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太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

杨恒泽 刘川玉 武京治 王艳红

杨恒泽, 刘川玉, 武京治, 王艳红. 太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(8): 20210733. doi: 10.3788/IRLA20210733
引用本文: 杨恒泽, 刘川玉, 武京治, 王艳红. 太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(8): 20210733. doi: 10.3788/IRLA20210733
Yang Hengze, Liu Chuanyu, Wu Jingzhi, Wang Yanhong. Design of coupled structure of terahertz rectangular waveguide and coplanar waveguide[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(8): 20210733. doi: 10.3788/IRLA20210733
Citation: Yang Hengze, Liu Chuanyu, Wu Jingzhi, Wang Yanhong. Design of coupled structure of terahertz rectangular waveguide and coplanar waveguide[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(8): 20210733. doi: 10.3788/IRLA20210733

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

doi: 10.3788/IRLA20210733
详细信息
    作者简介:

    杨恒泽,男,硕士生,主要从事太赫兹波导方面的研究

    王艳红,女,副教授,博士,主要从事纳米等离子体光学等方面的研究

  • 中图分类号: TN814

Design of coupled structure of terahertz rectangular waveguide and coplanar waveguide

  • 摘要: 太赫兹(THz)波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S21)高于−3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。
  • 图  1  金属阶梯脊截面图

    Figure  1.  Section of metal ladder ridge

    图  2  矩形波导到共面波导转换模型。(a)转换结构整体模型图;(b)转换结构金属脊细节图;(c)金属脊与共面波导结合部分几何参数

    Figure  2.  Rectangular waveguide-to-coplanar waveguide conversion model. (a) Conversion structure diagram of the overall model; (b) Detail diagram of metal ridge of conversion structure; (c) Partial geometric parameters of metal ridges combined with coplanar waveguides

    图  3  不同第一脊高度d1下转换结构模拟传输系数

    Figure  3.  The simulated transmission coefficient of the conversion structure at different first ridge height d1

    图  4  不同第一脊长度L1下转换结构模拟传输系数

    Figure  4.  The simulated transmission coefficient of the conversion structure at different first ridge length L1

    图  5  不同阶梯脊厚度th下转换结构模拟传输系数

    Figure  5.  The simulated transmission coefficient of the conversion structure at different step ridge thickness th

    图  6  转换结构的S参数

    Figure  6.  Simulated S-parameters of the transformation structure

    图  7  305 GHz矩形波导到共面波导的模式转换。(a) 电场幅值图; (b) 电场矢量图; (c) 磁场矢量图

    Figure  7.  Mode conversion of rectangular waveguide to coplanar waveguide at 305 GHz. (a) Electric field amplitude diagram; (b) Electric field vector diagram; (c) Magnetic field vector diagram

    图  8  加工误差对转换结构传输系数影响。(a) 圆倒角r; (b) 转换结构与共面波导间距s

    Figure  8.  Effect of machining error on transmission coefficient of conversion structure. (a) Circular chamfer r; (b) Spacing between the conversion structure and the coplanar waveguide s

    表  1  THz矩形波导到共面波导转换结构参数

    Table  1.   Conversion structural parameters of terahertz rectangular waveguide to coplanar waveguide

