本發(fā)明屬于但不限于電磁功能器件，尤其涉及一種基于矩形波導(dǎo)sspp模式切換的太赫茲移相器。

背景技術(shù)：

1、太赫茲波是頻率范圍處于0.1thz～10thz范圍內(nèi)的電磁波，其頻率處于微波毫米波與光波之間，各種類型的太赫茲器件仍未開發(fā)成熟。而太赫茲動(dòng)態(tài)可調(diào)的移相器件在太赫茲相移鍵控通信系統(tǒng)、太赫茲高分辨成像系統(tǒng)、太赫茲相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有巨大的潛在價(jià)值。

2、表面等離激元(surface?plasmon?polariton,spp)是電磁振蕩與材料中電子振蕩強(qiáng)烈耦合產(chǎn)生的、高度局域化在兩種介質(zhì)界面上的混合電磁模，自然材料一般在紅外/光頻段能夠高效激發(fā)表面等離激元模式，但是很難在微波、毫米波、太赫茲等更低頻段實(shí)現(xiàn)表面等離激元模式。而采用周期性結(jié)構(gòu)在毫米波、太赫茲等更低頻段可實(shí)現(xiàn)電磁特性類似于表面等離激元的模式，其被稱作人工表面等離激元(spoof?surface?plasmon?polariton,sspp)，或偽表面等離激元，其具有高頻漸近截止的特性。

3、在無線通信中，相移鍵控用于信息編碼，通過改變載波相位發(fā)送信息，并用相干解調(diào)接收。太赫茲無線通信采用此方法能有效提升傳輸速率，增加抗噪聲能力，其關(guān)鍵在于太赫茲移相器。機(jī)械傳統(tǒng)雷達(dá)旋轉(zhuǎn)天線以多方位掃描，限制了掃描速度且結(jié)構(gòu)笨重。相控陣?yán)走_(dá)無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)即可控制波束方向，適合高速目標(biāo)探測。太赫茲相控陣?yán)走_(dá)體積小、速度快、波束窄、集成度高，但其核心——太赫茲移相器仍待開發(fā)。

4、鑒于上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的急需解決的技術(shù)問題為：

5、(1)現(xiàn)有采用sspp的調(diào)控器件局限于微波、毫米波波段，且為片上器件。太赫茲波段通常采用矩形波導(dǎo)進(jìn)行模塊連接，片上器件需要額外設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)。

6、(2)現(xiàn)有太赫茲移相技術(shù)方案仍為傳統(tǒng)形式，可重構(gòu)的周期性太赫茲移相器尚待開發(fā)。

7、(3)現(xiàn)有太赫茲移相技術(shù)帶寬小，在大范圍移相時(shí)插入損耗大，線性度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于矩形波導(dǎo)sspp模式切換的太赫茲移相器，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)太赫茲相位移動(dòng)，同時(shí)可以調(diào)整波導(dǎo)sspp結(jié)構(gòu)的周期數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對相位移動(dòng)范圍的控制。該基于矩形波導(dǎo)sspp模式切換的太赫茲移相器具備可重構(gòu)周期特性，且插入損耗小，反射系數(shù)小，工作帶寬大，移相的線性度高。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于矩形波導(dǎo)sspp模式切換的太赫茲移相器，包括輸入矩形波導(dǎo)、周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片、非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片、輸出矩形波導(dǎo)。

3、輸入矩形波導(dǎo)起到輸入太赫茲波的作用，其與周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一端連接。周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一端與輸出矩形波導(dǎo)連接，以輸出相位移動(dòng)后的太赫茲波。二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片嵌入周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。

4、周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，一部分為直通矩形波導(dǎo)，長邊和短邊尺寸與輸入矩形波導(dǎo)及輸出矩形波導(dǎo)相同；另一部分為周期排列的微開口矩形腔，微開口矩形腔的一端與直通矩形波導(dǎo)的長邊相連，且在直通矩形波導(dǎo)的兩個(gè)長邊上呈現(xiàn)對稱分布；微開口矩形腔的另一端設(shè)置微小片狀開口，開口位于波導(dǎo)的長邊中間，便于饋入電控制信號。

