[实用新型]全频段覆盖太赫兹频段的耦合传输装置

说明书

技术领域

本实用新型是关于一种结合准光学原理，实现超宽频可调谐的太赫兹传输器件，特别适用于太赫兹频段集成化阵元与波导等常规微波传输线耦合的装置。

背景技术

太赫兹频段是一个非常有科学价值的电磁波频段，它介于毫米波频段与红外线频段之间，属于远红外波段。太赫兹的应用除了太赫兹辐射源，太赫兹传输器件，太赫兹探测器等关键器件之外，还必须解决不同器件之间的耦合问题。由于物质在太赫兹频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波具有波长短、方向性好、光子能量低、高穿透性等独特性质，因此太赫兹技术逐渐成为国际研究的热点。它在物理、化学、天文学、生命科学和医学等基础研究领域，以及安全检查、无损检测、生物成像、环境监测、食品检验、环境监测、医疗诊断、雷达侦察、卫星通信和天文观测等领域等应用研究领域均有着巨大的科学研究价值。现阶段，太赫兹辐射源还普遍存在功率小、效率低等问题；而且，热背景噪声相对较高，需要高灵敏度的手段探测太赫兹信号，于是就对太赫兹波的高效传输与耦合提出了更高的要求。对于太赫兹信号的发射与接收，可以通过组建阵列的方式来大幅提高发射功率或接收灵敏度。同时，鉴于太赫兹频段波长较短，一般在亚毫米量级，能够实现大规模阵列的阵元的高密度集成，将成百上千个阵元集成于一个芯片上。但是，如何实现集成化的阵元与常规微波传输线的有效耦合，便成为了一个亟待突破的难题。

目前，在太赫兹频段广泛采用的耦合方法可大致分为两类，一类是将常规的微波耦合方法推广至太赫兹频段；另一类是借鉴准光学的能量耦合方法应用于太赫兹频段。对于第一类方法，要实现芯片上阵元与波导等传输线的有效耦合，往往采用波导微带过渡、共面天线等方法。但是随着频率的升高，常规基片的损耗与金属的表面损耗迅速增大；同时，由于高频段波长较短，对微带与金属腔体的机械加工精度也很难实现。因此，第一类方法往往局限于亚太赫兹频段，即0.1THz～1THz频段。对于第二类方法，往往采用抛面镜、透镜等准光学方法来合理设计光路，实现能量的有效耦合。此方法能够覆盖整个太赫兹频段，但是通常用于1THz～10THz频段。而且，如何实现芯片上大规模阵列的多个阵元的有效耦合，尤其是保证相位的同步性；以及如何与常规的微波传输线完美兼容，还没有得到合理解决。因此，在太赫兹频段，实现芯片上集成化阵元与常规微波传输线的高效耦合还是工程应用中面临的一个难题。

实用新型内容

本实用新型目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单，易于加工实现、易于操作调谐、工作频率超宽、耦合强度高、相位同步性好，能够将集成于芯片上的大规模阵列的阵元与波导实现有效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率，特别是能够适用于整个0.1THz～10THz太赫兹频段，并且耦合频率与耦合强度可调的全频段覆盖太赫兹频段的耦合传输装置。

本实用新型的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种全频段覆盖太赫兹频段的耦合传输装置，包括矩形波导、平面镜4和作为介质谐振器的芯片3，其特征在于：以矩形波导为端口轴向连接喇叭天线，平面镜4与所述芯片3平行，正对喇叭天线的喇叭口端，芯片3位于平面镜与喇叭天线构成的准光腔之间；芯片3制备有太赫兹阵元，集成化太赫兹阵元的阵列制备于芯片的中心线上其谐振驻波的波腹处，芯片谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式相匹配，实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的耦合。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

结构简单，易于加工，易于操作。本实用新型以矩形波导为端口的喇叭天线与一个平面镜构成的准光腔，将集成有太赫兹阵元的芯片置于其谐振驻波的波腹处，充分利用作为介质谐振器的芯片的谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式的匹配，来实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的有效耦合，所用器件少，结构简单，构成的准光学系统简洁，制造工艺要求低，易于加工，易于操作解决了现有技术制造工艺要求高，实际应用较困难，难于加工等问题。

易于操作调谐，工作频率宽。本实用新型将集成化阵元置于芯片的中线位置处，使其同时处于芯片上多个谐振模式的波腹中。通过调节芯片、平面镜与喇叭天线三者的相对位置，使得芯片不同的谐振模式分别与准光腔相应的谐振模式匹配，实现工作频率可调。而且，太赫兹芯片采用高频损耗低、介电常数低、厚度薄的晶体材料作为基片，这样即使在太赫兹频段，芯片也能够有多个简单的谐振模式，易于与准光腔谐振模式匹配，且覆盖频率范围宽。解决了工程应用中芯片上集成化阵元与常规微波传输线的耦合频点单一，难以调谐的问题。