面上设有周期性金属单元阵列，所述金属单元为一贯穿薄膜表面的长方形金属薄片，相邻两个长方形金属薄片之间均匀设有一排正方形金属薄片，两个极化变换器上长方形金属薄片与正方形金属薄片的尺寸不同；两个极化变换器均倾斜一定角度固定于吸波腔体的水平段内；所述天线支架中的一个固定于吸波腔体垂直段的顶端，另一个固定于吸波腔体水平段的一端；所述喇叭天线固定于天线支架上。
2.根据权利要求1所述一种基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，所述天线支架通过波导端口与吸波腔体固定，且另一个天线支架固定于吸波腔体水平段靠近极化隔离器的一端上。
3.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，所述极化变换器倾斜的角度处于5°-20°之间。
4.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，极化变换器倾斜的角度为15°。
5.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，所述极化隔离器一侧金属薄膜上的金属光栅为：周期小于工作波长的占空比为0.5的金属线栅结构。
6.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，所述极化隔离器一侧金属薄膜采用聚酰亚胺衬底，薄膜的厚度为10um；极化变换器为透射型极化变换器，所述极化变换器两侧薄膜采用聚酰亚胺衬底，薄膜的厚度为5um；所述聚酰亚胺衬底为液态聚酰亚胺溶液通过在硬质基片表面旋涂固化得到。
7.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，所述周期性金属单元阵列的材料采用铝，厚度为500nm。
8.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，工作在340GHz极化变换器的长方形金属薄片宽为116um，周期为457um，正方形金属薄片宽为136um，周期为261um。
9.根据权利要求1所述基于薄膜型器件的340GHz和450GHz双工器，其特征在于，工作在450GHz极化变换器的长方形金属薄片宽为90um，周期为352um，正方形金属薄片宽为96um，周期为184um。
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| XUETIAN WANG ET AL: "Quasi-optical duplexer in 220GHz", 《2010 INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROWAVE AND MILLIMETER WAVE TECHNOLOGY》 * |
| 张盟，等: "一种500GHz基于加载电容电感效应的反射型极化变换器", 《2017年全国微波毫米波会议论文集（中册》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107317074B (zh) | 2019-10-22 |
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