CN110797619A

CN110797619A - 太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器

Info

Publication number: CN110797619A
Application number: CN201910998908.9A
Authority: CN
Inventors: 孙岩; 程伟; 孔月婵; 陈堂胜
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-02-14

Abstract

本发明公开了太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，属于基本电气元件的技术领域。该平面空间功率合成功分器包括：合路端口，平面空间功率合成结构，有N个输出引线的分路端口。其中，平面空间功率合成结构包括：一段梯形结构和一段矩形等相位校准结构。合路端口的宽度保持与输入端口的宽度一致，通过优化平面空间功率合成结构中梯形结构的长度和宽度，可以进行阻抗匹配。本功率合成结构的N个输出端口在不需要隔离电阻的情况下拥有高隔离度，克服了威尔金森功分器在太赫兹频段由隔离电阻造成的寄生效应影响和传输损耗，可以兼容无电阻参与的电路设计，在太赫兹频段拥有良好的功率合成效果，设计过程简洁。

Description

太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器

技术领域

本发明公开了太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，涉及太赫兹器件，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

太赫兹覆盖100 GHz到10THz的频谱范围，波长范围为3毫米～30微米，兼有红外线和微波的一些特点。太赫兹的频谱范围与微波相比更宽，信息容量更大，适用于高速大容量通信。太赫兹的辐射信噪比高，能穿透多种有机、无机材料，衰减小，适合用于高质量成像，并且太赫兹的辐射能小，可以作为更为安全的人体检查频段。

功率合成功分器被广泛地应用在太赫兹单片电路中，太赫兹单片电路包括太赫兹放大器、倍频器、混频器、信号收发系统等，太赫兹电路在通信、雷达、检测、射电天文学和医学方面具有重要的应用前景。

太赫兹单片电路目前可用的功率合成功分器受到工艺的限制，往往难以加入传统功率合成结构所需要的隔离电阻。加入隔离电阻的标准威尔金森功分器在太赫兹频段会引入较大的传输损耗；而不加入隔离电阻的传统分支线功分器隔离度非常差，往往低于6dB，在大部分的功率电路中都会导致低下的成品率；基于切比雪夫函数设计的切比雪夫功分器则主要依靠电路设计软件优化迭代，专门针对特定工艺和电路型式，缺乏易用的设计方法，设计周期长。研制太赫兹频段性能优异并且方便工艺实现的功率合成结构具有重大意义。

本发明设计的无隔离电阻平面空间功率合成结构功分器，可以免除隔离电阻，是基于惠更斯原理的准光学结构，结合太赫兹波兼具微波和光波两方面的特点研制，可以有效的应用在太赫兹单片设计中，大幅提高功率合成效率和单片电路成品率。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，在太赫兹频段通过无隔离电阻的平面空间功率合成功分器提高了功率合成效率和单片电路的成品率，解决了威尔金森功分器因隔离电阻造成衰减和寄生影响以及分支线功分器由于低隔离度导致电路失效的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明的总体思路：根据基本惠更斯原理，即球形波面上的每一点（面源）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后，每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面，那么在太赫兹电路中的平面传输结构中，可以通过模拟准光学电路元件将平面波的等相位面均匀地布置在功分器的分路端口，直接利用等波面相互之间没有多余干扰的特性完成功率等分以及合成。所设计的功率合成功分器不需要隔离电阻也可以在太赫兹频段获得理想的隔离度。

合路端口的宽度保持与输入端口的宽度一样，输入输出端口的特性阻抗均为Z0。平面空间功率合成结构采用一段梯形结构，以及一截较短的分路端口微带线作等相位调整用，分路端口微带线的特性阻抗为Z0/N，调整梯形结构的长度宽度可以进行阻抗匹配。N个分路端口输出引线应均匀的分布在分路端口微带线的一端。

为了取得更好的效果，在上述技术方案的基础上本发明还进一步采取了以下技术措施：梯形结构A的长度优化在中心频率的四分之一波长附近，可以取得最佳的阻抗匹配效果。传输线可以是微带传输线、带状传输线或共面波导传输线。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明的太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在不需要隔离电阻的情况下，在太赫兹频段拥有优异的隔离度，适合于各种太赫兹单片电路设计应用。

（2）本发明的太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器仅需调整分路端口的特性阻抗便可以适用于一分二，一分三直至一分多的功率合成应用。

（3）本发明的太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器由于仅采用顶层金属完成主要电路，不引入电阻损耗，无寄生引线损耗，合成效率高。

（4）本发明的太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器的电路一致性优于传统的单片电路功率合成结构（如威尔金森功分器）。

