本發(fā)明屬于但不限于電磁功能器件，尤其涉及一種基于波導(dǎo)定向耦合孔的太赫茲幅度調(diào)制器。

背景技術(shù)：

1、太赫茲技術(shù)經(jīng)歷了一定的發(fā)展，已經(jīng)在成像、光譜學(xué)、生物檢測及通信方面展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。尤其是太赫茲通信技術(shù)，它被視為下一代移動通信的重要組成部分之一，受到了科研人員的廣泛關(guān)注。然而，如何高效地實現(xiàn)太赫茲波的直接調(diào)制仍是一大挑戰(zhàn)。

2、目前，研究人員主要采用由人工微結(jié)構(gòu)陣列和半導(dǎo)體材料構(gòu)成太赫茲超表面準(zhǔn)光型幅度調(diào)制器。不過，這種類型的幅度調(diào)制器面臨兩大難題：一是由于調(diào)制器內(nèi)含有大量周期單元結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致額外的寄生影響顯著，加上難以與控制電路實現(xiàn)匹配阻抗，這使得對半導(dǎo)體材料的電磁特性調(diào)控變得十分困難，從而限制了調(diào)制速率的提升；二是準(zhǔn)光機制的調(diào)制器通常需要在復(fù)雜的光學(xué)平臺上裝配，其饋電系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的小型化。這些問題極大地制約了太赫茲超表面準(zhǔn)光型幅度調(diào)制器的應(yīng)用潛力。

3、為了克服這些障礙，一種有效的解決方案是利用微帶線、鰭線以及共面波導(dǎo)等傳輸線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)太赫茲幅度調(diào)制。通過這種方法，可以電壓精確操控高電子遷移率晶體管或二極管的電磁特性，調(diào)整人工電磁諧振單元內(nèi)的諧振模式，進而實現(xiàn)對太赫茲波的幅度進行調(diào)制。具體過程包括：首先將太赫茲波輸入矩形波導(dǎo)內(nèi)，然后經(jīng)由過渡結(jié)構(gòu)將其耦合至集成晶體管的特定微結(jié)構(gòu)調(diào)制單元中。通過外部電路施加電壓，能夠靈活切換調(diào)制單元的狀態(tài)(開/關(guān))，從而改變太赫茲波的傳播特性，實現(xiàn)快速高效的幅度調(diào)制。最后，再通過相應(yīng)的過渡結(jié)構(gòu)輸出調(diào)制后的太赫茲波。

4、波導(dǎo)定向耦合結(jié)構(gòu)共有四個端口，電磁波從輸入端口輸入后，會從直通端和耦合端口輸出，隔離端口無輸出。如果直通端口和耦合端口為短路反射面時，反射的波將從原隔離端口輸出。在太赫茲波段，通常采用波導(dǎo)定向耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)3db功分、正交信號產(chǎn)生、移相等功能。但是現(xiàn)有技術(shù)中，這些功能的實現(xiàn)極少與波導(dǎo)定向耦合結(jié)構(gòu)的耦合孔有關(guān)，波導(dǎo)定向耦合結(jié)構(gòu)的耦合孔作用固定，只起到將太赫茲波耦合到耦合端口的作用。

5、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：

6、1、片上電路實現(xiàn)太赫茲幅度調(diào)制的設(shè)計復(fù)雜，加工精度要求高，而且晶體管和人工微結(jié)構(gòu)引入的寄生參數(shù)多，難以保證高速調(diào)制的設(shè)計要求。

7、2、現(xiàn)有技術(shù)方案中波導(dǎo)定向耦合結(jié)構(gòu)的耦合孔功能固定，只起到將太赫茲波耦合到耦合端口的作用，缺失對定向耦合孔的功能開發(fā)。

8、3、太赫茲幅度調(diào)制關(guān)注插入損耗，現(xiàn)有技術(shù)采用過渡結(jié)構(gòu)增加插入損耗，降低了調(diào)制性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于波導(dǎo)定向耦合孔的太赫茲幅度調(diào)制器。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于波導(dǎo)定向耦合孔的太赫茲幅度調(diào)制器，包括輸入矩形波導(dǎo)、輸出矩形波導(dǎo)、第一波導(dǎo)定向耦合孔、第二波導(dǎo)定向耦合孔、第一反射短路面、第二反射短路面、幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)。其中輸入矩形波導(dǎo)與第一反射短路面直接連接；輸出矩形波導(dǎo)與第二反射短路面直接連接；輸入矩形波導(dǎo)與輸出矩形波導(dǎo)之間通過第一波導(dǎo)定向耦合孔、第二波導(dǎo)定向耦合孔這兩個定向耦合孔連接；幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)的一端插入第二波導(dǎo)定向耦合孔中，另一端有對外的饋電開口以進行外部電壓調(diào)控。

