CN104282975A - 波导耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导耦合器，包括：第一连接部，该第一连接部设置为与第一波导管连接；以及第二连接部，该第二连接部设置为与第二波导管连接，所述第一连接部和第二连接部用于将所述第一波导管和所述第二波导管连接到一起；其中，波调制部设置在所述第一连接部和第二连接部之间，所述波调制部设置为调制在所述第一波导管和所述第二波导管之间传递的波信号。

Description

波导耦合器
技术领域
本发明涉及一种波导耦合器，更具体地，但非排他地，涉及一种设置为连接金属波导管和介电波导管的宽带亚毫米级波介电波导耦合器。
背景技术
波导管被广泛地用于不同的技术领域，如无线通信和有线通信、计量、传感和保安以引导波从一个点到另一个点。一般地，波导管可以大体上分为金属波导管和介电波导管。这些不同的波导管具有迥然不同的基本特征和波导特性。
由于太赫兹(THz)级频率范围位于微波制(microwaves regime)和光学制(optics regime)之间，新兴的THz波导应用将自然地采用这两个制度(regime)的技术融合。虽然对于大多数应用中光学和微波之间的过渡只需要简单的缩放，但光学和微波之间的导波应用通常需要使用金属波导管和介电波导管，金属波导管和介电波导管具有显著不同的用于传递波信号或功率的波导特性。这些波导管之间的有效的波信号或功率的传递和连接对THz导波系统的操作和特性是十分重要的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种波导耦合器，包括：第一连接部，该第一连接部设置为与第一波导管连接；以及第二连接部，该第二连接部设置为与第二波导管连接，所述第一连接部和第二连接部用于将所述第一波导管和所述第二波导管连接到一起；其中，波调制部设置在所述第一连接部和第二连接部之间，所述波调制部设置为调制在所述第一波导管和所述第二波导管之间传递的波信号。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波调制部可操作以调制在所述第一波导管和所述第二波导管之间传递的波的功率。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述第一波导管为介电波导管或金属波导管中的一者；并且所述第二波导管为介电波导管或金属波导管中的另一者。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波导耦合器由介电材料制成。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波导耦合器由塑料或热塑性材料制成。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述塑料或热塑性材料包括聚丙烯。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波导耦合器通过注塑成型的方式通过以单模或多模制成。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述第一波导管包括第一形状或结构；并且所述第二波导管包括第二形状或结构。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述第一连接部包括锥形结构，该锥形结构设置为插入到具有所述第一形状的第一波导管内以在所述第一波导管和所述波导耦合器的所述波调制部之间传递波信号。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述第二连接部包括具有所述第二形状的结构以在所述波导耦合器的所述波调制部和所述第二波导管之间传递波信号。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波调制部包括弯曲的锥形结构，该锥形结构在所述第一连接部的所述锥形结构和具有所述第二连接部的具有所述第二形状的所述结构之间过渡。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波调制部包括模式整形器(mode shaper)，该模式整形器设置为将从所述第一波导管收到的第一模场调制为适应于所述第二波导管的第二模场；或者所述模式整形器设置为将从所述第二波导管收到的第二模场调制为适应于所述第一波导管的第一模场。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波导耦合器还包括波导管部，该波导管部设置在所述第一连接部和所述波调制部之间。
