[发明专利]一种耦合结构太赫兹定向耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及一种耦合结构太赫兹定向耦合器。

背景技术

太赫兹定向耦合器是信号入射、反射和传输的关键器件，在雷达、辐射计、成像、天文观测、环境检测及安检等方面都有广泛的应用。如何解决耦合器的平坦度、宽带特性以及在太赫兹这一特殊频段内的可加工、易实现性，是太赫兹定向耦合器面临的首要问题。

在太赫兹波段常采用圆孔耦合、椭圆孔耦合、十字孔耦合和矩形孔耦合等耦合方式，随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。

目前在太赫兹波段中定向耦合器最常用的就是孔耦合结构，其形式主要有单孔耦合、双孔耦合、多孔耦合以及十字孔耦合等。具体的电路实现形式如图1所示，小孔阵采用对称设计，在纵向上小孔间距为波导波长的四分之一。小孔阵为切比雪夫阵，在弱耦合时，用一个小孔阵；在强耦合时，一个切比雪夫阵往往不够，因为小孔的孔径会过大，以至于重叠，或者所需的小孔数目过多，导致整个耦合器长度过长，此时采用两个小孔阵来增加耦合。由于小孔的绕射作用，使耦合片两侧的场强发生变化，在激励侧除了入射场产生的场强E1，H1以外，又增加了小孔的绕射场强，在被激励侧，开了小孔之后出现小孔绕射场强E2，H2。耦合片是耦合部件中非常重要的零件，耦合孔的尺寸和表面粗糙度对信号的传输具有较大的影响。对于耦合孔的加工，以往一般采用线切割等设备进行。随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。太赫兹波耦合器中的耦合孔的设计直径最小为0.1mm左右，0.001mm的公差都能都能带来极大的偏差。如此微小的孔，如何进行加工，还有保证孔内的表面质量将具有非常大的难度，而这些恰恰是我们提高定向耦合器指标的关键。采用激光的技术手段也是加工耦合片的方法，但是激光加工的尺寸精度控制和圆度等形位公差的控制能否达到设计要求，需要经过较长时间的摸索和试验。

目前在太赫兹波段常采用小孔耦合的方式，随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到 保障。采用钻床进行钳工钻孔、采用慢走丝线切割进行电切割加工和激光打孔的方法加工耦合孔，成本高，且加工孔的精度不高，孔的周围会形成材料堆积，无法满足太赫兹波对于传输线传输特性的要求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种耦合结构太赫兹定向耦合器，本装置通过合理的设计，在保证耦合器的平坦度、宽带特性的同时，加工“眼图式”结构的耦合片，实现定向耦合器在太赫兹这一特殊频段内的可加工和易实现性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耦合结构太赫兹定向耦合器，包括上腔、下腔和耦合片，上腔开直通槽，下腔开耦合槽，耦合片上不开任何槽，只设有“眼图式”耦合孔；其中，上腔与耦合片连接构成直通通路，耦合片与下腔连接构成耦合支路，提供输入功率给输入端口，通过“眼图式”耦合孔耦合，一部分功率传输到耦合端口，而其余的功率由输入端口直接传输到输出端口。

所述“眼图式”耦合孔为孔隙。

所述耦合器的设计根据切比雪夫阵列T_m＝cos(m/cos(x))，通过不同的参数值m和x实现，其中T_m是曲线长度，m为零点的数量，-1≤x≤1，T_l1、T_l2、T_l3、T_l4满足切比雪夫方程，T_l1和T_l3对称，T_l2和T_l4对称，R1是T_l1和T_l3之间的距离，R2是T_l2和T_l4之间的距离，T_l1和T_l2组成第一耦合孔，T_l3和T_l4组成第二耦合孔。

所述“眼图式”耦合孔的孔间距一般取四分之一中心频率波导波长，以保证耦合器的方向性，即R1、R2满足整数倍的四分之一中心频率波导波长。

所述耦合器的T_l1、T_l2、T_l3、T_l4的长度满足中心频率的N*1.5倍波长(N＝1，2，3，4，5…),通过绕射场的反复叠加来改变整体耦合度和带内的频响。