CN115051134A - 一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，用于实现耦合度在3dB与10dB之间切换，由上至下分别是第一金属波导层、第二矩形金属波导层、第三金属波导层，其中第二矩形金属波导为直波导，即第三金属波导层与第一金属波导层的两端分别连接有弯曲波导以及延伸结构；第一金属波导层与第二矩形金属波导层之间的公共壁上开有平行双排方形孔，第二矩形金属波导层与第三金属波导层之间的公共壁上开有平行双排圆形孔，使用时通过在第一金属波导层第三金属波导层中添加金属块来实现耦合通路的选择。本发明的太赫兹波导定向耦合器能在需要不同耦合度的应用场景下使用，具有突出的应用价值。

Description

一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器
技术领域
本发明提出了一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，具体而言，是一种能够实现耦合度在3dB与10dB之间切换的太赫兹波导定向耦合器。
背景技术
太赫兹波主要指频率0.1-10THz、介于微波与红外辐射之间的电磁波。太赫兹波段处于电磁波谱中一个非常特殊的位置，具有很多独特的性质，例如光子能量低、穿透性强、方向性好等特性，使得太赫兹波在安全检查、环境监测、军事通信、天文观测等领域具有非常重要的应用前景。特别在成像、传感等领域具有很大的发展潜力，是未来电磁学的一个重要研究方向。
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。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。在理想情况下，定向耦合器隔离端的输出功率为0，即只能进行正向输入而不能反向输出。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形式。现有的太赫兹波导定向耦合器大都只能实现一个耦合度的耦合功能，限制了其在需要多种耦合度的应用场景下的使用，因此有必要设计一种能满足耦合度可切换的太赫兹波导定向耦合器。
与本发明为同一发明人的CN107910627B，一种H面裂缝波导太赫兹定向耦合器，涉及太赫兹电路单元组件，耦合器核心耦合区由两条1/4圆环的矩形波导组成，其中一条为主波导，另一条为副波导，两条波导于窄边一侧的中间位置相交，形成一个波导H面的裂缝。在主副波导的两端，连接有特殊形状的弯折结构，以便于测试设备或其他器件与耦合器输入输出端口连接，四个端口处在一个正方形四个面的中心位置。本发明结构简单、实施方便、设计巧妙，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。
区别与不足：第一，耦合方式不同：该专利的耦合方式为裂缝耦合，本发明的耦合方式为小孔耦合；第二，工作频率不同：该专利的工作中心频率为370GHz，本发明的工作中心频率为220GHz；第三，工作效果不同：该专利只能实现耦合度为3dB的效果，本发明集成3dB与10dB耦合器为一体，通过外部装配调节可实现耦合度在3dB与10dB之间切换，满足需要不同耦合度的应用场景。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器方法。本发明的技术方案如下：
一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，用于实现耦合度在3dB与10dB之间切换，其包括三层金属波导层结构，由上至下分别是第一金属波导层、第二矩形金属波导层、第三金属波导层，第一金属波导层作为3dB耦合器的副波导，第二矩形金属波导层作为3/10dB耦合器的主波导，第三金属波导层作为10dB耦合器的副波导，其中第二矩形金属波导为直波导，第一金属波导层为U型结构，第三金属波导层为与第一金属波导层呈中心对称的U型结构，即第三金属波导层与第一金属波导层的两端分别连接有弯曲波导以及延伸结构，用于测试设备与端口的连接；第一金属波导层与第二矩形金属波导层之间的公共壁上开有平行双排方形孔，第二矩形金属波导层与第三金属波导层之间的公共壁上开有平行双排圆形孔，平行双排方形孔，用于输入太赫兹波的3dB耦合，平行双排圆形孔，用于输入太赫兹波的10dB耦合。使用时通过在第一金属波导层第三金属波导层中添加金属块来实现耦合通路的选择。