    ParameterchL1L2L3d1d2d3th
    Value/μm0.4401451402403570180140
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  • [1] Wang Yuye, Chen Linyu, Xu Degang, et al. Advances in terahertz three-dimensional imaging techniques [J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 1-18. (in Chinese) doi:  10.3788/co.20191201.0001
    [2] Liu Xinyuan, Zeng Haomin, Tian Xin, et al. Transmission simulation and safety analysis of terahertz radiation in skin [J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(5): 999-1007. (in Chinese)
    [3] He Jingwen, Dong Tao, Zhang Yan. Development of metasurfaces for wavefront modulation interahertz waveband [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(9): 20201033. (in Chinese)
    [4] Gao Xiang, Liu Xiaoqing, Dai Zijie, et al. Integrated terahertz confocal imaging system based on THz waveguides [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(S2): S219001. (in Chinese)
    [5] Li Jing, Zhang Wen, Miao Wei, et al. Development of ultra high sensitivity superconducting THz detectors [J]. Chinese Optics, 2017, 10(1): 112-130. (in Chinese)
    [6] Xie Lijuan, Yao Yang, Ying Yibin. The application of terahertz spectroscopy to protein detection: a review [J]. Applied Spectroscopy Reviews, 2014, 49(6): 448-461.
    [7] Lian Yuxuan, Feng Wei, Ding Qingfeng, et al. 340 GHz wireless communication receiving front-ends based on AlGaN/GaN HEMT terahertz detectors [J]. Infrared and Laser Engineerin, 2021, 50(5): 20210202. (in Chinese)
    [8] Liu Zewen, Xuan Yun, Lei Xiaofeng, et al. Design and measurement of RF-MEMS CPW on HRS [J]. Optics and Precision Engineering, 2005, 13(2): 158-164. (in Chinese)
    [9] Meng Fanyi, Wu Qun, Fu Jiahui, et al. Transmission characteristics of a rectangular waveguide filled with anisotropic metamaterial [J]. Acta Physica Sinica, 2008, 57(9): 5476-5484. (in Chinese) doi:  10.7498/aps.57.5476
    [10] Li Gang. Researches on design and simulation technology of waveguide-to-microstrip transitions [D]. Xi ’an: Xidian University, 2008. (in Chinese)
    [11] Dong Yunfeng, Johansen T K, Zhurbenko V. Rectangular waveguide-to-coplanar waveguide transitions at U-band using e-plane probe and wire bonding[C]//2016 46th European Microwave Conference, 2016: 5-8.
    [12] Dong Yunfeng, Zhurbenko V, Hanberg P J, et al. A D-band rectangular waveguide-to-coplanar waveguide transition using wire bonding probe [J]. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2019, 40(1): 63-79. doi:  10.1007/s10762-018-0551-x
    [13] Dong Yunfeng, Zhurbenko V, Hanberg P J, et al. A D-Band Rectangular Waveguide-to-Coplanar Waveguide Transition Using Metal Ridge[C]//2019 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, 2019: 1050-1053.
    [14] Dong Yunfeng, Johansen T K, Zhurbenko V, et al. A rectangular waveguide-to-coplanar waveguide transition at D-band using wideband patch antenna[C]//2018 48th European Microwave Conference, 2018: 1045-1048.
    [15] Tang Wenxuan, Wang Jiangpeng, Yan Xiaotian, et al. Broadband and hzigh-efficiency excitation of spoof surface plasmon polaritons through rectangular waveguide [J]. Frontiers in Physics, 2020, 8(410): 582692.
