一种太赫兹四路功分器及超宽带辐射源的制作方法

1.本发明涉及太赫兹光谱分析技术领域，尤其是涉及一种太赫兹四路功分器及超宽带辐射源。


背景技术：

2.太赫兹光谱分析技术是一种新型探测技术。不同物质对太赫兹波有着不同的吸收、反射或散射。太赫兹光谱技术不仅可以测得信号的幅值信息，还可以探测普通光学测量很难测得的相位信息，进一步对信号分析处理可以得到被测样本的折射率、介电常数和吸收系数等物理信息。通过不同组成、不同构造的物质所具有的特征太赫兹波谱，太赫兹光谱分析技术可以研究物质的太赫兹特征光谱、鉴定物质的组成、分析物质在太赫兹频段特征谱振动来源、记录物理化学变化过程等。太赫兹旋转光谱是太赫兹光谱分析的最新研究领域，是痕量气体检测、鉴定和定量分析的重要工具。由于存在气体分子的永久偶极矩，大多数极性气体分子在太赫兹波段具有丰富的吸收峰。太赫兹旋转光谱法在检测气相分子方面具有很大的优势。因此，太赫兹旋转光谱已应用于工业气体传感、化学反应监测等领域。
3.申请人在实现本发明的过程中发现，目前基于半导体技术的固态太赫兹辐射源中，为充分发挥太赫兹频带大带宽的优势，一般采用多条辐射源链路集成的方案，而现有的多条辐射源链路集成方案中，为方便承载太赫兹电路单元的波导结构稳定连接，减小信号传输损耗，一般采用串联各个波导结构的方式进行连接，导致每条辐射源链路均呈直线结构，而直线结构的太赫兹辐射源对安装空间要求高，限制了太赫兹辐射源的应用。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种太赫兹四路功分器及超宽带辐射源，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下两个方面内容：本技术第一方面提供了一种太赫兹四路功分器，包括第一功分器、第二功分器和第三功分器，第一功分器的输入端通过第一转弯波导结构与信号接入端口连接，第一功分器的第一个信号输出端通过第二转弯波导结构与第二功分器的信号输入端连接，第一功分器的第二个信号输出端通过第三转弯波导结构与第三功分器的信号输入端连接，所述信号接入端口、第二功分器的信号输出端、第三功分器的信号输出端位于第一功分器的同一侧。
5.进一步地，所述第二功分器的信号输出端、第三功分器的信号输出端位于同一平面，所述信号接入端口与第二功分器的信号输出端、第三功分器的信号输出端所在平面平行。
6.进一步地，所述第一功分器、第二功分器和第三功分器中的至少一者为t型结构的太赫兹功分器，所述太赫兹功分器包括单元输入端、第一单元输出端和第二单元输出端，所述第一单元输出端上设置有第一匹配分支，第一匹配分支用于对第一单元输出端进行阻抗匹配，第二单元输出端上设置有第二匹配分支，第二匹配分支用于对第二单元输出端进行阻抗匹配，所述第一匹配分支和第二匹配分支之间通过耦合通道连通，所述耦合通道中设
置有太赫兹波吸收体。
7.进一步地，所述太赫兹功分器还包括第一信号输出端和第二信号输出端，所述第一单元输出端通过第一转弯波导单元与第一信号输出端连接，第二单元输出端通过第二转弯波导单元与第二信号输出端连接。
8.进一步地，所述太赫兹波吸收体为太赫兹吸收器或太赫兹吸波材料。
9.进一步地，所述太赫兹吸波材料为石墨烯与氮化硼复合材料、或负载有mxene材料的多孔载体。
10.进一步地，所述第一匹配分支与第二匹配分支对称设置在单元输入端中轴线的两侧。
11.进一步地，所述第一匹配分支与第二匹配分支相互平行，和/或，第一匹配分支靠近设置单元输入端和第一单元输出端的连接端设置，第二匹配分支靠近设置单元输入端和第二单元输出端的连接端设置。
12.进一步地，所述耦合通道靠近单元输入端设置，以第一匹配分支与第一单元输出端的连接端为起始，沿第一匹配分支的中轴线方向，所述耦合通道位于1/4λ处，所述λ为太赫兹波的波长。
13.本技术第二方面提供了一种太赫兹超宽带辐射源，包括倍频放大模块、多条太赫兹辐射源链路、以及上述的太赫兹四路功分器，所述倍频放大模块用于将信号倍频放大至太赫兹频段，倍频放大模块的信号输出端与太赫兹四路功分器的信号接入端口连接，太赫兹四路功分器的信号输出端分别与太赫兹辐射源链路连接。
