一种功分器、发射前端、接收前端及通信系统的制作方法

1.本发明涉及太赫兹通信技术领域，尤其是涉及一种功分器、发射前端、接收前端及通信系统。


背景技术：

2.太赫兹波（terahertz wave，thz）亦被称为太赫兹射线，该频带包含了频率从0.1thz到10thz的电磁波，其对应的波长范围为0.03mm到3mm，适用于电磁辐射的毫米波波段的高频边缘和低频率的远红外光谱带边缘之间的频率。
3.使用太赫兹频率进行无线通信，最为显著的优势就是太赫兹频段大量存在的绝对带宽资源，其次，太赫兹波比毫米波波长更短，衍射更小，因而方向性更强，同时太赫兹频段容易实现超高带宽扩频通信，这对保密通信具有重要意义；此外，在雨雾、雾霾、战场等恶劣环境条件下，相比光波，太赫兹波的衰减更小，因而在特定的通信距离、自然条件要求下，太赫兹波相较光波更易实现可靠的通信传输。
4.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通信系统中，为充分发挥太赫兹频带大带宽的优势，一般采用多载波方案，而现有的多载波方案，如中国专利公开号cn209488560u公开的一种太赫兹多载波通信系统，为避免不同载波之间信号干扰，采用一个载波对应设置一个中频电路，多个中频电路分别对不同频段信号进行搬移，而每个中频电路均需对应设置至少一个波导结构，这就使得太赫兹通信系统前端中包含大量波导结构，导致太赫兹通信系统体积庞大。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种功分器、发射前端、接收前端及通信系统，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下四个方面：本技术第一方面提供了一种太赫兹功分器，所述太赫兹功分器为t型结构，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输出端上设置有第一匹配分支，第一匹配分支用于对第一输出端进行阻抗匹配，第二输出端上设置有第二匹配分支，第二匹配分支用于对第二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。
6.进一步地，所述耦合通道靠近输入端设置。
7.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。
8.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。
9.进一步地，所述第一匹配分支与第二匹配分支对称设置在输入端中轴线的两侧。
10.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输入端和第一输出端的连接端设置，第二匹配分支靠近设置输入端和第二输出端的连接端设置。
11.进一步地，以第一匹配分支与第一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。
12.本技术第二方面提供了一种太赫兹多载波通信系统的发射前端，包括发射信号倍频放大模块、发射多路功分器、发射太赫兹n路多工器、发射太赫兹宽带天线、第一中频信号、以及n个发射载波，所述发射信号倍频放大模块用于将信号倍频放大至太赫兹频段，发射信号倍频放大模块的信号输出端与发射多路功分器的信号输入端连接，所述发射多路功分器通过多个功分器单元级联构成，多个功分器单元中至少一个是上述的太赫兹功分器，所述发射载波包括太赫兹功率放大器和发射太赫兹分谐波变频器，发射太赫兹分谐波变频器的第一信号输入端分别与发射多路功分器的信号输出端连接，发射太赫兹分谐波变频器的第二信号输入端与第一中频信号连接，发射太赫兹分谐波变频器的信号输出端与太赫兹功率放大器的信号输入端连接，太赫兹功率放大器的信号输出端分别与发射太赫兹n路多工器的信号输入端连接，发射太赫兹n路多工器的信号输出端与发射太赫兹宽带天线连接，所述n为不小于2的正整数。
13.本技术第三方面提供了一种太赫兹多载波通信系统的接收前端，包括接收信号倍频放大模块、接收多路功分器、接收太赫兹m路多工器、接收太赫兹宽带天线、第二中频信号、以及m个接收载波，所述接收信号倍频放大模块用于将信号倍频放大至太赫兹频段，接收信号倍频放大模块的信号输出端与接收多路功分器的信号输入端连接，所述接收多路功分器通过多个功分器单元级联构成，多个功分器单元中至少一个是上述的太赫兹功分器，所述接收载波包括太赫兹低噪声放大器和接收太赫兹分谐波变频器，接收太赫兹分谐波变频器的第一信号输入端分别与接收多路功分器的信号输出端连接，接收太赫兹分谐波变频器的第二信号输入端与太赫兹低噪声放大器的信号输出端连接，接收太赫兹分谐波变频器的信号输出端与第二中频信号连接，太赫兹低噪声放大器的信号输入端分别与接收太赫兹m路多工器的信号输出端连接，接收太赫兹m路多工器的信号输入端与接收太赫兹宽带天线连接，所述m为不小于2的正整数。
