CN114171862B - 一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，包括矩形波导定向耦合器和偶数个结构完全相同的插入式微结构，所述矩形波导定向耦合器共有四个端口，分别为输入端口、输出端口、第一反射端口和第二反射端口，偶数个插入式微结构插入矩形波导内，并分别位于第一反射端口和第二反射端口处，所述插入式微结构包括基底、以及设于基底上的插入金属结构、金属条结构、砷化镓变容二极管、接地金属结构以及馈电金属结构。本发明可以提供连续动态的太赫兹相位调控，同时保持较低的插入损耗。
Description
技术领域
本发明涉及使用于太赫兹波段的动态相位调制器件，具体涉及一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，属于电磁功能器件技术领域。
背景技术
太赫兹波是频率范围处于0.1THz～10THz范围内的电磁波，太赫兹波的频率在毫米波之上，红外之下，后两者已经得到了较为成熟地开发，而前者至今仍处于研究的前沿。其对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学等学科的发展具有推动作用，并且在高速通信、高精密成像、生物检测技术、外太空空间技术、雷达技术、高科技反恐等领域表现出了巨大的潜在利用价值，是二十一世纪必须占领的技术高地。
雷达在国防建设和国民经济建设方面有重要作用。其在国防中充当着战斗机以及导弹的眼睛，当战机进行交战时，必须使用雷达对对方战机进行位置的探测，当需要对敌方进行武装打击时，更需要雷达对导弹进行制导，所以说没有雷达就不可能成功构建现代战争体系。在民航、船舶、车辆系统中，我们使用雷达对交通工具的航行状态进行确认，指导交通工具的航行，确保航行的安全，所以在建设现代化交通体系时更离不开雷达的使用。
而在传统雷达系统中，雷达发射天线需要进行机械旋转，以达到多方位扫描效果，这种方式需要复杂的机械结构和馈电系统，以及庞大的天线单元，且其扫描速率受机械运动的限制导致速率大幅度下降。这时我们必须使用相控阵天线系统构建相控阵雷达，相控阵天线无需机械运动即可控制波束的指向，也可实现全方位的波束扫描，其增大了雷达的作用范围，同时能更有效地探测高速、机动目标。太赫兹雷达作为一种新型雷达，其具有尺寸小，高速率，集成性高的特点，但是其核心部分之一的太赫兹动态相位调制器一直处于尚待开发状态。
在通信系统中，我们常用相移键控的方式对载波进行调制编码，首先将传播的信息编码形成调制信号，再利用调制信号使载波的相位进行移动，使不同的单位时间内(调制信号单周期内)相位产生差值，然后通过相干解调或差分相干解调的方式对差值进行区分，最后得到携带信息的解调信号。这种编码方式不仅有效地提升了信息传输的速率，而且在抗噪声性能上也具有很大的优势。在太赫兹通信中，我们的通信速率要求有了极大的提高，甚至在理论上可达1Tbps的传输速率，而通过相移键控的通信方式达到这个目标的可行性极高，其核心部分也同样是太赫兹动态相位调制器，由于该核心器件尚待开发，所以太赫兹动态相位调制器的研究也就愈发地紧迫了。
针对通信和雷达系统领域的相关相位调制技术的需求，精确的相位控制及连续可调的动态相位调制器件成为了研究的热门。动态可调的太赫兹相位调制器件通常基于金属结构和电磁特性可变材料研制而成，其动态变化需要外界条件的刺激如热源、电场、激光等。通过外界刺激对金属结构中电磁特性可变材料进行控制，可以改变其电导率、电容、电阻、等效介电常数等电磁特性，从而达到对太赫兹波相位调制进行动态控制的目的。
砷化镓变容二极管是一种使用砷化镓材料作为基底制作而成的肖特基变容二极管，在对二极管的阳极加正向电压时，砷化镓变容二极管处于导通状态。在对二极管的阳极加反向电压时，砷化镓变容二极管处于断开状态，这时通过改变反向电压的大小，可以控制砷化镓变容二极管管芯中的电容值，这为太赫兹相位调制器件的动态控制提供了基础。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种能精确控制相位连续变化、相位变化度数大及相位变化线性度高的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，包括矩形波导定向耦合器和偶数个结构完全相同的插入式微结构，所述矩形波导定向耦合器共有四个端口，分别为输入端口、输出端口、第一反射端口和第二反射端口，偶数个插入式微结构插入矩形波导内，并分别位于第一反射端口和第二反射端口处，所述插入式微结构包括基底、以及设于基底上的插入金属结构、金属条结构、砷化镓变容二极管、接地金属结构以及馈电金属结构，所述金属条结构包括两个同向设置的第一金属条和第二金属条，第一金属条和第二金属条之间设有间隔，所述砷化镓变容二极管安装在第一金属条和第二金属条上，其中砷化镓变容二极管的负极与第一金属条连接，砷化镓变容二极管的正极与第二金属条连接，所述插入金属结构和接地金属结构与第一金属条连接，馈电金属结构与第二金属条连接，所述插入式微结构通过馈电金属块输入的调制信号实现太赫兹波的相位调制。
