一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法，包括输入端、直传端、隔离端和耦合端，输入端到直传端为主波导，隔离端到耦合端为副波导，所述主波导于副波导之间形成有至少两路耦合支路，主波导与副波导之间的间距为半个波导，同时耦合支路之间的中心间距为半个波导。本发明在不改变功率分配器的主、副支路间幅度关系的情况下，将主、副波导间距和耦合缝隙间距，两者分别增加或者同时增加半个波长，这样，其尺寸的增加能够有效降低机械加工的难度，能够承受应力；另外，增加的半波长数量越多，功分器的传输带宽越低。
【专利说明】
一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法
技术领域
[0001]本发明属于太赫兹通信技术领域，特别是一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法。
技术背景
[0002]基于机械加工实现的太赫兹功分器除了需要考虑功率分配器本身的信号传输特性外，还需要考虑机械加工的可实现性。由于太赫兹的高频率，其波长缩小在功率分配器的关键结构中，槽宽和金属隔板都在0.1mm量级，机加误差精度在0.0lmm量级，按传统典型设计，耦合部分的间距尺寸为0.1mm量级，误差比10%;特别是对于有隔离度要求的功率分配器来说，一般是通过矩形波导间的缝隙耦合来实现。
[0003]传统的理论认为，其耦合缝隙中心的间距和主、副支路的间距均为四分之一波长，缝隙的大小由耦合度来决定。但是，这样设计的结果是导致了缝隙间距间的金属壁过薄，难以承受机械加工的应力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述技术问题，提供了一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法，在不改变功率分配器的主、副支路间幅度关系的情况下，将主、副波导间距和耦合缝隙间距，两者分别增加或者同时增加半个波长，这样，其尺寸的增加能够有效降低机械加工的难度，能够承受应力；另外，增加的半波长数量越多，功分器的传输带宽越低。
[0005]本发明的技术方案如下:
基于波导电桥耦合的功率分配器，其特征在于:包括输入端、直传端、隔离端和耦合端，输入端到直传端为主波导，隔离端到耦合端为副波导，所述主波导于副波导之间形成有至少两路耦合支路，主波导与副波导之间的间距为半个波导，同时耦合支路之间的中心间距为半个波导。
[0006]由其结构的对称性，可以采用类似于微带耦合线分析方法中的奇偶模分析法来进行分析。主波导传输功率的一部分被耦合到副波导，耦合功率的大小是结构物理尺寸和主波导功率传输方向的函数。偶、奇模间的相互作用会减小两条传输线间的耦合，耦合结构特性可能通过这些偶、奇模的线性组合来描述。
[0007]对于偶模，对称面，即输入端和耦合端呈现等幅同相波的面，变成开路面，起磁壁作用。
[0008]对于奇模，即输入端和耦合端则出现等幅反相波的对称面，变成一短路面，起电壁作用。因此，定向耦合器可以通过一个二端口网络来分析，它的总响应可以通过对偶模和奇模激励计算出的综合响应来求得。
[0009]在对称定向耦合器中，常常利用偶、奇模传输系数和反射系数求其响应关系。
[0010]本发明的有益效果如下:
1、本发明结构紧凑、简单可行，性能良好;将主副波导的间距设置为半个波导长，同时也可以将主副波导的耦合缝隙间距也设置为半个波导长，这样的尺寸设置能够有效降低机械加工的难度，能够承受应力;这样的结构设计可以通过机械加工实现，便于产品化;降低了机械加工的难度;半波长的整数倍尺寸设计能够容易在太赫兹频段加工实现。
[0011]2、本发明结构中耦合部分的尺寸改变增加后，间距尺寸为0.5mm量级，误差比为2%，这样将大大降低加工误差对太赫兹功率分配器传输性能的影响。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的原理不意图；
图2-5为本发明的奇偶模分析原理示意图；
图6为本发明输入端口 Sll和隔离端口 S12的示意图；
图7为本发明功分两端口幅度的示意图；
图8为本发明功分两端口相位的示意图；
