[发明专利]一种精确高效的太赫兹分支波导定向耦合器建模方法

说明书

本发明公开了一种精确高效的太赫兹分支波导定向耦合器建模方法，该方法利用模式匹配法(mode matching method,MMM)将分支结构不连续性所引入的对耦合器场分布造成的影响考虑在内，同时结合奇偶模分析法(odd and even mode analysis)，进一步简化了推导过程，最终得到了一个精简、精确的耦合度计算公式，并由公式得到了一个新的结论：对于分支波导定向耦合器，当工作频率确定时，其耦合度由其分支宽度的和所决定。本发明的建模方法具有简洁的特点，与传统建模方法相比，可大大缩短建模的时间，提高建模的效率。同时，本发明的建模方法具有普适性的特点。

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种精确高效的太赫兹分支波导定向耦合器建模方法。

背景技术

太赫兹波是国际学术界公认的一个非常重要的前沿技术领域，它的波长在3mm-0.03mm(100GHz-10THz)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外之间。太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

自20世纪90年代中期开始，美国国家基金会、航天局、国防部和国家卫生学会等政府和军事部门对太赫兹科学研究项目持续提供了较大规模的资金支持，并取得了丰硕的成果，涌现了如美国弗吉尼亚二极管公司(VDI)、空气动力实验室(JPL)、等在太赫兹技术领域享有盛誉的科研机构。在欧洲，众多高校和研究机构也展开了太赫兹技术领域的研究，其中最具代表性的有：英国卢瑟福国家实验室、剑桥大学、里兹大学、德国纽伦堡大学、柏林同步辐射源中心、德国核物理研究中心等。在亚洲，太赫兹技术的研究热情同样高涨，众多高校展开了太赫兹技术的研究，日本政府更是将太赫兹技术列为“国家支柱性十大重点战略目标”首要，系统调配资源展开全面深入研究。2004年，美国MIT将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一。

定向耦合器是用于功率分配的四端口无源元件，在微波系统中应用广泛。其在电子对抗、通信系统、雷达系统以及测试测量仪器中有着不可缺少的作用。其主要用途有合成和分配功率、扩大功率量程、监视功率和频谱等。在一些重要的微波测量仪器中如矢量网络分析仪、反射计等，定向耦合器也有着比较广泛的应用。太赫兹波作为当前电子技术解决未来电磁波频谱拥挤问题而开拓的主要频段，在通信、反恐侦测和天文探测等方面得到了广泛的关注，而定向耦合器是电路中重要的器件，因此研究太赫兹频段的定向耦合器有非常高的应用价值。

分支波导耦合器是一种非常常用的能够在太赫兹波段内实现功率耦合的电路结构，具有各端口匹配、隔离度高、插入损耗小等优点，改善了三端口元件的不足，而且具有高功率容量的特性。而在太赫兹频段，由于电路尺寸急剧减小，传统微波频段的耦合器建模方法在太赫兹波段不适用。目前已报道的太赫兹频段分支波导定向耦合器的建模方法主要是基于美国科学家John Reed在其论文“The Multiple Branch Waveguide Coupler”和“Amethod of analysis of symmetrical four-port networks”中介绍的方法。该方法忽略了枝节所引入的不连续性，这种近似在毫米波波段对其建模精度影响不大，但是当频率进一步上升到太赫兹频段，这种近似所带来的误差就会加大，从而影响耦合器建模精度。同时，该种方法仅可设计出对称结构的耦合器，且设计方法需要结合切比雪夫多项式递推，过程繁琐、计算量大、且不具有普适性。

发明内容

为解决太赫兹频段分支线波导定向耦合器建模方法不准确、设计过程繁琐的问题，本发明提出了一种精确高效的太赫兹分支波导定向耦合器建模方法，该方法利用模式匹配法(mode matching method,MMM)将分支结构不连续性所引入的对耦合器场分布造成的影响考虑在内，同时结合奇偶模分析法(odd and even mode analysis)，进一步简化了推导过程，最终得到了一个精简、精确的耦合度计算公式，并由公式得到了一个新的结论：对于分支波导定向耦合器，当工作频率确定时，其耦合度由其分支宽度的和所决定。

本发明通过下述技术方案实现：