进一步地，所述矩形波导定向耦合器由两段平行的矩形波导组成，两段平行的矩形波导通过开孔进行耦合，矩形波导定向耦合器的输入端口与第一反射端口直接连接，与第二反射端口通过开孔耦合连接，矩形波导定向耦合器的输出端口与第二反射端口直接连接，与第一反射端口通过开孔耦合连接。
进一步地，所述插入式微结构中的插入金属结构的长度与宽度，以及形状可调，以得到所需的相位调制性能。
进一步地，所述插入式微结构中的第一和第二金属条结构的尺寸以及形状可调，以得到所需的相位调制性能。
进一步地，所述插入式微结构中的砷化镓变容二极管共计M个，1≤M≤8，M个砷化镓变容二极管平行放置，以得到所需的相位调制性能。
进一步地，所述插入式微结构共计N个，2≤N≤8，以实现相位调制范围的扩大。
进一步地，所述插入式微结构的基底材料为蓝宝石、二氧化硅、高阻硅、砷化镓或碳化硅。
进一步地，所述插入式微结构的金属材料为Au、Ag、Cu、或Al。
本发明的工作机理是：太赫兹波通过矩形波导定向耦合器的输入端口输入，经过开孔耦合后分成功率相同、相位差为90度的两份太赫兹波到达两个反射端口的插入式微结构上；利用插入式微结构的馈电金属块输入调制信号，使得砷化镓变容二极管的通断状态以及电容值发生变化，进而改变反射端口的阻抗值和反射系数相位角，最终两个反射波耦合合成后，通过输出端口将调制后的太赫兹波进行输出。
本发明将设有砷化镓变容二极管的微结构插入矩形波导定向耦合器中，通过外部馈电调节插入式微结构中砷化镓变容二极管的通断状态以及电容值，改变反射端口的阻抗值和反射系数相位角，两个反射波耦合合成后通过输出端口输出，最终实现太赫兹波的动态相位调制。本发明在实现精确相位连续动态调制的同时，插入损耗低于6.3dB，在动态调制相位的同时保证了较好的工作性能，此外由于本发明可通过改变插入式微结构中的插入金属结构的长度、宽度，形状，以及第一和第二金属条结构的尺寸、形状和砷化镓变容二极管的数量来得到所需的相位调制性能，因此调制功能使用方便且速度快。
本发明加工工艺成熟(可用激光刻蚀、细微加工手段实现)，且制作、使用方便，可工作于常温常压的环境下，具有很好的应用潜力与前景。
附图说明
图1为本发明的立体结构图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明实施例所述插入式微结构的主视图。
图4为本发明实施例的S参数图。
图5为本发明实施例的相位曲线图。
图中标记：1-矩形波导定向耦合器，11-输入端口，12-输出端口，13-耦合开孔，14-第一反射端口，15-第二反射端口，2-插入式微结构，21-基底，22-插入金属结构，23-第一金属条结构，24-第二金属条结构，25-砷化镓变容二极管，26-接地金属结构，27-馈电金属结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
实施例
如图1、图2所示，本实施例提供的一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器包括矩形波导定向耦合器1和两个结构完全相同的插入式微结构2，所述矩形波导定向耦合器1由两段平行的矩形波导组成，两段平行的矩形波导通过耦合开孔13进行耦合，矩形波导定向耦合器1共有四个端口，分别为输入端口11、输出端口12、第一反射端口14和第二反射端口15，输入端口11通过直接连接和第一反射端口14连接，通过耦合开孔13与第二反射端口15连接，实现了太赫兹波功率平分到两个反射端口上。第一反射端口14通过耦合开孔13与输出端口12连接，第二反射端口15通过直接连接与波导输出端口12连接，实现了反射太赫兹波耦合合成到输出端口12输出。两个插入式微结构2插入矩形波导内，并分别位于第一反射端口14和第二反射端口15处，第一反射端口14和第二反射端口15为金属短路面。
所述插入式微结构如图3所示，包括基底21、以及设于基底21上的插入金属结构22、第一金属条结构23、第二金属条结构24、砷化镓变容二极管25、接地金属结构26以及馈电金属结构27，所述第一金属条结构23和第二金属条结构24之间设有间隔，两个砷化镓变容二极管25平行安装在第一金属条结构23和第二金属条结构24上，其中砷化镓变容二极管25的负极与第一金属条结构23连接，砷化镓变容二极管25的正极与第二金属条结构24连接。所述插入金属结构22和接地金属结构26与第一金属条结构23连接，馈电金属结构27与第二金属条结构24连接。接地金属结构26包括细金属条和接地金属块，馈电金属结构27包括细金属条和馈电金属块。所述插入式微结构2通过馈电金属结构27的馈电金属块输入的调制信号实现太赫兹波的相位调制。
当太赫兹波通过输入端口11输入后，经过耦合开孔13分成功率相同、相位差为90度的两份太赫兹波到达两个反射端口的插入式微结构2上，调节插入式微结构2中砷化镓变容二极管25的通断状态以及电容值，从而同时改变两个反射端口的阻抗值，引起反射太赫兹波的相位变化，最终通过耦合开孔13合成从输出端口12输出。按照不同频率电磁波的波长关系，调整插入金属结构22与第一金属条结构23和第二金属条结构24的各自长度、宽度、形状以及砷化镓变容二极管25的个数(1≤M≤8)，可以得到不同的工作频率，并实现较好的工作性能，即较小的插入损耗和较大的相位调制度数。本发明可以采用多个(N个)插入式微结构2，2≤N≤8，以实现相位调制范围的扩大。
