论文部分内容阅读
太赫兹技术在宇宙天文探测、环境监测、安全检测、生物医疗、高速通信、国防安全、反恐探测等领域具有广阔的应用前景,受到国内外广泛关注。无源器件如传输线、天线、滤波器、功分器、双工器等是太赫兹系统前端的关键组成部分,对整个太赫兹系统性能有着直接的影响。然而,太赫兹元器件高损耗、低效率、制备难度高等问题严重阻碍了太赫兹技术的发展。目前,无线系统正朝着高性能、小型化、高可靠性等趋势发展,因此研究低损耗、高效率、低成本、高集成度的太赫兹无源器件对推动太赫兹技术的发展具有非常重要的意义。本文围绕“高效率低损耗太赫兹无源器件”这一主题进行深入研究,提出了基于虚拟电壁的低损耗太赫兹传输线激励方法,并设计相关太赫兹无源元件,主要工作如下:（1）提出了一种超宽带基片材料电磁特性的高效提取方法。首先,利用圆形基片集成波导（Circular Substrate Integrated Waveguide,CSIW）腔体内宽带分布的 TMmn0 谐振模式,提取了各个谐振模式品质因数,使用差分法计算出材料的金属电导率和介质损耗角;其次,通过测试各个谐振模式的谐振频率,可以计算出谐振频率处的介电常数。理论上,该方法只需要一对CSIW腔体就可以提取出PCB等工艺的基片材料的超宽带电磁特性。该方法克服了传统谐振法测试频带窄、谐振腔繁多、测试过程繁琐等缺点,能够实现低成本高效准确的宽频带材料特性提取。这部分研究成果已在国际会议2018 IEEE MTT-S International Wireless Symposium（IWS）和国际核心期刊IEEEAccess 上发表。（2）提出了一种基于虚拟电壁的低损耗传输线激励方法,并研制了 W波段高性能天线。通过采用交替相位馈电网络为平行平面波导（Parallel-platewaveguide,PPW）提供等幅反相电场激励,在PPW结构中形成等效虚拟电壁替代传统的金属侧壁,简化了馈电网络结构。这种方法不但降低了器件的加工成本,而且提高了其制备冗余度、效率和稳定性。通过在16路功分器上表面刻蚀纵向耦合缝隙,在PPW结构中形成32路等效交替相位的TE10模波导,对PPW上表面的32 × 33缝隙阵列进行馈电,研制了 94 GHz高效率高增益天线。该天线具有结构简单、高增益、高效率、低成本等优点。这部分研究成果已在领域顶级期刊IEEE Transactions onAntennas and Propagation上发表。此外,还提出了一种基于交替相位TE10模和平面波（TEM波）的低损耗复合传输结构,研制了高隔离共口径自双工天线。通过在16路功分器上表面刻蚀横向耦合缝隙,在PPW结构中激励起TEM波。由此,将分别带有横向耦合缝隙和纵向耦合缝隙的功分网络正交放置,在PPW结构中激励起TEM模和交替相位的TE10模。基于同一个复合PPW上表面长直缝阵列,实现了高隔离共口径自双工天线的研制。该天线使用同一辐射口径,实现了基于交替相位TE10模激励的漏波天线（Leaky-wave antenna,LWA）和基于TEM波激励的CTS（Continuous transverse stub,CTS）阵列天线。该共口径自双工天线具有小频比、高隔离、高增益等优点。这部分研究成果已收录在领域顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation。（3）基于虚拟电壁低损耗传输线和混合模腔体结构,分别提出了一种140 GHz高效率平面缝隙天线和140GHz低损耗、高选择性滤波器的设计方法,并成功研制。通过将N个短耦合缝隙刻蚀在高次模（TEN,1,0模）腔体的同一侧,在短耦合缝隙处形成了等幅反相的电场分布,由此通过电磁耦合在上层的PPW中形成了虚拟电壁。基于该馈电方法,设计了 PPW上表面的8×8缝隙阵列,成功研制了一款140GHz高效率天线。该天线具有馈电结构简单,效率高,带内增益稳定、成本低等优点。另外,该部分研究还提出了一种新型混合模腔体结构,并成功研制了高选择性太赫兹滤波器。通过使用混合模腔体内的多个高品质因数谐振模式,可以灵活地设计基于横向三模或横向五模拓扑结构的低损耗、高选择性太赫兹滤波器。该滤波器具有低损耗、高选择性等优点,且滤波器带宽和上下阻带传输零点位置灵活可调。这部分研究成果已在国际会议2020 International Symposium on Antennas and Propagation（ISAP）和领域权威期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 和领域顶级期刊 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 上发表。（4）基于虚拟电壁传输线结构,提出了一种低成本、低副瓣、低交叉极化400GHz漏波天线设计方法,并进行了研制。为了克服400GHz频段数控金属削切工艺的限制并减小传输损耗,通过在高次模腔体上面刻蚀长耦合缝隙,实现了 PPW波导传输线的等幅反相的馈电,形成了虚拟电壁,并成功研制了漏波天线。该天线采用泰勒分布的锥形长缝作为辐射结构,实现了低副瓣电平;由于相邻对称分布的锥形辐射缝隙的激励相位反相,在交叉极化方向实现了辐射对消,获得了低交叉极化的性能。这部分研究成果已在领域顶级期刊IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology上发表。