董兰宵,南雪莉,刘昊炀,段启凯,董金峰
〈太赫兹技术〉
宽频太赫兹非对称主副波导定向耦合器设计
董兰宵1,南雪莉1,刘昊炀2,段启凯1,董金峰1
(1. 山西大学 自动化与软件学院,山西 太原 030051;2. 山西大学 电力与建筑学院,山西 太原 030051)
基于微型无人机雷达、精确制导武器雷达及无线通信终端设备的应用前景,设计了一种非对称主副波导定向耦合器。该耦合器采用主副波导为不同形状的等间距多孔耦合结构,将主矩形波导TE10模的信号耦合到副圆形波导TE11模中,利用相位叠加原理使得隔离端口相位达到反向相消的效果,能够得到良好的耦合度和隔离度。该耦合器中心频率为400GHz,相对带宽为40GHz,结果表明,定向耦合器耦合度达到-13.8~-12.8dB,实现了弱耦合效果且耦合度稳定性较好,隔离度优于-24.5dB,直通插入损耗为-3~-2.5dB,性能良好。
非对称波导;太赫兹;定向耦合器;耦合度;隔离度
太赫兹(Terahertz, THz)频率为0.1~10THz(对应的波长范围是3000~30mm)[1],处于电磁学和光学交汇的频域位置。
目前,由于国内外军事发展趋势及对通信速率需求的不断增长,无线通信的载波必将会进入太赫兹的波谱范围,作为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口,对该领域的研究为未来在高新技术竞争中取得领先地位具有举足轻重的作用。
定向耦合器作为相控阵雷达系统和无线通信系统信号发射、功率合成与分流的核心部件[2],其重量轻型化、体积微型化已成为微波射频领域各界科学家争相研究的热点。而太赫兹波器件相比于微波器件体积更小、重量更轻,具有更大的传输容量,定位更加准确,保密性更好,且相比于光波,太赫兹波可以在极其恶劣的烟雾、沙尘环境中应用,抗干扰能力强,能量效率较高,这些特性使得太赫兹定向耦合器在微型无人机雷达、精确制导武器雷达、无线通信终端设备[3-5]等领域具有广阔的应用前景。
随着定向耦合器应用领域的广泛化,对其结构的要求也越来越多元化。2008年曹乃胜、罗勇等人分析了中心频率为34GHz的圆波导-矩形波导单孔定向耦合器理论与实际测试的差异,得出了设计多孔耦合器参数的理论方法[6];2009年Gentili G. G.等人在22GHz频段内设计了一种矩形波导与圆波导之间耦合的四孔定向耦合器,耦合度达到-25dB[7];2020年陈卯燕、杨欢等人介绍了一种中心频率为40GHz的圆波导-矩形波导多孔定向耦合器,实现了-20dB的耦合度[8]。目前,已有研究中有关太赫兹频段非对称主副波导结构的研究相对较少。
综上所述,本文基于小孔衍射理论与相位叠加定理设计了一种太赫兹频段矩形波导-圆波导定向耦合器,仿真实验证明,在太赫兹频率下不同形状波导之间可以达到良好的耦合特性。
为减小耦合器尺寸,令矩形波导长度=4mm,耦合孔采用等间距方形孔,孔数为24个,、分别为矩形波导宽边与窄边长度;为方形孔边长;¢为耦合孔的排间距;¢为孔间距;为孔厚度;圆波导长度为;截面半径=。本文所设计的定向耦合器结构如图1所示。
图1 定向耦合器结构(a)三维视图;(b)俯视图;(c)侧视图
通常单孔定向耦合器往往达不到理想的隔离度与方向性,因此本文结合相位叠加原理分析设计了一款多孔定向耦合器,根据期望指标确定耦合器的孔间距与孔尺寸,经过仿真优化得到最终参数值。
由表1可知矩形波导口宽边尺寸与圆形波导口半径均满足截止波长,文中矩形波导>,波导传输TE10模[9],为阶Bessel函数导数的第个根,因此可知圆波导主要传输TE11模。
采用非对称波导耦合结构时,主副波导之间的激励模式需使用功率转换公式来计算[10]。主副波导在耦合孔处产生耦合的必要条件是:在耦合孔位置,主副波导内部需同时存在着电场的法向分量或者磁场的切向分量[11-12]。由于本文中主矩波导无法向分量,其纵向分量在耦合孔处为零,因此耦合产生在矩波导横向磁场分量与圆波导纵向磁场分量之间,则半径为的圆波导与矩波导之间的耦合系数根据小孔衍射理论[13]可写为:
表1 波导截止波长
设置孔数为2个,且为等间距等耦合强度分布,则副圆波导中被激励波总和为:
式中:1,2分别为矩形波导TE10模式与圆波导TE11模式下的相位常数。
定向耦合器耦合度为:
定向耦合器中心频率为400GHz,带宽为40GHz,矩形波导采用标准波导WR-2(0.508mm×0.254mm)。激励波端口距小孔留部分距离,以保证波传输的稳定性,并假定波导输出端口均连接匹配阻抗。耦合度的数值与稳定性是定向耦合器的重要指标,除耦合孔的尺寸与间距,实际应用中影响耦合器性能的因素还包括孔厚度、排间距¢等,频率越高,耦合器越不稳定。
本文将参数优化分为3部分,首先:令耦合孔间距¢分别为2mm、12mm,排间距¢分别为2mm、12mm、22mm、32mm、42mm、52mm,如图2所示,孔间距¢不变时,排间距¢每增加10mm,耦合度31幅度变化趋势翻转一次,分别于2~12mm、22~32mm、42~52mm时呈增大趋势,于12~22mm、32~42mm时呈减小趋势,因此可以得出耦合度31与排间距¢不成比例。另外,耦合度31多数情况下在整个带宽范围内均处于不稳定状态,只在¢=2mm、¢=12mm和¢=12mm、¢=52mm处达到相对稳定,耦合度分别为-12.4~-10.7dB、-13.9~-12.2dB,波动范围在2dB以内。
第二步:取图2所示的两种稳定状态,令孔边长分别为150mm、152mm、154mm、156mm、158mm观察耦合性能。如图3所示,¢=12mm、¢=52mm时耦合度31随着孔边长的增大整体波动性更小。图(a)中¢=2mm、¢=12mm、=158mm处耦合度31为-12.4~-10.7dB,极差为1.7dB;图(b)中¢=12mm、¢=52mm、=154mm处耦合度31为-14.3~12.8dB,极差为1.5dB;¢=12mm、¢=52mm、=156mm处耦合度31为-13.8~-12.8dB,极差为1.0dB;¢=12mm、¢=52mm、=158mm处耦合度31为-13.9~-12.6dB,极差为1.3dB;由于以上4种情况得出耦合度数值差很小,可根据耦合度稳定性指标选定较为合适的参数,因此可选择¢=12mm、¢=52mm、=156mm作为下一步参考尺寸。
图2 排间距p¢对耦合性能的影响
图3 孔边长l对耦合性能的影响(a) d¢=2mm,p¢=12mm;(b) d¢=12mm,p¢=52mm
第三步:取¢=12mm、¢=52mm、=156mm,耦合孔厚度决定了副圆波导耦合孔面积,在保证耦合作用可行前提下令孔厚度从50mm增至140mm,每次增加10mm,观察耦合性能。如图4所示,耦合度31在孔厚度=90mm处达到稳定,且孔厚度小于90mm时耦合度31波动性较大,在达到稳定状态后若继续增加孔厚度,耦合度参数再次呈波动状态,虽相比于之前波动性明显减小,却始终达不到稳定状态,因此最终可取孔厚度为90mm。
图4 孔厚度m对耦合性能的影响
优化分析后得耦合器参数尺寸如表2所示。
表2 定向耦合器各参数尺寸
使用HFSS软件进行仿真,仿真结果如图5和图6所示。11、21、31、41分别为耦合器回波损耗、插入损耗、耦合度、隔离度,则由图5可知回波损耗11优于-23.5dB,插入损耗21为-3~-2.5dB,波动范围为0.5dB,耦合度31为-13.8~-12.8dB,波动范围为1dB,隔离度41优于-24.5dB,因此可知耦合器方向性优于-10.7dB,符合实际应用背景。
图5 定向耦合器S参数
11、22、33、44分别是各个端口回波损耗,由图6可知耦合器输入端口11与直通端口22优于-19dB,在410GHz~420GHz之间达到最优,耦合端口33与隔离端口44在整个频段内优于-12.5dB,
图6 定向耦合器各端口回波损耗
为进一步观察该定向耦合器整体情况,图7中(a)给出耦合器的电场分布,(b)磁场分布图,由图可知副波导中隔离端口输出功率几乎为零,在保证耦合度的同时达到了良好的隔离效果。
图7 定向耦合器场分布 (a)电场分布;(b)磁场分布
本文设计结果表明在太赫兹频段非对称主副波导定向耦合器可实现弱耦合效果,耦合度达到-13.8~-12.8dB,隔离度优于-24.5dB,并讨论了排间距¢、孔边长及孔厚度的变化对耦合性能的影响。相比于已有的研究成果,本文设计的定向耦合器不仅提高了传输波的频率,而且打破了传统的对称波导耦合结构,但因其尺寸在微米量级,而加工工艺本身存在误差,因此在加工过程中很难保证等差孔间距的理想状态,若加工精度不够,容易使得相邻两孔合并在一起,直接破坏整体结构,同时增大了加工成本;此外,若因尺寸偏差导致波导壁表面粗糙度增大,则会造成耦合器插入损耗增大,若波导壁厚度太小,则会因趋肤效应导致电磁波泄露,波导壁厚度太大会造成小孔厚度增大,从而增大耦合度波动性。为改善尺寸偏差对耦合器性能造成的影响,一方面需在实际加工过程中提升制备精度,另一方面,在仿真设计中应考虑耦合器各尺寸的协调性及可行性,例如可增大孔数,减小孔边长,从而达到保证耦合度的同时增大孔间距的目的。对于太赫兹定向耦合器的研究,未来还需要在设计及制备方面更加精进。