14.本技术第四方面提供了一种太赫兹多载波通信系统，包括上述的发射前端，和/或上述的接收前端。
15.本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：本发明高隔离度的太赫兹功分器，能够有效解决不同载波之间信号干扰问题，基于此，对太赫兹通信系统前端电路进行改进，由一个信号倍频放大模块将信号倍频放大至太赫兹频段，再通过多路功分器将信号功率等分为多路信号，并分别传输至对应发射载波，进而有效缩减收发前端中的中频电路数量，减少太赫兹多载波通信系统中波导数量，实现太赫兹多载波通信系统收发前端的小型化和集成设置，有利于太赫兹多载波通信系统收发前端进行更广泛的应用、研究。
附图说明
16.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。
17.图1是本发明太赫兹功分器的结构示意图；图2是本发明太赫兹功分器的主视图；图3是四路功分器的结构示意图；图4是八路功分器的结构示意图；图5是太赫兹多载波通信系统发射前端的电路连接示意图；图6是太赫兹多载波通信系统接收前端的电路连接示意图；图7是实施例1中太赫兹功分器的仿真结果图；图中，10、太赫兹功分器；110、输入端；120、第一输出端；121、第一匹配分支；130、第二输出端；131、第二匹配分支；140、耦合通道；150、太赫兹波吸收体；210、发射信号倍频放大模块；211、发射ka频段倍频放大器；212、发射v波段倍频放大器；213、w波段倍频放大器；220、发射多路功分器；230、发射载波；231、太赫兹功率放大器；232、发射太赫兹分谐波变频器；240、发射太赫兹n路多工器；250、发射太赫兹宽带天线；260、第一中频信号；310、接收信号倍频放大模块；311、接收ka频段倍频放大器；312、接收v波段倍频放大器；313、接收w波段倍频放大器；320、接收多路功分器；330、接收载波；331、太赫兹低噪声放大器；332、接收太赫兹分谐波变频器；340、接收太赫兹m路多工器；350、接收太赫兹宽带天线；360、第二中频信号。
具体实施方式
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.实施例1：本技术实施例提供了一种太赫兹功分器10，如图1和图2所示，所述太赫兹功分器10为t型结构，包括输入端110、第一输出端120和第二输出端130，所述第一输出端120上设置有第一匹配分支121，第一匹配分支121用于对第一输出端120进行阻抗匹配，第二输出端130上设置有第二匹配分支131，第二匹配分支131用于对第二输出端130进行阻抗匹配，所述第一匹配分支121和第二匹配分支131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。
23.目前基于半导体技术的固态太赫兹通信系统中，为充分发挥太赫兹频带大带宽的优势，一般采用多载波方案，而现有的多载波方案，为避免不同载波之间信号干扰，采用一个载波对应设置一个中频电路，多个中频电路分别对不同频段信号进行搬移，而每个中频电路均需对应设置至少一个波导结构，这就使得太赫兹通信系统前端中包含大量波导结构，导致太赫兹通信系统体积庞大；而在本实施例中，通过对太赫兹功分器10进行改进，在第一输出端120上设置第一匹配分支121，第二输出端130上设置第二匹配分支131，先利用第一匹配分支121、第二匹配分支131进行阻抗匹配，然后在第一匹配分支121和第二匹配分支131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输出端120和第二输出端130之间的隔离度，减小第一输出端120和第二输出端130之间信号干扰；故，在太赫兹多载波通信系统的收发前端中，就可以先直接利用一个信号倍频放大模块将信号倍频放大至太赫兹频段，然后利用一个或多个太赫兹功分器10的级联将太赫兹频段信号功分为多路信号，分别传递至不同载波中，相较于现有技术中采用先利用功分器将信号多路功分，然后再利用多个中频电路分别对不同频段信号进行搬移方案，实现了将功分器和多个中频电路组合的方案替换为一个信号倍频放大模块和太赫兹功分器10组合方案，有效减少太赫兹多载波通信系统的收发前端中电路单元数量，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多载波通信系统体积的技术效果。
