CN114843734A - 一种太赫兹波导定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波导定向耦合器，涉及定向耦合器技术领域，解决了现有的小孔型太赫兹波导定向耦合器具有结构复杂、加工难度大、成本较高、性能不稳定等问题，其技术方案要点是：包括主波导、副波导和耦合圆孔。耦合圆孔设置在主波导与副波导的公共壁上，并沿太赫兹波在主波导上的传输方向均匀设置，且相邻耦合圆孔的孔间距设置为中心频率波导波长的四分之一。该结构的太赫兹波导定向耦合器具有下列优点：①结构简单，提高了加工可行性。②让太赫兹波传输过程中的反向波相互抵消，得到良好的隔离度。③进而减小了定向耦合器的输出误差，提高了性能稳定性。④该太赫兹波导定向耦合器采用铜制成，降低了加工成本，更易推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及定向耦合器技术领域，更具体地说，它涉及一种太赫兹波导定向耦合器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为0.03mm～3mm)范围内的电磁波，它的高频部分与红外波相重合，低频部分与微波相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区。目前太赫兹的应用领域正在不断的扩大，从最初仅用于天文学研究，逐渐扩展到了人们生活的方方面面。例如：太赫兹通信、生物和医学领域、全球环境检测、无损探伤、安检、太赫兹成像和太赫兹雷达等。
定向耦合器是一种用于功率分配的无源器件，常用于微波和毫米波波段，其含有四个端口，分别为输入端、直通端、耦合端和隔离端，输入端与直通端连接形成主波导，耦合端与隔离端连接形成副波导。其中输入端是将功率信号输入到定向耦合器进行耦合；直通端和耦合端将耦合的输入功率信号按一定比例分配输出；隔离端是隔离反射的输入功率信号。定向耦合器具有插入损耗小、加工成本低等优良特点，被广泛应用于通信、雷达和测量等领域。在微波系统中，定向耦合器主要应用于平衡混频器、调制器、天线阵馈电网络和反射计测量器等电路中的功率分配。如今，随着系统对定向耦合器工作频率范围的要求不断提高，其频率范围已经从微波、毫米波波段过渡到太赫兹波段。太赫兹定向耦合器是实现太赫兹系统中功率分配和合成的关键器件，也是当前组成太赫兹信号源的重要部分。在实际应用方面，太赫兹定向耦合器已经应用于航空航天、雷达通信及军事等多个领域。在传统的微波电路中定向耦合器一般采用传输线结构，而太赫兹波因其具有更高的频率特性，导致传输线的导体损耗、介质损耗及辐射损耗表现突出，降低了器件的传输效率，因此太赫兹定向耦合器更适合采用波导结构。
太赫兹波导定向耦合器按耦合结构分类，可大致分为E面分支波导耦合、小孔耦合和H面裂缝耦合等，其中小孔型波导耦合由于具有更宽的工作带宽而得到更多关注。一款基于小孔耦合理论的太赫兹波导定向耦合器，在该结构中，主副波导交叉90°放置，在两波导交叉的公共壁上，一个斜对角上开两个椭圆形的耦合孔，另一个斜对角上放置两个金属镶件，通过调整耦合孔和金属镶件的尺寸参数来改变耦合器的性能。结果显示该耦合器工作在205～235GHz内，耦合值为20±0.8dB，隔离度大于51dB，定向性优于30dB。一款波导定向耦合器，其在主副波导公共壁上开三个相同尺寸的三角形孔，这三个耦合孔按等边三角形进行排列。结果表明，在325～500GHz内，定向性优于25dB。一种耦合孔结构等差减小等间距排列的方形孔定向耦合器，并采用MEMS对其进行加工，结果显示该耦合器工作在300～500GHz内，方向性较好且优于20dB，平均插入损耗为0.7dB。一款工作在325～500GHz范围内的太赫兹小孔耦合定向耦合器，该耦合器采用双排多孔、等间距不等孔径的耦合方案，孔的直径符合切比雪夫不等式分布。该耦合器的耦合度在(7.6±1)dB内，方向性优于18dB，输入端口回波损耗大于16dB。
目前，现有的小孔型太赫兹波导定向耦合器具有结构复杂、加工难度大、成本较高、性能不稳定等缺点，影响它们在工程中的推广与使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹波导定向耦合器，在主波导和副波导的公共壁上设置有耦合圆孔，该耦合圆孔沿太赫兹波沿主波导传输方向均匀设置，且相邻耦合圆孔间的孔间距设置为中心频率波导波长的四分之一，达到提高太赫兹波导定向耦合器性能稳定性的目的。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种太赫兹波导定向耦合器，包括：主波导，所述主波导的两端分别设置有输入端和直通端；副波导，所述副波导的两端分别设置有耦合端和隔离端；所述副波导与主波导并列设置，使所述主波导的输入端与副波导的隔离端位置对应；耦合圆孔，所述耦合圆孔设置于所述主波导与副波导的公共壁上，沿太赫兹波于主波导上的传输方向均匀设置，且相邻耦合圆孔孔间距d为中心频率波导波长λ的四分之一。