14.本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：本发明在安装太赫兹超宽带辐射源时，让倍频放大模块对应的电路与太赫兹辐射源链路设置在第一功分器的同一侧，呈u型结构，实现太赫兹超宽带辐射源电路在纵向方向的折叠，进而有效缩减太赫兹超宽带辐射源的长度和体积，实现折叠集成，降低太赫兹辐射源对安装空间要求，提高太赫兹辐射源的应用范围。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明太赫兹四路功分器的结构示意图；图2是本发明太赫兹四路功分器另一视角下的结构示意图；图3是本发明太赫兹功分器的结构示意图；图4是本发明太赫兹功分器的仿真结果图；图5是本发明太赫兹四路功分器另一种结构下的结构示意图；图6是图5中太赫兹四路功分器应用在太赫兹辐射源中的结构示意图；图7是太赫兹超宽带辐射源的电路单元连接示意图；图中，10、第一功分器；20、第二功分器；30、第三功分器；40、信号接入端口；50、第一转弯
波导结构；60、第二转弯波导结构；70、第三转弯波导结构；110、单元输入端；122、第一单元输出端；124、第一匹配分支；126、第一转弯波导单元；128、第一信号输出端；132、第二单元输出端；134、第二匹配分支；136、第二转弯波导单元；138、第二信号输出端；140、耦合通道；150、太赫兹波吸收体；810、倍频放大模块；811、ka频段倍频放大器；812、v波段宽度倍频器；813、v波段宽带放大器；820、110~170ghz辐射源链路；821、110~170ghz阻性宽带倍频器；822、110~170ghz宽带天线；830、170~260ghz辐射源链路；831、第一w波段倍频器；832、170~260ghz阻性宽带倍频器；833、170~260ghz宽带天线；840、260~400ghz辐射源链路；841、第二w波段倍频器；842、第一太赫兹倍频器；843、260~400ghz阻性宽带倍频器；844、260~400ghz宽带天线；850、400~520ghz辐射源链路；851、第三w波段倍频器；852、第二太赫兹倍频器；853、400~520ghz阻性宽带倍频器；854、400~520ghz宽带天线；860、太赫兹四路功分器。
具体实施方式
17.以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
18.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
21.实施例1：本技术实施例提供了一种太赫兹四路功分器860，如图1和图2所示，包括第一功分器10、第二功分器20和第三功分器30，第一功分器10的输入端通过第一转弯波导结构50与
信号接入端口40连接，第一功分器10的第一个信号输出端通过第二转弯波导结构60与第二功分器20的信号输入端连接，第一功分器10的第二个信号输出端通过第三转弯波导结构70与第三功分器30的信号输入端连接，所述信号接入端口40、第二功分器20的信号输出端、第三功分器30的信号输出端位于第一功分器10的同一侧。
22.目前基于半导体技术的固态太赫兹辐射源中，为充分发挥太赫兹频带大带宽的优势，一般采用多条辐射源链路集成的方案，而现有的多条辐射源链路集成方案中，为方便承载太赫兹电路单元的波导结构稳定连接，减小信号传输损耗，一般采用串联各个波导结构的方式进行连接，导致每条辐射源链路均呈直线结构，而直线结构的太赫兹辐射源对安装空间要求高，限制了太赫兹辐射源的应用；而本实施例通过让信号接入端口40、第二功分器20的信号输出端、第三功分器30的信号输出端位于第一功分器10的同一侧，在安装固态太赫兹辐射源时，可以将倍频放大模块810对应的电路与太赫兹四路功分器860的信号接入端口40连接，将太赫兹辐射源链路与太赫兹四路功分器860的信号输出端连接，进而使得倍频放大模块810对应的电路与太赫兹辐射源链路设置在第一功分器10的同一侧，呈u型结构，实现固态太赫兹辐射源电路在纵向方向的折叠，进而有效缩减固态太赫兹辐射源的长度和体积，实现折叠集成，降低太赫兹辐射源对安装空间要求，提高太赫兹辐射源的应用范围。
23.需要说明的是，所述第一转弯波导结构50、第二转弯波导结构60、第三转弯波导结构70分别由一个或多个串联的转弯波导单元构成，优选地，转弯波导单元为90