24.具体地，所述耦合通道140靠近输入端110设置。通过将耦合通道140靠近输入端110设置，让太赫兹波吸收体150位于第一匹配分支121、第二匹配分支131的中线靠近输入端110的一侧，使得进入第一匹配分支121、第二匹配分支131的太赫兹波更易于进入耦合通道140中，并被太赫兹波吸收体150吸收，进而有效提高太赫兹功分器10两个输出端之间的隔离度。
25.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，从而提高第一输出端120和第二输出端130之间的隔离度。
26.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，提高第一输出端120和第二输出端130之间的隔离度。
27.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，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。
28.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10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输出端120和第二输出端130之间传递，提高太赫兹功分器10的隔离度。
29.具体地，所述第一匹配分支121与第二匹配分支131对称设置在输入端110中轴线的两侧。通过将第一匹配分支121与第二匹配分支131对称设置在输入端110中轴线的两侧，使得第一匹配分支121对第一输出端120的阻抗匹配与第二匹配分支131对第二输出端130的阻抗匹配均衡，保证第一输出端120和第二输出端130输出信号的稳定性。
30.具体地，所述第一匹配分支121与第二匹配分支131相互平行。通过让第一匹配分支121与第二匹配分支131相互平行，同时基于t型结构的太赫兹功分器10，第一输出端120和第二输出端130对称设置，进一步促使第一输出端120和第二输出端130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121、第二匹配分支131的太赫兹波进行完全地、有效地吸收，提高第一输出端120和第二输出端130之间的隔离度。
31.具体地，第一匹配分支121靠近设置输入端110和第一输出端120的连接端设置，第二匹配分支131靠近设置输入端110和第二输出端130的连接端设置，以此便于第一匹配分支121、第二匹配分支131对太赫兹功分器10进行阻抗匹配，提高第一输出端120和第二输出端130的隔离度。
32.具体地，以第一匹配分支121与第一输出端120的连接端为起始，沿第一匹配分支121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121、第二匹配分支131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，进而有效提高第一输出端120和第二输出端130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7所示，图中，s11是回波信号，s21是第一输出端120的输出信号，s31是第二输出端130的输出信号，s23是第一输出端120和第二输出端130之间的隔离度，可以看出，太赫兹功分器10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。
33.实施例2本技术实施例提供了一种太赫兹多载波通信系统的发射前端，如图5所示，包括发射信号倍频放大模块210、发射多路功分器220、发射太赫兹n路多工器240、发射太赫兹宽带天线250、第一中频信号260、以及n个发射载波230，所述发射信号倍频放大模块210用于将信号倍频放大至太赫兹频段，发射信号倍频放大模块210的信号输出端与发射多路功分器220的信号输入端连接，所述发射多路功分器220通过多个功分器单元级联构成，多个功分器单元中至少一个是实施例1中的太赫兹功分器10，所述发射载波230包括太赫兹功率放大器231和发射太赫兹分谐波变频器232，发射太赫兹分谐波变频器232的第一信号输入端分别与发射多路功分器220的信号输出端连接，发射太赫兹分谐波变频器232的第二信号输入端与第一中频信号260连接，发射太赫兹分谐波变频器232的信号输出端与太赫兹功率放大器231的信号输入端连接，太赫兹功率放大器231的信号输出端分别与发射太赫兹n路多工器240的信号输入端连接，发射太赫兹n路多工器240的信号输出端与发射太赫兹宽带天线250连接，所述n为不小于2的正整数。
