田字型电桥太赫兹波导定向耦合器.pdf

本发明公开了田字型电桥太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：包括两条主波导和四条分支波导，四条分支波导由三条纵向的分支波导和一条横向的分支波导组成，三条纵向的分支波导同向设置，横向的分支波导贯通三条纵向的分支波导；两主波导分别位于三条纵向波导的两端，两主波导与四条分支波导形成田字型结构；本发明与同性能的定向耦合器相比，可加工性大大提高；在相同加工工艺水平的限制下，采用本发明的田字形结构可加工出耦合度更高的定向耦合器。

权利要求书1.  田字型电桥太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：包括两条主波导（1）和四条分支波导，四条分支波导由三条纵向的分支波导（2）和一条横向的分支波导（3）组成，三条纵向的分支波导（2）同向设置，横向的分支波导（3）贯通三条纵向的分支波导（2）；两主波导（1）分别位于三条纵向的分支波导（2）的两端，两主波导（1）与四条分支波导形成田字型结构。2.  根据权利要求1所述的田字型电桥太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：所述三条纵向的分支波导（2）平行设置，端面均齐平与主波导（1）连接。

说明书田字型电桥太赫兹波导定向耦合器
技术领域
本发明涉及太赫兹电路单元组件，具体是田字型电桥太赫兹波导定向耦合器。
技术背景
传统微波毫米波频段电路波导定向耦合器使用的是经典分支线波导电桥结构，它是一种常用的能够在比较宽的频带内实现紧耦合的正交混合电桥。
如图1所示，它主要由输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）以及隔离端（端口4）共四个端口组成，其中直通端以及耦合端共四个端口组成，其中直通端和耦合端作为输出口，且两输出信号存在90°的相位差。其工作原理为：信号从端口1输入并一分为二传输到端口2和端口3，端口4被隔离。如果端口2和端口3接匹配放大器，则端口2和端口3的输出信号被放大器放大后输出；如果端口2和端口3与外接放大器不完全匹配时，在端口2 、3就有被反射回来的反射波，而反射波在端口4上被匹配负载吸收，由于两个输出端口具有90°相位差，这样两个反射波在端口1上由于具有180°相位差而被抵消。其耦合度与耦合孔的宽度有关，简单的来说，耦合孔越窄耦合过去的能量越少。
然而，随着频率的升高，尤其到了太赫兹频段后，波导波长进入微米量级，其分支线宽度将更窄，传统机械加工工艺基本无法加工，甚至连新型的微米量级的微机电MEMS加工工艺都难以加工。以340GHz的10dB波导分支线定向耦合器为例，图2给出了该结构的俯视平面图，三个分支线宽度仅为S1=30μm，S2=40μm，S3=45μm。
发明内容
本发明是在分支线定向耦合器模型的基础上进行改进，移除了分支线电桥中最外部两条最窄的分支线，加入一横向贯通中间三路分支线的波导，使其构成一个田字型结构。其耦合原理为在中间通路内进行了二次耦合，使其在耦合缝隙较宽的情况下达到了与之前窄缝所达到的同样效果。
本发明的技术方案如下：
田字型电桥太赫兹波导定向耦合器，其特征在于：包括两条主波导和四条分支波导，四条分支波导由三条纵向的分支波导和一条横向的分支波导组成，三条纵向的分支波导同向设置，横向的分支波导贯通三条纵向的分支波导；两主波导分别位于三条纵向的分支波导的两端，两主波导与四条分支波导形成田字型结构。
所述三条纵向分支波导平行设置，端面均齐平与主波导连接。
分支波导之间的横向和纵向距离依据所需指标计算确定。
本发明的耦合原理相当于在中间通路内进行了二次耦合，使其在耦合缝隙较宽的情况下达到了与之前窄缝所达到的同样效果。
本发明的有益效果如下：
1、本发明与同性能的定向耦合器相比，可加工性大大提高；
2、在相同加工工艺水平的限制下，采用本发明的田字形结构可加工出耦合度更高的定向耦合器。
附图说明
图1为传统的分支线耦合器的结构示意图；
图2为传统的波导五分支线定向耦合器俯视平面结构图；
图3为采用340GHz的10dB经典分支线定向耦合器结构示意图；
图4为实施例1中340GHz的10dB新型田字型定向耦合器结构示意图；
图5为经典分支线定向耦合器性能示意图；
图6为本发明的性能示意图；
图7为本发明的另一种结构示意图；
图8为本发明的三维模型示意图。
其中，附图标记为：1主波导，2纵向的分支波导，3横向的分支波导。
具体实施方式
以340GHz的10dB波导定向耦合器为例，图3给出了340GHz的10dB经典分支线定向耦合器结构；图4给出了340GHz的10dB新型田字型定向耦合器结构，包括两条主波导1和四条分支波导，四条分支波导由三条纵向的分支波导2和一条横向的分支波导3组成，三条纵向的分支波导2同向设置，横向的分支波导3贯通三条纵向的分支波导2；两主波导1分别位于三条纵向的分支波导2的两端，两主波导1与四条分支波导形成田字型结构。所述三条纵向分支波导2平行设置，端面均齐平，并且与主波导1连接。
新型田字型定向耦合器的三个分支线宽度分别为S1=62μm，S2=62μm，S3=68μm。对比两种结构的参数可以发现，五分支线定向耦合器中最窄的分支线宽度只有30μm，而田字型定向耦合器中最窄的波导有62μm，因此加工可行性明显提升一倍多，并且同时能保持优良的性能。
图5-6给出了两种定向耦合器的性能图。对比两种结构的性能发现，两者性能基本接近。这两种波导定向耦合器都在[320GHz,360GHz]范围内，获得了耦合度为10dB，直通输出分配损耗为0.46dB，耦合输出分配损耗为10dB，输出端口隔离度优于30dB，各端口回波损耗优于30dB的优良性能。
对比设计340GHz的10dB波导定向耦合器应用的两种结构，在同时能保持优良性能的情况下，图3所示的五分支线定向耦合器中最窄的分支线宽度只有30μm，而图4所示的田字型定向耦合器中最窄的波导有62μm，因此加工可行性明显提升一倍多。反之亦可说明，在同等的加工工艺水平限制下，使用新型的田字型结构可以设计出耦合度更高的定向耦合器，如图7、8所示。