一种基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器的制作方法

1.本发明涉及使用于太赫兹波段的动态相位调制器件，具体涉及一种基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器，属于电磁功能器件技术领域。


背景技术：

2.赫兹波是频率范围处于0.1thz～10thz范围内的电磁波，在电磁波领域中，太赫兹波至今仍没有得到全面的开发，各种类型的太赫兹器件仍待研究。而太赫兹动态器件在太赫兹通信系统、太赫兹成像系统、太赫兹雷达系统、太赫兹生物检测等领域表现出了巨大的潜在利用价值，是未来电磁技术发展的重要领域。
3.在无线通信系统中，我们常用相移键控编码来传播信息，其发射端原理是将信息编码成相移键控码，然后利用相移键控码控制载波的相位移动，使不同的单位时间内(调制信号单周期内)的相位产生差值，之后再通过天线发射出去。在接收时，其通过相干解调或差分相干解调的方式对差值进行区分，得到携带信息的解调信号。在太赫兹通信系统中，我们需要大幅度提高传输的速率，而通过相移键控的通信方式达到这个目标的可行性极高，其核心部分之一便是太赫兹移相器。
4.在雷达系统中，传统的雷达发射天线需要进行机械旋转，以达到多方位扫描效果，这导致了其机械结构笨重，扫描的速率被机械运动所限制。而相控阵雷达则不需要机械运动即可控制波束的指向，其增大了雷达的适用范围，能更有效地探测高速、机动目标。太赫兹相控阵雷达是一种新型雷达，其具有尺寸小，高速率，波束窄，集成性高的特点，但是其核心部分之一的太赫兹移相器一直处于尚待开发状态。
5.针对通信和雷达系统领域的相关相位调制技术的需求，连续可调的动态太赫兹移相器成为了研究的重点。砷化镓变容二极管是一种使用砷化镓材料作为基底制作而成的肖特基变容二极管，在对二极管的阳极加正向电压时，砷化镓变容二极管处于导通状态。在对二极管的阳极加反向电压时，砷化镓变容二极管处于断开状态，这时通过改变反向电压的大小，可以控制砷化镓变容二极管管芯中的电容值，这为太赫兹相位调制器件的动态控制提供了基础。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器，该动态太赫兹移相器可以提供连续动态的太赫兹相位调控，同时保持较低的插入损耗。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.一种基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器，包括输入波导、输入波导-微带线过渡结构、微带线3db定向耦合器、接地结构、反射电路、微带线-输出波导过渡结构和输出波导，所述微带线3db定向耦合器共有四个端口，分别为输入端口、输出端口、第一反射端口和第二反射端口，输入波导通过输入波导-微带线过渡结构与微带线3db定向耦合器
的输入端口连接，输出波导通过微带线-输出波导过渡结构与微带线3db定向耦合器的输出端口连接，两个相同的反射电路分别与微带线3db定向耦合器的第一反射端口和第二反射端口连接，接地结构的一端连接于微带线3db定向耦合器与微带线-输出波导过渡结构之间，所述反射电路包括第一金属匹配结构、砷化镓变容二极管、第二金属匹配结构以及馈电金属结构，所述第一金属匹配结构的一端与微带线3db定向耦合器的第一反射端口或第二反射端口连接，另一端与砷化镓变容二极管的负极连接，所述第二金属匹配结构的一端与砷化镓变容二极管的正极连接，另一端与馈电金属结构连接。
9.进一步地，所述馈电金属结构包括细金属线和馈电金属块，细金属线的一端与第二金属匹配结构连接，细金属线的另一端与馈电金属块连接。
10.进一步地，所述反射电路中的第一金属匹配结构和第二金属匹配结构的长度与宽度、以及形状可调，以得到所需的相位调制性能。
11.进一步地，所述反射电路中的砷化镓变容二极管的管芯共计m个，1≤m≤8，管芯数量可以调整以得到所需的相位调制性能。
12.进一步地，所述接地结构包括细金属线和接地金属块，细金属线的一端连接于微带线3db定向耦合器与微带线-输出波导过渡结构之间，细金属线的另一端与接地金属块连接。
13.进一步地，所述基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器采用的基底材料为蓝宝石、二氧化硅、高阻硅、砷化镓或碳化硅。
14.进一步地，所述基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器采用的金属材料为au、ag、cu、或al。
15.本发明的工作机理是：太赫兹波通过输入波导进行输入，经过输入波导-微带线过渡结构后分耦合到微带线上，再通过微带线3db定向耦合器，分成功率相同、相位相差90
°
的两个电磁波到两个反射端口上；利用反射电路的馈电金属结构输入调制信号，使得砷化镓变容二极管的电容值发生变化，进而改变微带线3db定向耦合器反射端口的反射系数相位角，最终两个反射波通过微带线3db定向耦合器合成到微带线-输出波导过渡结构上，再耦合到输出波导将相位移动后的太赫兹波进行输出。
16.本发明将设有砷化镓变容二极管的反射电路与微带线3db定向耦合器结合，通过外部馈电调节砷化镓变容二极管的电容值，改变微带线3db定向耦合器反射端口的反射系数相位角，两个反射波耦合合成后通过输出波导输出，最终实现太赫兹波的动态相位调制，本发明在实现精确相位连续动态调制的同时，插入损耗低于6.05db，在动态调制相位的同时保证了较好的工作性能。此外由于本发明可通过改变砷化镓变容二极管的管芯数量及第一金属匹配结构和第二金属匹配结构的大小、形状来得到所需的相位调制性能，因此调制功能使用方便且速度快。
