关于一种双田字型太赫兹波导定向耦合器的设计方法.doc
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1、关于一种双田字型太赫兹波导定向耦合器的设计方法0 引言太赫兹波是指频率为0.110 THz的电磁波1,定向耦合器作为一种有着方向性的功率分配器件,它能够通过控制输出信号的大小来定向的耦合传输信号2。其中波导定向耦合器3由于其突出性能(如具有较高的方向性和较低的插入损耗等),在微波领域中用途十分广泛,在通信系统、电子对抗、雷达系统和测试测量仪器中都有着重要作用。其主要用途有对功率进行分配和合成、扩大功率量程、监视功率和频谱4,在系统中耦合器主要性能表现为在最小的干扰下对主信号获得较精确的耦合信号。其主要指标有方向性、耦合度、插入损耗等。为了解决太赫兹频段信号的采集和测量存在的难题,研究出体积小且
2、性能高的太赫兹波导定向耦合器具有重要意义5。本文设计的耦合器,以分支线理论为基础,在中间部分加一横向贯穿的支线形成两个田字来提高工作带宽,对分支线底部进行加粗来提高加工的可行性;用HFSS软件仿真,结果较好,有较高的方向性、强耦合度和较低的插入损耗;以硅为材料,用MEMS刻蚀工艺对其进行加工,并且给出了实物图。1 波导定向耦合器的设计如图1所示,在两波导中间有一些等间距排列的孔,信号从端口1输入,从端口2和端口3输出,端口4无输出(因为其为隔离端)6。从端口1到端口4的功率分别为P1P4,理想状态下P4的值为0,但是在实际工作中仍会有小部分信号从端口4输出。为了使耦合信号满足一定的分布,可以通
3、过调整耦合孔的位置和大小来使反向波的振幅达到最小7,即使隔离端的信号输出达到最小,从而实现有效增加带宽和提高方向性的目的。基于这个原理,在分支线中间部位加入一横向贯穿3支线的窄槽形成一个田字型,用同样的方法形成双田字,从而有效增加带宽。对靠近波导宽边的分支线根部进行加粗是为了提高应力,使得在进行刻蚀步骤时不易断裂,提高加工的可行性。耦合器模型图如图2所示。波导定向耦合器主要指标之间存在一定的关系,即如果想要耦合度达到较好的平坦性,那么带宽和方向性将会降低;若要达到较高的方向性,那么就要牺牲工作带宽和耦合度平坦性。耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指标之一,用HFSS软件仿真,且综合考虑主要指
4、标之间的关系后确定了最优尺寸,各参数代表的物理意义和各参数的值分别如图3和表1所示。a和b分别表示靠近波导宽边的加粗部位的高度和长度,c表示两分支线的距离,l为两波导之间的距离。2 波导定向耦合器的仿真和优化该波导定向耦合器使用商业软件HFSS进行仿真和优化,在该模型中输入和输出采用WR-2.2标准波导,其尺寸为0.56 mm0.28 mm。图4(a)和图4(b)分别为波导定向耦合器S参数曲线图和各端口回波损耗图。从图4(a)中可知,插入损耗S21接近于0 dB,隔离度S41小于-20 dB,耦合度S31在工作带宽内为-6.3 dB,属于强耦合,耦合度平坦性是耦合器的重要指标之一,它关系到测量
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- 关于 一种 字型 赫兹 波导 定向耦合器 设计 方法
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