CN103270648A - 由叠加环制成的用于毫米波、亚毫米波和太赫兹电磁波的波纹元件 - Google Patents

由叠加环制成的用于毫米波、亚毫米波和太赫兹电磁波的波纹元件 Download PDF

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CN103270648A CN2011800591608A CN201180059160A CN103270648A CN 103270648 A CN103270648 A CN 103270648A CN 2011800591608 A CN2011800591608 A CN 2011800591608A CN 201180059160 A CN201180059160 A CN 201180059160A CN 103270648 A CN103270648 A CN 103270648A
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Abstract

本发明涉及一种用于传输和处理频率高达几太赫兹的电磁信号的波纹元件，其包含在空心导杆中叠加在一起的多个板的组件，其中，所述板具有至少一个孔径形状，该孔径以交替方式利用交替直径形成槽或脊，其中，所述板的外部形状对应于空心导杆的内部形状。本发明还涉及一种用于安装这种波纹元件的方法。

Description

由叠加环制成的用于毫米波、亚毫米波和太赫兹电磁波的波纹元件
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年12月7日提交的申请号为61/420,386的美国临时专利申请的权益，在此通过引用将全部公开内容引入该申请。
技术领域
本发明涉及一种新的制造用于传输频率高达100太赫兹(THz)的电磁波的波纹元件的方法。
更具体地说，本发明涉及制造圆形、矩形或任何适合的形状的波纹波导、带波纹的开口向上或向下的圆锥、波纹喇叭天线、波纹空腔以及通常来说需要内部波纹的元件。
在本发明中，可以为适合于传输路径而单独改变波纹半径、波纹宽度、波纹形状、波纹深度和/或波纹周期。
另外，对于大容量传输线路来说，可以容易地在接近波纹表面的位置实施主动冷却，而且，使用本发明的原理还可以实现多通道波导。
当传统机器使用有困难或不可能使用时，还可以为了实现任何适合的无波纹的空腔形状而将该提出的方法扩展。
背景技术
由于低吸收、低分散、高效耦合以及波约束的原因，适合毫米波、亚毫米波和太赫兹(MMW-THz)波的波纹元件在信号传输的实验装置中极为重要：
-物理应用，例如纳米结构和量子谐振的基础研究以及对照试验，如用于基于磁约束的等离子反应堆中的等离子补偿加热技术(例如托卡马克(Tokamak)、仿星器(Stellarator))的传输线路。
-气相谱和动力学、过滤膜、朗缪尔-布罗杰特膜(LB膜)、自组装单层膜(SAMs)、无机和有机晶体的声子模式、电子自旋共振(ESR)、动态核极化增强核磁共振(DNP-NMR)、动态核极化增强核磁共振分解技术、高分辨率电子顺磁共振(EPR)、高分辨率铁磁共振(FMR)方面的化学研究。
-对于其他难以进入的环境，需要内镜技术的医学太赫兹成像或光谱学。
-用于安全应用(例如炸药探测)的太赫兹感应与成像。
此外，波纹波导可以是用于钻探和压裂地下地层的新方法的关键元件，更具体地，是用于使用毫米波辐射能的方法和系统的关键元件。事实上，使用现有的旋转钻探方法在超过7000米的深度钻探越来越困难和昂贵。
对于物理、化学、生物学、材料科学和医学领域的研究来说，电磁波谱中高达100THz的毫米波、亚毫米波和太赫兹(MMW-THz)波是前沿领域。
在这个领域中高质量辐射资源已为稀有资源，但是最近这个缺口已经开始被广泛的新技术填补。现在，连续波(CW)和脉冲波都可以使用太赫兹辐射。新资源已经在许多领域引导新的科学应用，因为科学家们正逐渐意识到使用MMW-THz波对于研究进展的机会。