17.本发明加工工艺成熟(可用激光刻蚀、细微加工手段实现)，且制作、使用方便，可工作于常温常压的环境下，具有很好的应用潜力与前景。
附图说明
18.图1为本发明的总体结构图。
19.图2为图1中反射电路结构的放大示意图。
20.图3为实施例1的s参数图。
21.图4为实施例1的相位曲线图。
22.图中标记：1、输入波导；2、输入波导-微带线过渡结构；3、微带线3db定向耦合器；4、接地结构；5、反射电路；6、微带线-输出波导过渡结构；7、输出波导；8、第一金属匹配结构；9、砷化镓变容二极管；10、第二金属匹配结构；11、馈电金属结构。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
24.如图1、图2所示，本实施例提供的基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器包括输入波导1、输入波导-微带线过渡结构2、微带线3db定向耦合器3、接地结构4、反射电路5、微带线-输出波导过渡结构6和输出波导7，所述微带线3db定向耦合器3共有四个端口，分别为输入端口、输出端口、第一反射端口和第二反射端口，输入波导1通过输入波导-微带线过渡结构2与微带线3db定向耦合器3的输入端口连接，实现了太赫兹波功率平分到两个反射端口上。两个相同的反射电路5分别与微带线3db定向耦合器3的第一反射端口和第二反射端口连接，实现了太赫兹波的反射系数相位角的调控。接地结构4包括细金属线和接地金属块，细金属线的一端连接于微带线3db定向耦合器3与微带线-输出波导过渡结构6之间，细金属线的另一端与接地金属块连接，提供了接地零电位。输出波导7通过微带线-输出波导过渡结构6与微带线3db定向耦合器3的输出端口连接，实现了移相后的太赫兹波输出。
25.所述反射电路5包括第一金属匹配结构8、砷化镓变容二极管9、第二金属匹配结构10以及馈电金属结构11，第一金属匹配结构8的一端与微带线3db定向耦合器3的第一反射端口或第二反射端口连接，另一端与砷化镓变容二极管9的负极连接。所述馈电金属结构11包括细金属线和馈电金属块，细金属线的一端与馈电金属块连接，另一端与第二金属匹配结构10的一端连接，第二金属匹配结构10的另一端与砷化镓变容二极管9的正极连接。当馈电金属块输入调制信号时，砷化镓变容二极管的电容值发生变化，进而改变微带线3db定向耦合器反射端口的反射系数相位角，最终实现太赫兹波的相位调制。
26.本发明可以通过调整反射电路5中的第一金属匹配结构8和第二金属匹配结构10的长度、宽度、形状、以及砷化镓变容二极管9的管芯数量(管芯共计m个，1≤m≤8)而得到所需的相位调制度数以及s参数。其相位调制原理为：太赫兹波通过输入波导进行输入，输入波导-微带线过渡结构2后分耦合到微带线上，再通过微带线3db定向耦合器3分成功率相同、相位相差90
°
的两个电磁波到两个反射端口上。当调制信号馈入后，调节砷化镓变容二极管9的电容值，可同时改变微带线3db定向耦合器3的两个反射端口的反射系数相位角，从而改变反射太赫兹波的相位。当两个反射的太赫兹波通过微带线3db定向耦合器3合成后，通过微带线-输出波导过渡结构6耦合到输出波导7进行输出，从而实现太赫兹波相位的调制。由于该结构可以对反射电路5进行调整匹配，所以在相位调制的同时仍然保持良好的插损，最终实现了低插损工作状态下的连续相位动态调制。
27.本发明是通过调制信号馈入电压改变砷化镓变容二极管9的电容值，进而改变反射端口的反射系数相位角来实现对太赫兹波相位的动态调制。当馈入电压为0v及以下时，砷化镓变容二极管9断开，当馈入电压在-6v到0v之间变化时，其电容值为15-65ff。
28.本实施例所使用的基底材料为砷化镓，金属结构使用的材料为au。
29.本实施例所采用的第一匹配金属结构8为弯折金属条，其尺寸为5μm
×
82μm，第二金属匹配结构10由两个金属块组合而成，其尺寸分别为28μm
×
120μm和100μm
×
100μm。砷化镓变容二极管9的管芯数量为1。接地结构4的细金属线尺寸为4μm
×
195μm，接地金属块尺寸为50μm
×
50μm，馈电金属结构11的细金属线尺寸为4μm
×
250μm，馈电金属块尺寸为170μm
×
170μm。使用的波导为wr国际标准波导。
30.对本实施例基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器进行仿真后发现其具有良好的效果，可行性极高。如图3所示，本实施例使用了砷化镓变容二极管9断开状态的15-65ff电容值进行仿真，在102-116ghz频段内，其s参数如图3所示，插入损耗小于6.05db，为良好的工作状态。砷化镓变容二极管9的电容值变化范围在15-65ff时的相位曲线如图4所示，在110ghz频点上，电容值变化范围在15-65ff时，可以实现最大相移度数为176.8
°
的连续相位调制。由此说明本发明基于变容二极管的微带反射式动态太赫兹移相器具有低插损、连续相位调控的特性，可应用于相移键控通信系统及相控阵雷达系统。
31.以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。