CN208272098U - 平面g线太赫兹功分器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种平面G线太赫兹功分器，旨在提供一种结构简单，易加工，能够广泛应用于太赫兹平面电路的射频信号功分结构。本实用新型通过下述方案予以实现：以平面G线作为射频信号输入的金属带线(2)直通U形分支线，U形分支线并联薄膜电阻(3)，形成从双耦合分支线电桥隔离端口两边垂直的π形分支线输出端口，太赫兹波从金属带线(2)的直通端口输入，从金属带线(2)U形分支线的π形分支线两个出口输出，从而形成太赫兹二功分器。该实用新型可以更好的实现太赫兹频段平面电路之间的有效互连，能够将输入的一路太赫兹信号通过该实用新型实现二路输出，从而可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效传输。

Description

平面G线太赫兹功分器

技术领域

本实用新型涉及一种在物理、化学、天文学、生命科学和医学等基础研究领域，以及安全检查、无损检测、生物成像、环境监测、食品检验、环境监测、医疗诊断、雷达侦察、卫星通信和天文观测等领域等基于平面G线的太赫兹新型功分器结构。

背景技术

功分器是功率分配器（PowerDivider）的简称，逆向使用作功率合成器，它是一种应用非常广泛的微波无源器件，它的作用是将单路输入信号的能量分成两路或多路输出信号能量，输出能量可等分也可不等分，若逆向使用则称之为功率合成器，即可将多路输入信号能量合成到一路能量输出。同一个功分器的各个输出端口之间必须保证一定的隔离度。另外，在工作频段内，插入损耗和幅度平衡度等也是衡量一个功分器质量的重要指标。功率分配器的核心指标参数包括：功率损耗（其中含插入损耗、回波损耗、分配损耗）、端口电压驻波比、功率输出端口之间的隔离度、输出功率信号的幅度不平衡度以及相位平衡度、频带宽度和功率容量等。分配损耗代表输入的信号功率经过理论值的功率分配后相较于原始输入信号功率所减小的量。比如二路功分的分配损耗为3dB，三路功分的分配损耗为4.8dB，四路功分的分配损耗是6dB。插入损耗代表信号功率传输经过功分器后输出的功率相较于原始输入信号功率所减小的量，再减去应有的分配损耗。也有一些文献指的仅是信号功率传输经过功分器后输出的功率相较于原始输入信号功率所减小的量。一般波导的插入损耗优于微带的插入损耗，随着太赫兹技术研究的不断深入，在太赫兹波段缺少大功率信号源，为满足太赫兹系统对较大功率输出的需求，必然要采用功率合成技术，因此对太赫兹功分/合成器的需求日益迫切。然而，受制于其固有物理尺寸特性，鲜有成功的实例。