MMW-THz波在传统的电子学的频率范围之上，但在光学范围之下。太赫兹频率范围在光电学和电子学之间的过渡区的事实已经在资源和传输元件发展方面引发了前所未有的创造力。
由于不仅需要太赫兹资源，而且还需要用于信号传输、处理和接收的一连串元件，所以使用MMW-THz辐射进行实验的阻碍是相当大的。
在千兆赫(GHz)范围内成功使用了波纹波导、带波纹的开口向上或向下的圆锥、波纹高通和低通滤波器、波纹喇叭天线、波纹空腔，但是当向太赫兹(THz)范围增加时，很难或不可能制造。事实上，波纹周期、宽度和深度(图1)与波长λ有关。在波纹波导中，例如，周期不得不小于最低适合频率的λ/2(p＜λ/2)(例如，传输大于1THz，周期不得不小于λ/2＝0.15mm)，但是可以使用宽度(w，尽可能宽)以及深度(d≈λ/4)调整带宽。最后，在圆柱形元件的情况下，直径应当大于波长(D＞＞λ)。
使用波纹意味着非常低的传输损失。已设计出的波纹的频率的能量损失大约为每100米0.05dB(大约为每米0.01％)，总之，对于10倍的标称频率，能量损失远低于每100米0.5dB(大约为每米0.12％)。
现有技术公开物包括以下文件：US4,408,208、WO2004/032278、WO03/096379、US4,492,020、GB1586585、JP52044140、US3,914,861、US3,845,422、WO99/59222、JP2004282294、US3,011,085、WO2008/073605。
例如，US4,408,208涉及用于圆形极化天线的波纹馈源喇叭，该圆形极化天线包括在12至100GHz范围内操作的超高频抛物面天线和极高频抛物面天线。在这个现有技术中，馈源喇叭通过热浸钎焊在内锥体结构中提供交替的翅片和沟槽的多个叠片制成。用销构建叠片的组件，这些销与叠加的叠片对齐。将钎焊金属丝加入在该组件上提供的一组孔径。然后将该组件浸泡在被加热到钎焊金属丝的熔点以上但是低于叠片熔点的熔盐溶液中。每根钎焊金属丝在溶液中融化并且沿叠片之间的界面在毛细作用下蔓延或通过毛细作用带走。这些金属丝足够细，以致没有足够的材料蔓延到沿喇叭的内圆锥表面的翅片之间的沟槽中。因此，从外向内的通过毛细作用的带走有助于防止钎焊材料在凹槽中堆积。最后，将该组件的外表面向下到基部加工成锥体外围以提供喇叭。
GB1586585公开了广播喇叭，具体地，这些喇叭的内部形状使得通过从固体加工制造它们变得困难，其中，该喇叭是波纹椭圆形喇叭天线。根据GB1586585，一种椭圆形广播喇叭由一叠板形成，其中每个板各自具有椭圆孔径，该椭圆孔径基于由所述各板的厚度形成的长度定义喇叭内部形状，通常用螺母和螺栓或双头螺柱穿过所述板使它们连接起来。
发明内容
本发明的一个目的是改进已知的装置和方法。
更具体地，本发明的一个目的是提供用于具有高达几太赫兹(THz)频率的电磁波的波纹元件。
根据一个方面，本发明的核心思想是从在空心导杆中叠加在一起的多个环或板中产生波纹(图1)。在下面的说明中，将中立地使用环或板的概念，对该元件的外部形状(圆形、方形、三角形等)没有限制。
外环或板的形状与空心导杆的内部形状相对应。外环的形状随结构保持不变，而环的内部空心形状可以呈现每个适合的外观(图2)。
环的厚度交替变化以产生具有适合的槽和脊的波纹(图1)。内环的形状交替变化以产生适合的深度。为了减少与空心导杆内壁的摩擦，环的外边缘(图1中为圆形)可以成形为锯齿状。
根据所提出的发明，还可以通过将空腔形状转换为离散序列的细环而组装空腔。
即使对于低频率来说，当可以采用传统的加工技术时，该提出的方法具有多个优点：第一，可以产生更长的波导节，这些波导节连接在一起并且对齐，避免了在接合点信号劣化的问题(图3)。第二，在不影响对齐的情况下，可以采用特殊法兰断开传输线路的节。可以垂直于波导主轴移走元件(图4)。
