[发明专利]二维周期孔式Talbot介质相位光栅

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波毫米波及太赫兹频段的周期孔式Talbot介质光栅，可用于全息准光功率分配/合成电路。

背景技术

随着传统民用通信所用的低频段频带逐渐拥挤，人们已经将未来电磁通信的方向瞄准了毫米波乃至太赫兹频段，因为这些频段目前利用相对较少，并且提供宽带、高速率通信。大功率信号源一直是微波毫米波及太赫兹通信系统设计的技术瓶颈之一。而解决这一技术瓶颈之一的手段就是采用功率合成。传统的功率合成技术大多是基于平面电路或者波导结构的。芯片型功率合成技术由于散热问题，无法实现太多管芯数目的合成，电路型功率合成电路在合成单元器增多时，随之增大的腔体会产生许多新的场模式，因此效率不高，并且在微波毫米波和太赫兹频段，会有很大的损耗，准光功率合成是在毫米波及太赫兹频段主要手段之一，但它在高频段要求器件之间的距离很小，因此会造成散热困难，这对于多路的功率合成会有限制。

为了解决准光功率合成在高频段无法满足小型化和散热的问题，人们提出了全息准光功率合成的方法，即采用二元光学元件Talbot光栅。然而传统的通过介质基板开槽的方式得到的光栅在高频段会受到加工工艺限制，难以得到误差较小的光栅尺寸，使其实用性降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波毫米波及太赫兹频段的介质光栅，当它用于功率合成电路时，其理论合成效率接近100％，并且在高频段时器件的尺寸参数敏感度低，结构简单易于加工，用于多路功率合成时不会受到器件和芯片的散热限制等特点。

为了实现上述目地，本发明提出了一种二维周期孔式Talbot介质相位光栅。其具体技术方案如下：

二维周期孔式Talbot介质相位光栅由一块具有周期性小孔的介质基板构成。介质基板的一面等间距周期性排列一定深度的盲孔，这些盲孔沿二维按照M行×N列的形式排列。与传统的二维衍射光栅的区别在于：传统的二维衍射光栅采用在介质基板的双面分别开横向和纵向凹槽的方式实现，而本发明提出的二维周期孔式Talbot介质相位光栅则采用单面等间距周期性打盲孔的方式实现，这样更加易于加工。并且这些圆孔的半径和圆孔之间的距离可以设计成远大于光栅的工作波长，这样使这种二维周期孔式Talbot介质相位光栅可以工作在高频段(如毫米波或THz频段等)而不会受加工工艺的限制，并且在应用于大数量有源器件功率合成时不会造成散热困难，这为该光栅结构在毫米亚毫米波甚至是太赫兹频段上的实际应用提供了保证。介质基片的厚度为工作频率的一个波导波长，而光栅中每个孔的深度均为该波导波长的的三分之一。介质光栅既可以在开放环境中应用，也可以应用于屏蔽腔中。当选用后者时，腔体仅包围于介质光栅的四个侧面，并且要比介质光栅要稍大，而腔体的纵向长度则等于介质光栅的入射面到背面的成像面之间的距离。

本发明所提出的二维圆孔式周期Talbot介质相位光栅工作原理如下：

本发明所提出的介质光栅其根本原理是基于光学的Talbot效应，即当平面波入射到周期性物体(如光栅)时，在其后面的某些位置会出血这些周期性物体的像。而只要保证光栅的间距远大于工作波长，由于周期光栅造成的电磁波干涉，会在Talbot长度的分数倍数距离处就会出现亮光斑。介质光栅依据二元光学理论和标量衍射理论或矢量衍射理论进行设计。二维周期孔式Talbot介质相位光栅能够在光栅上实现二维的周期性小孔，避免了传统开槽式光栅的复杂工艺，但其周期性结构同样具有普通光栅相同的衍射作用，当用平面波沿没打孔的那一面照射二维圆孔式周期Talbot介质相位光栅时，会在另一面(打盲孔那一面)一定距离处形成M行×N列的光斑阵列。

本发明可以适用于多路的功率分配/合成。例如对于一个M×N的二维周期孔式Talbot介质相位光栅，当用一束平面波沿没打孔的那一面垂直照射二维圆孔式周期Talbot介质相位光栅时，会在另一面(打盲孔那一面)一定距离处形成M行×N列的光斑阵列，从而实现M×N路的功率分配，并且功分路数M×N可以通过设计或改变光栅的距离来调整。

基于Talbot成像原理，通过在介质基板上打二维阵列小孔的方式实现信号的分配与合成，使得本发明具有结构简单、易于加工、损耗低、大数量功分路数、散热效果好、易于与有源功率器件集成、工作频率高，工作带宽宽等优点。本发明可用于微波毫米波及太赫兹全息术准光功率合成放大系统、阵列天线等，在通信、雷达等毫米波太赫兹系统中有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明中开放边界条件下具有2×2阵列小孔的二维周期孔式Talbot介质相位栅三维结构示意图；

图2是图1的出射场分布示意图；