°
的转弯波导。
24.具体地，所述第二功分器20的信号输出端、第三功分器30的信号输出端位于同一平面，所述信号接入端口40与第二功分器20的信号输出端、第三功分器30的信号输出端所在平面平行。通过让信号接入端口40与第二功分器20的信号输出端、第三功分器30的信号输出端所在平面平行，在将太赫兹四路功分器860应用到太赫兹辐射源时，倍频放大模块810对应的电路与太赫兹辐射源链路分别排布在两个平行的平面上，相互间安装空间充裕，且不会相互影响，有效提高太赫兹辐射源的集成稳定性和对安装空间的利用效率。
25.具体地，所述第一功分器10、第二功分器20和第三功分器30中的至少一者为t型结构的太赫兹功分器，如图3所示，所述太赫兹功分器包括单元输入端110、第一单元输出端122和第二单元输出端132，所述第一单元输出端122上设置有第一匹配分支124，第一匹配分支124用于对第一单元输出端122进行阻抗匹配，第二单元输出端132上设置有第二匹配分支134，第二匹配分支134用于对第二单元输出端132进行阻抗匹配，所述第一匹配分支124和第二匹配分支134之间通过耦合通道140连通，所述耦合通道140中设置有太赫兹波吸收体150。
26.对于现有的太赫兹辐射源，为避免不同辐射源链路之间信号干扰，采用一个辐射源链路对应设置一个倍频电路，而每个倍频电路中包含多个太赫兹电路单元，因此需设置多个波导结构，这就使得太赫兹超宽带辐射源中包含大量波导结构，导致太赫兹超宽带辐射源体积庞大；而在本实施例中，通过对太赫兹功分器进行改进，在第一单元输出端122上设置第一匹配分支124，第二单元输出端132上设置第二匹配分支134，先利用第一匹配分支124、第二匹配分支134进行阻抗匹配，然后在第一匹配分支124和第二匹配分支134之间增设耦合通道140，并在耦合通道140中设置太赫兹波吸收体150，通过太赫兹波吸收体150对进入匹配分支的太赫兹波进行有效吸收，从而进一步提高第一单元输出端122和第二单元
输出端132之间的隔离度，减小第一单元输出端122和第二单元输出端132之间信号干扰；故，在太赫兹辐射源中，就可以先直接利用一个信号倍频放大模块810将信号倍频放大至太赫兹频段，然后利用包含太赫兹功分器的太赫兹四路功分器860将太赫兹频段信号功分为四路信号，分别传递至四个辐射源链路中，相较于现有技术中采用一个信号倍频放大模块810对应一个辐射源链路，有效减少太赫兹辐射源中电路单元数量，而随着电路单元数量减少，相应地，需要的波导结构也就适应性减少，从而达到有效减小太赫兹辐射源的体积的技术效果。
27.在一些实施例中，如图5和图6所示，可以采用t型结构的太赫兹功分器作为第一功分器10，采用分支波导定向耦合器作为第二功分器20和第三功分器30。
28.在一些实施例中，可以采用传统t型结功分器作为第一功分器10，采用t型结构的太赫兹功分器作为第二功分器20和第三功分器30。
29.在一些实施例中，可以采用t型结构的太赫兹功分器作为第一功分器10，采用传统t型结功分器作为第二功分器20和第三功分器30。
30.在一些实施例中，可以采用分支波导定向耦合器作为第一功分器10，采用t型结构的太赫兹功分器作为第二功分器20和第三功分器30。
31.在一些实施例中，还可以采用分支波导定向耦合器作为第一功分器10，采用传统t型结功分器作为第二功分器20，采用t型结构的太赫兹功分器作为第三功分器30。
32.优选地，如图1和图2所示，采用t型结构的太赫兹功分器作为第一功分器10、第二功分器20和第三功分器30。
33.具体地，所述太赫兹功分器还包括第一信号输出端128和第二信号输出端138，所述第一单元输出端122通过第一转弯波导单元126与第一信号输出端128连接，第二单元输出端132通过第二转弯波导单元136与第二信号输出端138连接。在将太赫兹四路功分器860应用到太赫兹辐射源中时，为保证太赫兹功分器的两个信号输出端对应连接的电路有充足的安装空间，让第一单元输出端122通过第一转弯波导单元126与第一信号输出端128连接，第二单元输出端132通过第二转弯波导单元136与第二信号输出端138连接，使得第一信号输出端128和第二信号输出端138相互平行，从而让太赫兹功分器的两个信号输出端对应连接的电路也是相互平行进行安装，同时也为相邻的功分器对应的连接电路留出充足的安装空间，有效提高空间利用效率，缩减太赫兹辐射源的体积，保证太赫兹辐射源的波导电路结构稳定性。优选地，第一转弯波导单元126、第二转弯波导单元136分别为90