3、第一波導(dǎo)定向耦合孔和第二波導(dǎo)定向耦合孔同時連接輸入矩形波導(dǎo)與輸出矩形波導(dǎo)，其連接的長度經(jīng)過加長設(shè)計以滿足調(diào)制電路結(jié)構(gòu)的插入；第一波導(dǎo)定向耦合孔和第二波導(dǎo)定向耦合孔的尺寸一致；第一波導(dǎo)定向耦合孔和第二波導(dǎo)定向耦合孔之間存在一定距離，以實現(xiàn)雙孔耦合效果。

4、幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)包括基底、探針結(jié)構(gòu)、接地結(jié)構(gòu)、第一匹配金屬條、二級管、第二匹配金屬條、饋電結(jié)構(gòu)、饋電開口?；子糜诔休d所有的金屬結(jié)構(gòu)以及二極管。探針結(jié)構(gòu)由第二波導(dǎo)定向耦合孔連接長度的一半處插入至第二波導(dǎo)定向耦合孔中；探針結(jié)構(gòu)與第一匹配金屬條的一端直接連接，第一匹配金屬條的另一端與二極管的陰極連接；接地結(jié)構(gòu)的細金屬線一端連接第一匹配金屬條的側(cè)邊，細金屬線另一端連接小金屬塊，小金屬接觸金屬腔體壁，起到提供接地零電位的作用；二極管的陽極連接第二匹配金屬條的一端，第二匹配金屬條的另一端與饋電結(jié)構(gòu)的細饋電線相連；饋電結(jié)構(gòu)中細饋電線首先連接至扇形濾波金屬塊，然后繼續(xù)延長連接至饋電金屬塊；饋電金屬塊靠近饋電開口，以實現(xiàn)與外部饋電電路的金絲跳線連接，達到饋入調(diào)制信號的作用；調(diào)制信號饋入后，可以控制二極管通斷狀態(tài)，進而改變幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)的阻抗，實現(xiàn)對第二波導(dǎo)定向耦合孔耦合太赫茲功能的控制。

5、進一步，基于波導(dǎo)定向耦合孔的太赫茲幅度調(diào)制器具體工作原理為：

6、太赫茲波通過輸入矩形波導(dǎo)輸入后，在雙耦合孔共同工作時，其一半的功率到達第一反射短路面，另一半的功率到達第二反射短路面；針對太赫茲波的波長設(shè)計兩個反射短路面與雙耦合孔的距離，反射的太赫茲波將全部到達輸出矩形波導(dǎo)，而不會返回至輸入矩形波導(dǎo)。由于幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)插入第二波導(dǎo)定向耦合孔中，當(dāng)調(diào)制信號控制二極管通斷切換時，可以破壞第二波導(dǎo)定向耦合孔的耦合功能，使得雙耦合孔共同工作狀態(tài)變成第一耦合孔獨立工作狀態(tài)，導(dǎo)致太赫茲波經(jīng)過反射返回至輸入矩形波導(dǎo)，不會到達輸出矩形波導(dǎo)，從而實現(xiàn)對輸出太赫茲波的幅度調(diào)控。

7、進一步，第一反射短路面與第二反射短路面的尺寸相同，鏡像對稱。

8、進一步，第一波導(dǎo)定向耦合孔、第二波導(dǎo)定向耦合孔與第一反射短路面、第二反射短路面的距離可調(diào)，第一波導(dǎo)定向耦合孔、第二波導(dǎo)定向耦合孔的尺寸、連接長度可調(diào)，以實現(xiàn)工作頻率、工作帶寬的調(diào)整。

9、進一步，幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)的基底材料可以為硅、高阻硅、石英、砷化鎵、碳化硅、氮化鋁、金剛石。

10、進一步，幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)所使用金屬材料可以為鋁、銅、銀、金、鉑、鎳合金。

11、進一步，幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)中的探針結(jié)構(gòu)、第一匹配金屬條、第二匹配金屬條的長、寬、所處位置可調(diào)，以得到不同的幅度調(diào)制頻率和深度。

12、進一步，二極管可以為高電子遷移率平面二極管、肖特基二極管、太赫茲pin二極管，其形狀尺寸可以隨第一匹配金屬條及第二匹配金屬條尺寸和位置變化，以實現(xiàn)最佳調(diào)效果。