太赫兹的应用除了太赫兹信号源，还必须解决太赫兹信号的传输问题，这也包括太赫兹射频信号平面功分传输的问题。在太赫兹频段，一般使用MEMS工艺中的SU形-8、DRIE等工艺来制造波导类型的功分器和耦合器，另外也可使用刻蚀槽形成悬空结构或淀积绝缘薄膜的技术来制造微带传输线等类型的功分器与耦合器，还有采用空气桥的方案，工艺手段类似滤波器。功分器采用的是CPW形式。这种CPW传输线建立在620µm厚的砷化镓基质上，在CPW上是一个空气桥结构，这是当时所报道的采用CPW形式的功分器应用的最高频率，在170GHz中心频率附近幅度平衡度小于0.2dB，隔离度大于12dB。美国亚特兰大提出一种W波段电桥耦合器和功分器。该结构采用了硅显微加工的W波段混合耦合器和采用DRIE技术的功分器，他们利用DRIE技术设计在矩形波导的H面上。混合型耦合器采用90°脊波导相位转换器和一个接头波导。功分器则采用T形结构，该结构在85-105GHZ频段内的合成效率都高达80%。MigU形elFB,MarianoBE等学者提出了一种在太赫兹波段的低损耗传输矩形波导。这种波导使用电磁带隙结构（类似多层木堆）替代传统的金属矩形波导的金属壁，将电场束缚在其内部的空气中。该结构的波导比金属波导的衰减更低，在950GHz时波导损耗大约为0.3dB/cm。他们运用此结构设计的工作于950GHz功分器，能够正确的将能量分配到两输出端口，各输出端口的插损约为4.11dB。波导这类的立体电路在高频段传输特性具有优势，因此成为当下太赫兹电路设计的首选。表面波波导这类传输线既可用在波长较长时(如米波),也可用在相当短的波长(如毫米波),甚至,可能用到太赫波波段。表面波传输线横向尺寸不大,因而有广泛的实用价值。GoU形baU形(G)线是由古鲍GoU形baU形提出来的一种表面波导波结构。它是在柱形金属线导波结构的基础上，通过在金属表面增加一层介质而构成的。通过对GoU形baU形线进行变形，形成平面结构，金属导线位于介质基片材料表面，构成平面GoU形baU形线，简称平面G线。相比于其它传输线结构形式，平面G线能够更有效地将电磁能量聚集在介质区域中进行传输，可减小电导损耗，改善传输线的传输损耗。太赫兹波导功分/合成器在制造工艺上不同于传统功分/合成器。这是由于太赫兹频段电磁波的真空波长在0.1mm-1mm这个范围内，由此该特性限定了无源器件的尺寸必须满足毫米量级乃至微米量级才能在此频段内正常工作，同时还必须满足极其严苛的金属表面粗糙度。当前，传统加工工艺很难满足以上这些要求。由于传统的微带威尔金森功分器在太赫兹频段不易实现且损耗较大，而多分支矩形波导电桥是一种非常有用的功率分配/合成结构，它是一种常用的能够在比较宽的频带内实现3dB的紧耦合的正交混合电桥。波导传输太赫兹波的最大优点就是完全限制电磁波，没有辐射损耗。现有的MEMS工艺对于太赫兹波导传输器件的加工已可以胜任。随着微细加工技术的进展，基于矩形波导的功分/功合器因其加工、性能等方面的优势使它在太赫兹系统中的应用潜力巨大。因此选用的太赫兹功分器型式为矩形波导E面分支线电桥和H面波导裂缝电桥两种。矩形波导E面分支线电桥是一种常见的正交混合电桥，它是经常被用于功率分配/合成结构，可以在相当宽的频带内耦合等分的功率，它主要由四个端口外加N根分支线组成：端口一是输入端口、端口二是直通端口、端口三是耦合端口、端口四是隔离端口，其中直通端口和耦合端口作为输出端口，且两输出端口输出信号相位相差π/4。当前太赫兹平面电路之间很难实现有效互连的问题。

发明内容

本实用新型目的是针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，易于加工，平面互连性好，基于平面G线的太赫兹新型功分器结构。该结构能够使多个太赫兹平面电路之间实现有效、低损的射频信号传输，从而提高太赫兹信号的发射与接收的效率。

本实用新型的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种平面G线太赫兹功分器，包括：夹装在两层介质基片间的金属带线，其特征在于：以平面G线作为射频信号输入的金属带线直通U形分支线，U形分支线并联薄膜电阻，形成从双耦合分支线电桥隔离端口两边垂直的π形分支线输出端口，太赫兹波从金属带线的直通端口输入，从金属带线U形分支线的π形分支线两个出口输出，从而形成太赫兹二功分器。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

结构简单，易于加工。本实用新型以平面G线作为射频信号输入结构形式，通过介质材料进行传输，通过π形分支线输出二路射频信号。当前太赫兹平面电路一般采用微带结构或者悬置微带结构，采用本实用新型可以很好的解决太赫兹信号的平面传输问题。平面G线本身的结构形式特别适合与微带进行互连，这就解决了太赫兹信号的传输问题。相对于当前所提出共面波导、平板波导、介质光纤等太赫兹导波结构，平面G线的结构形式就具有非常明显的优势，它的结构更为简单，而且相比之下尺寸更大，这样就更易于加工实现，从而解决了现有单一结构形式的太赫兹导波结构制造工艺要求高，实际应用较困难，难于加工等问题。