    [16] Aliakbarian H, Radiom S, Tavakol V, et al. Fully micromachined W-band rectangular waveguide to grounded coplanar waveguide transition [J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2012, 6(5): 533-540.
    [17] Southworth G C. Principles and applications of waveguide transmission [J]. Bell System Technical Journal, 1950, 29(3): 295-342. doi:  10.1002/j.1538-7305.1950.tb02348.x
    [18] Zhou Yue, Zhang Guofeng. Design method of chebyshev transformer [J]. College Physics, 2012, 31(11): 29-31. (in Chinese)
  • [1] 丁国建, 王晓晖, 冯琦, 于萍, 贾海强, 陈弘, 汪洋.  高效铌酸锂薄膜波导模斑转换器设计 . 红外与激光工程, 2023, 52(9): 20220897-1-20220897-9. doi: 10.3788/IRLA20220897
    [2] 李淑慧, 宋洪晓, 程亚洲.  中红外4 μm波长下MgF2晶体脊形光波导的制备及特性研究(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(7): 20220441-1-20220441-6. doi: 10.3788/IRLA20220441
    [3] 吴少强, 冯向华, 卫正统, 吴天昊.  聚合物波导光栅耦合器的衍射场仿真 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 422001-0422001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0422001
    [4] 徐思宇, 张兆健, 何新, 韩云鑫, 张晶晶, 黄杰, 陈丁博, 杨俊波.  基于金属-绝缘体-金属波导耦合纳米腔的等离子体三波分复用结构 . 红外与激光工程, 2019, 48(2): 221001-0221001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0221001
    [5] 高翔, 刘晓庆, 戴子杰, 李帅, 刘伟伟.  基于波导结构的集成式太赫兹共焦成像系统 . 红外与激光工程, 2019, 48(S2): 98-102. doi: 10.3788/IRLA201948.S219001
    [6] 夏祖学, 刘发林, 邓琥, 陈俊学, 刘泉澄.  频率可调太赫兹微结构光电导天线 . 红外与激光工程, 2018, 47(5): 520002-0520002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0520002
    [7] 袁宇阳, 张慧芳, 张学迁, 谷建强, 胡放荣, 熊显名, 张文涛, 韩家广.  THz超材料的明暗模式耦合效应 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 121002-0121002(11). doi: 10.3788/IRLA201847.0121002
    [8] 赵润晗, 孟欣禹, 赵云鹤, 司晓龙, 刘云启.  消除模间干涉现象的光纤光栅模式转换器 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1222001-1222001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1222001
    [9] 陈朝夕, 温浩康, 于浩, 李彬, 胡军, 郭天娥, 马小玲, 华平壤.  高掺铒硅基氧化钽脊形光波导 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 821002-0821002(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0821002
    [10] 孙玉洁, 段俊萍, 王雄师, 张斌珍.  多孔耦合型太赫兹波导定向耦合器的设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 125002-0125002(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0125002
    [11] 朱凝, 李浩, 张辉.  超薄金属膜V-型槽等离子波导的定向耦合研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1554-1557.
    [12] 赵丽美, 关建飞.  硅基结构混合等离子激元波导模式特性的数值研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1329-1334.
    [13] 邓丽莉, 石强, 张辉, 段倩倩, 菅傲群, 桑胜波, 张文栋.  条形和脊型SOI 波导微环结构传感性能研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 752-757.
    [14] 田磊.  双补偿结构I-V 转换电路在红外接收芯片中的应用 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2170-2174.
    [15] 周柯江, 胡科可, 王涛.  双折射波导偏振耦合的短相干干涉测量 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2992-2995.
    [16] 吴斌, 刘志明, 王恒飞, 应承平, 王俊龙, 刘红元, 李国超, 王洪超.  太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输 . 红外与激光工程, 2014, 43(12): 3903-3906.
    [17] 李乾坤, 李德华, 周薇, 马建军, 鞠智鹏, 屈操.  单缝双环结构超材料太赫兹波调制器 . 红外与激光工程, 2013, 42(6): 1553-1556.
    [18] 胡欣, 张文攀, 殷瑞光, 李慧, 赵琳锋, 刘艳芳.  激光在锥形多模光纤中的耦合效率与传输模式 . 红外与激光工程, 2013, 42(2): 372-375.
    [19] 刘志明, 陈坤峰, 高业胜, 史学舜, 简水生.  阵列波导光栅中自由传播区模式的有效折射率 . 红外与激光工程, 2013, 42(8): 2146-2149.
    [20] 何雅兰, 何金龙, 刘平安.  低损耗太赫兹镀膜金属波导研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(6): 1533-1536.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-08
  • 修回日期:  2022-01-20
  • 刊出日期:  2022-08-31

