CN107910627B - H面裂缝波导太赫兹定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，涉及太赫兹电路单元组件，耦合器核心耦合区由两条1/4圆环的矩形波导组成，其中一条为主波导，另一条为副波导，两条波导于窄边一侧的中间位置相交，形成一个波导H面的裂缝。在主副波导的两端，连接有特殊形状的弯折结构，以便于测试设备或其他器件与耦合器输入输出端口连接，四个端口处在一个正方形四个面的中心位置。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。

Description

H面裂缝波导太赫兹定向耦合器

技术领域

本发明属于太赫兹电路单元组件，具体而言，是一种H面裂缝波导太赫兹定向耦合器。

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过优越的特性，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。

太赫兹波耦合器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，因此有必要设计一种结构简单、尺寸小、功分性能优良、易于加工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耦合器结构复杂，输出误差大，导致太赫兹耦合器加工困难，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的问题。提出了一种H面裂缝波导太赫兹定向耦合器。本发明的技术方案如下：

一种H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，所述定向耦合器的核心耦合区包括主波导和副波导，所述主波导和副波导大小形状完全相同，所述主波导和副波导呈中心对称的耦合相连，所述主波导和副波导的截面包括一个1/4圆环，所述主波导和副波导的截面耦合连接处形成一个波导H面的裂缝，在主副波导的两端连接有弯折结构，弯折结构用于测试设备或其他器件与耦合器的输入输出端口连接，主波导和副波导总共四个端口，其端口截面分别位于一个正方形各条边的中心位置，当主波导的输入端口输入电磁波时，主波导的直通端口输出一半的能量，在理想情况下，当主波导的输入端口输入电磁波时，主波导的直通端口输出一半的能量，通过H面的裂缝耦合，副波导的输出端口输出另外一半的能量。

进一步的，当定向耦合器为工作在370GHz的3dB耦合器时，主波导和副波导的宽边，即图2所示俯视平面一侧(矩形波导的E面)为0.56mm。主波导和副波导的窄边宽度，即主副波导相交正面(矩形波导的H面)处的宽度为0.28mm。所述1/4圆环形状的矩形波导，其内半径为7.44mm，外半径为8mm。

进一步的，所述主波导和副波导的中心位置相交，形成一个H面的裂缝，所述裂缝的宽度为0.86mm。

进一步的，所述弯折结构分为三段，第一段是直接与圆环结构相连的直波导，其长度为1mm，第二段是与第一段夹角呈135°的直波导，其长度为2.51mm，第三段是与第一段平行的直波导，其长度也为2.51mm。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明耦合机制是相位迭加原理，从主波导输入端口输入的电磁波，通过裂缝向副波导的耦合端和隔离端传播，在耦合端口，各电磁波分量传输的距离相同，因此相位相同，得到正向迭加，在隔离端口，由于裂缝在传播方向上有一定距离，各电磁波分量绕射过裂缝后到达隔离端口的距离不同，传播距离相差半个波长的电磁波分量相位相反，在隔离端口相消。使得在副波导耦合端口输出的电磁波相位相同得到增强，而在隔离端口输出的电磁波相位相反被削弱。从而达到把一部分能量耦合到副波导耦合端的目的。

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、该耦合器输出误差更小，耦合性能更加稳定。

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耦合器三维结构示意图

图2耦合器俯视平面尺寸结构示意图

图3耦合器加工实物下半部分示意图

图4耦合器加工实物上半部分示意图

图5耦合器仿真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：

本实施例以工作在370GHz的3dB耦合器为例，图1是该耦合器三维结构图，主要包括两条1/4圆环的矩形波导以及在输入输出端口处的弯折结构，两条波导任一条定义为主波导时，另一条则为副波导。主副波导在中心位置处相交，形成波导H面的裂缝，使得主波导输入的电磁波能够通过裂缝耦合到副波导中。

图2是工作在370GHz的3dB耦合器结构的具体尺寸示意图。所述主副波导的宽边即E面宽度为0.56mm，窄边宽度即H面为0.28mm。所述1/4圆环形状的矩形波导，其内半径为7.44mm，外半径为8mm。

主副波导的中心位置相交，形成一个H面的裂缝，裂缝的宽度为0.86mm。

所述端口处的弯折结构是指1/4圆环的端口处的延伸结构，其作用是为了方便与其他器件或测试设备进行连接，四个端口处的弯折结构均相同。弯折结构分为三段，第一段是直接与圆环结构相连的直波导，其长度为1mm，第二段是与第一段夹角呈135°的直波导，其长度为2.51mm，第三段是与第一段平行的直波导，其长度为2.51mm。

图3和图4给出了上述耦合器的一种具体加工方案。如图3所示，在一块长、宽、高分别为20mm、20mm、10.14mm的方块的正面刻蚀出以上所述耦合器结构，形成凹槽。方块的材料可以选择铜或其他电导率较高的金属。图4是加工的耦合器上半部分，是一块长、宽、高分别为20mm、20mm、9.86mm的方块。将这两片金属结构的正方形面组合在一起，就在中间所夹的部分形成了上述耦合器结构的空腔，四个端口分别位于正方形四个边的中心位置。

为了便于两片金属结构的组合装配，以及与测试设备的连接，其四个面上均有圆柱形通孔，通孔的位置和大小需要根据所连接设备的具体尺寸所确定。

耦合器总共有四个端口，当主波导的输入端口输入电磁波时，主波导的另一端口即直通端口输出一半的能量，与输入端口处在相对面的耦合端口，输出幅度也是输入端口的一半。

图5是该耦合器的S参数曲线，可以看出，在340～400GHz的频率范围内，回波损耗小于-10dB，在357GHz附近达到-50dB，在中心频率370GHz附近，回波损耗低于-25dB，达到一般无源器件对于回波损耗的要求。在360～400GHz的频率范围内，耦合器的S21与S31参数稳定在-3dB附近，耦合器输出幅度稳定，输出误差小。

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 (4)

1.一种H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，所述定向耦合器的核心耦合区包括主波导和副波导，所述主波导和副波导大小形状完全相同，其特征在于：所述主波导和副波导呈中心对称的耦合相连，所述主波导和副波导的截面包括一个1/4圆环，所述主波导和副波导的截面耦合连接处形成一个波导H面的裂缝，在主副波导的两端连接有弯折结构，弯折结构用于测试设备或其他器件与耦合器的输入输出端口连接，主波导和副波导总共四个端口，四个端口截面分别位于一个正方形定向耦合器各条边的中心位置，在理想情况下，当主波导的输入端口输入电磁波时，主波导的直通端口输出一半的能量，通过H面的裂缝耦合，副波导的输出端口输出另外一半的能量。

2.根据权利要求1所述的H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，其特征在于：当定向耦合器为工作在370GHz的3dB耦合器时，主波导和副波导的宽边，即矩形波导的E面为0.56mm，主波导和副波导的窄边宽度，即矩形波导的H面处的宽度为0.28mm，所述1/4圆环形状的矩形波导，其内半径为7.44mm，外半径为8mm。

3.根据权利要求2所述的H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，其特征在于：所述主波导和副波导的中心位置相交，形成一个H面的裂缝，所述裂缝的宽度为0.86mm。

4.根据权利要求1-3之一所述的H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，其特征在于：所述弯折结构分为三段，第一段是直接与圆环结构相连的直波导，其长度为1mm，第二段是与第一段夹角呈135°的直波导，其长度为2.51mm，第三段是与第一段平行的直波导，其长度也为2.51mm。