图9为本发明构建的0.34THz定向耦合器的基本模型示意图；
图10为本发明的具体设计0.34THz耦合式功分器的电路尺寸示意图；
图11为本发明实现0.14THz功率分配器的背靠背实测结果示意图；
图12为本发明实现0.34THz功率分配器背靠背实测结果示意图。
【具体实施方式】
[0013]如图1所示，本发明是基于波导电桥耦合的功率分配器，包括输入端、直传端、隔离端和耦合端，输入端到直传端为主波导，隔离端到耦合端为副波导，所述主波导于副波导之间形成有至少两路耦合支路，主波导与副波导之间的间距为半个波导，同时耦合支路之间的中心间距为半个波导。
[0014]由其结构的对称性，可以采用类似于微带耦合线分析方法中的奇偶模分析法来进行分析。主波导传输功率的一部分被耦合到副波导，耦合功率的大小是结构物理尺寸和主波导功率传输方向的函数。偶、奇模间的相互作用会减小两条传输线间的耦合，耦合结构特性可能通过这些偶、奇模的线性组合来描述。
[0015]对于上述结构，可作为具有对称面的四端网络，如图2-5所示，其端口1、2、3、4分别对应输入端口、直传端口、隔离端口、耦合端口。
[0016]对于偶模，如图3所示，对称面端口I和端口4呈现等幅同相波的面，即变成开路面，起磁壁作用。
[0017]对于奇模，如图4所示，端口I和端口4上则出现等幅反相波的对称面，变成一短路面，起电壁作用。因此，定向耦合器可以通过一个二端口网络来分析，它的总响应可以通过对偶模和奇模激励计算出的综合响应来求得。
[0018]在对称定向耦合器中，常常利用偶、奇模传输系数和反射系数求其响应关系。
[0019]本设计中，根据结构的互易性，在不考虑损耗、色散等的理想情况下，可写出如下S参数关系:
Sn = O Sl2 = Te Sl3= TeSl4 = 0
其中，Sn表不端□ I的反射系数、Si2表不到端Π2的传输系数、Si3表不到端Π3的传输系数、Si4表不到端口4的传输系数，Te3和Γ ￠3分别为每条传输线的传输系数和反射系数。
如图6-8所示，理想状态下，信号从输入端馈入耦合器后，隔离端完全匹配没有能量反射，与输入端口隔离;耦合端、直传端口间相位相差90°，功率幅度之和等于输入端的总输入功率，通过调整耦合度的改变可以进行所需的功率分配。
[0020]作为功分器设计时，只要控制耦合度到3dB，即可得到所需要的结果。
[0021]具体的设计实例如下:
依据前述方案，进行0.34THz定向耦合器的设计，基本三维模型如下图9所示，具体设计过程如下:
(1)确定耦合器的工作带宽，并计算出以0.34THz为中心频率的波导波长；
(2)按照典型的波导电桥设计理论，完成初步波导耦合器设计；
(3)根据波导波长的数值，增加主副波导间距和耦合缝隙间距；
(4)对改进后的模型重新进行电磁仿真计合优化；
(5)在各端口增加匹配段，与标准波导能够良好连接；
(6)将完整的设计模型导入机械加工设计软件中，完成结构设计，并出图加工；
(7)对加工后的器件采用矢量网络分析仪进行测试，获取测试结果。
[0022]0.34THz耦合式功分器的设计电路尺寸，如图10所示:
另外，增加的半波长数量越多，功率分配器的传输带宽越低，因此，仅增加一个半波长是合适的。
[0023]经过实验测试，在0.14THZ和0.34THZ频段上均实现了上述设计，并且能够保证约10%的带宽，其背靠背测试结果如图11-12所示。
【主权项】
1.一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法，其特征在于:包括输入端、直传端、隔离端和耦合端，输入端到直传端为主波导，隔离端到耦合端为副波导，所述主波导于副波导之间形成有至少两路耦合支路，主波导与副波导之间的间距为半个波导。2.根据权利要求1所述的一种基于机加实现的太赫兹功分器设计方法，其特征在于:所述耦合支路之间的中心间距为半个波导。
【文档编号】H01P11/00GK105846037SQ201510814367
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年11月23日
【发明人】康小克, 黄昆, 刘杰, 邓贤进, 陆彬, 缪丽, 李慧萍, 陈鹏
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所