通过在两个金属壳体之间叠加用一系列螺丝均匀压紧的几百个校准金属板，优选地，可以采用电火花加工(EDM)同时切割几百个环或板，这些将用于形成本发明的装置(图5)。
具体实施方式
通过对一些实施例详细说明以及附图更好地理解本发明，其中：
图1(a)至图1(c)表示本发明的原理；
图2(a)至图2(d)表示通过叠加特别(ad hoc)切口环得到的不同可能性的波导构造的示例；
图3(a)至图3(c)表示为了保持两个模块之间波纹的连续性、根据本发明的组成两节圆形波纹波导需要的所有元件的分解图；
图4(a)至图4(b)表示基于图3(a)至图3(c)中的保持两个模块之间波纹连续性的法兰设计的用于垂直断开的特殊法兰；
图5表示通过电火花加工(EDM)同时切割大量的环的装置的一个示例。
因此，本发明的目的在于提供波纹装置，例如圆形、矩形或任何适合的形状的波纹波导、带波纹的开口向上或向下的圆锥、波纹喇叭天线、波纹空腔以及通常来说需要内部波纹的元件，以在MMW-THz频率范围内传输信号。
为了实现上述发明目的，本发明提出一种制造工艺方面的新方法，该方法基于在空心导杆内叠加多个板或环。
该新方法允许构建波导节，该波导节的长度仅由在制造空心导杆的过程中的精度限定。这意味着对于大约几厘米到几毫米的导杆的内径来说，这些节长达至少一米。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于传输和处理频率为30GHz至100THz的电磁信号的波纹元件，其中，所述元件包含在空心导杆中叠加在一起的多个板的组件，其中，所述板具有至少一个孔径形状，该孔径形状以交替方式利用交替尺寸形成槽或脊，其中，所述板的外部形状对应于空心导杆的内部形状。
在一个实施例中，所述至少一个孔径具有圆形形状。
在一个实施例中，所述至少一个孔径具有与圆形不同的形状。
在一个实施例中，所述孔径形状随元件固定或可变。
在一个实施例中，该板包含至少两个孔径，一个孔径用于冷却该元件。
在一个实施例中，该波纹元件包含与第一杆连接的第一法兰和与第二杆连接的第二法兰，所述法兰共同配合以容许所述杆在接合处不间断的情况下连接在一起。
在一个实施例中，该法兰自动对齐。
在一个实施例中，凭借用一系列螺丝固定的法兰压紧这些板。
在一个实施例中，该波纹元件包含带波纹的开口向下或向上的锥体。
在一个实施例中，该波纹元件形成波纹喇叭天线。
在一个实施例中，本发明涉及包含多个如前面所定义的波纹元件的组件。
在一个实施例中，本发明涉及一种形成用于传输频率高达几太赫兹(THz)的电磁信号的波纹元件的方法，其中，该方法包含叠加多个板以形成板的组件，其中，每个板具有至少一个至少用于传输信号的孔径，将所述板的组件引入空心导杆中，该空心导杆的内部形状对应于所述板的外部形状。
在一个实施例中，凭借至少一组螺丝和一个法兰将这些板压入空心杆中。
在一个实施例中，法兰用于将一个杆与另一个杆连接起来，由此在它们的接合处不间断的情况下形成波纹元件的组件。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于制造将要叠加入空心导杆中的板的方法，所述制造方法使用两个壳体压紧叠加的校准板以用EDM技术同时切割它们。
图1(a)至图1(c)表示本发明的原理的一个示例，下面更详细地描述该示例。
图1(a)表示具有直径D、周期p、宽度w以及深度d的圆形波纹波导的几何图形。
图1(b)表示本发明的原理的一个示例：一个圆形波纹波导，其具有通过在空心导杆6中交替叠加的两系列圆环3、4获得的波纹，参考标识5标出所获得的波纹。
图1(c)表示需要生成波纹(即：槽1和脊2)的两系列环3、4的几何图形，环4具有小于环3的宽度。
需要时，如图2(a)至图2(d)所示，可以实现多通道波导，并且可以在接近波纹表面的位置容易地实施主动冷却(图2)。
