CN208637567U - 太赫兹介质分支波导耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种太赫兹介质分支波导耦合器，旨在提供一种结构简单，能够广泛应用于太赫兹平面电路的射频信号耦合器结构。本实用新型通过下述方案予以实现：两条介质带状波导以八字形的π形形状平行对称于空气层的空气隙中，形成槽波导桥形直通分支波向，槽波导桥分支波导的四个端口采用拐弯的曲率半径伸展为八字弯曲端口，太赫兹波从八字弯曲端口输入端进入，太赫兹波经过槽波导桥分支波导后，从另一端的八字弯曲端口的两个出口耦合输出二路太赫兹波，形成一路为直通输出，另一路为耦合输出的四分支太赫兹耦合器。能够将输入的太赫兹信号通过二路输出，一路直通输出，另一路耦合输出，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

太赫兹介质分支波导耦合器

技术领域

本实用新型是关于一种基于平板介质波导的太赫兹新型耦合器结构，可以实现太赫兹THz射频信号功分耦合输出的导波结构。

背景技术

由于太赫兹波具有波长短、方向性好、光子能量低、高穿透性等独特性质，太赫兹技术在通信、雷达、安检成像、生物医学、频谱分析等多个领域都具有重要的学科价值和广阔的应用前景，被誉为改变未来世界的十大技术之一。太赫兹波一般是指频率主要在0.1―10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波，在电磁波谱上位于微波与红外线之间。宽频太赫兹波脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，其频带覆盖了从0.1―10THz的范围，该波段包含了大多数分子的转动和振动能级，许多重要的有机分子对太赫兹频率显示出极强的吸收和色散特性，同时，半导体材料的等离子体频率也在该波段。这些频谱特性决定了太赫兹波必将在生物、化学、半导体等领域大展身手。太赫兹波的激发是由相干电流驱动的偶极子振荡产生或者是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生，具有很高的时间和空间相干性。现有的太赫兹时域光谱技术可以直接测量振荡电磁场的振幅和相位，这一特点在研究材料的瞬态相干动力学问题时具有极大的优势。在太赫兹波段，大部分的金属还可以算作良导体，但是损耗已经比微波段要高。太赫兹辐射产生技术与太赫兹导波技术是太赫兹技术中最关键的核心技术，太赫兹源和导波器件也是太赫兹系统中最关键的组成部分。

耦合器是一种常用的无源器件，其中多分支矩形波导定向耦合器因其具有低插损，高功率容量等特性而被广泛应用。太赫兹频段的耦合器为保证一定带宽一般设计为五分支结构，但由于频率高、波长短，致使每个波导分支的宽度尺寸常小，而受到加工技术的限制难以制造。金属在低频段，如太赫兹或者微波段的介电常数非常大，从而使得电磁波的趋肤深度非常小，一般远小于波长量级，所以金属近似于理想导体。金属的电导率被认为无穷大，在金属内部不存在任何电磁。金属对电磁波也不存在任何吸收损耗。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。由于表面波传输线横向尺寸不大，而有广泛的实用价值。矩形及圆形金属管太赫兹波导、平行金属平板太赫兹波导、蓝宝石单晶太赫兹波导、塑料平板太赫兹波导，普遍存在的一个问题是，由于几乎所有的材料在太赫兹波段都有较高的吸收，这些波导往往具有较大的损耗，对太赫兹波导的实际应用而言，如何实现低损耗传输是首先要面对的一个问题。利用金属线和亚波长塑料光纤传输太赫兹波、损耗可以分别降低至0。由于大部分能量都在空气中传播，其约束性和抗干扰能力非常差。平板介质波导可以工作在波导的基模模上，在毫米波和太赫兹平面电路上起着非常重要的作用。相比于金属平行板波导，平板介质波导能够更有效地将电磁能量聚集在内部介质区域中进行传输，从而增强波导的能量聚集能力。介质波导是半开放性表面波导，在弯曲和不连续处，电磁波辐射损耗增强，给应用带来了困难。星形平板介质耦合器的发射端口阵列位于以为圆心的圆弧处，接收端口阵列位于以圆心的圆弧处，带状波导宽度分析为.(发射端口)和n(接收端口).任一发射端口P是最外端口坐标.当能量从个带状波导端口中任一端口P以主模激励空间区域，接着以辐射模的形式向前传播，照射接收阵列，由于传输过程中产生衍射，最后只有一部分被接收阵列所截获，而辐射到接收阵列中每个端口的能量只有一部分能够激励起这个端口的主模。

发明内容

本实用新型目的是针对当前太赫兹平面电路之间无法实现有效互连的问题，提供一种结构简单紧凑、性能优越，基于平板介质波导的太赫兹介质分支波导耦合器。

本实用新型的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种太赫兹介质分支波导耦合器，包括：两个金属平行板、空气层、位于两金属板间的介质带状波导，其特征在于：两条介质带状波导以八字形的π形形状平行对称于空气层的空气隙中，形成槽波导桥形直通分支波向，槽波导桥分支波导的四个端口采用拐弯的曲率半径伸展为八字弯曲端口，太赫兹波从八字弯曲端口输入端进入，太赫兹波经过槽波导桥分支波导后，从另一端的八字弯曲端口的两个出口耦合输出二路太赫兹波，形成一路为直通输出，另一路为耦合输出的四分支太赫兹耦合器。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。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

