阅读说明：本技术 基于wr3标准波导加载移相微结构的太赫兹移相器 (Terahertz phase shifter based on WR3 standard waveguide loading phase-shifting microstructure ) 是由 史宗君 史金鑫 周翼鸿 兰峰 杨梓强 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：基于WR3标准波导加载移相微结构的太赫兹移相器,涉及太赫兹技术。本发明包括WR3标准波导和移相结构件；所述移相结构件包括设置于矩形石英介质基片上的带有肖特基二极管的微带结构,所述微带结构包括顺次并行设置的第一肖特基二极管组、第二肖特基二极管组、第三肖特基二极管组和第四肖特基二极管组。本发明利用封闭结构(WR3标准波导)来改善太赫兹(THZ)波在开放结构中的大损耗,采用在石英的介质基片表面上拼接带有二极管的微结构来实现太赫兹(THZ)移相器的数字化,具有良好的相移特性。(A terahertz phase shifter based on a WR3 standard waveguide loading phase shifting microstructure relates to terahertz technology. The invention comprises a WR3 standard waveguide and a phase-shifting structural component; the phase-shifting structural part comprises a micro-strip structure which is arranged on a rectangular quartz medium substrate and is provided with Schottky diodes, and the micro-strip structure comprises a first Schottky diode group, a second Schottky diode group, a third Schottky diode group and a fourth Schottky diode group which are sequentially arranged in parallel. The invention utilizes the closed structure (WR3 standard waveguide) to improve the large loss of Terahertz (THZ) waves in the open structure, and adopts the micro structure with the diode spliced on the surface of the quartz medium substrate to realize the digitization of the THZ phase shifter, thereby having good phase shift characteristic.)

基于WR3标准波导加载移相微结构的太赫兹移相器

技术领域

本发明涉及太赫兹技术。

背景技术

太赫兹(Tera Hertz，THZ)波包含了频率为0.1到10THz的电磁波，所以太赫兹波的固有频率高、带宽大的优势，从而太赫兹(THZ)雷达的空间分辨力和距离分辨力都很高。其中相控阵雷达具有波扫描灵活，能跟踪多目标，抗干扰性能好等优势，作为太赫兹(THZ)相控阵列的关键组件，移相器的成本、性能直接影响相控阵雷达系统的造价和性能。所以，研究高性能、易实现、低成本的THz移相器对改进相控阵性能和结构，实现小型、低功耗THz相控阵雷达有非常重要的现实意义。

THz波的短波段可以发展准光学器件，传输结构大部分采用光子晶体波导、光子晶体光纤、聚合物波导等。而THz波的长波段与亚毫米波频段重合，其发展可借鉴微波技术。微波频段移相器一般通过基于铁氧体材料、正-本征-负(Positive Intrinsic Negative，PIN)二极管或场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)开关阵列来实现。一般情况下采用正-本征-负二极管，则是基于平面传输波导来加载二极管，以此用二极管的开断来实现微波沿不同的路径传播，从而达到不同的相移，但是在太赫兹(THZ)波范围内还没有采用平面传输波导加载二极管，通过改变太赫兹波的传播路径来实现相移的变化。主要是因为太赫兹(THZ)波在这样的开放结构中的损耗太大，以至于很难实现传输。利用封闭结构的波导来实现对太赫兹波的传播是很好的途径，这样很大程度上可以避免像平面波导这样的开放结构对太赫兹波带来的巨大的损耗。但是随着相控雷达的发展，对移相器的精度越来越高，相移量越来越大，越来越要求易于控制。因此移相器越来越需要数字化，这就导致在封闭结构的波导中很难实现移相器的数字化，然而平面结构却很容易实现移相器的数字化，并且还很容易实现电控等优点。

目前，太赫兹移相器的研究还比较少，还没有比较成熟的器件结构解决方案。其中综合应用新材料、新机理和新制造工艺是太赫兹(THZ)移相器的解决方法和发展方向。目前，太赫兹移相器的主要是发展趋势是基于特殊材料的太赫兹移相器和基于先进工艺的技术的太赫兹移相器。其中基于特殊材料的太赫兹移相器主要分为基于液晶材料的太赫兹移相器、基于石墨烯的太赫兹移相器这两种。基于先进工艺技术的太赫兹移相器主要分为基于MEMS开关的太赫兹移相器、基于集成电路工艺的太赫兹移相器这两种形式。