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

doi: 10.3788/IRLA20210733
    作者简介:

    杨恒泽,男,硕士生,主要从事太赫兹波导方面的研究

    王艳红,女,副教授,博士,主要从事纳米等离子体光学等方面的研究

  • 中图分类号: TN814

摘要: 太赫兹(THz)波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S21)高于−3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。

English Abstract

    • 太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz范围内的电磁波[1]。THz波具有透射能力强、频率范围宽、信噪比高[2]、单光子能量低[3]等特点,近年来被广泛运用到物体成像[4]、宇宙探测[5]、分子探测[6]、移动通信[7]等各种领域。

      由于很多生物大分子及DNA的旋转及振动能级处于THz波段,所以可以利用THz辐射来对病变生物体及病变标志物进行探测。目前大量研究表明,可以在共面波导[8](CPW)上制作谐振结构,病变生物体及病变标志物和正常生物体通过谐振结构会导致THz波产生不同的振幅、波形和时延。通过对生物分子THz吸收谱的研究得到其振动及构象变化信息,可以对相关疾病做出早期诊断。目前由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,引导THz传输到共面波导主要依赖天线和矩形波导[9]。相较于天线传输,矩形波导结构简单、机械强度更大。矩形波导与共面波导在直接馈电的情况下,矩形波导中电磁波主要以TE模、TM模传输,而共面波导传输TEM模,因此存在动量和模式不匹配的问题。在这种情况下,矩形波导到共面波导的转换[10]成为近年来研究的热点。实现低插入损耗且可用于现有电路和芯片封装的转换结构具有重要的研究意义和应用潜力。

      目前的转换结构主要基于E面探针、线键合探针、贴片天线、金属脊和缝隙耦合设计,且已经取得许多研究成果。2016年,Dong Yunfeng[11-14]等人首次使用线键合实现U波段矩形波导到共面波导转换;2018年,分别利用线键合探针和贴片天线在110~166.3 GHz、118.8~161 GHz实现插入损耗为2 dB的转换结构;2019年,利用金属脊结构在122.5~156.5 GHz实现插入损耗小于3 dB的转换结构;2020年,Tang Wenxuan[15]等人利用金属脊结构在12~18 GHz实现矩形波导到表面等离子体的过渡; 2021年,H. Aliakbarian[16]在91.2~113.2 GHz实现插入损耗为1.8 dB的转换。

      虽然目前转换结构的研究工作被大量报道,但关于矩形波导到共面波导转换结构的设计主要集中在0~80 GHz的低频段或低于0.17 THz的THz频段且带宽较窄,无法满足0.2 THz以上的使用需求。鉴于此,文中利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换设计了一种过渡结构。结果表明,通过三阶金属脊逐级过渡,可以使电磁波在240~350 GHz全频段实现插入损耗小于3 dB的转换。

    • 脊波导以阻抗渐变的形式实现矩形波导到共面波导的转换。矩形波导电磁场传输特性由波阻抗[10]ZTE描述。

      矩形波导中传输TE10模时的波阻抗可表示为:

      $$ {Z}_{{TE}_{10}}=\frac{{\eta }_{0}}{\sqrt{1-{\left(\dfrac{{\lambda }_{0}}{2a}\right)}^{2}}} $$ (1)

      式中:$ {\eta }_{0}=377\;\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm {\Omega } $为自由空间波阻抗;$ {\lambda }_{0} $为中心频率波长;a为矩形波导宽边尺寸。

      为了解决波导间的匹配及转换问题,Southworth [17]提出电压功率定义的特征阻抗ZOVP作为矩形波导等效特性阻抗。

      $$ {Z}_{OVP}=\dfrac{2b}{a}{Z}_{{TE}_{10}} $$ (2)

      该设计矩形波导在WR-3.4标准矩形波导的基础上进行重新设计,其中a =711.2 μm、b= 355.6 μm,中心频率f0=295 GHz,$ {\lambda }_{0} $=1.02 mm,$ {Z}_{OVP}={Z}_{{TE}_{10}}= $539 $ \mathrm{\Omega } $。要保证与共面波导50 $ \mathrm{\Omega } $的特性阻抗匹配,必须在矩形波导与共面波导之间加入适当的阻抗变换器。

      该设计采取阶梯脊形转换结构,根据切比雪夫阻抗变换器[18]设计原理,转换结构阻抗由539~50 $ \mathrm{\Omega } $阻抗变换比为$ R=0.09 $。最大驻波系数$ \;{\rho }_{max} $设为1.1。可求出坐标变换待定系数h、p及脊波导最小阶数n

      $$ h\leqslant \dfrac{{\rho }_{max}-1}{2\sqrt{{\rho }_{max}}}=0.05\equiv {h}_{max} $$ (3)
      $$ p={\rm{cos}}\left(\frac{\pi }{1+{\lambda }_{max}/{\lambda }_{min}}\right)=0.29 $$ (4)
      $$ n\geqslant \dfrac{{\rm{arcosh}}\left(\dfrac{\left|1-R\right|}{2{h}_{max}\sqrt{R}}\right)}{{\rm{arcosh}}\left(\dfrac{1}{p}\right)}=2.2 $$ (5)