进一步的，所述主波导与副波导均选取WR-4的标准矩形波导。达到便于实现工作频段范围内输入信号的TE波单模传输的目的。
进一步的，在主波导输入端的输入方向上均匀布置有两列所述耦合圆孔。采用双排多孔均匀设置的方式，达到节省波导传输长度，提高传输效率的目的。
进一步的，所述耦合圆孔与所述主波导侧壁的间距为S，且所述耦合圆孔与所述主波导侧壁的间距为S，且S满足关系式
其中，r为耦合圆孔的半径，a为主波导的宽度。
进一步的，所述耦合圆孔的半径r不大于小于相邻耦合圆孔的孔间距d的一半。
进一步的，该太赫兹波导定向耦合器还包括波导弯头；所述主波导的输入端和直通端以及副波导的耦合端与隔离端均适配有波导弯头。该波导弯头便于仪器连接测试。
进一步的，所述主波导输入端上的波导弯头与副波导隔离端上的波导弯头背向设置，且所述主波导直通端上的波导弯头与副波导耦合端上的波导弯头背向设置。方便主波导与副波导上的仪器连接。
进一步的，所述波导弯头的端部均适配有直波导。
进一步的，所述主波导、副波导、波导弯头和直波导均由金属材料制成。
进一步的，所述主波导、副波导、波导弯头和直波导均由铜制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一种太赫兹波导定向耦合器，包括主波导、副波导和耦合圆孔。耦合圆孔设置在主波导与副波导的公共壁上，并沿太赫兹波在主波导上的传输方向均匀设置，且相邻耦合圆孔的孔间距设置为中心频率波导波长的四分之一。该结构的太赫兹波导定向耦合器具有下列优点：通过将相邻耦合圆孔的孔间距设置为中心频率波导波长的四分之一，让太赫兹波传输过程中输出到隔离端的反向波相互抵消，得到良好的隔离度，进而减小了定向耦合器的输出误差，提高了性能稳定性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为实施例中采用单孔耦合方式的耦合器结构示意图；
图2为实施例中采用单孔耦合方式的耦合器仿真S参数；
图3为实施例中一种太赫兹波导定向耦合器中耦合圆孔结构示意图；
图4为实施例中一种太赫兹波导定向耦合器所采用波导弯头结构示意图；
图5为实施例中一种太赫兹波导定向耦合器结构示意图；
图6为实施例中一种太赫兹波导定向耦合器仿真S参数。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-主波导；2-副波导；3-耦合圆孔；4-波导弯头；5-直波导；6-输入端；7-直通端；8-耦合端；9-隔离端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种太赫兹波导定向耦合器，包括主波导1、副波导2和耦合圆孔3。
主波导1与副波导2并列设置，主波导1的两端分别设置为输入端6和直通端7，副波导2的两端分别设置为耦合端8和隔离端9，且主波导1的输入端6与副波导2的隔离端9位于同一侧，主波导1的直通端7与副波导2的耦合端8位于同一侧。耦合圆孔3设置在主波导1与副波导2的公共壁上，该耦合圆孔3沿输入端6与直通端7的径向方向均匀设置，也就是沿主波导1的长度L方向设置，且相邻耦合圆孔3的孔间距d设置为中心频率波导波长λ的四分之一。该太赫兹波导定向耦合器的工作频段选择为180～260GHz，其中心频率为220GHz，由此可得该太赫兹波导定向耦合器工作相对带宽为36％。为了让反向波相互抵消得到良好的隔离度，取相邻耦合圆孔3的孔间距d为λ/4，由公式(1)：
计算得孔间距d＝0.43mm，其中λ0与λc分别为中心频率的真空波长和截止波长，λ为中心频率的波导波长。太赫兹功率信号首先通过输入端6输入到主波导1内，再通过耦合圆孔3耦合到副波导2上，最后自副波导2上的耦合端8、主波导1上的直通端7输出。其中，直通端7输出总信号的9/10，耦合端8输出总信号的1/10，隔离端9输出信号为零。通过该结构，在太赫兹功率信号传输过程中，输出到隔离端6的反向波就会相互抵消，使隔离端6没有信号输出，不会泄露信号，达到降低该太赫兹波导定向耦合器输出误差，提高耦合器利用率，性能稳定性的目的，同时该太赫兹波导定向耦合器的工作相对带宽为36％，具有工作带宽较高，性能更优良的优点。