5、二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片包括芯片基板、接地金屬塊、不接地金屬塊、高阻抗饋電線、低阻抗饋電金屬塊、二極管。其中芯片基板嵌入微開口矩形腔長邊中間的微小片狀開口中，且其邊緣與直通矩形波導(dǎo)的邊緣齊平。所有金屬結(jié)構(gòu)都置于芯片基板上。接地金屬塊與直通矩形波導(dǎo)的邊緣齊平，其中一端接觸波導(dǎo)壁進(jìn)行接地，另一端接觸二極管的陰極。不接地金屬塊與直通矩形波導(dǎo)的邊緣齊平，其中一端接觸二極管的陽極，另一端不接觸波導(dǎo)壁且與高阻饋電線連接。高阻抗饋電線與低阻抗饋電金屬塊連接，起到為二極管輸入電壓控制信號的作用。低阻抗饋電金屬塊靠近微小片狀開口邊緣，便于連接外部饋電電路。

6、非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片包括非調(diào)控芯片基板、非調(diào)控接地金屬塊、非調(diào)控不接地金屬塊。其中非調(diào)控芯片基板、非調(diào)控接地金屬塊、非調(diào)控不接地金屬塊的位置和尺寸與對應(yīng)二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片上的芯片基板、接地金屬塊、不接地金屬塊相同。

7、二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片分別嵌入在直通矩形波導(dǎo)兩個(gè)長邊上呈現(xiàn)對稱分布的兩個(gè)微開口矩形腔中。且二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片隨周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周期，進(jìn)行規(guī)律地中心對稱排布，形成了sspp電磁模式結(jié)構(gòu)。

8、進(jìn)一步，基于矩形波導(dǎo)sspp模式切換的太赫茲移相器工作原理為：

9、在周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片呈規(guī)律排列，通過饋電結(jié)構(gòu)輸入電壓二極管連通、斷開狀態(tài)，進(jìn)而決定太赫茲波在傳輸過程中是否可以進(jìn)入微開口矩形腔，從而重構(gòu)成不同的傳播結(jié)構(gòu)，其中包括sspp模傳播結(jié)構(gòu)、高通濾波結(jié)構(gòu)。由于sspp模傳播結(jié)構(gòu)為低通特性，其與高通濾波結(jié)構(gòu)在相位上有延遲效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波相位的移動(dòng)。

10、進(jìn)一步，周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的直通矩形波導(dǎo)可以延長，以容納更多的微開口矩形腔；微開口矩形腔的尺寸、周期間隔長度、周期數(shù)量可調(diào)，以調(diào)節(jié)工作頻率和傳播結(jié)構(gòu)形式切換產(chǎn)生的相位移動(dòng)量。

11、進(jìn)一步，二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片上的金屬結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)，以調(diào)節(jié)傳播結(jié)構(gòu)形式切換產(chǎn)生插入損耗和相位移動(dòng)量。

12、進(jìn)一步，芯片基板材料可以為商用pcb板、硅、石英、砷化鎵、碳化硅等半導(dǎo)體材料。

13、進(jìn)一步，二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片所使用金屬材料可以為鋁、銅、銀、金、鉑等高電導(dǎo)率金屬。

14、進(jìn)一步，二極管為肖特基二極管、太赫茲pin二極管、高遷移率平面二極管。

15、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

16、第一、本發(fā)明的有益效果在于：

17、(1)本發(fā)明針對sspp調(diào)控技術(shù)方案少，以及現(xiàn)有片上器件需要額外設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)的問題，提出了基于矩形波導(dǎo)sspp模式切換的太赫茲移相方法，為矩形波導(dǎo)sspp移相器件提供了基礎(chǔ)方案，最終實(shí)現(xiàn)低插損、高線性度的太赫茲移相器，且其便于與其他太赫茲模塊連接。

18、(2)本發(fā)明中周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的直通矩形波導(dǎo)可以延長，且微開口矩形腔的尺寸、周期間隔長度、周期數(shù)量可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的移相結(jié)構(gòu)，易于功能的拓展。