°
的转弯波导。
34.在一个实施例中，可以在耦合通道140中设置一个现有的太赫兹吸收器（如中国专利公开号cn108333803b公开的一种可调太赫兹超材料吸收器）对进入耦合通道140的太赫兹波进行吸收，从而提高第一单元输出端122和第二单元输出端132之间的隔离度。
35.在一些实施例中，可以采用现有的石墨烯与氮化硼复合材料（如中国专利公开号cn112095075b公开的一种吸收环境中太赫兹波的材料）作为太赫兹波吸收体150，对进入耦合通道140的太赫兹波进行吸收，提高第一单元输出端122和第二单元输出端132之间的隔离度。
36.在一些实施例中，可以采用负载有mxene材料的多孔载体作为太赫兹波吸收体150，mxene材料可以优选纳米片结构，多孔载体可以优选多孔聚合物，示例行的，可以采用聚氨酯海绵、聚酰亚胺、聚丙烯等多孔聚合物；优选多孔载体的孔径为≥300μm，更优选地，
多孔载体的孔径为≥500μm；优选多孔载体的孔隙率85%，优选多孔载体的密度为0.02~0.056g/cm3，优选负载的mxene材料质量小于多孔载体质量的50%；优选地，mxene材料以包覆、成膜和悬挂形态附着于多孔载体上。
37.mxene材料是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，mxene纳米片由其前驱物max相通过刻蚀剥离得到，mxene材料包括但不限于ti3c2t
x
、nb2ct
x
、mo2tic2t
x
、nb4c3t
x
、mo2ti2c3t
x
、v2ct
x
、ti2ct
x
、ti3cnt
x
等，其中t
x
代表表面官能团，如：-oh、-f、-o等；所述mxene材料可以采用纳米片单片横向长度为0.05～30μm，厚度为3～20nm，电导率≥5000s/cm的mxene材料；对于太赫兹波吸收材料，需要尽量降低表面反射和提高内部电磁波损耗，（1）当太赫兹波入射到太赫兹吸收泡沫的表面，由于泡沫本身的大孔结构（孔径大小为300μm～3mm，平均孔径≥500μm），其电磁参数近似等于空气的电磁参数，太赫兹波因而几乎无反射地直接进入泡沫内部；（2）在吸收泡沫的内部，由于存在大小不一的孔径，mxene纳米片在泡沫骨架网络上自发构成的三种不同形态（包覆形态、成膜形态和悬挂形态），这三种不同形态的mxene纳米片对入射的太赫兹波提供了大量的反射和散射，极大地增加了太赫兹波在吸收材料内部的传输路径；与此同时，成膜形态和悬挂形态的mxene纳米膜极大地提高了材料的吸收面积；更重要的是，由于mxene纳米片极高的电导率（电导率可达5000s/cm以上)，对太赫兹波的电损耗非常大，因此在泡沫内部对太赫兹波产生了很强的吸收，吸收率达到99.99％以上，反射率低至0.00003％，故，在太赫兹功分器中，当太赫兹波进入到耦合通道140中时，太赫兹波被mxene不断地反射和吸收，最终在耦合通道140中被完全吸收，有效阻断太赫兹波在第一单元输出端122和第二单元输出端132之间传递，提高太赫兹功分器的隔离度。
38.具体地，所述第一匹配分支124与第二匹配分支134对称设置在单元输入端110中轴线的两侧。通过将第一匹配分支124与第二匹配分支134对称设置在单元输入端110中轴线的两侧，使得第一匹配分支124对第一单元输出端122的阻抗匹配与第二匹配分支134对第二单元输出端132的阻抗匹配均衡，保证第一单元输出端122和第二单元输出端132输出信号的稳定性具体地，所述第一匹配分支124与第二匹配分支134相互平行，通过让第一匹配分支124与第二匹配分支134相互平行，同时基于t型结构的太赫兹功分器，第一单元输出端122和第二单元输出端132对称设置，进一步促使第一单元输出端122和第二单元输出端132的输出信号平衡稳定，同时保证太赫兹波吸收体150能够同时对第一匹配分支124、第二匹配分支134的太赫兹波进行完全地、有效地吸收，提高第一单元输出端122和第二单元输出端132之间的隔离度。
