CN114355265A

CN114355265A - 一种太赫兹频段波导s参数传输幅度标准器

Info

Publication number: CN114355265A
Application number: CN202111430651.0A
Authority: CN
Inventors: 刘杰; 张玥; 尹翔; 邓姝沛; 冯丽颖; 程春悦
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本方案公开了一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，包括设有波导口的波导片，所述波导片上的波导口与传输系统的波导口呈正交关系。该标准器以在太赫兹频段可实现可溯源的衰减器作为波导传输幅度标准器，通过新型衰减器实现太赫兹矢量网络分析仪衰减参数的准确定标。该衰减器结构简单，可以使用物理长度溯源的定标值计算得到太赫兹频段衰减器衰减的理论值。从而作为标准衰减器验证矢量网络分析仪传输幅度的测量能力，即作为波导S参数的传输幅度标准器使用。本方案解决了传统基于多孔耦合式衰减器在太赫兹频段耦合孔孔径过小，难以加工实现的问题。

Description

一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器

技术领域

本发明涉及仪器检测技术领域，特别涉及一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器。

背景技术

矢量网络分析仪是用于测量微波放大器、耦合器、功分器、隔离器等微波网络的仪器，广泛应用于微波器件研制、制造、校准等各个环节，可以准确地测量被测器件的S参数。由于矢量网络分析仪存在系统误差，在使用之前必须对其进行校准，为了验证校准后矢量网络分析仪的测量准确度，需要使用一系列具有定标值的检验件对矢量网络分析仪进行检验，如使用S参数标准器对矢量网络分析仪进行检验。通常S参数标准器由传输幅度标准器、传输相位标准器和反射幅度标准器组成。

发明内容

本方案的一个目的在于提供一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，该标准器具有结构简单的特点，因采用便于溯源的波导片实现，所以主要用做矢量网络分析仪检验标准中的传输幅度标准器，验证网络分析仪的衰减测量能力。

为达到上述目的，本方案如下：

一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，包括设有波导口的波导片，所述波导片上的波导口与传输系统的波导口呈正交关系。

优选的，所述传输系统为根据标准器工作频段确定的标准矩形波导。

优选的，所述波导片上的波导口为矩形。

优选的，所述波导片上的波导口的长边与短边与所述传输系统的波导口的长边和短边长度相同。

优选的，所述波导片的厚度根据预设的衰减量设定。

优选的，当传输系统传输的信号频段在110GHz以下，所述波导片上波导口的长边长度和短边长度按GB11450.2-89的标准设定；当传输系统传输的信号频段在110GHz以上，所述波导片上波导口的长边长度和短边长度按IEEE1785.1的标准设定。

优选的，所述波导片上还设有螺孔和销钉孔，用于将所述波导片与所述传输系统固定。

优选的，所述波导片上的螺孔位置按IEEE1785.2a波导法兰的螺钉孔位置设定。

优选的，所述波导片上的销钉孔按IEEE1785.2a波导法兰的销钉孔位置设定多个第一销钉孔和多个第二销钉孔的位置。

优选的，对应第二销钉孔在所述波导片的波导口的两个窄边中心的两侧，对称设置2个第三销钉孔。

本方案的有益效果如下：

应用本方案设计的波导传输幅度标准器，解决了太赫兹频段传统耦合式衰减器耦合孔无法加工，技术指标不能保证的问题。本方案设计的太赫兹频段传输幅度标准器采用结构简单的波导片实现，保证了其在太赫兹频段加工的可行性。同时，标准器的结构简单，便于其向长度进行溯源，通过长度的定标值确定其衰减的理论值，特别适合作为太赫兹频段S参数标准器中传输幅度标准器使用。本方案设计的传输幅度标准器上的销钉孔进行了专门设计，使得部分传输幅度标准器同时可以作为传输相位标准器使用。

附图说明

为了更清楚地说明本方案的实施，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为波导片结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本方案的实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本方案的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

