CN115939717B - 一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔t - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,由平面波导魔T和平面金属传输线组成;平面波导魔T的“T”型结构的下端为电磁波输入端口,左右两端分别为输出端口,上端为隔离端口;平面金属传输线放置在隔离端口中;平面金属传输线由依次相连的微带耦合探针、曲折微带连接线、金属镍人工表面等离激元传输线组成;金属镍人工表面等离激元传输线作为平面波导魔T隔离端口的匹配负载。本发明通过在平面波导魔T的隔离端口插入探针耦合能量至微带传输线,再利用一种金属镍人工表面等离激元传输线将电磁能量吸收,从而实现隔离端口的匹配负载。

Description

一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域,具体涉及一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T。
背景技术
太赫兹波一般定义为频率在100GHz~10THz的电磁波。太赫兹波处于毫米波和红外波的交叉区域,因此既表现出毫米波的特性,有表现出很多光波的优势。太赫兹波在通信和基础领域中具有重大应用价值,尤其是在太赫兹源方面的研究具有很重要的意义。在太赫兹源中,功分/合成网络尤为重要。
平面波导魔T因具有低插入损耗、低回波损耗和高功率容量等特点被广泛用于大功率的无线通信系统和设备。平面波导魔T充当功分器,可以实现多路信号合成或者将一路信号分成多路信号。在实际工程应用中,各种功分器经常被用于实现信号合成或者分配,例如T型波导功分器,它具有的优点是结构简单易于加工。然而T型波导功分器的输出端口之间不能获得良好的隔离度。如果它的两个输出端口中的一个端口不匹配,则该端口的信号将串扰到另外一个端口中从而影响整个T型波导功分器的性能。所以,对于平面波导魔T的研究具有很重要的实际应用意义。传统情况下,采用微带耦合探针将波导魔T的电磁场能量耦合至平面传输线,再将50欧姆的薄膜电阻粘贴在平面波导魔T的隔离端口实现阻抗匹配,或采用吸波材料粘贴在隔离端口的波导壁中实现能量的吸收以提高隔离度。然而,上述两种方式将引入额外的器件(如薄膜电阻、吸波材料),增加了制备成本;此外,粘贴技术也存在一定的不稳定性。因此,研究新型平面波导魔T的匹配负载是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种通过在平面波导魔T的隔离端口插入探针耦合能量至微带传输线,再利用一种金属镍人工表面等离激元传输线将电磁能量吸收,从而实现隔离端口的匹配负载的基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,由平面波导魔T和平面金属传输线组成;平面波导魔T的“T”型结构的下端为电磁波输入端口,左右两端分别为输出端口,上端为隔离端口;平面金属传输线放置在隔离端口中;
所述平面金属传输线由依次相连的微带耦合探针、曲折微带连接线、金属镍人工表面等离激元传输线组成;微带耦合探针插入隔离端口中,将太赫兹波的电磁能量耦合至平面金属传输线;曲折微带连接线将耦合的电磁能量传输至金属镍人工表面等离激元传输线中;金属镍人工表面等离激元传输线作为平面波导魔T隔离端口的匹配负载。
进一步地,所述平面波导魔T包括竖直方向的输入波导,以及水平方向上关于输入波导对称的两个输出波导;
输入波导呈“Y”型结构,Y型结构的两端分别与两个输出波导连接;Y型结构竖直部分为标准矩形波导WR4,尺寸为1092μm×546μm;输入波导上端的Y型结构凹槽内为一倒梯形结构,倒梯形结构的下底尺寸d1=700μm,上底尺寸d2=300μm,高度dh=150μm;微带耦合探针在下底中轴线处插入输入波导中;输入波导的下端为电磁波输入端口,上端的倒梯形结构为隔离端口;
两个输出波导的结构相同,为三级阶梯渐变匹配结构,第一级匹配波导宽度w1=300μm,长度l1=900μm;第二级匹配波导宽度w2=400μm,长度l2=400μm;第三级匹配波导宽度w3=500μm,长度l3=200μm;第一级匹配波导分别与输入波导连接。
进一步地,所述微带耦合探针和曲折微带连接线为金、铜、铝或者镍制成。