（5）本发明的太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器设计简洁，成本低廉。

附图说明

图1是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器适用的单片电路设计环境示意图。

图2是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器示意图。

图3-1是本发明设计的三等分功率合成结构模型示意图。

图3-2是本发明设计的三等分功率合成功分器仿真S参数结果，由上到下分别为损耗、隔离度和驻波。

图4-1是本发明设计的四等分功率合成功分器模型示意图。

图4-2是本发明设计的四等分功率合成功分器仿真S参数结果，由上到下分别为损耗，隔离度和驻波。

图5-1是本发明设计的六等分功率合成功分器模型示意图。

图5-2是本发明设计的六等分功率合成功分器仿真S参数结果，由上到下分别为损耗，隔离度和驻波。

图6是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在设计四等分功率合成结构时的等相位面仿真图。

图7是利用本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器实现的背靠背四等分功率合成/分配器的S参数测试结果，背靠背结构如图6所示。

图8是利用本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器实现的四路功率合成太赫兹单片实物照片，利用本发明实现的功率合成太赫兹单片取得了良好的性能。

附图标记说明：A、梯形结构；B、相位校准结构；1、合路端口；2、第一分路端口；3、第二分路端口；4、第三分路端口；5、第四分路端口；6、第五分路端口；7、第六分路端口。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的新型结构的功分器，适用于如图1所示的单片电路设计环境中，其特点是至少有两层金属层和一层介质层，顶层金属层作为功率合成功分器，底层金属层作为电路参考地。功率合成功分器包括合路端口，平面空间功率合成结构，有N个输出引线的分路端口（N≥2）。其中，平面空间功率合成结构包括一段梯形结构A和一段矩形等相位校准结构B。

如图2所示，本发明提供的一种太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器，包括合路端口，平面空间功率合成结构（包括梯形结构和相位校准微带线结构）以及N个分路端口（N≥2）。梯形结构的长度在中心波导波长的四分之一左右，相位校准结构采用宽微带线形式，其特征阻抗为输入端口特征阻抗的N分之一。N个分路端口均匀的排布在相位校准结构之后。

如图3-1所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在三等分功率合成器上的实施例，三等分功率合成结构包含合路端口1，平面空间功率合成结构（包括梯形结构和相位校准结构）以及三个分路端口（第三分路端口4、第四分路端口5、第五分路端口6）。

如图3-2所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在三等分功率合成器上的实施例的S参数仿真结果，仿真结果表明损耗为5.2dB，隔离度为9.4dB，在比较宽的频率范围内驻波良好。

如图4-1所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在四等分功率合成器上的实施例，四等分功率合成结构包含合路端口1，平面空间功率合成结构（包括梯形结构和相位校准结构）以及四个分路端口（第一分路端口2、第二分路端口3、第三分路端口4、第四分路端口5）。

如图4-2所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在四等分功率合成器上的实施例的S参数仿真结果，仿真结果表明损耗为6.5dB，隔离度为12dB，在比较宽的频率范围内驻波良好。

如图5-1所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在六等分功率合成器上的实施例，六等分功率合成结构包含合路端口1，平面空间功率合成结构（包括梯形结构和相位校准结构）以及六个分路端口（第二分路端口3、第三分路端口4、第四分路端口5、第五分路端口6、第六分路端口7）。

如图5-2所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在六等分功率合成器上的实施例的S参数仿真结果，仿真结果表明损耗为8.3dB，隔离度为12.9dB，在比较宽的频率范围内驻波良好。

如图6所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在四等分功率合成器上的实施例的等相位仿真结果，可以发现在相位校准结构部分已经实现了良好的等相位效果。为了电路设计方便，在分路端口后面增加了四条等长度的传输线，仅作为方便与其他电路连接用。

如图7所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在四等分功率合成器上的实施例的背靠背功分器实物测试结果，实物结果背靠背损耗小于2.3dB，驻波良好。

如图8所示，是本发明太赫兹无隔离电阻平面空间功率合成功分器在四等分功率合成器上的实施例实际应用于功率合成电路，电路取得了优异的性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，其特征在于，包括：合路端口，平面空间功率合成结构和有N个输出引线的分路端口，所述平面空间功率合成结构包括一段模拟平面棱镜的梯形结构传输线和一段用于相位校准的矩形传输线，所述梯形结构传输线的上底边为从合成端口接收信号的输入端口，梯形结构传输线的下底边为向矩形传输线传输信号的输出端口，有N个输出引线的分路端口均匀分布在矩形传输线的信号输出端。

2.根据权利要求1所述太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，其特征在于，所述平面空间功率合成功分器制备于包含至少两层金属层和一层介质层的单片电路上，合路端口，平面空间功率合成结构和有N个输出引线的分路端口制备于顶层金属层，底层金属层为电路参考地。

3.根据权利要求1所述太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，其特征在于，所述梯形结构传输线的长度数值在中心频率的四分之一波长附近。

4.根据权利要求1所述太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器，其特征在于，所述传输线为微带传输线、带状传输线或共面波导传输线。

5.权利要求1所述太赫兹单片电路无隔离电阻平面空间功率合成功分器的阻抗匹配方法，其特征在于，保持合成端口的宽度与梯形结构传输线的输入端口的宽度一致，调节梯形结构传输线的长度直至阻抗匹配效果最佳。