      故最小阶数为3,考虑到计算误差及制造工艺复杂度本设计选取阶梯脊数为3。相较于基于渐变线阻抗变换器[10]设计的三角形过渡结构,脊波导可以避免电路谐振问题,适用于宽带电路且加工容错率更高、结构刚度更强易于保存运输。

      图1为脊波导截面图。a、b分别为矩形波导宽边和窄边,阶梯脊厚度为th,脊到底壁距离为dd值较小时,电磁场能量集中于脊下,等效阻抗较低,可与共面波导匹配连接;当d增大时,等效阻抗增加可连接矩形波导。通过改变阶梯脊的高度及宽度可以将矩形波导的特性阻抗变换到与共面波导匹配的阻抗。

      图  1  金属阶梯脊截面图

      Figure 1.  Section of metal ladder ridge

    • 文中设计的矩形波导到共面波导转换结构由矩形波导和脊波导两部分组成,转换结构结合共面波导示意图如图2(a)所示,转换结构细节图、几何参数图如图2(b)、(c)所示。矩形波导材料为铜,其内截面尺寸为711.2 μm×355.6 μm。共面波导由h=40 μm石英基底(ε=3.75,μ=1)背敷接地板和表面刻蚀的信号线及两条地线组成,其中接地板、信号线和地线材料均为金且厚度为c=0.4 μm,信号线宽为36 μm,地线宽为78 μm,信号线与地线间隙为4 μm,共面波导长为4 mm。转换结构中脊波导与矩形波导相连,由三段金属脊构成,脊的长度为Li(i=1,2,3),距下壁高度为di(i=1,2,3),厚度为th

      图  2  矩形波导到共面波导转换模型。(a)转换结构整体模型图;(b)转换结构金属脊细节图;(c)金属脊与共面波导结合部分几何参数

      Figure 2.  Rectangular waveguide-to-coplanar waveguide conversion model. (a) Conversion structure diagram of the overall model; (b) Detail diagram of metal ridge of conversion structure; (c) Partial geometric parameters of metal ridges combined with coplanar waveguides

      文中使用有限积分软件(CST)进行模拟仿真。THz波以TE模由矩形波导一端入射经过转换结构转换为TEM模后进入共面波导,在共面波导另一端加相同的转换结构并检测传输系数以表征该结构的转换性能。通过仿真对转换结构金属脊的各个参数进行调整,确定最优结构。

    • 脊波导第一脊到波导底壁距离d1直接影响转换结构的传输性能。对d1分别取25、35、45、55 μm进行仿真分析。其余结构参数设定如下:第一脊长度L1=145 μm,第二脊长度L2=140 μm,第三脊长度L3=240 μm,第二脊距底壁高度d2=70 μm,第三脊距底壁高度d3=180 μm,脊厚度th=140 μm。

      在240~350 GHz频率内,转换结构的仿真结果(S21参数)如图3所示。当d1超过45 μm后传输系数明显下降;d1=25 μm时,高频段传输系数下降;当d1=35 μm时,转换结构会获得较好传输效率和工作带宽。已知共面波导上层金膜距波导底壁高度为40.8 μm,故第一脊要略低于共面波导金膜。对仿真结果进行对比后,文中选取d1为35 μm。

      图  3  不同第一脊高度d1下转换结构模拟传输系数

      Figure 3.  The simulated transmission coefficient of the conversion structure at different first ridge height d1

      通过d2、d3进行仿真,结果表明d2在50~70 μm、d3在180~260 μm范围内可使结构获取高传输效率。d2小于70 μm时在低频段损耗较大,为实现长工作带宽本设计选取d2= 70 μm。d3大于180 μm会减小中频段传输损耗但在通频带两端损耗会有增加,故d3取180 μm。

    • 在设定d1为35 μm并保持其他结构参数不变的情况下,改变第一脊的长度L1的数值(分别为95、145、195、245 μm)进行仿真,仿真结果如图4所示。

      图  4  不同第一脊长度L1下转换结构模拟传输系数

      Figure 4.  The simulated transmission coefficient of the conversion structure at different first ridge length L1