本实施例提供的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器是通过调制信号馈入电压改变砷化镓变容二极管25的通断状态以及电容值，进而改变反射端口的阻抗值和反射系数相位角来实现对太赫兹波相位的动态调制。当馈入电压为0V及以下时，砷化镓变容二极管25断开，当馈入电压在-6V到0V之间变化时，其电容值为15-65fF；当馈入电压为0.7V及以上时，砷化镓变容二极管25连通，其电容值很小忽略不计。
本实施例所采用的插入金属结构22为三角形，其高为230μm，底为230μm。第一金属条结构23和第二金属条结构24的尺寸分别为120μm×230μm和110μm×230μm，第一金属条结构23和第二金属条结构24之间的间隔距离为46μm，砷化镓变容二极管25的数量为2，接地金属结构26的细金属线尺寸为8μm×174μm，接地金属块尺寸为43μm×50μm，馈电金属结构27的馈电细金属线尺寸为6μm×216μm，馈电金属块尺寸为220μm×220μm。选用的波导为WR国际标准波导。
本实施例所使用的基底材料为砷化镓，金属结构使用的材料为Au。
对本实施例所述太赫兹动态相位调制器进行仿真后发现其具有良好的效果，可行性极高。如图4所示，本实施例使用了砷化镓变容二极管25连通状态以及断开状态的15-65fF电容值进行仿真，在中心频率为220GHz的带宽为10GHz频段内，其S21参数如图4所示，插入损耗小于6.3dB，为良好的工作状态。砷化镓变容二极管25连通状态以及断开状态的15-65fF电容值的相位图如图5所示，在220GHz频点上，连通状态的相位值为-130.8°，断开状态下15fF时相位值为45.2°，断开状态下15-65fF时的相位值在-130.8°到45.2°之间，即实现了最大相移度数为176°的连续相位调制。由此表明，本发明一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器具有低插损、连续相位调控的特性，可应用于相移键控通信系统及相控阵雷达系统。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：包括矩形波导定向耦合器和偶数个结构完全相同的插入式微结构，所述矩形波导定向耦合器共有四个端口，分别为输入端口、输出端口、第一反射端口和第二反射端口，偶数个插入式微结构插入矩形波导内，并分别位于第一反射端口和第二反射端口处，所述插入式微结构包括基底、以及设于基底上的插入金属结构、金属条结构、砷化镓变容二极管、接地金属结构以及馈电金属结构，所述金属条结构包括两个同向设置的第一金属条和第二金属条，第一金属条和第二金属条之间设有间隔，所述砷化镓变容二极管安装在第一金属条和第二金属条上，其中砷化镓变容二极管的负极与第一金属条连接，砷化镓变容二极管的正极与第二金属条连接，所述插入金属结构和接地金属结构与第一金属条连接，馈电金属结构与第二金属条连接，所述插入式微结构通过馈电金属结构的馈电金属块输入的调制信号实现太赫兹波的相位调制。
2.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述矩形波导定向耦合器由两段平行的矩形波导组成，两段平行的矩形波导通过开孔进行耦合，矩形波导定向耦合器的输入端口与第一反射端口直接连接，与第二反射端口通过开孔耦合连接，矩形波导定向耦合器的输出端口与第二反射端口直接连接，与第一反射端口通过开孔耦合连接。
3.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述插入式微结构中的插入金属结构的长度与宽度，以及形状可调，以得到所需的相位调制性能。
4.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述插入式微结构中的第一和第二金属条结构的尺寸以及形状可调，以得到所需的相位调制性能。
5.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述插入式微结构中的砷化镓变容二极管共计M个，1≤M≤8，M个砷化镓变容二极管平行放置，以得到所需的相位调制性能。
6.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述插入式微结构共计N个，2≤N≤8，以实现相位调制范围的扩大。
7.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述插入式微结构的基底材料为蓝宝石、二氧化硅、高阻硅、砷化镓或碳化硅。
8.根据权利要求1所述的基于波导插入微结构的太赫兹动态相位调制器，其特征在于：所述插入式微结构的金属材料为Au、Ag、Cu、或Al。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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