发明内容

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本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够避免开放波导结构对于太赫兹(THZ)波的较大损耗，同时又实现了精确控制的数字型移相器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种基于WR3的标准波导加载带有二极管的“工”字形微结构的新型移相器。其原理是利用微结构上面的二极管的开断来实现对于波导里面的太赫兹(THZ)波的传播常数的改变，最终来实现相移的变化。

具体的，本发明提供一种基于WR3标准波导加载移相微结构的太赫兹移相器，其特征在于，包括WR3标准波导和移相结构件；

所述移相结构件包括设置于矩形石英介质基片上的带有肖特基二极管的微带结构，所述微带结构包括顺次并行设置的第一肖特基二极管组、第二肖特基二极管组、第三肖特基二极管组和第四肖特基二极管组；

所述第一肖特基二极管组由并联于第一控制微带线和第一GND微带线之间的三个肖特基二极管构成，第二肖特基二极管组由并联于第二控制微带线和第二GND微带线之间的两个肖特基二极管构成，第三肖特基二极管组由并联于第三控制微带线和第三GND微带线之间的两个肖特基二极管构成，第四肖特基二极管组由并联于第四控制微带线和第四GND微带线之间的三个肖特基二极管构成；第一控制微带线、第二GND微带线、第三控制微带线和第四GND微带线为共线设置但彼此独立，第一GND微带线、第二控制微带线、第三GND微带线和第四控制微带线为共线设置但彼此独立；各肖特基二极管组中，肖特基二极管与控制微带线的连接线垂直于控制微带线，各控制端微带线和GND端微带线皆平行于介质基片的长边；

所述介质基片的长边平行于波导的轴线且介质基片底面垂直于波导的E面，介质基片与波导的E面的交线到波导H面的距离为E面宽度的1/4；

各GND微带线与波导内壁形成导电接触，各控制微带线通过波导上开设的控制线槽引出至波导外，各肖特基二极管位于波导的内腔。

本发明利用封闭结构(WR3标准波导)来改善太赫兹(THZ)波在开放结构中的大损耗，采用在石英的介质基片表面上拼接带有二极管的微结构来实现太赫兹(THZ)移相器的数字化，具有良好的相移特性。

附图说明

图1是本发明采用的波导结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明切分波导的示意图。

图4是本发明移相结构件位置示意图。

图5是本发明移相结构件的结构示意图。

图6是本发明控制线孔位置示意图。

图7是控制线槽相对于波导壁上电流分布的位置示意图。

图8是本发明的相移特性曲线图。

具体实施方式

本发明采用的WR3标准波导参见图1，在波导20内设置了移相结构件21，如图2所示。移相结构件21为矩形平板状构件，包括设置于矩形石英介质基片上的带有肖特基二极管的微带结构。介质基片的长边平行于波导的轴线且介质基片底面垂直于波导的E面，介质基片与波导的E面的交线到波导H面的距离为E面宽度L的1/4，参见图3、4，图3、4为平行于波导断面的视角。本发明的一种实施方式是将波导沿E面宽度L的1/4处切分(沿图3、4的虚线切分)为两部分，并按照图4所示方式安装移相结构件21。

参见图5，移相结构件包括设置于矩形石英介质基片50上的带有肖特基二极管的微带结构，所述微带结构包括顺次并行设置的第一肖特基二极管组51、第二肖特基二极管组52、第三肖特基二极管组53和第四肖特基二极管组54；

所述第一肖特基二极管组51由并联于第一控制微带线511和第一GND微带线512之间的三个肖特基二极管510构成，第一控制微带线511通过第一控制线513和控制线孔引出至波导外，514为GND微带线和波导的接触点。

类似的，第二肖特基二极管组52由并联于第二控制微带线521和第二GND微带线522之间的两个肖特基二极管520构成，第二控制微带线521通过第一控制线524和控制线孔引出至波导外，第三肖特基二极管组由并联于第三控制微带线和第三GND微带线之间的两个肖特基二极管构成，第四肖特基二极管组由并联于第四控制微带线和第四GND微带线之间的三个肖特基二极管构成；第一控制微带线、第二GND微带线、第三控制微带线和第四GND微带线为共线设置(位置处于同一直线)但彼此独立，第一GND微带线、第二控制微带线、第三GND微带线和第四控制微带线为共线设置但彼此独立；各肖特基二极管组中，肖特基二极管与控制微带线的连接线垂直于控制微带线，各控制端微带线和GND端微带线皆平行于介质基片的长边。