平面互连性好，耦合强度高。本实用新型采用介质基片材料实现太赫兹信号传输，能够将太赫兹信号的能量有效地耦合于内部介质层，获得更强的能量聚集特性，降低了太赫兹信号存在于外部空间的辐射损耗。可以更好的实现太赫兹频段平面电路之间的有效互连，能够将太赫兹信号的能量有效地耦合于内部介质层，获得更强的能量聚集特性，降低了太赫兹信号存在于外部空间的辐射损耗，可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效传输。通过U形分支线并联薄膜电阻，形成从双耦合分支线电桥隔离端口两边垂直的π形分支线输出端口，对称、无耗、互易、两输出端口间隔离度高。π形分支线两股电磁波只在中心频率附近的小范围内呈反相而相互抵消；通过π形分支线耦合到平行波导中形成2股电磁波，这2股电磁波互相叠加抵消，不单单只有中心频率左右的电磁波会相互抵消，中心频率周围的电磁波也会大部分被抵消。并可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率。同时，可通过改变介质基片的尺寸和材料参数，来优化功分器的介质损耗；通过调整金属带线的尺寸，来优化功分器的传输参数；通过调整薄膜电阻的位置和阻值，可以优化太赫兹二功分器输出信号之间的隔离度。三分支线U形电桥结构功分在375-385GHz频率范围内损耗均小于1.6dB，端口隔离度优于32dB，幅度不平衡度小于2dB；U形缝电桥结构功分在375-385GHz频率范围内损耗小于2.5dB，端口隔离度优于20dB。

本实用新型太赫兹射频信号功分传输的导波结构，特别适用于太赫兹频段平面电路之间的有效互连。

附图说明

图1是本实用新型平面G线太赫兹功分器的透视图。

图1中：1介质基片、2金属带线，3薄膜电阻。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种平面G线太赫兹功分器，包括：夹装在两层介质基片1间的金属带线2。以平面G线作为射频信号输入的金属带线2直通U形分支线，U形分支线并联薄膜电阻3，形成从双耦合分支线电桥隔离端口两边垂直的π形分支线输出端口，太赫兹波从金属带线2的直通端口输入，从金属带线2U形分支线的π形分支线两个出口输出，从而形成太赫兹二功分器。薄膜电阻3可以提高太赫兹二路功分输出射频信号之间的隔离度。U形分支线并联薄膜电阻3形成H 面波导缝电桥避免了电磁辐射和介质损耗,相比其他类型的功分/功合器具有高 Q 值、低插损和功率容量大。输入信号直接从直通端口输入，能量经过U形分支线耦合到薄膜电阻3隔离端口。当π形分支线输出端口外接匹配的放大器后，输出的信号会直接放大后输出。

基于平面G线的太赫兹新型功分器结构可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率。可通过改变介质基片的尺寸和材料参数，来优化功分器的介质损耗；通过调整金属带线的尺寸，来优化功分器的传输参数；通过调整薄膜电阻的位置和阻值，可以优化太赫兹二功分器输出信号之间的隔离度。

本实用新型具体实施可采用以下步骤：

首先根据太赫兹电路频段要求，确定频率通带，选择合适的介质基片材料，利用微波电路计算机辅助软件，建立图１的导波结构，设定所需的传输特性设计目标，通过软件的优化设计程序，从而确定各单元传输线参数。

本实用新型应用于太赫兹频段的基于平面G线的太赫兹新型功分器结构，太赫兹波从金属带线2的一端输入，从另一端的两个出口输出，从而形成太赫兹二功分器。薄膜电阻3可以提高太赫兹二路功分输出射频信号之间的隔离度。可以与鳍线和微带进行互连，解决了工程应用中太赫兹平面电路之间实现互连的难题。

Claims (3)

1.一种平面G线太赫兹功分器，包括：夹装在两层介质基片（1）间的金属带线（2），其特征在于：以平面G线作为射频信号输入的金属带线（2）直通U形分支线，U形分支线并联薄膜电阻（3），形成从双耦合分支线电桥隔离端口两边垂直的π形分支线输出端口，太赫兹波从金属带线（2）的直通端口输入，从金属带线（2）U形分支线的π形分支线两个出口输出，从而形成太赫兹二功分器。

2.如权利要求1所述的平面G线太赫兹功分器，其特征在于：U形分支线并联薄膜电阻（3）形成H 面波导缝电桥。

3.如权利要求1所述的平面G线太赫兹功分器，其特征在于：输入信号直接从直通端口输入，能量经过U形分支线耦合到薄膜电阻（3）隔离端口，当π形分支线输出端口外接匹配的放大器后，输出的信号直接放大后输出。