进一步的，所述第一金属波导层与第二矩形金属波导层及其公共壁上开的方形孔构成耦合度为3dB的太赫兹波导定向耦合器，其中第二矩形金属波导层为3dB耦合器的主波导，第一金属波导层为3dB耦合器的副波导，端口①为输入端，端口②为直通端，端口③为3dB耦合端，端口④为3dB隔离端。
进一步的，所述第二矩形金属波导层与第三金属波导层及其公共壁上开的圆形孔构成耦合度为10dB的太赫兹波导定向耦合器，其中第二矩形金属波导层为10dB耦合器的主波导，第三金属波导层为10dB耦合器的副波导，端口①为输入端，端口②为直通端，端口⑤为10dB耦合端，端口⑥为10dB隔离端。
进一步的，所述金属矩形波导均采用WR-4标准矩形波导，其横截面尺寸为a×b＝1.10mm×0.55mm，外部材料选择铜或其他电导率较高的金属，内部填充空气。
进一步的，所述第一金属波导层的直波导长度L1＝20mm，两侧为弯曲波导，弯曲波导半径R＝1mm，弯曲波导外加长度为c＝5mm的直波导延伸结构，其作用是为了方便与其他器件或测试设备进行连接。
进一步的，所述第二矩形金属波导层为直波导长度L＝26mm；
所述第三金属波导层直波导长度L1＝20mm，两侧为弯曲波导，弯曲波导半径R＝1mm，弯曲波导外加长度为c＝5mm的直波导延伸结构，该弯曲波导与第一金属波导层的弯曲波导背向放置。
进一步的，所述第一金属波导层与第二矩形金属波导层的公共壁上开有94个正方形小孔，按每排47个小孔的方式平行双排排列；
进一步的，所述正方形小孔边长l＝0.40mm，相邻两个小孔间的距离d＝0.43mm，方形小孔距波导窄边的距离s＝0.20mm，小孔的厚度即第一金属波导层与第二矩形金属波导层之间的公共壁厚度t＝0.30mm。
进一步的，所述第二矩形金属波导层与第三金属波导层的公共壁上开有70个圆形小孔，按每排35个小孔的方式平行双排排列。
进一步的，所述的圆形小孔的半径r1＝0.21mm，相邻小孔间的距离d1＝0.43mm，圆形小孔距波导窄边的距离s1＝0.21mm，小孔的厚度即第二矩形金属波导层与第三金属波导层之间的公共壁厚度t1＝0.30mm。
本发明的优点及有益效果如下：
1.本发明提出的太赫兹波导定向耦合器采用小孔耦合原理与相位叠加理论进行耦合，将传统的两层波导结构变为三层结构，实现3dB耦合器与10dB耦合器集成，共用一个主波导，为后续3dB/10dB转换提供结构基础。
2.本结构的波导(1)与波导(2)以及公共壁之间的双排方形孔形成3dB耦合器，由于基于小孔耦合方式的耦合器更适用于弱耦合，所以将传统的圆形小孔改为方形孔能有效的增大耦合孔径，提高耦合量。10dB耦合器结构仍采用圆形孔。
3.耦合转换方式是通过有选择的在波导1与波导2内添加金属块堵住对于的耦合小孔，实现耦合通道切换的目的。但由于波导尺寸过小，外部添加金属块到波导内部难度较大，所以利用耦合器自身外部的装配结构进行移动来堵住耦合小孔，该方式操作可控性大，简单易行。
4.本结构的工作频率为180GHz-260GHz(中心频率为220GHz)，在该频率范围内能实现耦合度在3dB与10dB之间的切换。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器整体结构示意图。
图2为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器的正向示意图。
图3为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器的俯向示意图。
图4为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器加工装配剖面示意图。
图5为耦合器工作在耦合度为3dB模式下的加工装配剖面示意图。
图6为耦合器工作在耦合度为10dB模式下的加工装配剖面示意图。
图7耦合器工作在耦合度为3dB模式下的S参数曲线。
图8为耦合器工作在耦合度为3dB模式下的表面电流密度分布图。
图9为耦合器工作在耦合度为10dB模式下的S参数曲线。
图10为耦合器工作在耦合度为10dB模式下的表面电流密度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提出的基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其结构如图1～3所示，由三层矩形金属波导组成，从上至下依次为矩形金属波导1、矩形金属波导2、矩形金属波导3。
所述金属矩形波导均采用WR-4标准矩形波导，如图2所示，其横截面尺寸为a×b＝1.10mm×0.55mm，外部材料可选择铜或其他电导率较高的金属，内部填充空气。
