CN114639934B - 太赫兹分支波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹领域，尤其是涉及一种太赫兹分支波导定向耦合器。在主线波导和耦合波导之间设置有多个耦合通道，相邻两个耦合通道之间设置有金属隔栅；主线波导包括信号输入端和信号直通输出端，耦合波导包括信号隔离端和信号耦合输出端；在最中间的金属隔栅的两端均设置有让主线波导和耦合波导变窄的减宽阶梯。本发明的太赫兹分支波导定向耦合器，太赫兹微波从信号输入端进入，一部分微波从信号直通输出端输出，一部分经过耦合通道后从信号耦合输出端输出，由于设置了减宽阶梯，改变波导的特性阻抗，微波经过减宽阶梯时会产生一些反射，在幅频特性曲线上显示为引入了可控纹波，实现了带宽范围内的超低幅度不平衡度，同时也增加了工作带宽。

Description

太赫兹分支波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及太赫兹领域 ，尤其是涉及一种太赫兹分支波导定向耦合器。

背景技术

太赫兹波的频率是在100GHz到10THz的范围内，对应波长在3 ~ 0.03 mm之间，是未来一个非常有价值的前沿领域。在一些新兴科学和工业应用蓬勃发展的推动下，太赫兹技术近年来引起了广泛的研究关注，太赫兹系统已被广泛应用于成像安全、光谱学等领域。因此，研究用于太赫兹频段的相应器件就越来越重要。定向耦合器的功能是功率分配或合成，在缺少大功率源的太赫兹领域有着不可或缺的地位。它可以将信号分离或者合成，还可以控制电路对信号采样。定向耦合器的研究始于20世纪40年代，研究出多种用于波导和基于衬底元件的拓扑结构和设计方法。它们具有不同的制造复杂性，不断增进耦合器的性能指标。在其中，90°分支线耦合器是一个非常重要的研究课题，因为它们的简单结构易于制造，高隔离度，低插入损耗，高功率承载容量。而3dB定向耦合器是一种直通端口与耦合端口功率相等，相位差90度的耦合器。3dB耦合器是构成IQ混频器，滤波器等基本元器件之一。

2011年，新加坡资讯通信研究所的Michael Yan-Wah Chia，Chiew-Kok Ang等研究学者提出了一种耦合端口和输出端口相位差为45°，中心频率为300GHz的波导定向耦合器。它在四分支波导定向耦合器加上了一个有三个不同长度短路支节的45°移相器。测试结果表明，从285GHz到325GHz频段内，该结构的幅度不平衡度小于0.5dB和相位不平衡度小于3º。

2014年，Hawal Rashid,Denis Meledin,Vincent Desmaris 等研究学者提出了一种新型的3dB波导定向耦合器。该定向耦合器通过在工作波段增加一个可控纹波，以实现更好的幅度不平衡度。这一方法已通过166-208GHz波段的90°混合波导的实现得到了验证，可用于太赫兹频段的波导耦合。仿真结果表明，所设计的模型幅度不平衡度优于0.11dB,在166-208GHz大部分频段相位优于±2.3°。实验验证表明，该模型振幅优于0.15dB,在166-208GHz大部分频段相位优于±2.5°。

电子科技大学的牛中乾和张波等研究学者设计了一种用于亚毫米波频段的新型3dB波导定向耦合器，专利名称为：一种改进型太赫兹分支波导耦合器，专利公开号为：CN108649308A，公开日期为：2018-10-12。该结构仅在三分支波导耦合器中间分支的顶部和底部的左右都各加一个长方体并切圆角。使用现代高精度铣削技术进行加工。仿真表明，该新型结构相比于传统三分支幅度不平衡度降低了25%。实验结果再次验证结构的优点。该耦合器中心频率为195GHz，相对带宽约为13%，幅度不平衡度低于0.3dB，相位不平衡度低于4°，隔离度和回波损耗优于17dB。