19、(3)本發(fā)明加工工藝成熟，針對矩形波導(dǎo)可用機(jī)床加工、激光刻蝕手段實(shí)現(xiàn)，針對二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片可使用氣相沉積法、電子束曝光、金屬蒸鍍法進(jìn)行加工，有很好的應(yīng)用潛力與前景。

20、第二，本發(fā)明的技術(shù)方案填補(bǔ)了國內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術(shù)空白：sspp波導(dǎo)相位調(diào)控方案為本發(fā)明第一次提出，解決了現(xiàn)有sspp調(diào)控技術(shù)方案較少及現(xiàn)有片上器件需額外設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)的問題，本發(fā)明提供的方法實(shí)現(xiàn)了低插損、高線性度的太赫茲移相器，為太赫茲雷達(dá)、波束控制系統(tǒng)提供了先進(jìn)方案。

21、第三，本發(fā)明基于矩形波導(dǎo)sspp(表面等離激元)模式切換的太赫茲移相器在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中提供了顯著的技術(shù)進(jìn)步。傳統(tǒng)太赫茲波移相器的結(jié)構(gòu)往往在尺寸控制、精確相移調(diào)節(jié)以及低損耗控制上存在局限，難以適應(yīng)高精度太赫茲應(yīng)用的需求。而本發(fā)明通過引入周期性矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并在其中嵌入調(diào)控與非調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片，實(shí)現(xiàn)了對太赫茲波相位的高精度、低損耗調(diào)節(jié)。以下是該技術(shù)方案在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及其顯著進(jìn)步：

22、1.精確調(diào)節(jié)相移性能：本發(fā)明通過采用二極管調(diào)控的微結(jié)構(gòu)芯片嵌入矩形波導(dǎo)，結(jié)合sspp模式實(shí)現(xiàn)太赫茲波的相移控制。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在相移調(diào)節(jié)的精確性上較為受限，而本發(fā)明能夠?qū)ΧO管的控制信號進(jìn)行細(xì)化調(diào)節(jié)，從而達(dá)到更高精度的相移調(diào)控效果，適合高精度應(yīng)用。

23、2.降低傳輸損耗：采用微開口矩形腔和周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有效減少太赫茲波在傳輸中的損耗。相較于傳統(tǒng)的太赫茲移相器，本發(fā)明能顯著降低傳輸損失，使得太赫茲波在長距離傳輸中保持更高的信號強(qiáng)度和完整性，優(yōu)化了傳輸效率。

24、3.增強(qiáng)系統(tǒng)集成度：通過在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中嵌入二極管調(diào)控芯片和非調(diào)控芯片，本發(fā)明設(shè)計(jì)緊湊、易于集成，便于與其他太赫茲器件組合，提升了系統(tǒng)的集成度。特別是針對微型化和模塊化的應(yīng)用需求，能夠減少外接控制電路的復(fù)雜性，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

25、4.提高抗干擾能力：通過二極管調(diào)控微結(jié)構(gòu)芯片和周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了sspp模式的電磁場控制，這種設(shè)計(jì)大大提高了抗干擾能力。此特性對復(fù)雜環(huán)境中的太赫茲通信和傳感應(yīng)用尤為重要，確保了信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

26、5.可擴(kuò)展性和靈活性：通過可調(diào)節(jié)的電控信號，本發(fā)明在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了靈活的頻率響應(yīng)，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求，包括太赫茲雷達(dá)、成像、通信和傳感領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的固定頻率移相器，本發(fā)明更適用于多功能太赫茲應(yīng)用場景。

27、6.推進(jìn)太赫茲產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用：本發(fā)明的高精度、低損耗移相器設(shè)計(jì)為太赫茲技術(shù)在工業(yè)檢測、非接觸測量和通信等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更優(yōu)的選擇。該方案在性能上的顯著提升，有助于推動(dòng)太赫茲技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的更廣泛應(yīng)用，填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足，為未來的太赫茲技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

28、通過以上技術(shù)進(jìn)步，本發(fā)明不僅在精度和性能上超越了現(xiàn)有技術(shù)，還顯著優(yōu)化了太赫茲移相器的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值，為太赫茲波在高精度通信、檢測、成像等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠解決方案。