39.具体地，第一匹配分支124靠近设置单元输入端110和第一单元输出端122的连接端设置，第二匹配分支134靠近设置单元输入端110和第二单元输出端132的连接端设置，以此便于第一匹配分支124、第二匹配分支134对太赫兹功分器进行阻抗匹配，提高第一单元输出端122和第二单元输出端132的隔离度。
40.具体地，所述耦合通道140靠近单元输入端110设置，以第一匹配分支124与第一单元输出端122的连接端为起始，沿第一匹配分支124的中轴线方向，所述耦合通道140位于1/4λ处，所述λ为太赫兹波的波长。在耦合通道140设置于1/4λ处时，第一匹配分支124、第二匹配分支134中太赫兹波能够更易于进入到耦合通道140中，使得太赫兹波吸收体150能够完
全吸收更多的太赫兹波，进而有效提高第一单元输出端122和第二单元输出端132的隔离度；对本实施例中太赫兹功分器进行仿真，仿真结果如图4所示，图中，s11是回波信号，s21是第一单元输出端122的输出信号，s31是第二单元输出端132的输出信号，s23是第一单元输出端122和第二单元输出端132之间的隔离度，可以看出，太赫兹功分器在110ghz所需射频信号附近，回波损耗优于-25db，两个输出端口的幅度不平坦度低于0.2db，性能优良。
41.实施例2：本技术实施例提供了一种太赫兹超宽带辐射源，如图6和图7所示，包括倍频放大模块810、多条太赫兹辐射源链路、以及实施例1中的太赫兹四路功分器860，所述倍频放大模块810用于将信号倍频放大至太赫兹频段，倍频放大模块810的信号输出端与太赫兹四路功分器860的信号接入端口40连接，太赫兹四路功分器860的信号输出端分别与太赫兹辐射源链路连接。
42.由于太赫兹功分器中第一单元输出端122和第二单元输出端132之间的隔离度高，能够有效减小第一单元输出端122和第二单元输出端132之间信号干扰；故，在太赫兹超宽带辐射源中，就可以先直接利用一个信号倍频放大模块810将信号倍频放大至太赫兹频段，然后利用包含太赫兹功分器的太赫兹四路功分器860将太赫兹频段信号功分为四路信号，分别传递至四个辐射源链路中，相较于现有技术中采用一个信号倍频放大模块810对应一个辐射源链路，有效减少太赫兹辐射源中电路单元数量，而随着电路单元数量减少，相应地，需要的波导结构也就适应性减少，从而达到有效减小太赫兹超宽带辐射源的体积，实现太赫兹超宽带辐射源的u型折叠集成。
43.具体地，所述倍频放大模块810包括沿信号传输方向依次连接的ka频段倍频放大器811、v波段宽度倍频器812和v波段宽带放大器813。
44.具体地，所述太赫兹超宽带辐射源包括110~170ghz辐射源链路820、170~260ghz辐射源链路830、260~400ghz辐射源链路840和400~520ghz辐射源链路850。
45.具体地，所述110~170ghz辐射源链路820包括沿信号传输方向依次连接的110~170ghz阻性宽带倍频器821和110~170ghz宽带天线822。
46.具体地，所述170~260ghz辐射源链路830包括第一w波段倍频器831、170~260ghz阻性宽带倍频器832和170~260ghz宽带天线833。
47.具体地，所述260~400ghz辐射源链路840包括第二w波段倍频器841、第一太赫兹倍频器842、260~400ghz阻性宽带倍频器843和260~400ghz宽带天线844。
48.具体地，所述400~520ghz辐射源链路850包括第三w波段倍频器851、第二太赫兹倍频器852、400~520ghz阻性宽带倍频器853和400~520ghz宽带天线854。
49.在一些实施例中，所述太赫兹四路功分器860采用3d打印制得。
50.在一些实施例中，在太赫兹超宽带辐射源中包含3条太赫兹辐射源链路，可以将3条太赫兹辐射源链路分别与太赫兹四路功分器860中的三个信号输出端一一对应连接，实现太赫兹超宽带辐射源的集成；在太赫兹超宽带辐射源中包含5条太赫兹辐射源链路，可以将4条太赫兹辐射源链路分别与太赫兹四路功分器860中的四个信号输出端一一对应连接，第五条太赫兹辐射源链路单独匹配一个倍频放大模块810，就能实现太赫兹超宽带辐射源的集成。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。