CN114497950B - 一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，属于太赫兹单片技术领域，包括太赫兹减高波导、衬底、屏蔽腔、E面微带探针结构和多个架空结构，所述架空结构为平行于太赫兹减高波导信号传输方向的长条形金属，位于衬底和E面微带探针结构之间，以支撑E面探针和微带线。本发明通过将E面微带探针结构置于架空结构上，一方面形成类悬置微带结构，降低传输损耗；另一方面多个架空结构为次高模式提供新的周期性边界条件，即在架空结构的两端产生电场尖峰，抑制高次模的传输，尤其适用于太赫兹肖特基管单片电路中，结构简单、易于实现，且与现有太赫兹单片工艺兼容。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹单片技术领域，具体涉及一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构。
背景技术
波长为3mm～30μm的电磁波称为太赫兹波，其长波段临接毫米波，短波段靠近红外线，处于电子学与光子学的交叉区域。与较低频段的微波相比，太赫兹波的优点在于：1、利用的频谱范围宽，信息容量大；2、易实现窄波束和高增益的天线，分辨率高，抗干扰性好；3、穿透等离子体的能力强；4、多普勒频移大，测速灵敏度高。因此，太赫兹波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学等方面都有重大的意义。
太赫兹波导探针具有将波导空间的电磁能量耦合到平面传输线(如微带、共面波导等)的能力，在太赫兹模块被广泛应用，特别是太赫兹单片倍频器、混频器中。
在传统太赫兹肖特基管单片倍频器、混频器的设计中，第一步需要对微带屏蔽腔尺寸进行设计，若微带传输线过宽，会导致高次模的出现。然而在太赫兹肖特基管单片倍频、混频器的设计中不可避免会出现高低微带阻抗线的匹配设计，其中低阻线(宽微带线宽)会导致高次模的出现。传统微带线以太赫兹单片最常用的砷化镓材料衬底为例，在30μm厚、310μm宽砷化镓衬底上(屏蔽腔尺寸为340μm宽、200μm高)时，200μm的微带线宽，在185GHz就会出现高次模式，其次高模场图、相位常数如下图1所示。
所以，在太赫兹肖特基管单片倍频器、混频器领域，急需一种自带高次模抑制、适用于高频、设计简单的探针结构。
发明内容
针对上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，通过将传统E面微带探针置于架空结构上，实现高次模抑制的太赫兹波导探针过渡，结构简单，适用于太赫兹单片肖特基管电路。
本发明所采用的技术方案如下：
一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，包括太赫兹减高波导、衬底、屏蔽腔和E面微带探针结构，所述衬底的一部分插入太赫兹减高波导，另一部分位于屏蔽腔内部，所述E面微带探针结构置于衬底上方，包括依次连接的位于太赫兹减高波导内部的E面探针和位于屏蔽腔内部的匹配结构及微带线；其特征在于，所述太赫兹波导探针过渡结构还包括多个位于衬底和E面微带探针结构之间的架空结构，以支撑E面探针和微带线，所述架空结构为平行于太赫兹减高波导信号传输方向的长条形金属。
进一步地，所述架空结构的长度为0.5w～2.5w，其中，w为所支撑的E面探针或微带线的宽度。
进一步地，相邻架空结构之间的间距为1/20λ～1/4λ，其中，λ为所支撑的E面探针或微带线的工作波长。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，通过将E面微带探针结构置于架空结构上，一方面共同构成架空微带线，形成类悬置微带结构，降低传输损耗；另一方面多个架空结构为次高模式提供新的周期性边界条件，即在架空结构的两端产生电场尖峰，抑制高次模的传输，尤其适用于太赫兹肖特基管单片电路中；本发明结构简单、易于实现，且与现有太赫兹单片工艺兼容。
附图说明
图1为对比例1提供的传统微带线的次高模场图；
图2为对比例1提供的传统微带线的传输常数曲线；
图3为本发明实施例1提供的架空微带线的主模场图；
图4为本发明实施例1提供的架空微带线关于长度的主模相位传输常数曲线；
图5为本发明实施例2提供的架空微带线关于间距的主模传输损耗示意图；
图6为本发明实施例3提供的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构的结构示意图；
图7为本发明实施例3提供的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构中砷化镓衬底及上方E面微带探针结构的尺寸示意图；
图8为本发明实施例3提供的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构的仿真结果图；
图9为对比例2提供的太赫兹波导探针过渡结构的结构示意图；
图10为本发明实施例3提供的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构(架空结构)和对比例2提供的太赫兹波导探针过渡结构(传统结构)的主模S21数据图；
图11为本发明实施例3提供的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构(架空结构)和对比例2提供的太赫兹波导探针过渡结构(传统结构)的次高模S21数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对比例1
本对比例提供了一种传统微带线，包括30μm厚、310μm宽的砷化镓衬底，和位于砷化镓衬底上的200μm宽的微带线。