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Broadband Terahertz Asymmetric Primary and Secondary Waveguide Directional Coupler Design
DONG Lanxiao1,NAN Xueli1,LIU Haoyang2,DUAN Qikai1,DONG Jinfeng1
(1. School of Automation and Software, Shanxi University, Taiyuan 030051, China;2. School of Electric Power and Architecture, Shanxi University, Taiyuan 030051, China)
According to the application prospects of micro drone radar, precision guided weapon radar, and wireless communication terminal equipment, an asymmetric primary and secondary waveguide directional coupler is designed. The coupler uses an equally spaced porous coupling structure with different shapes of main and secondary waveguides, and the signal of the TE10 mode of the rectangular waveguide is coupled to the TE11 mode of the secondary circular waveguide. The isolated port achieves the effect of reverse cancelation, and good coupling and isolation can be obtained using the principle of phase superposition. The center frequency of the directional coupler and the relative bandwidth are 400 and 40 GHz, respectively. The results show that the coupling degree of the directional coupler is approximately -13.8 to -12.8 dB, which achieves a weak coupling effect and has a good coupling stability. The isolation is better than -24.5 dB, the through insertion loss is approximately -3 to -2.5 dB, and the performance is good.
asymmetric waveguide, Terahertz, directional coupler, coupling, isolation
TN814
A
1001-8891(2022)09-0986-05
2021-12-22;
2022-04-11.
董兰宵(1997-),女,硕士研究生,RF射频器件设计。E-mail:dlxjynky@163.com。
南雪莉(1987-),女,博士,副教授,主要从事MEMS射频器件及系统、先进制造技术等方面的研究。E-mail:nanxueli@sxu.edu.cn。
国家自然科学基金(6180031506)。