CN101924264A - 一种宽频带超常媒质小型化矩形波导 - Google Patents

Abstract

一种宽频带超常媒质小型化矩形波导，它涉及小型化波导技术领域。它解决了现有的小型化矩形波导相对工作带宽窄的问题，本发明包括一个空心矩形波导、多个超常媒质结构单元和两个同轴波导连接器，各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导内部，且所述各个超常媒质结构单元沿所述空心矩形波导的z方向中心轴相接排成一列，同轴波导连接器与空心矩形波导内的始末两个超常媒质结构单元连接。本发明适用于宽频带波导的开发。

Description

一种宽频带超常媒质小型化矩形波导

技术领域

本发明涉及小型化波导技术领域，具体涉及一种宽频带超常媒质小型化矩形波导。

背景技术

矩形波导是一根空心金属管，其横截面为矩形，是微波、毫米波频段的一种常见的电磁波传输结构。矩形波导与微带线、同轴线等微波传输结构相比，具有损耗小、功率容量大以及结构坚固等优点。另外，还可以通过在矩形波导上面开缝形成一类独特的无线通信天线——缝隙天线。总而言之，矩形波导在微波、毫米波技术领域具有广泛的应用前景。但是矩形波导有一个很大的缺点：矩形波导横截面的宽度(假设宽度大于或等于高度，下同)必须要大于所传输电磁波波长的二分之一，否则电磁波就无法在矩形波导中传播。也可以理解为：在矩形波导中传播的电磁波，其工作波长一定要小于矩形波导横截面的宽度的二倍(该数值又被称为矩形波导的截止波长，其对应的频率则被称为截止频率)。因此，研制宽度小于传输工作波长且大于截止波长的电磁波的小型化矩形波导具有重要的应用价值。

超常媒质是一种兴起于20世纪末的新型人工复合电磁材料，它具有周期性的结构，通过超常媒质结构单元在空间中的周期性排列来形成，所述超常媒质单元包括基板和C型断口圆环，如图1所示。超常媒质具有很特殊的电磁特性，尤其是超常媒质的有效介电常数或者有效磁导率可以为负值。超常媒质由于具备特殊的电磁特性，超常媒质被广泛地应用于改善现有射频、微波、毫米波器件的性能，缩小它们的体积。2005年，Hrabar等人利用超常媒质实现了一种小型化的矩形波导，如图2所示，它包括一个空心矩形波导，以及在矩形波导的内部，沿着波导的中心轴线放置各向异性超常媒质结构单元，并且这种超常媒质单元在垂直于波导轴线方向上的有效磁导率分量为负，在其它方向上的有效磁导率分量以及在所有方向上的有效介电常数分量为正值。该小型化矩形波导可以传输工作波长大于截止波长(也就是工作波长大于矩形波导横截面宽度二倍)的电磁波。也就是说，该小型化波导，在横截面宽度小于电磁波工作波长的二分之一的情况下，仍然可以传输电磁波。由于普通波导的横截面宽度必须大于工作波长的二分之一，因此，该矩形波导是一种小型化的矩形波导，它与普通波导相比具有更小的横截面宽度，但却能传输同样波长的电磁波。

然而，上述的基于超常媒质的小型化矩形波导的相对工作带宽很窄，只有8％，无法投入实际应用，其原因在于超常媒质小型化波导内电磁场分布复杂，以及超常媒质单元间存在复杂电磁耦合，无法实现有效的馈电。

发明内容

为了解决现有的小型化矩形波导相对工作带宽窄的问题，本发明提供一种宽频带超常媒质小型化矩形波导。

本发明的一种宽频带超常媒质小型化矩形波导，所述小型化矩形波导包括一个空心矩形波导，所述小型化矩形波导还包括多个超常媒质结构单元和两个同轴波导连接器，

所述每个超常媒质结构单元包括一块介质基板和两个对称缝隙方形谐振环，所述介质基板为方形结构，所述两个对称缝隙方形谐振环的结构尺寸小于或等于所述介质基板的结构尺寸，所述介质基板的两面分别印制有一个对称缝隙方形谐振环，且满足介质基板一面上的对称缝隙谐振环在平面内旋转90度后，与所述介质基板另一面上的对称缝隙谐振环对称，对称面为介质基板，

所述同轴波导连接器包括同轴线和壳体，

各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导内部，且所述各个超常媒质结构单元沿所述空心矩形波导的z方向中心轴相接排成一列；壳体位于空心矩形波导外侧，且所述壳体包围同轴线，一个同轴线的一端与空心矩形波导内第一个对称缝隙方形谐振环的一个缝隙的一侧断面连接，另一个同轴线的一端与空心矩形波导内最后一个对称缝隙方形谐振环的一个缝隙的一侧断面连接。

本发明的有益效果：本发明提供了一种结构简单、易于加工的宽频带超常媒质小型化矩形波导；本发明的同轴波导连接器有效实现了波导内溃电，最终实现了该波导内传输频率通带范围为4.2GHz～7GHz，相对带宽达到50％；本发明的小型化矩形波导的横截面宽度为10mm，远小于普通波导的横截面宽度(15.8mm)。

