[科普中国]-介质镜耦合器

定义

在毫米波和亚毫米波范围里，应用准光技术可以做出多种型式的定向耦合器。介质镜耦合器(如下图)就是其中一种。镜面是采用一块介电常数为εr，厚度为S的介质板；镜面放置在内部涂复有吸收材料的“无回波”箱中，使得寄生反射最小；在腔壁上安装四个辐射器(喇叭)，由它们构成器件的四个臂(端口)。镜平面的法线与四臂喇叭轴线的夹角θ=45。

图：介质镜耦合器1

介质镜耦合器工作原理假使R为镜面的反射系数，当略去不大的寄生反射耗散功率，这样，将使入射波的部分功率R被反射进入4端口。剩余的(1一R)部分功率转换进入3端口，在2端口上没有功率传输。使反射与传输波的相对相移等于π/2。这样工作的器件便是定向耦合器。耦合系数等于

C=20 log R （1）

镜面的反射系数与它的介电常数εr，及厚度S有关，也是工作波长的函数。这种计算可直接利用光学中均匀介质膜的有关公式，来进行讨论。如果要求做出弱耦合器，则应选择小的厚度，这时：

（2）

由(2)式可以看出，R与频牢成正比。

对强耦合器，选择较厚的镜面，建议采用厚度等于λ/4或它的奇数倍。这时对应的反射系数近似地可表示为

（3）

由(3)式可以看出，只要使用εr=3～4的介质材料，就可能实现C=一3dB的定向耦合器。在实际中，虽然受到寄生反射的限制，但在这种系统中方向性仍然可以做得很高。

除了用介质板作为镜面之外，还可以采用金属线栅或带栅来构成镜面，同样可实现具有不同程度耦合，直至很强耦合的器件。

介质镜耦合器的特点及优势工作于毫米波和亚毫米波范围内，对比传统波导元件更加经济实用，同时制造所允许的公差也优于传统波导元件，当频率升高时，波导的损耗也没有传统波导元件大。

介质镜耦合器产生的背景在波长λ=8mm的波段，使用波导器件是没有多大困难的；但对于更短的波长，虽然也可以在波导上设计出一些功能器件，不过经济代价却成了问题，对制造所允许的公差也引起了关注。

更为严重的是，随着频率升高波导的损耗增大得较快，近似理论计算指出是按λ的负指数倍规律增大的。基于上述原因，从λ=2mm～3mm开始转向采用准光器件。介质镜耦合器就是这样一种满足条件的器件。

相似器件——双棱镜耦合器用两个介电常数为ε的棱镜来代替介质镜耦合器中的介质平面镜，便得到下图的双棱镜定向耦合器。假定入射波是平面波。θ=45°射到第一个棱镜斜边A-B上,如果ε>2,则入射角大于临界角，波从A一B面上全反射，全部能量被反射到第一个棱镜的B—B边。

图：双棱镜耦合器

但是，在靠近第一个棱镜处，放置第二个棱镜，则能够改变第一个棱镜的状态。实际上，在第一个棱镜的斜边A一B上，当入射波的入射角大于临界角时，为了满足界面上的边界条件，在棱镜斜边的邻域应存在有高次波型。这些波型类似于波导中的高次波型的特性，它随传播距离急剧衰减，但是，在波长量级的距离上还是存在的。当第二个棱镜置于高次波区域时，部分入射波能量通过它而传输。

为了得到定向耦合的作用，必须使棱镜的垂直边是透明的，即使得它们是“匹配的"，于是在上图的2端口没有功率传输，即完全隔离。

这种方法可以建立具有很高方向性的定向耦合器，并籍助改变棱镜间的间隙S来调整耦合。

最后指出，这种器件可作为可变衰减器来使用，此时，3端口作为输出端，2、4端口接匹配负载。