基于奇偶模分析，研究人员提出了一种普遍有效的方法，用于设计具有任意分支数和任意耦合器比的分支波导定向耦合器。 随着分支数量的增加，耦合器的工作带宽会变大，但每个支路的尺寸会变小，对处理精度的要求也会更高。 但在带宽应用中，耦合器的幅度不平衡度比较大，通常在1dB以上，中心频段的幅度不平衡最大。 这是一个非常不受欢迎的情况。为了降低分支耦合器的幅度不平衡度，本发明设计一种新型的超低的幅度不平衡度的分支波导定向耦合器。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种结构精巧、降低幅度不平衡度的同时提高工作带宽的太赫兹分支波导定向耦合器。

本发明采用的技术方案是：太赫兹分支波导定向耦合器，包括主线波导和耦合波导，在该主线波导和耦合波导之间设置有多个耦合通道，相邻两个耦合通道之间设置有金属隔栅；所述的主线波导包括信号输入端和信号直通输出端，所述的耦合波导包括信号隔离端和信号耦合输出端；在最中间的金属隔栅的两端均设置有让主线波导和耦合波导变窄的减宽阶梯。

为更好地实现本发明，所述的减宽阶梯的长度与金属隔栅的长度相同。

为更好地实现本发明，所述的减宽阶梯的宽度为h，满足0.070mm≤h≤0.110mm。

为更好地实现本发明，所述的耦合通道包括位于两个端部的端部耦合通道和位于中部的中部耦合通道，所述的端部耦合通道的长度为a，满足0.129mm≤a≤0.169mm。

为更好地实现本发明，所述的中部耦合通道的长度为c，满足0.170mm≤c≤0.190mm。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的太赫兹分支波导定向耦合器，通过耦合通道、金属隔栅、信号输入端、信号直通输出端、信号隔离端、信号耦合输出端以及减宽阶梯等的配合，太赫兹微波从信号输入端进入，一部分微波从信号直通输出端输出，一部分经过耦合通道后从信号耦合输出端输出，由于设置了减宽阶梯，改变波导的特性阻抗，微波经过减宽阶梯时会产生一些反射，在幅频特性曲线上显示为在底部引入了可控纹波，让带宽范围内的幅度不平衡度变得更低，实现超低幅度不平衡度，同时也增加了工作带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明的太赫兹分支波导定向耦合器的一种结构示意图；

图2是本发明的太赫兹分支波导定向耦合器的另一种结构示意图；

图3是传统六分支耦合器的一种仿真性能结果图；

图4是本发明的太赫兹分支波导定向耦合器中的六分支耦合器的一种仿真性能结果；

图5是本发明的太赫兹分支波导定向耦合器中的六分支耦合器与传统六分支耦合器的幅度不平坦度性能对比图；

图中，1—信号输入端，2—信号直通输出端，3—信号耦合输出端，4—信号隔离端，5—端部耦合通道，6—中部耦合通道，7—减宽阶梯，8—金属隔栅。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

本实施例中，长度方向为信号输入端1向信号直通输出端2的延伸的方向；高度方向为主线波导向耦合波导延伸的方向；宽度方向为垂直于长度方向和高度方向所组成的平面的方向。

如图1、图2所示，本发明的太赫兹分支波导定向耦合器，包括主线波导和耦合波导，在该主线波导和耦合波导之间设置有多个耦合通道，相邻两个耦合通道之间设置有金属隔栅8；所述的主线波导包括信号输入端1和信号直通输出端2，所述的耦合波导包括信号隔离端4和信号耦合输出端3；在最中间的金属隔栅8的两端均设置有让主线波导和耦合波导变窄的减宽阶梯7。本发明的太赫兹分支波导定向耦合器，通过耦合通道、金属隔栅8、信号输入端1、信号直通输出端2、信号隔离端4、信号耦合输出端3以及减宽阶梯7等的配合，太赫兹微波从信号输入端1进入，一部分微波从信号直通输出端2输出，一部分经过耦合通道后从信号耦合输出端3输出，由于设置了减宽阶梯7，改变波导的特性阻抗，微波经过减宽阶梯7时会产生一些反射，在幅频特性曲线上显示为在底部引入了可控纹波，让带宽范围内的幅度不平衡度变得更低，实现超低幅度不平衡度。