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

14、第一、本發(fā)明的有益效果包括：

15、1、本發(fā)明創(chuàng)造性地結(jié)合波導(dǎo)定向耦合孔與幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了簡易方便的太赫茲幅度調(diào)制，提供了新的太赫茲調(diào)控方案。

16、2、針對波導(dǎo)定向耦合孔進行調(diào)控，所采用的幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)只需要單個二極管，減少了電路復(fù)雜度。

17、3、本發(fā)明無需波導(dǎo)到片上的過渡結(jié)構(gòu)，有效減少傳輸?shù)膿p耗，易于與其他太赫茲功能模塊集成。

18、4、本發(fā)明涉及的矩形波導(dǎo)、定向耦合孔及幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)的加工工藝成熟，成本可控，具備大規(guī)模應(yīng)用潛力。

19、第二，本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價值為：本發(fā)明是太赫茲幅度調(diào)制通信系統(tǒng)的核心組件，通過將其與340ghz太赫茲源、光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)天線以及太赫茲檢波器相結(jié)合，可以實現(xiàn)光纖-無線通信的無損轉(zhuǎn)換。同時其可構(gòu)成便捷可移動的高速太赫茲數(shù)字調(diào)制通信平臺，適用于無線應(yīng)急通信。

20、本發(fā)明的技術(shù)方案填補了國內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術(shù)空白：本發(fā)明獨創(chuàng)性地結(jié)合了波導(dǎo)定向耦合孔與幅度調(diào)制電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了便捷的太赫茲幅度調(diào)制，提供了一種全新的太赫茲調(diào)控方案。

21、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案主要解決了現(xiàn)有太赫茲幅度調(diào)制器在精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和成本方面的諸多技術(shù)問題。在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，本發(fā)明展示了顯著的技術(shù)進步，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

22、1.提升太赫茲調(diào)制精度與靈敏度：本發(fā)明通過基于波導(dǎo)定向耦合孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精確的調(diào)制電路耦合，顯著提高了太赫茲波的調(diào)制精度。利用定向耦合孔及與二極管調(diào)控的微結(jié)構(gòu)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)細微的信號幅度控制，滿足產(chǎn)業(yè)中對高精度、低誤差的太赫茲信號調(diào)制需求，應(yīng)用場景從精密醫(yī)療成像到高分辨率通信均能覆蓋。

23、2.快速響應(yīng)和動態(tài)調(diào)控能力：相比于傳統(tǒng)調(diào)制器，本發(fā)明通過利用二極管肖特基特性，使得調(diào)制響應(yīng)速度顯著提升。該快速響應(yīng)特性尤其適合動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，如高速無線通信和實時監(jiān)控等場景。同時，通過饋電電路的調(diào)控實現(xiàn)了太赫茲波幅度的動態(tài)實時調(diào)節(jié)，滿足工業(yè)設(shè)備的即時控制需求。

24、3.增強信號傳輸穩(wěn)定性：本發(fā)明中采用的微結(jié)構(gòu)及匹配設(shè)計有效減少了信號傳輸中的反射損耗和噪聲干擾，保持了信號的穩(wěn)定傳輸。此特點在精密工業(yè)檢測、非接觸式檢測以及復(fù)雜環(huán)境下的通信領(lǐng)域尤為重要，為關(guān)鍵設(shè)備提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

25、4.節(jié)約產(chǎn)業(yè)成本，提升裝置集成度：通過創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本發(fā)明在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)基礎(chǔ)上實現(xiàn)太赫茲波調(diào)制器的高效集成。得益于合理的二極管微結(jié)構(gòu)布局和高效的信號控制電路，裝置成本顯著降低，并可兼容現(xiàn)有設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，大幅降低了產(chǎn)業(yè)推廣和應(yīng)用的成本。

26、5.拓展太赫茲技術(shù)的應(yīng)用范圍：基于本發(fā)明的創(chuàng)新技術(shù)，太赫茲幅度調(diào)制器的應(yīng)用從傳統(tǒng)的科研領(lǐng)域拓展至廣泛的工業(yè)場景，如高精度醫(yī)療成像、安防掃描、自動化工廠的智能感知等。其良好的信號控制和調(diào)制特性，為太赫茲技術(shù)在新興應(yīng)用場景中的廣泛推廣奠定了基礎(chǔ)。

27、6.適應(yīng)不同產(chǎn)業(yè)環(huán)境的可靠性：通過采用穩(wěn)定的材料和結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的調(diào)制器在溫度變化、機械振動等復(fù)雜環(huán)境中仍保持較高的性能穩(wěn)定性，適合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。這在提高產(chǎn)業(yè)設(shè)備的使用壽命、降低維護成本方面，表現(xiàn)出顯著的技術(shù)進步。