附图说明

图1是现有的超常媒质单元的立体结构示意图，图2是现有的基于超常媒质的小型化矩形波导的立体结构示意图，图3是本发明的宽频带超常媒质小型化矩形波导的纵向剖面图，图4是本发明的超常媒质结构单元的立体结构示意图，图5是本发明具体实施方式三中仿真测得的同轴线插入损耗与回波损耗结果示意图，其中，曲线S11表示表示回波损耗，曲线S21表示插入损耗。

具体实施方式

具体实施方式一：根据说明书附图3和4具体说明本实施方式，本实施方式所述一种宽频带超常媒质小型化矩形波导，所述小型化矩形波导包括一个空心矩形波导1，所述小型化矩形波导还包括多个超常媒质结构单元和两个同轴波导连接器，

所述每个超常媒质结构单元包括一块介质基板2-1和两个对称缝隙方形谐振环2-2，所述介质基板2-1为方形结构，所述两个对称缝隙方形谐振环2-2的结构尺寸小于或等于所述介质基板2-1的结构尺寸，所述介质基板2-1的两面分别印制有一个对称缝隙方形谐振环2-2，且满足介质基板2-1一面上的对称缝隙谐振环2-2在平面内旋转90度后，与所述介质基板2-1另一面上的对称缝隙谐振环2-2对称，对称面为介质基板2-1，

所述同轴波导连接器包括同轴线3-1和壳体3-2，

各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导1内部，且所述各个超常媒质结构单元沿所述空心矩形波导1的z方向中心轴相接排成一列；壳体3-2位于空心矩形波导1外侧，且所述壳体3-2包围同轴线3-1，一个同轴线3-1的一端与空心矩形波导内第一个对称缝隙方形谐振环2-2的一个缝隙的一侧断面连接，另一个同轴线3-1的一端与空心矩形波导内最后一个对称缝隙方形谐振环2-2的一个缝隙的一侧断面连接。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中对称缝隙方形谐振环2-2的环宽度d1为1mm，其环边长度d2为9mm，其缝隙宽度d3为0.15mm，基板介质1-1的基板厚度d4为1mm，相邻两个超常媒质结构单元中位于同一平面内的两个对称缝隙谐振环2-2的间距为10mm，空心矩形波导1的横截面宽度为10mm。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中基板介质1-1为特氟龙材料的基板，该基板的介电常数为2.2。

本实施方式中使用同轴线3-1连接对称缝隙谐振环2-2的方法，同时使用一种具有宽频带负磁导率特性的超常媒质结构单元，最终实现了超常媒质小型化矩形波导的良好的阻抗匹配，减小了传输损耗，增加了传输带宽。

本实施方式工作时，工作频率范围为4.2GHz～7GHz，相对带宽为50％。目前工作在该频段上的标准矩形波导为WR-137，其内部尺寸为34.85×15.80mm²，其截止频率为4.3GHz，推荐频率范围为5.85GHz～8.20GHz，而本发明中小型化矩形波导横截面积为标准矩形波导的60％。

根据本实施方式进行仿真测试同轴线插入损耗和回波损耗，如图5所示。

Claims (3)

1.一种宽频带超常媒质小型化矩形波导，所述小型化矩形波导包括一个空心矩形波导(1)，其特征在于所述小型化矩形波导还包括多个超常媒质结构单元和两个同轴波导连接器，

所述每个超常媒质结构单元包括一块介质基板(2-1)和两个对称缝隙方形谐振环(2-2)，所述介质基板(2-1)为方形结构，所述两个对称缝隙方形谐振环(2-2)的结构尺寸小于或等于所述介质基板(2-1)的结构尺寸，所述介质基板(2-1)的两面分别印制有一个对称缝隙方形谐振环(2-2)，且满足介质基板(2-1)一面上的对称缝隙谐振环(2-2)在平面内旋转90度后，与所述介质基板(2-1)另一面上的对称缝隙谐振环(2-2)对称，对称面为介质基板(2-1)，

所述同轴波导连接器包括同轴线(3-1)和壳体(3-2)，

各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导(1)内部，且所述各个超常媒质结构单元沿所述空心矩形波导(1)的z方向中心轴相接排成一列；壳体(3-2)位于空心矩形波导(1)外侧，且所述壳体(3-2)包围同轴线(3-1)，一个同轴线(3-1)的一端与空心矩形波导内第一个对称缝隙方形谐振环(2-2)的一个缝隙的一侧断面连接，另一个同轴线(3-1)的一端与空心矩形波导内最后一个对称缝隙方形谐振环(2-2)的一个缝隙的一侧断面连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带超常媒质小型化矩形波导，其特征在于对称缝隙方形谐振环(2-2)的环宽度(d1)为1mm，其环边长度(d2)为9mm，其缝隙宽度(d3)为0.15mm，基板介质(1-1)的基板厚度(d4)为1mm，相邻两个超常媒质结构单元中位于同一平面内的两个对称缝隙谐振环(2-2)的间距为10mm，空心矩形波导(1)的横截面宽度为10mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽频带超常媒质小型化矩形波导，其特征在于基板介质(1-1)为特氟龙材料的基板，该基板的介电常数为2.2。

Images