[发明专利]太赫兹分支波导定向耦合器

说明书

本发明涉及太赫兹领域，尤其是涉及一种太赫兹分支波导定向耦合器。在主线波导和耦合波导之间设置有多个耦合通道，相邻两个耦合通道之间设置有金属隔栅；主线波导包括信号输入端和信号直通输出端，耦合波导包括信号隔离端和信号耦合输出端；在最中间的金属隔栅的两端均设置有让主线波导和耦合波导变窄的减宽阶梯。本发明的太赫兹分支波导定向耦合器，太赫兹微波从信号输入端进入，一部分微波从信号直通输出端输出，一部分经过耦合通道后从信号耦合输出端输出，由于设置了减宽阶梯，改变波导的特性阻抗，微波经过减宽阶梯时会产生一些反射，在幅频特性曲线上显示为引入了可控纹波，实现了带宽范围内的超低幅度不平衡度，同时也增加了工作带宽。

技术领域

本发明涉及太赫兹领域 ，尤其是涉及一种太赫兹分支波导定向耦合器。

背景技术

太赫兹波的频率是在100GHz到10THz的范围内，对应波长在3 ~ 0.03 mm之间，是未来一个非常有价值的前沿领域。在一些新兴科学和工业应用蓬勃发展的推动下，太赫兹技术近年来引起了广泛的研究关注，太赫兹系统已被广泛应用于成像安全、光谱学等领域。因此，研究用于太赫兹频段的相应器件就越来越重要。定向耦合器的功能是功率分配或合成，在缺少大功率源的太赫兹领域有着不可或缺的地位。它可以将信号分离或者合成，还可以控制电路对信号采样。定向耦合器的研究始于20世纪40年代，研究出多种用于波导和基于衬底元件的拓扑结构和设计方法。它们具有不同的制造复杂性，不断增进耦合器的性能指标。在其中，90°分支线耦合器是一个非常重要的研究课题，因为它们的简单结构易于制造，高隔离度，低插入损耗，高功率承载容量。而3dB定向耦合器是一种直通端口与耦合端口功率相等，相位差90度的耦合器。3dB耦合器是构成IQ混频器，滤波器等基本元器件之一。

2011年，新加坡资讯通信研究所的Michael Yan-Wah Chia，Chiew-Kok Ang等研究学者提出了一种耦合端口和输出端口相位差为45°，中心频率为300GHz的波导定向耦合器。它在四分支波导定向耦合器加上了一个有三个不同长度短路支节的45°移相器。测试结果表明，从285GHz到325GHz频段内，该结构的幅度不平衡度小于0.5dB和相位不平衡度小于3º。

2014年，Hawal Rashid,Denis Meledin,Vincent Desmaris 等研究学者提出了一种新型的3dB波导定向耦合器。该定向耦合器通过在工作波段增加一个可控纹波，以实现更好的幅度不平衡度。这一方法已通过166-208GHz波段的90°混合波导的实现得到了验证，可用于太赫兹频段的波导耦合。仿真结果表明，所设计的模型幅度不平衡度优于0.11dB,在166-208GHz大部分频段相位优于±2.3°。实验验证表明，该模型振幅优于0.15dB,在166-208GHz大部分频段相位优于±2.5°。

电子科技大学的牛中乾和张波等研究学者设计了一种用于亚毫米波频段的新型3dB波导定向耦合器，专利名称为：一种改进型太赫兹分支波导耦合器，专利公开号为：CN108649308A，公开日期为：2018-10-12。该结构仅在三分支波导耦合器中间分支的顶部和底部的左右都各加一个长方体并切圆角。使用现代高精度铣削技术进行加工。仿真表明，该新型结构相比于传统三分支幅度不平衡度降低了25%。实验结果再次验证结构的优点。该耦合器中心频率为195GHz，相对带宽约为13%，幅度不平衡度低于0.3dB，相位不平衡度低于4°，隔离度和回波损耗优于17dB。

基于奇偶模分析，研究人员提出了一种普遍有效的方法，用于设计具有任意分支数和任意耦合器比的分支波导定向耦合器。 随着分支数量的增加，耦合器的工作带宽会变大，但每个支路的尺寸会变小，对处理精度的要求也会更高。 但在带宽应用中，耦合器的幅度不平衡度比较大，通常在1dB以上，中心频段的幅度不平衡最大。 这是一个非常不受欢迎的情况。为了降低分支耦合器的幅度不平衡度，本发明设计一种新型的超低的幅度不平衡度的分支波导定向耦合器。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种结构精巧、降低幅度不平衡度的同时提高工作带宽的太赫兹分支波导定向耦合器。