      从图中可以看出随着L1逐渐增大,转换结构的传输系数逐渐减小,当L1=245 μm时在超过320 GHz的高频段传输系数明显减小,L1=195 μm和L1=145 μm时转换结构均可达到高传输效率,但L1=145 μm 在全频段传输性能更稳定可用带宽更长,文中选取L1=145 μm进行进一步研究。

      L2、L3进行仿真分析, L2取140 μm、L3在180~240 μm范围内不影响结构的高传输效率。L2过小会增加高频段损耗、过大增加低频段损耗,L3取240 μm在高频段损耗更小。

    • 阶梯脊厚度th在整体转换效果中也起到了重要作用,保持其余结构参数不变,取 th分别为60、100、140、180 μm进行参数扫描,对应的转换结构传输系数如图5所示。

      图  5  不同阶梯脊厚度th下转换结构模拟传输系数

      Figure 5.  The simulated transmission coefficient of the conversion structure at different step ridge thickness th

      分析图5可以得出,随着阶梯脊厚度的增加转换结构在低频传输效率提高,高频传输效率下降。文中选取th =140 μm进行以获取全频段的高传输效率。

    • 综上,得到THz矩形波导到共面波导转换结构的具体参数如表1所示,由此仿真计算得到转换结构的S参数如图6所示。

      表 1  THz矩形波导到共面波导转换结构参数

      Table 1.  Conversion structural parameters of terahertz rectangular waveguide to coplanar waveguide

      ParameterchL1L2L3d1d2d3th
      Value/μm0.4401451402403570180140

      图  6  转换结构的S参数

      Figure 6.  Simulated S-parameters of the transformation structure

      结果表明,该转换结构在240~350 GHz的频带上传输系数高于−3 dB。图7为305 GHz时矩形波导到共面波导的模式转换图,通过图7(a)的电场幅值图可以直观反映电磁波通过转换结构金属脊耦合到共面波导的过程。图7(b)、(c)为电/磁场矢量图,在矩形波导中,可以观察到TE模的电磁场分布,在阶梯脊右侧,只有忽略不计的纵向电磁场分量,表明了TEM模的形成。

      图  7  305 GHz矩形波导到共面波导的模式转换。(a) 电场幅值图; (b) 电场矢量图; (c) 磁场矢量图

      Figure 7.  Mode conversion of rectangular waveguide to coplanar waveguide at 305 GHz. (a) Electric field amplitude diagram; (b) Electric field vector diagram; (c) Magnetic field vector diagram

    • 该转换结构应用于THz波段故尺寸在微米尺度,为研究加工误差对结构转换效率的影响,文中对阶梯脊圆倒角半径r及转换结构与共面波导间距s对传输系数的影响进行了仿真如图8所示。

      图  8  加工误差对转换结构传输系数影响。(a) 圆倒角r; (b) 转换结构与共面波导间距s

      Figure 8.  Effect of machining error on transmission coefficient of conversion structure. (a) Circular chamfer r; (b) Spacing between the conversion structure and the coplanar waveguide s

      图8(a)为阶梯脊圆倒角对转换结构传输系数的影响。结果表明圆倒角半径r由0 μm增加到80 μm在低频段影响很小,在280 GHz以上传输系数会有明显减小。全频段内r小于40 μm可保证转换结构的良好传输特性。图8(b)为间距s对传输系数的影响。结果表明间距小于3 μm不会影响转换效果。

    • 文中利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,结合背敷接地板的常规共面波导,设计了一种在240~350 GHz波段可将矩形波导TE模转换为共面波导TEM模的转换结构。利用CST仿真软件对转换结构阶梯脊高度、长度及厚度等几何参数对耦合器传输性能的影响进行分析,最终确定了转换结构的最优设计。此外还对加工过程中可能存在的阶梯脊圆倒角和装配导致转换结构与共面波导产生间隙的误差进行分析,结果表明圆倒角半径低于40 μm、间隙在3 μm内对结构的影响可以忽略不计。基于此得到了在240~350 GHz全波段传输系数大于−3 dB的转换结构。突破了以往转换结构可用带宽窄、普遍应用于200 GHz以下的限制。该转换结构具有结构简单、加工容错率高的特点,结合共面波导可用于THz分子探测、信息传输等领域。

参考文献 (18)

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