介质基片的长边平行于波导的轴线且介质基片底面垂直于波导的E面，介质基片与波导的E面的交线到波导H面的距离为E面宽度的1/4；各GND微带线与波导形成导电接触，各控制微带线通过波导上开设的控制线槽引出至波导外，各肖特基二极管位于波导的内腔。

本发明利用微结构上面的二极管的开断来实现对于波导里面的太赫兹(THZ)波的传播常数的改变，最终来实现相移的变化。

为实现移相器的数字化，本发明采用四个带有肖特基二极管的“工”字形移相微结构单元。从而达到实现十六不同的相移量。其中这四个“工”字形移相微结构单元分布是：基片两端的单元是以三个“工”字形微结构并联组成，基片中间的两个单元是以两个“工”字形微结构并联组成。其中肖特基二极管的加载位置是位于“工”形结构的中间部分。

为增大移相器的相移量，将基片设置有移相微结构的一面朝向波导的中心位置，让更多的太赫兹(THZ)波经过带有微结构的介质基片表面，从而实现较大的相移量。

为减少波导中加入移相微结构而带来的损耗，采取的措施：

(1)、根据太赫兹(THZ)波在波导中的分布，在波导E面的四分之一处进行波导的加载，避免了把介质基片加载在太赫兹(THZ)波的分布较强的区域而带来较大的介质损耗。

(2)、介质基底采用相对介电常数较低的石英，从而避免了由较高相对介电常数的基片带来较大的介质损耗。

(3)、减小由于波导壁上面引入微结构控制线槽而对太赫兹(THZ)波带来的辐射损耗，把控制线槽的位置放在尽可能避免切割波导壁电流的位置，因此采用在上下波导壁错开的办法把控制线槽分别引出，如图6、7，图6是波导的纵剖示意图，60为控制线槽，61为波导内腔。切分的波导重新组合后，控制线槽成为控制线孔。

(4)、减小由于在波导中开矩形槽放入介质基片而对太赫兹(THZ)波带来的辐射损耗，把开槽的位置与波导上下壁面上的电流分布方向(电流在波导上下壁表面上的分布大部分是平行于波导的方向)尽可能的平行，这样让开槽的位置尽可能的少切割波导壁的表面电流，从而减小对太赫兹(THZ)波的辐射损耗。

具体的制备过程：

(1)WR3标准波导的几何尺寸(长x宽：0.864mm x 0.432mm)，其波导从长边的四分之一处切分成两部分。切分后，长边四分之一处的两侧壁开出四个半径为0.2mm的圆形控制线槽和所述用于放入石英介质基片的矩形槽(其中矩形槽的尺寸为，长x宽x高：2.708mm x0.84mm x 0.06mm)。

(2)矩形介质基片的几何尺寸(长x宽x高：2.7mm x 0.832mm x 0.05mm)，由于在石英的介质基片的表面不能生长出微结构，所以本发明把制作好的微结构用导电胶粘连在介质基片的表面。

(3)所述的带有肖特基二极管的微带结构，其形式是以“工”字形的形式分布在所述的介质基片上，并且“工”字形的中间部分是肖特基二极管。其中在介质基片的两端是以三个“工”字形的微带结构并联组成两个单元。在中间部分是以两个“工”字形的微带结构并联组成两个单元。因此一共形成四个单元。

(4)带有微结构的介质基片放入所述的WR3的标准矩形波导的矩形开槽中，用导电胶进行固定。然后采用跳线的工艺，把微结构的控制线通过波导的控制线槽与***电路进行连接。最后在法兰上面采用销钉和螺丝进行波导的拼接和固定。

通过HFSS软件，对于本发明的太赫兹(THZ)移相器进行仿真，其中在295GHZ-320GHZ的频段下，十六个状态的相移量如图8所示。其中最大相移可以达到200°，平均每个相邻状态的相移量相差为15°。