进一步地,所述微带耦合探针采取矩形+三角形的设计,其中,矩形部分的宽度wp=90μm,长度lp=240μm;三角形部分底边长度与矩形的宽度相同,高度lp2=100μm;三角形部分的顶点连接曲折微带连接线;
曲折微带连接线包括与微带耦合探针连接的水平部分和与金属镍人工表面等离激元传输线连接的竖直部分,水平部分和竖直部分相互垂直且一个端点固定连接,水平部分和竖直部分的宽度均为10μm,水平部分的长度lq=150μm,竖直部分末端距离基片边缘的距离s=10μm,竖直部分末端连接金属镍人工表面等离激元传输线;
所述金属镍人工表面等离激元传输线采取锯齿形结构设计,包括与曲折微带连接线相连的基底和基底上设置的锯齿结构,锯齿结构从曲折微带连接线到远离曲折微带连接线的方向,每个锯齿单元长度逐级递增,初级长度h0=10μm,末级长度h=300μm,总共30个单元;锯齿单元宽度w0=10μm,每个锯齿单元之间缝隙s0=10μm;基底的宽度ws=20μm;基底和锯齿结构均使用金属镍作为材料。
本发明的有益效果是:本发明通过在平面波导魔T的隔离端口插入探针耦合能量至微带传输线,再利用一种金属镍人工表面等离激元传输线将电磁能量吸收,从而实现隔离端口的匹配负载。这种使用人工表面等离激元传输线作为匹配负载的方式代替了传统的薄膜电阻或者吸波材料,实现了高隔离度效果,免去了额外器件的装配和使用,加工制备更加容易,成本更低。
附图说明
图1为本发明的太赫兹平面波导魔T的结构示意图;
图2为本发明的太赫兹平面波导魔T的平面金属传输线结构图;
图3为本发明的太赫兹平面波导魔T的尺寸标注图;
图4为本发明的太赫兹平面波导魔T的平面金属传输线的尺寸标注图;
图5为本发明的太赫兹平面波导魔T的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示,本发明的一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,由平面波导魔T和平面金属传输线组成;平面波导魔T的“T”型结构的下端1为电磁波输入端口,左右两端2和3分别为输出端口,上端4为隔离端口;平面金属传输线放置在隔离端口中;
如图2所示,所述平面金属传输线由依次相连的微带耦合探针01、曲折微带连接线02、金属镍人工表面等离激元传输线03组成;微带耦合探针插入隔离端口中,将太赫兹波的电磁能量耦合至平面金属传输线;曲折微带连接线将耦合的电磁能量传输至金属镍人工表面等离激元传输线中;金属镍人工表面等离激元传输线作为平面波导魔T隔离端口的匹配负载。
所述平面波导魔T包括竖直方向的输入波导,以及水平方向上关于输入波导对称的两个输出波导;其结构如图3所示。
输入波导呈“Y”型结构,Y型结构的两端分别与两个输出波导连接;Y型结构竖直部分为标准矩形波导WR4,尺寸为1092μm×546μm;输入波导上端的Y型结构凹槽内为一倒梯形结构,倒梯形结构的下底尺寸d1=700μm,上底尺寸d2=300μm,高度dh=150μm;微带耦合探针在下底中轴线处插入输入波导中;输入波导的下端为电磁波输入端口,上端的倒梯形结构为隔离端口;
两个输出波导的结构相同,为三级阶梯渐变匹配结构,第一级匹配波导宽度w1=300μm,长度l1=900μm;第二级匹配波导宽度w2=400μm,长度l2=400μm;第三级匹配波导宽度w3=500μm,长度l3=200μm;第一级匹配波导分别与输入波导连接。
所述微带耦合探针和曲折微带连接线为金、铜、铝或者镍制成。
如图4所示,所述平面金属传输线基片为石英,石英厚度为50μm,长度为1200μm,宽度为280μm,放置在隔离端口中;
所述微带耦合探针采取矩形+三角形的设计,其中,矩形部分的宽度wp=90μm,长度lp=240μm;三角形部分底边长度与矩形的宽度相同,高度lp2=100μm;三角形部分的顶点连接曲折微带连接线;
曲折微带连接线包括与微带耦合探针连接的水平部分和与金属镍人工表面等离激元传输线连接的竖直部分,水平部分和竖直部分相互垂直且一个端点固定连接,水平部分和竖直部分的宽度均为10μm,水平部分的长度lq=150μm,竖直部分末端距离基片边缘的距离s=10μm,竖直部分末端连接金属镍人工表面等离激元传输线;