34.由于传统的，e面t型结虽然具有简单的电路结构，可实现功率等分，但其端口隔离度通常在6~7db，在实际应用中，两个端口的信号互扰严重，会引起电路谐振甚至自激，故，现有的太赫兹通信系统前端，为避免不同载波之间信号干扰，采用中一个载波信号对应一个中频电路，而一个中频电路一般包含多个太赫兹电路单元，故需要多个波导结构级联才能构成一个中频电路，造成太赫兹通信系统前端包含大量波导结构，使得太赫兹通信系统体积庞大；而本实施例中采用实施例1中高隔离度的太赫兹功分器10，能够有效解决不同载波之间信号干扰问题，基于此，进一步对太赫兹通信系统前端电路进行改进，由一个发射信号倍频放大模块210将信号倍频放大至太赫兹频段，再通过发射多路功分器220将信号功率等分为多路信号，并分别传输至对应发射载波230，进而有效缩减发射前端中的中频电路数量，减少太赫兹多载波通信系统中波导数量，实现太赫兹多载波通信系统发射前端的小型化和集成设置，有利于太赫兹多载波通信系统发射前端进行更广泛的应用、研究。
35.具体地，所述发射信号倍频放大模块210包括沿信号传输方向依次连接的发射ka频段倍频放大器211、发射v波段倍频放大器212和发射w波段倍频放大器213。
36.具体地，不同的发射载波230之间工作频率不同，优选地，发射载波230的工作频率逐级增大，以200ghz~210ghz的工作频率为起始，每一级的差值为10ghz。
37.具体地，所述发射多路功分器220通过3d打印制得。
38.在一些实施例中，所述发射多路功分器220由多个实施例1中高隔离度的太赫兹功分器10级联构成，示例性的，对于一个四路功分器，如图3所示，可以由三个实施例1中高隔离度的太赫兹功分器10级联构成，其中，第一号太赫兹功分器10的两个信号输出端作为第
二号、第三号太赫兹功分器10的信号输入端；又一示例行的，对于一个八路功分器，如图4所示，可以由七个实施例1中高隔离度的太赫兹功分器10级联构成，具体地，基于上述示例，第二号、第三号太赫兹功分器10的信号输出端作为第4~7号太赫兹功分器10的信号输入端，同理，16路功分器、32路功分器等以此类推。
39.实施例3本技术实施例提供了一种太赫兹多载波通信系统的接收前端，如图6所示，包括接收信号倍频放大模块310、接收多路功分器320、接收太赫兹m路多工器340、接收太赫兹宽带天线350、第二中频信号360、以及m个接收载波330，所述接收信号倍频放大模块310用于将信号倍频放大至太赫兹频段，接收信号倍频放大模块310的信号输出端与接收多路功分器320的信号输入端连接，所述接收多路功分器320通过多个功分器单元级联构成，多个功分器单元中至少一个是实施例1中的太赫兹功分器10，所述接收载波330包括太赫兹低噪声放大器331和接收太赫兹分谐波变频器332，接收太赫兹分谐波变频器332的第一信号输入端分别与接收多路功分器320的信号输出端连接，接收太赫兹分谐波变频器332的第二信号输入端与太赫兹低噪声放大器331的信号输出端连接，接收太赫兹分谐波变频器332的信号输出端与第二中频信号360连接，太赫兹低噪声放大器331的信号输入端分别与接收太赫兹m路多工器340的信号输出端连接，接收太赫兹m路多工器340的信号输入端与接收太赫兹宽带天线350连接，所述m为不小于2的正整数。
40.与实施例2中发射前端的发明构思相同，本实施例对太赫兹通信系统前端电路进行改进，由一个接收信号倍频放大模块310将信号倍频放大至太赫兹频段，再通过接收多路功分器320将信号功率等分为多路信号，并分别传输至对应接收载波330，进而有效缩减接收前端中的中频电路数量，减少太赫兹多载波通信系统中波导数量，实现太赫兹多载波通信系统接收前端的小型化和集成设置，有利于太赫兹多载波通信系统接收前端进行更广泛的应用、研究。
41.具体地，所述接收信号倍频放大模块310包括沿信号传输方向依次连接的接收ka频段倍频放大器311、接收v波段倍频放大器312和接收w波段倍频放大器313。
42.具体地，不同的接收载波330之间工作频率不同，优选地，接收载波330的工作频率逐级增大，以200ghz~210ghz的工作频率为起始，每一级的差值为10ghz。
43.具体地，所述接收多路功分器320通过3d打印制得。与发射多路功分器220的发明构思相同，接收多路功分器320可以由多个实施例1中高隔离度的太赫兹功分器10级联构成。
44.实施例4本技术实施例提供了一种太赫兹多载波通信系统，包括实施例2中的发射前端，和/或实施例3中的接收前端。
45.需要说明的是，在太赫兹多载波通信系统中，发生前端和接收前端可以采用同一中频信号。
46.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。