在设计时，所述的减宽阶梯7的长度可以设置为大于或小于金属隔栅8的长度，但是会产生较多的回波损耗，也会产生不可控的噪声，因此作为优选的是，所述的减宽阶梯7的长度与金属隔栅8的长度相同，保证回波损耗较小，同时在幅频特性曲线上产生可控波纹，让带宽范围内的幅度不平衡度变得较低，实现超低幅度不平衡度。

作为优选的，所述的减宽阶梯7的宽度为h，满足0.070mm≤h≤0.110mm，所述的耦合通道包括位于两个端部的端部耦合通道5和位于中部的中部耦合通道6，所述的端部耦合通道5的长度为a，满足0.129mm≤a≤0.169mm，所述的中部耦合通道6的长度为c，满足0.170mm≤c≤0.190mm。a、c参数偏大会增加耦合度、增加回波损耗，偏小会减小耦合度。t主要影响中心频率，t越小，中心频率越高。h影响回波损耗，h越大、回波损耗越大。

作为一种优选的方式，特性曲线如图3至图5，以本方案中的一种实现方式的六分支耦合器与传统的六分支耦合器做比较，如下表格:

参数（mm）	a	c	t	h
					本发明六分支耦合器	0.149	0.18	0.284	0.09
传统六分支耦合器	0.138	0.177	0.3	0

可以看出，h、a、c、t优选的一种参数条件下，本发明在中间两个分支的连接波导进行减宽操作，改变波导的特性阻抗，从而引入可控纹波来实现了宽带范围内的超低幅度不平坦度。同时，本方案的端部耦合通道5的长度a、中部耦合通道6的长度c、减宽阶梯7的宽度h以及高度t（端部耦合通道5和中部耦合通道6的高度相同均为t），在实现更低幅度不平衡度的情况下可以让尺寸更大，降低了加工难度，也提高了设备的稳定性、耐用性。其中优选的是，所述的减宽阶梯7的宽度h为0.090mm，所述的端部耦合通道5的长度a为0.149mm，所述的中部耦合通道6的长度c为0.180mm。图3中，传统六分支耦合器的仿真结果图；S11、S21、S31分别对应信号输入端1、信号直通输出端2、信号耦合输出端3，S11为回波损耗，S21为信号直通输出端2微波能量与信号输入端1微波能量的比值，S31为信号耦合输出端3微波能量与信号输入端1微波能量的比值；图4中，本申请的一种六分支耦合器传统耦合器的仿真结果图，S11、S21、S31与图3中表示一致；图5中，由于减宽阶梯7的引入，改变了波导的特性阻抗，从而引入可控纹波来实现了带宽范围内的超低幅度不平坦度，同时工作带宽也增加了。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.太赫兹分支波导定向耦合器，其特征在于：包括主线波导和耦合波导，在该主线波导和耦合波导之间设置有多个耦合通道，相邻两个耦合通道之间设置有金属隔栅（8）；所述的主线波导包括信号输入端（1）和信号直通输出端（2），所述的耦合波导包括信号隔离端（4）和信号耦合输出端（3）；在最中间的金属隔栅（8）的两端均设置有让主线波导和耦合波导变窄的减宽阶梯（7）。

2.根据权利要求1所述的太赫兹分支波导定向耦合器，其特征在于：所述的减宽阶梯（7）的长度与金属隔栅（8）的长度相同，长度方向为信号输入端（1）向信号直通输出端（2）的延伸的方向。

3.根据权利要求1所述的太赫兹分支波导定向耦合器，其特征在于：所述的减宽阶梯（7）的宽度为h，满足0.070mm≤h≤0.110mm。

4.根据权利要求1所述的太赫兹分支波导定向耦合器，其特征在于：所述的耦合通道包括位于两个端部的端部耦合通道（5）和位于中部的中部耦合通道（6），所述的端部耦合通道（5）的长度为a，满足0.129mm≤a≤0.169mm。

5.根据权利要求4所述的太赫兹分支波导定向耦合器，其特征在于：所述的中部耦合通道（6）的长度为c，满足0.170mm≤c≤0.190mm。

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