本实施例的一种可选实施方式：上述主波导1选取为WR-4的标准矩形波导，其横截面尺寸为a*b＝1.10mm*0.55mm。优选地，副波导2与主波导1对称设置，同样选取为WR-4的标准矩形波导，横截面尺寸为a*b＝1.10mm*0.55mm。通过该结构，达到使该太赫兹波导定向耦合器在180～260GHz(其中心频率为220GHz)的频率范围内，实现该工作频段范围内输入信号的TE波单模传输的目的。
本实施例的一种可选实施方式：上述耦合圆孔3的数量设置为N个，N≥1的整数。优选地，如图2所示，带方块的实线表示耦合器回波损耗S11曲线，带圆圈的实线表示耦合器的直通端损耗S21曲线；带正三角的实线表示耦合器的耦合度S31曲线；带反三角的曲线表示耦合器的隔离端S41曲线，由此可知，采用单孔耦合方式的耦合器在220GHz的中心频率处的耦合度为49dB，即-20lg(f)＝49dB，由于所需设计的耦合器耦合度C＝10dB，带入公式(2)计算出该太赫兹波导定向耦合器的耦合孔数量N＝88，所以耦合圆孔3的数量N设置为88个。公式(2)如下：
C＝-20lg(f)-20lg(N+1) (2)
其中，-20lg(f)代表单孔耦合方式的耦合器在220GHz的中心频率处的耦合度，N代表耦合圆孔3的数量，C代表多孔耦合方式的太赫兹波导定向耦合器的耦合度。通过该结构，达到使该定向耦合器在220GHz的中心频率上能实现10dB耦合的作用，可用于220GHz太赫兹系统网络中的功率分配与功率检测的目的。其中，88个耦合圆孔3沿主波导1长度L的方向设置为双排。每排44个，沿着a/2轴线对称排列，通过将耦合圆孔3进行双排设置，一方面，达到节省波导的传输长度，提高传输效率的目的。另一方面，达到提高该太赫兹波导定向耦合器结构的紧凑性，减小加工体积，进而降低加工成本，提高推广使用性的目的。
本实施例的一种可选实施方式：上述耦合圆孔3沿主波导1宽度a的方向设置时，靠近主波导1侧壁的一排耦合圆孔3与主波导1侧壁间的距离为S，另一排耦合圆孔沿着a/2轴线对称设置。耦合圆孔3的半径r不同，耦合圆孔3的个数N也不同，使靠近主波导1侧壁的耦合圆孔3与主波导1侧壁间的距离S的取值也不同，S需满足关系式
其中，r为耦合圆孔的半径，a为主波导的宽度。在具体实施过程中，由耦合孔结构可知，相邻耦合圆孔3的孔间距d大于等于两倍耦合圆孔3的半径r，即d≥2r。因此最初取耦合圆孔3的半径r＝0.20mm，将耦合圆孔3沿主波导1宽度方向排列成两列，每列均匀设置有44个耦合圆孔3。其中，耦合圆孔3的厚度即是主波导1与副波导2的公共壁的厚度，在理想情况下，耦合圆孔3的厚度为0mm时能达到最优的器件性能，但在现有的加工技术下无法满足理论设计要求，所以耦合圆孔3的厚度的取值要考虑到实际机械加工强度，最终取小孔的厚度t＝0.30mm，使该太赫兹波导定向耦合器具有结构简单，加工可行性较高的优点。通过仿真软件CST实验发现，将两排耦合圆孔3与主波导1侧壁间的距离为S设置为0.24mm，即S＝0.24mm时，该太赫兹波导定向耦合器在180～260GHz(其中心频率为220GHz)的频率范围内，波动更小，输出误差更小，性能更加稳定。
本实施例的一种可选实施方式：上述主波导1的输入端6与直通端7上设置有波导弯头4，副波导2的耦合端8与隔离端9上设置有波导弯头4，通过在主波导1、副波导2上设置波导弯头4，达到便于仪器连接测试的目的。其中，主波导1和副波导2对称设置，且主波导1和副波导2均设置选取为WR-4的标准矩形波导，波导弯头4的内半径为1.00mm，外半径设为2.10mm，该结构的波导弯头4便于将波导弯头4适配在主波导1、副波导2的端部。
本实施例的一种可选实施方式：上述主波导1输入端6上的波导弯头4与副波导2隔离端9上的波导弯头4背向设置，主波导1直通端7上的波导弯头4与副波导2耦合端8上的波导弯头4背向设置。具体地，如主波导1输入端6上的波导弯头4远离主波导1的一端向上时，副波导2隔离端9上的波导弯头4远离副波导2的一端向下。主波导1直通端7上的波导弯头4远离主波导1的一端向前时，副波导2耦合端8上的波导弯头4远离副波导2的一端向后。主波导1输入端6上的波导弯头4与直通端7上的波导弯头4，在设置方向上不存在绝对关系；同理，副波导2耦合端8上的波导弯头4与隔离端9上的波导弯头4，在设置方向上也不存在绝对关系。通过该结构，达到在连接主波导1、副波导2的测试仪器时，避免主波导1、副波导2之间相互影响的目的。
本实施例的一种可选实施方式：在上述波导弯头4的自由端上均适配有直波导5。具体地，如主波导1输入端6上的波导弯头4，该波导弯头4的自由端指波导弯头4远离主波导1的一端。同理，可以知道主波导1、副波导2两端上波导弯头4的自由端。该直波导5的长度为1.00mm。通过该结构，达到进一步方便连接仪器测试的目的。