在所述第一方面的一种实施方式中，所述波导耦合器适于亚毫米级波和太赫兹级频率范围的应用。
根据本发明的第二方面，提供一种波导管，该波导管包括至少一个根据本发明第一方面的所述波导耦合器。
附图说明
现在将参考附图通过举例的形式描述本发明的具体实施方式，其中：
图1A是根据本发明的一种实施方式的用于亚毫米级波和太赫兹级频率范围应用的波导耦合器的不同视图；
图1B示出图1A中的波导耦合器；
图2示出根据本发明的一种实施方式的由介电(热塑性)材料制成的两个波导耦合器的结构；
图3是两个图2中的介电波导耦合器端对端过渡的模拟传递和回程损耗的曲线图，其中，两个图2中的介电波导耦合器背对背的设置在两个处于140GHz至220GHz频率带的WR-22金属波导管之间；
图4是金属模式转换器和具有两个根据本发明的一种实施方式的图2中的介电波导耦合器的测量装备，其中，两个介电波导耦合器背对背设置；以及
图5是通过图4中的测量设备测得的图2中背对背设置的两个介电波导耦合器的总传输功率损耗(S21)和反射功率损耗(S11)的曲线图。
具体实施方式
参考图1A至图2，示出一种波导耦合器，该波导耦合器包括：设置为连接于第一波导管的第一连接部和设置为连接第二波导管的第二连接部，第一连接部和第二连接部用于将第一波导管和第二波导管连接到一起；其中，波调制部设置在第一连接部和第二连接部之间，波调制部设置为调制在第一波导管和第二波导管之间传递的波信号。优选地，波调制部可操作以调制在第一波导管和第二波导管之间传递的波的功率。
图1A和图1B示出根据本发明的一种实施方式的用于亚毫米级波和太赫兹级频率应用的波导耦合器102。如图1A和图1B中所示的波导耦合器102设置为连接在金属波导管和介电波导管之间，并且因此将金属波导管和介电波导管连接到一起。在本实施方式的一种示例中，波导耦合器102设置为将来自矢量网络分析仪(PNA-X)的矩形金属I/O端的信号连接至介电棒形波导管(未示出)，或者波导耦合器102设置为将来自介电棒形波导管(未示出)的信号连接至矢量网络分析仪(PNA-X)的矩形金属I/O端。在一种实施方式中，通过商业上可用的金属锥形模式转换器(未示出)减缓介电耦合器102的制造误差，在140GHz至220GHz工作的PNA-X的矩形(金属)波导管I/O端由标准的WR-05(1.3mm X0.65mm)被扩大至增大的WR-22(5.6mm X2.8mm)。优选地，时域有限差分法FDTD求解器软件包用于设计和优化波导耦合器102。在其它的实施方式中，不论金属波导管和介电波导管是什么形式或形状，波导耦合器102都适应于连接不同的金属波导管和介电波导管。
优选地，如图1A和图1B所示的波导耦合器102由具有低介电常数的材料制成。这种材料可以为，例如，如塑料或热塑性塑料的介电材料。在本实施方式中，波导耦合器102由聚丙烯(PP)制成。通过THz-TDS的聚丙烯的折射率的测量显示，聚丙烯具有约为1.49的低折射率，在亚毫米/THz频率带中具有非常低的吸收损耗，因此聚丙烯非常适于亚毫米/THz频率应用。在其他的实施方式中，其它塑料、热塑性塑料或聚合物材料也能够用于制造波导耦合器102。优选地，波导耦合器102通过注塑成型的方式制成。波导耦合器102可以根据结构和设计的复杂性通过单模或多模制成。
在优选的实施方式中，如图1A和图1B所示的介电波导耦合器102包括三个部分。第一部分102a为逐渐变细的矩形结构，该逐渐变细的矩形结构用作探针以连接金属波导管(未示出)从而用于金属波形管和波导耦合器102之间的绝热(adiabatic)功率传递。在本实施方式的一种示例中，波导耦合器的第一部分102a将来自WR-22金属波导管的波信号和功率传递至波导耦合器的第二部分102b。优选地，第一部分102a包括锥形尖端和连续至第二部分102b的非锥形平端。可选择地，第一部分102a在非锥形平端的尺寸可以对应于连接至该非锥形平端的金属波导管的尺寸(例如在本示例中的WR-22)。
如图1A和图1B所示，波导耦合器的第一部分102a的尖端线性地逐渐变细至同时在x面和y面上的点。然而，在一些实施方式中，为探针形式的第一部分102a可以具有锥形形状的任意形式或者甚至根本不具有锥形形状。优选地，当插入金属波导管内时，第一部分102a在金属波导管和波导耦合器102的第二部分102b之间提供平稳的波信号或功率传递。