矢量网络分析仪广泛应用于微波器件的计量测试工作中，可以准确地测量被测器件的S参数，为了验证校准后矢量网络分析仪的测量准确度，需要使用S参数标准器对矢量网络分析仪进行检验。通常S参数标准器由传输幅度标准器、传输相位标准器和反射幅度标准器组成。其中反射幅度标准器主要使用标准失配器实现，用于验证矢量网络分析仪反射系数的测量能力；传输幅度标准器主要采用标准衰减器实现，用于验证矢量网络分析仪插入损耗(衰减)的测量能力；传输相位标准器主要采用理想匹配传输线实现，用于验证矢量网络分析仪传输相位的测量能力。在50GHz以上的毫米波及太赫兹频段，微波传输线形式通常采用矩形波导传输线。

波导衰减器通常使用衰减片对电磁波功率进行损耗，从而形成衰减。但使用衰减片插入波导中的波导衰减器频率响应不平坦，且由于衰减片插入波导会使波导传输线内介质不连续，从而产生较大的失配，使得其电压驻波比较大(通常大于1.3)。此外，通过衰减片插入波导产生的衰减量无法溯源，不适合作为S参数标准器中的传输幅度标准器。在毫米波频段，波导衰减器还可通过耦合式衰减器实现，该方式通过切比雪夫耦合孔阵列可以实现平坦的频率响应和很小电压驻波比，可作为毫米波传输幅度标准器使用。但是到了太赫兹频段，波导口的尺寸进一步减小，最长的宽边变长仅不足1mm。要在如此小尺寸的波导壁上加工一系列孔径更小且尺寸不等的孔阵难度很大，目前的加工精度难以保证耦合孔的口径，使得太赫兹衰减器的技术指标难以实现。

为了解决上述问题，本方案提供了一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，该标准器采用正交放置的特定厚度的波导片，其结构如图1所示。设计过程中主要确定两个参数，分别是波导口的宽边及窄边尺寸和波导片的厚度。根据标准器工作频段选择对应频段的标准矩形波导，波导口尺寸作为其宽边及窄边尺寸；根据要求的衰减量设计波导片的厚度。

本方案设计的基于正交放置的波导片实现的衰减器通过加工特定厚度的波导片，将其波导口与传输系统的波导口正交放置，控制波导片上波导口的宽边、窄边尺寸和波导片的厚度实现在太赫兹频段衰减器，从而产生衰减，形成衰减器。由于该衰减器结构简单，可以使用物理长度溯源的定标值计算得到太赫兹频段衰减器衰减的理论值。从而作为标准衰减器验证矢量网络分析仪传输幅度的测量能力，即作为波导S参数的传输幅度标准器使用。本方案解决了传统基于多孔耦合式衰减器在太赫兹频段耦合孔孔径过小(通常半径在几十微米量级)，难以加工实现的问题。同时，本方案设计的衰减器结构可以实现与特定的传输相位标准器共用。

本方案的波导传输幅度标准器，材质选用铜表面镀金，对于波导片上孔的位置及数量的设定方法如下，波导口宽边尺寸为a，窄边尺寸为b，波导片的厚度L；各参数的设定原则如下：

1.设定波导口宽边尺寸a和窄边尺寸b

根据设计的传输幅度标准器的工作频率选择标准的波导口宽边和窄边尺寸，110GHz以下频段可参考GB11450.2-89标准设定，110GHz以上频段可以参考IEEE1785.1标准设定；

2.设定波导片上螺钉孔位置

为保证传输幅度标准器的通用性，波导片上螺钉孔采用IEEE1785.2a波导法兰上的螺钉孔的位置，如图1中的位置A；

3.设定波导片上销钉孔位置

为保证传输幅度标准器的通用性，实现与传输相位标准器的复用，波导片上销钉孔采用IEEE1785.2a波导法兰上的销钉孔位置，如图1中的B和C孔位置；为了实现波导片的正交放置，在波导口窄边中心两侧，对应内测销钉孔位置增加两个销钉孔，如图1中的D孔位置；

