介質鏡耦合器是一種工作於毫米波和亞毫米波範圍里，套用準光技術的一種定向耦合器。鏡面是採用一塊介電常數為εr，厚度為S的介質板；鏡面放置在內部塗復有吸收材料的“無回波”箱中，使得寄生反射最小；在腔壁上安裝四個輻射器(喇叭)，由它們構成器件的四個臂(連線埠)。鏡平面的法線與四臂喇叭軸線的夾角θ=45。
基本介紹
- 中文名：介質鏡耦合器
- 外文名：Dielectric mirror coupler
- 適用範圍：毫米波級亞毫米波
- 類別：定向耦合器
- 關鍵字：耦合
- 構成材料：介質板或者金屬線柵
定義,介質鏡耦合器工作原理,介質鏡耦合器的特點及優勢,介質鏡耦合器產生的背景,相似器件——雙稜鏡耦合器,
定義
在毫米波和亞毫米波範圍里，套用準光技術可以做出多種型式的定向耦合器。介質鏡耦合器(如下圖)就是其中一種。鏡面是採用一塊介電常數為εr，厚度為S的介質板；鏡面放置在內部塗復有吸收材料的“無回波”箱中，使得寄生反射最小；在腔壁上安裝四個輻射器(喇叭)，由它們構成器件的四個臂(連線埠)。鏡平面的法線與四臂喇叭軸線的夾角θ=45。
圖：介質鏡耦合器
介質鏡耦合器工作原理
假使R為鏡面的反射係數，當略去不大的寄生反射耗散功率，這樣，將使入射波的部分功率R被反射進入4連線埠。剩餘的(1一R)部分功率轉換進入3連線埠，在2連線埠上沒有功率傳輸。使反射與傳輸波的相對相移等於π/2。這樣工作的器件便是定向耦合器。耦合係數等於
C=20 log R （1）
鏡面的反射係數與它的介電常數εr，及厚度S有關，也是工作波長的函式。這種計算可直接利用光學中均勻介質膜的有關公式，來進行討論。如果要求做出弱耦合器，則應選擇小的厚度，這時：
（2）
由(2)式可以看出，R與頻牢成正比。
對強耦合器，選擇較厚的鏡面，建議採用厚度等於λ/4或它的奇數倍。這時對應的反射係數近似地可表示為
（3）
由(3)式可以看出，只要使用εr=3～4的介質材料，就可能實現C=一3dB的定向耦合器。在實際中，雖然受到寄生反射的限制，但在這種系統中方向性仍然可以做得很高。
除了用介質板作為鏡面之外，還可以採用金屬線柵或帶柵來構成鏡面，同樣可實現具有不同程度耦合，直至很強耦合的器件。
介質鏡耦合器的特點及優勢
工作於毫米波和亞毫米波範圍內，對比傳統波導元件更加經濟實用，同時製造所允許的公差也優於傳統波導元件，當頻率升高時，波導的損耗也沒有傳統波導元件大。
介質鏡耦合器產生的背景
在波長λ=8mm的波段，使用波導器件是沒有多大困難的；但對於更短的波長，雖然也可以在波導上設計出一些功能器件，不過經濟代價卻成了問題，對製造所允許的公差也引起了關注。
更為嚴重的是，隨著頻率升高波導的損耗增大得較快，近似理論計算指出是按λ的負指數倍規律增大的。基於上述原因，從λ=2mm～3mm開始轉向採用準光器件。介質鏡耦合器就是這樣一種滿足條件的器件。
相似器件——雙稜鏡耦合器
用兩個介電常數為ε的稜鏡來代替介質鏡耦合器中的介質平面鏡，便得到下圖的雙稜鏡定向耦合器。假定入射波是平面波。θ=45°射到第一個稜鏡斜邊A-B上,如果ε>2,則入射角大於臨界角，波從A一B面上全反射，全部能量被反射到第一個稜鏡的B—B邊。
圖：雙稜鏡耦合器
但是，在靠近第一個稜鏡處，放置第二個稜鏡，則能夠改變第一個稜鏡的狀態。實際上，在第一個稜鏡的斜邊A一B上，當入射波的入射角大於臨界角時，為了滿足界面上的邊界條件，在稜鏡斜邊的鄰域應存在有高次波型。這些波型類似於波導中的高次波型的特性，它隨傳播距離急劇衰減，但是，在波長量級的距離上還是存在的。當第二個稜鏡置於高次波區域時，部分入射波能量通過它而傳輸。
為了得到定向耦合的作用，必須使稜鏡的垂直邊是透明的，即使得它們是“匹配的"，於是在上圖的2連線埠沒有功率傳輸，即完全隔離。
這種方法可以建立具有很高方向性的定向耦合器，並籍助改變稜鏡間的間隙S來調整耦合。
最後指出，這種器件可作為可變衰減器來使用，此時，3連線埠作為輸出端，2、4連線埠接匹配負載。