波导耦合器102的第二部分102b设置并连接在波导耦合器102的第一部分102a和第三部分102c之间。第二部分102b设置为调制在金属波导管和介电波导管之间传递的波信号或功率。在这本示例中，介电波导管102的第二部分102b包括增大的6mm的直径，然而在其他的实施方式中，它可以具有其它尺寸和形状。优选地，第二部分102b的锥形结构通过在宽度方向和高度方向的弯曲的锥形函数实现。在这本示例中，这通过矩形的第一部分102a的TE11模式实现，矩形的第一部分102a的TE11模式沿着两个横截面弯曲102b缓慢地转移至第三部分102c的HE11模式，如图1A和图1B所示。
波导耦合器102的第三部分102c设置在第二部分102b和介电波导管之间以在波导耦合器102的第二部分102b和介电波导管之间传递波信号或功率。在这种实施方式中，第三部分102c包括大致为棒形的结构，该大致为棒形的结构适于与具有相似形状和结构的介电波导管连接到一起以传递波信号或功率。
尽管在这种实施方式中波导耦合器102设置为将特定结构的金属波导管和介电波导管连接到一起，应当注意的是，本发明的波导耦合器102可以设置为连接不同形状、结构和形式的金属波导管和介电波导管。换言之，波导耦合器102可以具有用于不同的应用的其它优化的设计。
为了研究本发明的所提出的波导耦合器的波信号和功率调制/连接性能，两个波导耦合器由介电热塑性(PP)材料制成并且使用安捷伦PNA-X网络分析仪测试。图2示出两个根据本发明的一种实施方式制成的热塑性介电耦合器202和204的结构。
如图2所示，制成的波导耦合器204包括四个部分：线性锥形探针部204a，线性锥形探针部204a设置为插入金属波导管内以将来自金属波导管的波信号或功率平稳地传递至初始的介电波导管部，在这种情况下，初始的介电波导管部为矩形的介电波导耦合部；初始的介电波导管部204b；具有模式整形器的波调制部204c，具有模式整形器的波调制部设置为将初始的介电波导管部204b的模态/模场转换为用于圆形介电波导耦合部204d的模态/模场，即在这种情况，将矩形的介电波导耦合部的椭圆形模态转换为圆形介电波导耦合部的圆形模态；以及圆形介电波导耦合部204d，圆形介电波导耦合部204d设置为与介电波导管连接。在优选实施方式中，模式整形器段204c设置为将从连接在耦合器一端的金属波导管接收的任意模态转换为适于连接在耦合器另一端的介电波导管的另一种模态，或者将从连接在耦合器一端的介电波导管接收的任意模态转换为适于连接在耦合器另一端的金属波导管的另一种模态。在某些实施方式中，介电波导耦合器204可以包括额外的段或可以具有少于四段。优选地，介电耦合器204的不同段整体形成。
图2还示出具有两个彼此背对背连接的波导耦合器204的另一种波导耦合器202。优选地，这种结构连接在两个金属波导管之间以便于提供用于测量目的的金属波导管-介电波导耦合器-金属波导管布置。
图3示出两个图2中的介电波导耦合器204端对端过渡的模拟传递和回程损耗的曲线图，其中，两个图2中的介电波导耦合器背对背的设置在两个处于140GHz至220GHz频率带的WR-22金属波导管之间。如图3所示，在140GHz和190GHz之间获得每频率接近1dB的传递损耗，但损耗在高频段逐渐增大。在结果中，在高频率的高损耗可能是由于至包覆成型(over-moulded)的介电棒中的高阶模的不需要的连接。优选地，该损耗可以通过增大锥形长度来减小或通过减小棒形结构的尺寸来减小。
图4示出金属模式转换器400和具有两个根据本发明的一种实施方式的图2中的介电波导耦合器204的测量装备402，其中，两个介电波导耦合器204背对背设置。背对背设置的两个介电耦合器402的总传递功率(S21)和反射功率(S11)使用具有安捷伦PNA-X网络分析仪和金属模式转换器400的测量设备402测得。
图5是通过图4中的测量设备402测得的图2中背对背设置的两个介电波导耦合器204的总传输功率损耗(S21)和反射功率损耗(S11)的曲线图。如图5所示，总的端对端插入损耗对于整个频带保持在低于5dB。具体地，在低频率带(例如低于190GHz)，损耗可以保持在低于2.5dB。总损耗可以在少于190GHz的频率保持在低于3dB，在少于190GHz的频率，高阶模式连接的影响较不显著，如模拟所预测的一样。从在整个频带低于15dB的低返回(反射功率)损耗值，可以确定成功获得波导耦合器204的不同段之间的平稳地功率传递。这些结果显示，本发明的一种具体实施方式中的波导耦合器204可操作以有效地将来自网络分析仪的金属波导管(例如在这种实施方式中的矩形的)的功率传递至介电波导管(例如在这种实施方式中的棒形的)。通过消除两个波导耦合器204之间的接口可以实现更低的返回损耗水平。