结构简单紧凑。本实用新型采用两条介质带状波导以八字形的π形形状平行对称于空气层的空气隙中，形成槽波导桥形直通分支波向，槽波导桥分支波导的四个端口采用拐弯的曲率半径伸展为八字弯曲端口。以介质带状波导作为射频信号输入，通过介质材料进行传输，输出二路太赫兹射频信号。可以很好的解决一般采用微带结构或者悬置微带结构太赫兹信号的平面传输问题。相对于当前所提出矩形金属波导、共面波导、微带等太赫兹耦合器结构更加简单，紧凑，更易于加工实现，克服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。

耦合强度高。本实用新型电磁场的高度约束来源于两个金属平行板金属表层电子与电磁波的强相互耦合作用，实现电磁场的亚波长约束，即将电磁场约束在远小于波长量级的范围内。这种亚波长约束使得界面局部处的电磁场产生增强效应，另一方面也使得对金属传播表面的变化高度敏感，可以感知传播表面上亚波长量级的结构变化。采用介质带状波导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。槽波导桥形直通分支桥形隔离度27dB，耦合损耗为0.9dB，中心频率为1THz，带宽为12.5％，与常规PPDW耦合器相比，带宽拓宽至4.2倍，尺寸缩小了61％。

耦合效率高。本实用新型采用两条介质带状波导以八字形的π形形状平行对称于空气层的空气隙中，均匀性和一致性好，形成槽波导桥形直通分支波向耦合区，在0.35-0.36THz频段内，隔离度优于40dB，各端口的回波损耗大于40dB，插入损耗小于0.2dB。这种耦合器在33～37GHz频带可达到3dB耦合、低插损。四个端口采用拐弯的曲率半径伸展为八字弯曲高隔离90°相位差输入端口和输出端口，耦合效率高，性能更加优越。由于大部分能量都分布在空气孔中，损耗可以降低l0倍以上，同时，可通过改变金属板的大小和两个金属板之间的间距，来传输相应的太赫兹射频信号。调节介质带状波导的尺寸和材料参数来优化太赫兹功分器的传输参数。通过调节两个介质带状波导之间的间隔距离，可以改善耦合器的耦合度。

本实用新型特别适用于太赫兹频段平面电路之间的有效互连。可应用于太赫兹频段的基于平板介质波导的太赫兹新型耦合器结构。

附图说明

图1是本实用新型太赫兹介质分支波导耦合器构造示意图。

图1中：1金属平行板、2空气层，3介质带状波导。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种太赫兹介质分支波导耦合器，包括：两个金属平行板1、空气层2、位于两金属板间的介质带状波导3，其特征在于：两条介质带状波导3以八字形的π形形状平行对称于空气层2的空气隙中，形成槽波导桥形直通分支波向，槽波导桥分支波导的四个端口采用拐弯的曲率半径伸展为八字弯曲端口，太赫兹波从八字弯曲端口输入端进入，太赫兹波经过槽波导桥分支波导后，从另一端的八字弯曲端口的两个出口耦合输出二路太赫兹波，形成一路为直通输出，另一路为耦合输出的四分支太赫兹耦合器。介质带状波导之外的区域为空气层2。太赫兹波从输入端进入，与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口。太赫兹波从另一端的两个直通输出端出口和耦合输出端口输出。实现二路四分支输出太赫兹信号，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。

基于平板介质波导的太赫兹新型耦合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。可通过改变金属板的大小和两个金属板之间的间距，来传输相应的太赫兹射频信号。调节介质带状波导的尺寸和材料参数来优化太赫兹功分器的传输参数。通过调节两个介质带状波导之间的间隔距离，可以改善耦合器的耦合度。

在导桥分支波导槽缝空间中，太赫兹波能量流是平行分布的，随着槽缝隙开口宽度的增大，随着开口缝隙的增大，等效平板电容间距变大，等效电容C变小，在开口缝隙处表现出显著增强的电场，且谐振时的电场最强，在八字弯曲端口开口处产生了太赫兹波的增强效应。研究表明，这种结构不仅可以有效提高机械性能，还能显著提升在空气隙中太赫兹波电场增强。太赫兹波在八字弯曲输入端口的THz信号分为一对等幅同相的信号和在八字弯曲输出端口一对等幅反相的信号。这种将入射信号幅度分长度设计可以很好的改善耦合器的性能。两金属板间距小于半波长，分支波导输出端口幅度不平坦度小于0.2dB。可以更好的实现太赫兹频段平面电路之间的有效互连，能够将输入的太赫兹信号通过二路输出，一路为直通输出，另一路为耦合输出。也可以与鳍线和微带进行互连。根据太赫兹电路频段要求，确定频率通带，选择合适的介质带状波导材料，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。

Claims (2)

1.一种太赫兹介质分支波导耦合器，包括：两个金属平行板(1)、空气层(2)、位于两金属平行板间的介质带状波导(3)，其特征在于：两条介质带状波导(3)以八字形的π形形状平行对称于空气层(2)的空气隙中，形成槽波导桥形直通分支波向，槽波导桥分支波导的四个端口采用拐弯的曲率半径伸展为八字弯曲端口，太赫兹波从八字弯曲端口输入端进入，太赫兹波经过槽波导桥分支波导后，从另一端的八字弯曲端口的两个出口耦合输出二路太赫兹波，形成一路为直通输出，另一路为耦合输出的四分支太赫兹耦合器。

2.如权利要求1所述的太赫兹介质分支波导耦合器，其特征在于：与输入端同侧的另一端口为匹配负载端口。