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亚毫米波/太赫兹无缝矩形金属波导的基准测试
录入时间:2024/1/18 9:02:48

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亚毫米波/太赫兹无缝矩形金属波导的基准测试

James Skinner and Nick Ridler, National Physical Laboratory;Nathan Miller, Sam Brokenshire, Nathan Bayley and Peter Young, Flann Microwave Ltd.

Flann Microwave公司最近开发了一系列用于亚毫米波/太赫兹(THz)频段的新型无缝波导管。这些1英寸和2英寸波导管均采用专有技术制造。这些产品的WM-380波段(500-750GHz)部分已在英国国家物理实验室(NPL)进行了测试,并使用矢量网络分析仪(VNA)进行了电气测量,该分析仪使用NPL的主要参考标准进行了校准。测量结果与代表行业标准的另一家制造商生产的这种波导尺寸的等效器件的测量结果进行了比较。这些结果还与使用波导导体电阻率参考值作为"理想"基准计算出的建模结果进行了比较。结果表明,这些亚毫米波/THz波导的制造是成功的,适用于在这些频率工作的应用。

随着太赫兹技术在许多应用中的日益普及,1,2需要在这些频率下工作的高质量、可靠的电气元件来支持这些应用,进而带来新的可能性。矩形金属波导通常被视为工作频率高于110GHz的系统的首选传输线。与其他传输介质相比,矩形金属波导具有损耗相对较低和坚固的优点。微波波导通常被认为带宽较窄,但亚毫米波/THz波导却不存在这一问题。仪器仪表3、3.3THz波导尺寸的标准化4、波导接口的标准化5,以及精密波导制造技术的改进,使得用于110GHz以上频率的波导设备、元件和系统不断涌现。

然而,工作频率的提高也带来了挑战。更小的波导孔径要求更严格的制造公差;更高频率信号的固有损耗提高了对高传导性材料和光滑波导壁以及匹配良好的连接接口的要求。特定应用的要求可能会带来更多挑战,如减轻重量或适应环境。

这一领域的制造技术仍在不断成熟,评估制造成功与否的测量技术也是如此。直到最近,精密亚毫米波/THz波导元件的制造还仅限于一小部分依靠传统分块构造技术的制造商。此外,在亚毫米波/THz波段工作的波导散射参数的首次实验室间测量比较也是最近才进行的。6,7

过去一年里,Flann开发出了亚毫米波/THz波段无缝波导。8这种结构的特点是采用铜制成的无缝电铸薄壁结构。制造工艺实现了平均粗糙度(Ra)小于0.2µm的内表面光滑度。为了保证强度,波导本身被包裹在不锈钢外管内。使用这种技术可以制造直线波导、弯曲波导和扭曲波导,预期性能可与精密加工的分块式波导媲美。质量和体积的减少有可能为许多应用带来优势。1显示了一组WM-380波段波导管。该波段的波导标称孔径为0.38x0.19毫米,制造成功的难度极大。

1 Flann 1英寸和2英寸无缝WM-380波导管。

在本文中,这些波导将利用在NPL进行的电气测量进行基准测试。通过这一基准测试,这些波导的电气性能与当前最先进的技术和建模的"理想"情况进行了比较。这样就可以评估这些新型波导的设计和制造是否成功,以及它们是否适合用于亚毫米波/THz技术领域。

电气测量

测量设置和校准

NPL的WM-380测量系统使用一对连接到Keysight PNA-X VNA的VDI扩展头。该测试装置如图2a所示。图2a中显示的是Flann的2英寸波导,其更多细节见图2b。系统热稳定后,使用3λ/4 TRL校准例程,使用WM-380波段9的主要参考标准校准VNA。10-12在基准测试中,校准在500-750GHz频率范围内以0.5GHz为单位进行。

2 (a)NPLWM-380测量装置。(b)测量过程中与VNA连接的Flann 2英寸波导管。

被测设备和测量过程

在校准系统上测量了WM-380波导。为了将这些波导与现有的最先进波导进行比较,还测量了由VDI生产的同等长度的波导(3)。

3 VDI1英寸和2英寸参考DUT

从图中可以明显看出,两家制造商的波导结构存在明显差异。与Flann波导不同,VDI波导的法兰是方形而不是圆形的,波导采用分块式结构而不是无缝结构。VDI采用了厚实的矩形壁结构,与Flann波导的薄圆柱形壁形成鲜明对比。两者都采用了IEEE 1785.2a型法兰。5在测量过程中,这些设备的处理方式相同。

与微波频率的测量相比,太赫兹频率的测量通常更容易出现误差。为此,我们采用了严格的测量程序,以获得可靠的测量结果。作为这些频率下良好测量实践的一部分,对测量设置和流程进行了优化。13这些步骤包括优化VNA扫描设置、限制电缆移动、适当处理设备、使用内对准螺栓实现良好的连接对准,以及使用校准扭矩驱动器确保在每个法兰连接期间对所有螺丝施加足够、均匀的扭矩。

电气测量结果的比较

S11反射系数

4显示了1英寸和2英寸波导的|S11|测量值。从图4中可以看出,所有四个波导都产生了非常低的反射结果,|S11|测量值小于-20dB。Flann和VDI波导的反射性能几乎没有什么区别。对|S22|结果的评估显示,所有波导的性能与|S11|相似。这些反射值非常小,对每个设备的传输损耗影响微乎其微。