本实施例的一种可选实施方式：上述主波导1、副波导2、波导弯头4和直波导5均采用金属材料制成。由于选取不同金属材料制成的波导对耦合器性能影响不大，因此金属材料可以选择如金、银、铜等理想导电体。
本实施例的一种可选实施方式：上述主波导1、副波导2、波导弯头4和直波导5的制作材料均选择为铜，电导率为5.960×107S/m。以达到降低加工成本的目的。具体制作方法，采用数控机床切割加工工艺与激光打孔工艺相结合的加工方式。由于太赫兹波会被水吸收，仿真时波导内部设置为真空，实际使用中由于波导结构尺寸小，波导内部空气中的水蒸气可忽略，其对耦合器性能影响不大。如图6所示，带方块的实线表示耦合器回波损耗S11曲线，带圆圈的实线表示耦合器的直通端损耗S21曲线；带正三角的实线表示耦合器的耦合度S31曲线；带反三角的曲线表示耦合器的隔离端S41曲线，由此可知，该太赫兹波导定向耦合器在180～260GHz范围内工作时，输出端比较平坦，输出误差小。耦合端8在220GHz的中心频率范围内的耦合度为10dB，上下波动幅度较小；回波损耗大于25dB，隔离度大于30dB，满足性能优良的设计要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，包括：
主波导(1)，所述主波导(1)的两端分别设置有输入端(6)和直通端(7)；
副波导(2)，所述副波导(2)的两端分别设置有耦合端(8)和隔离端(9)；所述副波导(2)与主波导(1)并列设置，使所述主波导(1)的输入端(6)与副波导(2)的隔离端(9)位置对应；
耦合圆孔(3)，所述耦合圆孔(3)设置于所述主波导(1)与副波导(2)的公共壁上，沿主波导(1)输入端的输入方向均匀设置，且相邻耦合圆孔(3)孔间距d为中心频率波导波长λ的四分之一。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述主波导(1)与副波导(2)均选取WR-4的标准矩形波导。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
在主波导(1)输入端(6)的输入方向上均匀布置有两列所述耦合圆孔(3)。
4.根据权利要求3所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述耦合圆孔(3)与所述主波导(1)侧壁的间距为S，且S满足关系式
其中，r为耦合圆孔(3)的半径，a为主波导(1)的宽度。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述耦合圆孔(3)的半径r不大于相邻耦合圆孔(3)的孔间距d的一半。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
该太赫兹波导定向耦合器还包括波导弯头(4)；
所述主波导(1)的输入端(6)和直通端(7)以及副波导(2)的耦合端(8)与隔离端(9)均适配有波导弯头(4)。
7.根据权利要求6所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述主波导(1)输入端(6)上的波导弯头(4)与副波导(2)隔离端(9)上的波导弯头(4)背向设置，且所述主波导(1)直通端(7)上的波导弯头(4)与副波导(2)耦合端(8)上的波导弯头(4)背向设置。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述波导弯头(4)的端部均适配有直波导(5)。
9.根据权利要求8所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述主波导(1)、副波导(2)、波导弯头(4)和直波导(5)均由金属材料制成。
10.根据权利要求9所述的一种太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：
所述主波导(1)、副波导(2)、波导弯头(4)和直波导(5)均由铜制成。
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2022
- 2022-04-11 CN CN202210373383.1A patent/CN114843734A/zh active Pending
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