所述的矩形金属波导1的直波导长度L1＝20mm，如图3所示两侧为弯曲波导，弯曲波导半径R＝1mm,弯曲波导外加长度为c＝5mm的直波导延伸结构，其作用是为了方便与其他器件或测试设备进行连接。
所述的矩形金属波导2为直波导长度L＝26mm。
所述的矩形金属波导3直波导长度L1＝20mm，两侧为弯曲波导，弯曲波导半径R＝1mm,弯曲波导外加长度为c＝5mm的直波导延伸结构，其作用是为了方便与其他器件或测试设备进行连接，该弯曲波导与矩形金属波导1的弯曲波导背向放置。
所述的矩形金属波导1与矩形金属波导2的公共壁上开有94个正方形小孔，如图2所示，按每排47个小孔的方式平行双排排列。
所述的方形小孔边长l＝0.40mm，如图2所示，相邻两个小孔间的距离d＝0.43mm，方形小孔距波导窄边的距离s＝0.20mm，小孔的厚度即矩形金属波导1与矩形金属波导2之间的公共壁厚度t＝0.30mm。
所述的矩形金属波导2与矩形金属波导3的公共壁上开有70个圆形小孔，如图2所示，按每排35个小孔的方式平行双排排列。
所述的圆形小孔的半径r1＝0.21mm，相邻小孔间的距离d1＝0.43mm，圆形小孔距波导窄边的距离s1＝0.21mm，小孔的厚度即矩形金属波导2与矩形金属波导3之间的公共壁厚度t1＝0.30mm.
图4所示为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器加工装配的侧视剖面示意图。
其中1～3分别为三层矩形金属波导；4～7为四层外部金属块，材料可选择铜或其他电导率较高的金属；在金属块5上挖空相应尺寸的凹槽形成波导1，同理在金属块6与7上挖空相应尺寸的凹槽形成波导2与3；在金属块5与6，6与7之间打方形孔与圆形孔形成波导公共壁之间的耦合孔。8与9分别为螺钉与螺帽，用于将四层金属块装配在一起形成整体结构。金属块5的厚度
T＝0.55mm+0.30mm＝0.85mm，金属块6的厚度T1＝0.55mm+0.30mm＝0.85mm。金属块与螺钉孔等其他相关尺寸参数不作限定，视实际应用场景与加工方式确定，此处只为表明耦合器的装配与工作模式。
图5所示为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器工作在耦合度为3dB模式下的加工装配侧视剖面示意图。将金属块7向左移一定距离，移动距离至少大于矩形金属波导尺寸a，并再将其装配在一起。则此时波导3与1、2不在一个垂直平面，2与3之间的圆形耦合孔被金属块堵住，相当于在波导3中插入金属块。太赫兹波只能沿波导1与2之间传播，即形成3dB耦合器。
图6所示为基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器工作在耦合度为10dB模式下的加工装配侧视剖面示意图。将金属块4与5向左移一定距离，移动距离至少大于矩形金属波导尺寸a，并再将其装配在一起。则此时波导1与2、3不在一个垂直平面，1与2之间的方形耦合孔被金属块堵住，相当于在波导1中插入金属块。太赫兹波只能沿波导2与3之间传播，即形成10dB耦合器。
图7为耦合器工作在耦合度为3dB模式下的S参数曲线。其中S11表征3dB耦合器的回波损耗，S21表征3dB耦合器的插入损耗，S31表征3dB耦合器的耦合度，S41表征3dB耦合器的隔离度。由图7可知，该模式下的耦合器工作在180-260GHz的频率范围内，在中心频率220GHz处耦合度S31约为3dB，隔离度S41基本大于30dB，回波损耗S11均大于30dB，插入损耗S21在2～5dB之间波动。图8为耦合器工作在耦合度为3dB模式下的表面电流密度分布图。由图可知，太赫兹波从波导2的端口①输入，端口②输出，且经由方形孔耦合到波导1中，从端口③与端口④输出。在理想情况下，耦合度为3dB时，端口②与端口③分别输出输入信号的1/2，端口④无信号输出。
图9为耦合器工作在耦合度为10dB模式下的S参数曲线。其中S11表征10dB耦合器的回波损耗，S21表征10dB耦合器的插入损耗，S51表征10dB耦合器的耦合度，S61表征10dB耦合器的隔离度。由图9可知，该模式下的耦合器工作在180～260GHz的频率范围内，耦合度S51约为10dB，隔离度S61均大于45dB，回波损耗S11基本大于30dB，插入损耗S21约为0dB。