所述金属镍人工表面等离激元传输线采取锯齿形结构设计,包括与曲折微带连接线相连的基底和基底上设置的锯齿结构,锯齿结构从曲折微带连接线到远离曲折微带连接线的方向,每个锯齿单元长度逐级递增,初级长度h0=10μm,末级长度h=300μm,总共30个单元;锯齿单元宽度w0=10μm,每个锯齿单元之间缝隙s0=10μm;基底的宽度ws=20μm;基底和锯齿结构均使用金属镍作为材料;金属镍的射频损耗比较其他金属更为严重。利用金属镍的射频传输损耗,结合人工表面等离激元的低通特性,可以实现对电磁波的吸收,从而实现隔离端口的负载匹配。
整个平面金属传输线采用石英作为基片(图4中灰色部分),微带耦合探针01、曲折微带连接线02、金属镍人工表面等离激元传输线03均设置在基片上。
本发明的在太赫兹频段的仿真结果示意图如图5所示,从图中可以看出,在200GHz-240GHz频率范围内,基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,其隔离度优于20dB,可替代传统的电阻薄膜负载或吸波材料负载,且相对功率容量远超电阻薄膜。
综上所述,本发明提出了一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,利用金属镍人工表面等离激元传输线作为功分器的匹配负载,免去了不必要器件的使用,加工装配方便,制备难度,同时实现了高隔离度效果。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,其特征在于,由平面波导魔T和平面金属传输线组成;平面波导魔T的“T”型结构的下端为电磁波输入端口,左右两端分别为输出端口,上端为隔离端口;平面金属传输线放置在隔离端口中;
所述平面金属传输线由依次相连的微带耦合探针、曲折微带连接线、金属镍人工表面等离激元传输线组成;微带耦合探针插入隔离端口中,将太赫兹波的电磁能量耦合至平面金属传输线;曲折微带连接线将耦合的电磁能量传输至金属镍人工表面等离激元传输线中;金属镍人工表面等离激元传输线作为平面波导魔T隔离端口的匹配负载;
所述微带耦合探针采取矩形+三角形的设计,三角形部分底边长度与矩形的宽度相同,三角形部分的顶点连接曲折微带连接线;
曲折微带连接线包括与微带耦合探针连接的水平部分和与金属镍人工表面等离激元传输线连接的竖直部分,水平部分和竖直部分相互垂直且一个端点固定连接,竖直部分末端连接金属镍人工表面等离激元传输线;
所述金属镍人工表面等离激元传输线采取锯齿形结构设计,包括与曲折微带连接线相连的基底和基底上设置的锯齿结构,锯齿结构从曲折微带连接线到远离曲折微带连接线的方向,每个锯齿单元长度逐级递增,初级长度h0=10μm,末级长度h=300μm,总共30个单元;锯齿单元宽度w0=10μm,每个锯齿单元之间缝隙s0=10μm;基底的宽度ws=20μm。
2.根据权利要求1所述的基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,其特征在于,所述平面波导魔T包括竖直方向的输入波导,以及水平方向上关于输入波导对称的两个输出波导;
输入波导呈“Y”型结构,Y型结构的两端分别与两个输出波导连接;Y型结构竖直部分为标准矩形波导WR4,尺寸为1092μm×546μm;输入波导上端的Y型结构凹槽内为一倒梯形结构,倒梯形结构的下底尺寸d1=700μm,上底尺寸d2=300μm,高度dh=150μm;微带耦合探针在下底中轴线处插入输入波导中;输入波导的下端为电磁波输入端口,上端的倒梯形结构为隔离端口;
两个输出波导的结构相同,为三级阶梯渐变匹配结构,第一级匹配波导宽度w1=300μm,长度l1=900μm;第二级匹配波导宽度w2=400μm,长度l2=400μm;第三级匹配波导宽度w3=500μm,长度l3=200μm;第一级匹配波导分别与输入波导连接。
3.根据权利要求1所述的基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,其特征在于,所述微带耦合探针和曲折微带连接线为金、铜、铝或者镍制成。
4.根据权利要求1所述的基于新型传输线负载的太赫兹平面波导魔T,其特征在于,所述微带耦合探针矩形部分的宽度wp=90μm,长度lp=240μm;三角形部分高度lp2=100μm;
曲折微带连接线水平部分和竖直部分的宽度均为10μm,水平部分的长度lq=150μm,竖直部分末端距离基片边缘的距离s=10μm;
所述金属镍人工表面等离激元传输线基底和锯齿结构均使用金属镍作为材料。
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