4.设定波导片厚度

波导片厚度根据设计的衰减量及工作频段进行设定，频率越高波导片厚度越小，衰减量越大波导片厚度越大；

5.设定波导片厚度初值后，使用电磁仿真软件进行仿真优化，确定最终结果。

将本方案设计的太赫兹频段S参数传输幅度标准器与传输相位标准器复用的过程如下：

使用上述波导片上与IEEE1785.2a通用的销钉孔将波导口与测试系统的波导对应放置(宽边对应宽边、窄边对应窄边)；

根据标准器厚度使用公式(1)可以计算得到其相位值，使用该值作为其标准值。

式(1)中：

—相位；

l—标准波导段的长度；

λ_g—电磁波在波导中传播的波长；

λ₀—电磁波在自由空间中传播的波长；

a—设计频段标准波导的宽边尺寸。

下面以具体的传输幅度标准器为例，对本方案进行说明。

以220GHz～330GHz频段为例，详细说明应用本方案制作的标称衰减量为20dB的波导耦合式衰减器的具体过程。220GHz～330GHz频段标准波导为WM-864标准波导，其波导宽边a＝0.864mm，窄边b＝0.432mm。该频段常用波导法兰IEEE1785.2a标准法兰。材质选用铜表面镀金，需要设计的主要参数包括波导片上孔的位置及数量，波导口宽边尺寸a，窄边尺寸b，波导片的厚度L。

具体标准器的设计方法为：

1.确定波导口宽边尺寸a和窄边尺寸b

根据设计的标准器的工作频率选择标准的波导口宽边和窄边尺寸，

220GHz～330GHz频段参考IEEE1785.1波导标准确定其波导宽边

a＝0.864mm，窄边b＝0.432mm；

2.确定波导片上螺钉孔位置

为保证传输幅度标准器的通用性，波导片上螺钉孔采用IEEE1785.2a波导法兰上的螺钉孔位置，图1所示的A孔位置，孔半径r₁＝1.78mm；

3.确定波导片上销钉孔位置

为保证传输幅度标准器的通用性，实现与传输相位标准器的复用，波导片上销钉孔采用IEEE1785.2a波导法兰上的销钉孔位置，图1所示的B和C孔位置孔径r₂＝0.851mm；为了实现波导片的正交放置，在波导口窄边中心两侧，对应内测销钉孔位置增加两个销钉孔，图1所示的D孔位置，其孔半径r₃＝0.785mm；

4.确定波导片厚度

波导片厚度根据设计的衰减量及工作频段进行计算，频率越高波导片厚度越小，衰减量越大波导片厚度越大，在220GHz～325GHz频段，中心频率衰减量为20dB，预估厚度初值为0.3mm；

5.确定波导片厚度的初值后，使用电磁仿真软件进行仿真优化，确定最终结果为0.28mm。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，包括设有波导口的波导片，所述波导片上的波导口与传输系统的波导口呈正交关系。

2.根据权利要求1所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述传输系统为根据标准器工作频段确定的标准矩形波导。

3.根据权利要求2所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述波导片上的波导口为矩形。

4.根据权利要求3所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述波导片上的波导口的长边与短边与所述传输系统的波导口的长边和短边长度相同。

5.根据权利要求1所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述波导片的厚度根据预设的衰减量设定。

6.根据权利要求4所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，当传输系统传输的信号频段在110GHz以下，所述波导片上波导口的长边长度和短边长度按GB11450.2-89的标准设定；当传输系统传输的信号频段在110GHz以上，所述波导片上波导口的长边长度和短边长度按IEEE1785.1的标准设定。

7.根据权利要求1所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述波导片上还设有螺孔和销钉孔，用于将所述波导片与所述传输系统固定。

8.根据权利要求7所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述波导片上的螺孔位置按IEEE1785.2a波导法兰的螺钉孔位置设定。

9.根据权利要求7所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，所述波导片上的销钉孔按IEEE1785.2a波导法兰的销钉孔位置设定多个第一销钉孔和多个第二销钉孔的位置。

10.根据权利要求7所述的太赫兹频段波导S参数传输幅度标准器，其特征在于，对应第二销钉孔在所述波导片的波导口的两个窄边中心的两侧，对称设置2个第三销钉孔。