图10为耦合度为10dB模式下的表面电流密度分布图。由图可知，太赫兹波从波导2的端口①输入，端口②输出，且经由圆形孔耦合到波导3中，从端口⑤与端口⑥输出。在理想情况下，耦合度为10dB时，端口⑤输出输入信号的1/10，端口②输出输入信号的9/10，端口⑥无信号输出。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，用于实现耦合度在3dB与10dB之间切换，其特征在于，包括三层金属波导层结构，由上至下分别是第一金属波导层(1)、第二矩形金属波导层(2)、第三金属波导层(3)，第一金属波导层(1)作为3dB耦合器的副波导，第二矩形金属波导层(2)作为3/10dB耦合器的主波导，第三金属波导层(3)作为10dB耦合器的副波导，其中第二矩形金属波导(2)为直波导，第一金属波导层(1)为U型结构，第三金属波导层(3)为与第一金属波导层(1)呈中心对称的U型结构，即第三金属波导层(3)与第一金属波导层(1)的两端分别连接有弯曲波导以及延伸结构，用于测试设备与端口的连接；第一金属波导层(1)与第二矩形金属波导层(2)之间的公共壁上开有平行双排方形孔，第二矩形金属波导层(2)与第三金属波导层(3)之间的公共壁上开有平行双排圆形孔，平行双排方形孔，用于输入太赫兹波的3dB耦合，平行双排圆形孔用于输入太赫兹波的10dB耦合，使用时通过在第一金属波导层第三金属波导层中添加金属块来实现耦合通路的选择。
2.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述第一金属波导层(1)与第二矩形金属波导层(2)及其公共壁上开的方形孔构成耦合度为3dB的太赫兹波导定向耦合器，其中第二矩形金属波导层(2)为3dB耦合器的主波导，第一金属波导层(1)为3dB耦合器的副波导，端口①为输入端，端口②为直通端，端口③为3dB耦合端，端口④为3dB隔离端。
3.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述第二矩形金属波导层(2)与第三金属波导层(3)及其公共壁上开的圆形孔构成耦合度为10dB的太赫兹波导定向耦合器，其中第二矩形金属波导层(2)为10dB耦合器的主波导，第三金属波导层(3)为10dB耦合器的副波导，端口①为输入端，端口②为直通端，端口⑤为10dB耦合端，端口⑥为10dB隔离端。
4.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述金属矩形波导均采用WR-4标准矩形波导，其横截面尺寸为a×b＝1.10mm×0.55mm，外部材料选择铜或其他电导率较高的金属，内部填充空气。
5.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述第一金属波导层(1)的直波导长度L1＝20mm，两侧为弯曲波导，弯曲波导半径R＝1mm，弯曲波导外加长度为c＝5mm的直波导延伸结构，其作用是为了方便与其他器件或测试设备进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述第二矩形金属波导层(2)为直波导长度L＝26mm；
所述第三金属波导层(3)直波导长度L1＝20mm，两侧为弯曲波导，弯曲波导半径R＝1mm，弯曲波导外加长度为c＝5mm的直波导延伸结构，该弯曲波导与第一金属波导层(1)的弯曲波导背向放置。
7.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述第一金属波导层(1)与第二矩形金属波导层(2)的公共壁上开有94个正方形小孔，按每排47个小孔的方式平行双排排列。
8.根据权利要求7所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述正方形小孔边长l＝0.40mm，相邻两个小孔间的距离d＝0.43mm，方形小孔距波导窄边的距离s＝0.20mm，小孔的厚度即第一金属波导层(1)与第二矩形金属波导层(2)之间的公共壁厚度t＝0.30mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述第二矩形金属波导层(2)与第三金属波导层(3)的公共壁上开有70个圆形小孔，按每排35个小孔的方式平行双排排列。
10.根据权利要求9所述的一种基于小孔耦合的太赫兹波导定向耦合器，其特征在于，所述的圆形小孔的半径r1＝0.21mm，相邻小孔间的距离d1＝0.43mm，圆形小孔距波导窄边的距离s1＝0.21mm，小孔的厚度即第二矩形金属波导层(2)与第三金属波导层(3)之间的公共壁厚度t1＝0.30mm。
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