所述传统微带线的次高模场图和传输常数曲线分别如图1和图2所示，可知在工作频率为185GHz时，次高模相位传输常数开始大于零，表明当工作频率大于185GHz时，次高模开始传输，因此上述尺寸的传统微带线无法应用于185GHz上的太赫兹肖特基管电路设计。
实施例1
本实施例提供了一种架空微带线，包括40μm宽、1mm长的微带线和位于微带线下方的5个架空结构，相邻架空结构之间的间距为0.2mm，5个架空结构的长度分别为20μm、40μm、60μm、80μm和100μm。
本实施例对5个架空结构进行扫描，获得关于长度的三维电磁仿真结果，主模场图如图3所示，可知在各架空结构的两端产生电场尖峰，并随着架空结构的长度增加，电场尖峰越明显；结合如图4所示的主模相位传输常数曲线，可知主模的传输损耗随着架空结构的长度的增大而不断增大，所以架空结构的长度应该小于2.5倍的微带线的宽度。另一方面，如果架空结构的长度不够，无法对微带线起到足够的支撑作用，所以为了工程考虑，架空结构的长度应该大于0.5倍的微带线的宽度，即0.5w～2.5w，w为所支撑的微带线的宽度。
实施例2
本实施例提供了一种工作频率为180GHz的架空微带线，包括40μm宽、1mm长的微带线和位于微带线下方的多个架空结构，各架空结构的长度均为60μm，所述架空微带线的传输波长λ约为0.9mm，1/3λ＝0.3mm。
本实施例对各架空结构进行扫描，当相邻架空结构之间的间距分别为0.1mm、0.2mm和0.3mm时，获得关于间距的三维电磁仿真结果，主模传输损耗示意图如图5所示，表明随着间距的增加，主模的传输损耗激增。当间距为0.1mm和0.2mm(小于1/3λ)时，此时1mm长的架空微带线下方因能存在较多架空结构支撑，从而形成周期性边界，损耗较低；当间距为0.3mm(大于等于1/3λ)时，架空结构的存在数目小于等于3个，架空结构数目太少无法构成重复性的周期边界，而是形成了类似对悬空微带的微扰结构，从而造成损耗急剧恶化。但是架空结构的间距也不能太小，极限情况如果没有间距，就会在微带下方形成一个大面积金属块了。因此综合考虑传输损耗、成本等方面，相邻架空结构之间的间距应设置为1/20λ～1/4λ。
实施例3
本实施例提供了一种应用于140～220GHz的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构(简称架空结构)，如图6所示，包括太赫兹减高波导、砷化镓衬底、屏蔽腔和E面微带探针结构，所述砷化镓衬底的一部分插入太赫兹减高波导，另一部分位于屏蔽腔内部，所述E面微带探针结构置于砷化镓衬底上方，包括依次连接的位于太赫兹减高波导内部的E面探针和位于屏蔽腔内部的匹配结构及微带线。
所述砷化镓衬底的厚度为30μm，宽度为300μm；太赫兹减高波导的标准波导尺寸为WR5.1型；屏蔽腔的宽度为340μm，高度为200μm；E面探针的宽度为160μm；微带线的宽度为200μm.
如图7所示，所述太赫兹波导探针过渡结构还包括6个长度均为180μm的架空结构，所述架空结构为平行于太赫兹减高波导信号传输方向的长条形金；其中，前3个架空结构位于砷化镓衬底与E面探针之间，以支撑E面探针，相邻架空结构之间的间距均为105μm；后3个架空结构位于砷化镓衬底与微带线之间，以支撑微带线，相邻架空结构之间的间距均为105μm；E面探针和微带线之间的相邻架空结构之间的间距为50μm。
本实施例所述高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构的仿真结果如图8所示，可知对150～220GHz的次高模的抑制度大于30dB，且频带内主模回波损耗小于-12dB，传输损耗小于0.6dB。
对比例2
本对比例提供了一种太赫兹波导探针过渡结构(简称传统结构)，如图9所示，结构与实施例3相比，区别仅在于：没有设置架空结构，砷化镓上方仅有E面微带探针结构；其他结构不变。
根据对比例1可知，当200μm宽度的微带线的工作频率大于185GHz时，次高模开始传输，故对比实施例3与对比例2的太赫兹波导探针过渡结构在190～220GHz频段的主模和次高模的S21数据，结果分别如图10和图11所示，可知实施例3提出的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构的主模传输损耗低于对比例2的太赫兹波导探针过渡结构，同时对次高模的抑制度提高了10dB以上，证实本发明提出的高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构的优异性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.一种高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，包括太赫兹减高波导、衬底、屏蔽腔和E面微带探针结构，所述衬底的一部分插入太赫兹减高波导，另一部分位于屏蔽腔内部，所述E面微带探针结构置于衬底上方，包括依次连接的位于太赫兹减高波导内部的E面探针和位于屏蔽腔内部的匹配结构及微带线；其特征在于，所述太赫兹波导探针过渡结构还包括多个位于衬底和E面微带探针结构之间的架空结构，以支撑E面探针和微带线，所述架空结构为平行于太赫兹减高波导信号传输方向的长条形金属。
2.根据权利要求1所述高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，其特征在于，所述架空结构的长度为0.5w~2.5w，其中，w为所支撑的E面探针或微带线的宽度。
3.根据权利要求1所述高次模抑制的太赫兹波导探针过渡结构，其特征在于，相邻架空结构之间的间距为(1/20)λ~(1/4)λ，其中，λ为所支撑的E面探针或微带线的工作波长。
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