上述的不同实施方式提供一种介电耦合器，该介电耦合器允许金属波导管和介电波导管之间的低损耗的波信号或功率的传递/调制。介电波导管(例如聚合纤维)为用于亚毫米级信号的理想传递媒介的一种。然而，多数亚毫米级/太赫兹级装置具有金属波导管前端。本发明提供一种介电耦合器，该介电耦合器可以容易地通过注塑成型的方式由热塑性材料制成。介电耦合器设置为将来自金属波导管的波信号或功率传递至及介电波导管，反之亦然。本发明中的介电波导耦合器包括三个主要部分：锥形探针，该锥形探针设置在一端以插入金属波导管从而有效地在金属波导管和波导耦合器之间转换功率；具有模式整形器的波调制部，该具有模式整形器的波调制部通过将金属波导管的模态/模场转换为介电波导管的模态/模场而调制在金属波导管和介电波导管之间传递的波信号或功率；以及连接部，该连接部设置为插入介电波导管或与介电波导管连接以在介电耦合器和介电波导管之间传递波信号或功率。
本发明特别有利的是，通过使用低介电常数材料作为耦合器材料，施加在基于金属波导管的部件的尺寸约束被减小。通过使用电介质(如热塑性塑料)，与金属波导管部件相比，波导管的尺寸可以大致数量级地减少。通过根据本发明的尺寸增大和材料选择，用于大量生产的制造工艺(如注塑成型)可以用于生产这些部件。此外，本发明使在金属波导管(亚毫米级波/太赫兹级设备的优选平台)和介电圆形波导管(光子学传播的优选传播平台)之间传递波信号或功率成为可能。上述实施方式中提出的结构可以用作用于其他亚毫米级/太赫兹级传感、成像和其它应用的多功能且低成本的平台。本发明的其他优点通过参考以上的描述将变得明显。
本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明广泛描述的精神和范围的情况下，可以对在本发明所示的具体实施方式进行多个变形和/或修改。因此，所述的实施方式从所有方面考虑应被认为是说明性的而不是限制性的。
除非特别说明，对于在此所包含的现有技术的任何参考不应该被认为是对该信息为公知常识的承认。

Claims (15)

1.一种波导耦合器，包括：
第一连接部，该第一连接部设置为与第一波导管连接；以及第二连接部，该第二连接部设置为与第二波导管连接，所述第一连接部和第二连接部用于将所述第一波导管和所述第二波导管连接到一起；其中，波调制部设置在所述第一连接部和第二连接部之间，所述波调制部设置为调制在所述第一波导管和所述第二波导管之间传递的波信号。
2.根据权利要求1所述的波导耦合器，其中，所述波调制部可操作以调制在所述第一波导管和所述第二波导管之间传递的波的功率。
3.根据权利要求2所述的波导耦合器，其中，所述第一波导管为介电波导管或金属波导管中的一者；并且所述第二波导管为介电波导管或金属波导管中的另一者。
4.根据权利要求3所述的波导耦合器，其中，所述波导耦合器由介电材料制成。
5.根据权利要求4所述的波导耦合器，其中，所述波导耦合器由塑料或热塑性材料制成。
6.根据权利要求5所述的波导耦合器，其中，所述塑料或热塑性材料包括聚丙烯。
7.根据权利要求5所述的波导耦合器，其中，所述波导耦合器通过注塑成型的方式以单模或多模制成。
8.根据权利要求4所述的波导耦合器，其中，所述第一波导管包括第一形状或结构；并且所述第二波导管包括第二形状或结构。
9.根据权利要求8所述的波导耦合器，其中，所述第一连接部包括锥形结构，该锥形结构设置为插入到具有所述第一形状的第一波导管内以在所述第一波导管和所述波导耦合器的所述波调制部之间传递波信号。
10.根据权利要求9所述的波导耦合器，其中，所述第二连接部包括具有所述第二形状的结构以在所述波导耦合器的所述波调制部和所述第二波导管之间传递波信号。
11.根据权利要求10所述的波导耦合器，其中，所述波调制部包括弯曲的锥形结构，该锥形结构在所述第一连接部的所述锥形结构和具有所述第二连接部的所述第二形状的所述结构之间过渡。
12.根据权利要求11所述的波导耦合器，其中，所述波调制部包括模式整形器，该模式整形器设置为将从所述第一波导管收到的第一模场调制为适应于所述第二波导管的第二模场；或者所述模式整形器设置为将从所述第二波导管收到的第二模场调制为适应于所述第一波导管的第一模场。
13.根据权利要求1所述的波导耦合器，所述波导耦合器还包括波导管部，该波导管部设置在所述第一连接部和所述波调制部之间。
14.根据权利要求1所述的波导耦合器，所述波导耦合器适于亚毫米级波和太赫兹级频率范围的应用。
15.一种波导管，该波导管包括至少一个根据权利要求1所述的波导耦合器。
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