阅读说明：本技术 具有对称阻抗式移相微结构的太赫兹移相器 (Terahertz phase shifter with symmetrical impedance type phase shifting microstructure ) 是由 史金鑫 史宗君 周翼鸿 兰峰 杨梓强 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：具有对称阻抗式移相微结构的太赫兹移相器,涉及太赫兹技术,本发明沿WR3标准波导E面的切分面并列设置有3个移相微结构体,所述切分面由波导轴线和与其平行的E面中线确定；每个移相微结构体由设置于石英介质基片上的4个子模块构成,每个子模块包括一个肖特基二极管和一个探针,肖特基二极管一端连接探针,另一端连接键合盘,4个探针以正交矩阵式排列,探针长轴沿平行且垂直于波导轴线的两条直线排列；探针位于波导的内腔。本发明的太赫兹移相器模型实现了0°、60°、120°、180°的四个不同相移量,并且表现出非常出色的线性度,每个状态对应的平均插入损耗小1.3dB,平均回波损耗大于10dB。(The invention discloses a terahertz phase shifter with a symmetrical impedance type phase shifting microstructure, which relates to the terahertz technology, and is characterized in that 3 phase shifting microstructure bodies are arranged in parallel along a splitting plane of an E surface of a WR3 standard waveguide, wherein the splitting plane is determined by a waveguide axis and an E surface central line parallel to the waveguide axis; each phase-shifting microstructure body is composed of 4 sub-modules arranged on a quartz medium substrate, each sub-module comprises a Schottky diode and a probe, one end of the Schottky diode is connected with the probe, the other end of the Schottky diode is connected with a bonding pad, the 4 probes are arranged in an orthogonal matrix form, and long axes of the probes are arranged along two straight lines which are parallel to and vertical to the axis of the waveguide; the probe is located in the lumen of the waveguide. The terahertz phase shifter model realizes four different phase shift amounts of 0 degrees, 60 degrees, 120 degrees and 180 degrees, and shows excellent linearity, the average insertion loss corresponding to each state is small by 1.3dB, and the average return loss is larger than 10 dB.)

具有对称阻抗式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(TeraHertz，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

本发明所要解决的技术问题是，提出一种能够平衡太赫兹移相器的大相移量和低***损耗之间的矛盾的太赫兹移相器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，具有对称阻抗式移相微结构的太赫兹移相器，其特征在于，沿WR3标准波导E面的切分面并列设置有3个移相微结构体，所述切分面由波导轴线和与其平行的E面中线确定；每个移相微结构体由设置于石英介质基片上的4个子模块构成，每个子模块包括一个肖特基二极管和一个探针，肖特基二极管一端连接探针，另一端连接键合盘，4个探针以正交矩阵式排列，探针长轴沿平行且垂直于波导轴线的两条直线排列；探针位于波导的内腔。

本发明利用在WR3标准矩形波导的主传输线上加载微带线式移相微结构的副传输线，解决和平衡太赫兹移相器的大相移量和低***损耗之间的矛盾。在亚毫米波段310GHz-325GHz下实现了最大相移量为180°，平均***损耗小于1.3dB。

本发明的太赫兹移相器模型实现了0°、60°、120°、180°的四个不同相移量，并且表现出非常出色的线性度，每个状态对应的平均***损耗小1.3dB，平均回波损耗大于10dB。

附图说明

图1为本发明的装配示意图。

图2为本发明的太赫兹移相器的移相微结构单元结构示意图。

图3为本发明的太赫兹移相器模型的4个不同状态下的移相特性示意图。

图4为本发明的太赫兹移相器模型的4个不同状态下的回波损耗示意图。

图5为本发明的太赫兹移相器模型的4个不同状态下的***损耗示意图。

具体实施方式

参见图1、2，本发明提供的具有对称阻抗式移相微结构的太赫兹移相器，沿WR3标准波导E面的切分面并列设置有3个移相微结构体，所述切分面为波导轴线和与其平行的E面中线所确定的平面；每个移相微结构体由设置于石英介质基片20上的4个子模块构成，每个子模块包括一个肖特基二极管21和一个探针22，肖特基二极管一端连接探针，另一端连接键合盘23，4个探针以正交矩阵式排列，探针长轴沿平行且垂直于波导轴线的两条直线排列；探针位于波导的内腔。24为过孔地线。

本发明采用WR3标准矩形波导代替开放式的平面结构作为主传输线；移相微结构的副传输线的介质基底材料采用低介电常数、低损耗的石英；因为在石英基片上面无法生长出肖特基二极管，故采用体积相对较大的封装好的肖特基二极管，如果把封装好的肖特基二极管直接放入波导中，会引起较大的损耗，所以把肖特基二极管加载到矩形波导的外面。采用微带探针把电磁波从波导中耦合到微结构中的肖特基二极管上面，具体的结构见图2。

本发明在WR3标准矩形波导E面

处加载移相微结构的副传输线；采用上下对称加载移相微结构的副传输线方式；加载的每一个移相微结构副传输线中都有4个肖特基二极管，并且一共加载了3个移相微结构的副传输线。

通过HFSS软件，对本发明的太赫兹移相器模型进行仿真，在亚毫米波段310GHz-325GHz下，实现了0°、60°、120°、180°的4个状态的相移，并且这4个状态的平均***损耗小于1.3dB，具体的仿真结果见图3、5。