4 FlannVDI波导的实测S11反射系数。

S21传输系数

传输系数是这些新开发波导的一个关键性能参数,因为它们表明了这些波导传输信号的成功程度。5显示了两个波导的|S21|测量结果。请注意,在750GHz附近和560GHz附近观察到的传输率下降是所有测量结果的共同特点。这些下降是由于这些频率的大气吸收峰造成的。14信号损失是由于波导内空气中的水蒸气吸收造成的。如果波导在太空等无大气条件下工作,就不会受到这些影响。5所示的曲线图表明,Flann和VDI的1英寸和2英寸波导的|S21|结果非常一致,通常在0.06dB或更小范围内。

5 FlannVDI波导的|S21|测量值。

Flann和VDI波导的性能非常接近,因此可以认为这两个器件是等效的。这使Flann波导成功达到了最先进水平。微小的差异可归因于不同的波导壁光滑度、与测试端口的不匹配程度、波导导体电阻率和连接的可重复性等因素。

进一步分析

耗散衰减

双端口器件的衰减响应可分为两个成分。一个与失配有关,另一个与器件中的能量耗散有关。15通过这种方式将两个成分分开,可以隔离由于导体效应(如表面粗糙度和有限电导率)造成的损耗,消除由于不完美法兰造成的失配效应。这样就能更有效地将结果与等长模型波导的衰减进行比较。

用于计算衰减的耗散成分的方程如下:

其中S11和S21以线性单位表示。

模型衰减基于衰减常数α的方程如下:

其中:

ρ=波导导体的电阻率

ρ0=退火纯铜的参考电阻率(17.241nΩ×m)

a和b=矩形波导孔径的尺寸(毫米)(a>b)

fc=截止频率(GHz)

f=计算α的频率。

利用该方程,可以计算出与被测设备等长、具有金的电阻率的"理想"波导的损耗,该波导具有完美的光滑内壁、完美的孔径尺寸和完美的匹配。4

计算了Flann波导的耗散衰减,结果如图6所示。图6还显示了"理想"的1英寸和2英寸模型波导的衰减。请注意,模型衰减不包括上述大气吸收的影响。

6 计算的耗散衰减结果。

对于这两个波导,图5中的|S21|测量值与图6中的耗散衰减计算结果之间的差异可以忽略不计。这证实了之前的结论,即反射对损耗的贡献微不足道。Flann波导的结果与模型结果趋势一致,但似乎存在0.2到0.3dB的系统偏移。这主要是由于波导壁上使用的金导体的电阻率比教科书上规定的块状材料样品的电阻率要高。4这些值通常会在材料加工和电镀后与实际材料值不同,这在高频传输线的制造过程中经常发生。波导的传输测量结果表明,其电阻率高于模型中使用的电阻率16,本分析也证实了这一点。

单位长度损耗

单位长度损耗通常用来概括波导的性能。这一指标很好地反映了设备实际使用中的预期损耗性能。它还可以与其他尺寸的波导或其他类型的传输线进行直接比较。它可以使用机械测量的长度和电气测量的传输系数进行计算。16

Flann波导的单位长度损耗结果与模型的单位长度损耗结果进行了比较,结果如图7所示。模型值的计算使用公式(2)。该模型中使用的电阻率为27nΩ×m,与测量结果十分吻合。该值与其他类似器件16使用的28nΩ×m值相比,具有很好的一致性。Flann波导最坏情况下的单位长度损耗约为0.75dB/cm,大大低于制造商数据手册中给出的1.1dB/cm等效值。8

7 Flann波导单位长度"理想"损耗的计算结果和模型结果。

确定宽壁尺寸

在很大程度上,波导的性能由其宽壁尺寸a决定。理想情况下,这个尺寸可以通过机械测量来确定,但对于亚THz波导,无法通过这种方法测量宽壁尺寸。由于内部尺寸非常小,机械测量方法无法测量波导长度。不过,可以通过其他方法确定有效值a的估计值。

2端口器件的电气长度le可通过其无包裹传输相位响应φ利用公式3得出:

其中λg是测量频率下的导波波长,计算公式为:

其中,λ是自由空间波长。波导的长度也是通过机械方法确定的,在此作为每个波导的已知长度。正如在类似调查中发现的9,电气长度计算结果对方程中使用的a假设值特别敏感。4使用a的标称值得出的电气长度结果与机械长度相差很大。因此,为了对电气长度进行有效计算,我们采用了最小化技术来估算每个波导的a值。使用公式(3)和(4)计算各波导的电气长度,使用的a值应使电气结果和机械结果之间的差异最小。

这一过程得出的结果是,1英寸和2英寸波导的a值均为378μm。对于WM-380波导,a的标称值为380μm。此a值完全在此尺寸的预期公差范围内,对于此波导尺寸,预期公差约为10μm。8中绘制了使用这一估计a值确定的各波导电气长度,以及两个波导的机械测量值。电气测量结果的平均值与机械测量结果的一致性在10μm以内。这些结果进一步表明这些太赫兹波导的制造是成功的。

8 Flann波导的机械长度和衍生电气长度。

结论

WM-380波导采用无缝结构,并通过在NPL进行的电气测量分析进行了基准测试。与目前的行业标准VDI制造的波导和模型结果相比,测量结果显示出非常好的性能。这些结果表明,将这种设计技术应用于直线、弯曲和扭曲波导,工作频率高达1.1THz是大有可为的。这些元件目前正在开发中。


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