图2(a)表示多通道圆形波纹波导的第一构造。一个板的组件(其具有带有孔径的环形形状以产生槽10和带有孔径的环形形状以产生脊11)被引入空心圆形杆13，该空心圆形杆13提供用于叠加这些环(参考标识为12)的壳体。这些元件包含彼此对齐的装置以容许插入环的适当对齐。在这个构造中，波导包含四个通道和一个凹槽14，该凹槽14与杆中相对应的凸起部共同配合用于对齐环1和环2。
图2(b)表示主动冷却的波导的一个示例：中央孔径决定波纹，同时四个外孔径可用于主持冷却管道。环10、11包含中央孔径和四个旁侧孔径15，当在杆13中叠加这些环时，四个旁侧孔径15可用于构建冷却通道。
图2(c)表示矩形波纹波导的一个示例：每个环10、11包含方形孔径16，图2(d)示出了另一种构造，板17具有方形的外部形状并且将它们放入方形杆18中，这显示出杆本身也可以具有任何想要的形状。
通常，当使用本发明的特征和原理时，可以产生任何固定或可变的波纹形状或孔径形状。
已经设计出连接传输线路不同部分的自动对齐的特殊法兰。这些特殊法兰允许采用本发明提出的方法，而且在两个波导节之间的接合处不间断，避免由于波纹周期的缺陷而产生的信号劣化(图3)。因为用一系列螺丝将法兰固定在空心导杆中，所以它们还作为止动环(ring-stopper)并且用于机械地压紧叠加环。典型地，法兰可以由合成材料制成，然后金属化，例如通过2011年9月1日以与本申请相同的申请人的名义提交的PCT申请号为PCT/IB2011/053831的申请中公开的方法制成，在本申请中通过引用的方式引入该申请。
图3(a)至图3(c)表示用于组成两节圆形波纹波导的所有元件和在接合处叠加环的两个特殊法兰的分解图。
更具体地，图3(a)至图3(c)表示两个节20(空心导杆20)的第一透视图和剖面图，例如，如之前在图1(b)或图2(a)至图2(d)中所表示的，将它们连接在一起。
参考标识21和22标出了产生槽的环和产生脊的环，即：如前所述的波纹结构。两个法兰26、27紧挨着所述环，每个法兰分别与杆20连接，例如凭借由它们的轴线25所表示的螺丝连接。该系统还包含适合产生槽23的环和适合产生脊24的环，见图3(c)，将这些环放入位于两个杆20的接合处的法兰中，这样可以在接合处没有间断的情况下保持由叠加环制成的波纹。
优选地，如图3(c)所示，法兰26、27彼此套叠以在杆20之间提供紧密配合和适当对齐。
优选地，法兰26、27设计用于连接两个波导节和叠加环并且作为止动环。因此，用螺丝25将它们与空心导杆固定，螺丝25可以决定在叠加环上的适合的强度。
作为一个示例，例如可以采用具有螺纹接头的O形环28紧固波导元件，所述环28与杆的外表面连接。因此它们容许两个杆彼此连接(即：联接)。
可选择地，如图4(a)和图4(b)所示，建议法兰在不影响剩余波导元件对齐的情况下容许断开波导中间元件。
根据图4(a)和图4(b)的实施例，基于图3的法兰设计，所述法兰容许垂直于杆的波导轴线断开。
这些法兰可以在不影响剩余波导元件对齐的情况下用于断开波导中间元件。
如图4(a)至图4(b)所示，根据本发明的原理，该实施例的波导包含两个杆32、34，这两个杆容纳构建脊和槽的环30、31。一个杆在其与如下所述的附加梁部分33配合的一端包含半梁38。第二杆34包含延伸部39，当安装杆32、34时，延伸部39容许其与杆32对齐，将延伸部39套叠在梁38中。当杆32、34套叠在一起时，在延伸部39上加上梁33并且凭借由它们的轴线37所表示的螺丝与梁38固定。
作为一个示例，例如可以采用具有标准螺纹接头的O形环紧固波导元件(如图3(a)至图3(c)以及上面所描述的)。
整个波导是真空兼容的。
清楚的是，为了实现具有大约十分之一毫米或更小波纹周期的几米的传输线路，人们需要几千个环。这种明显的限制例如可以通过叠加具有适当厚度的校准板来避开。然后，用两个金属壳体压紧校准板。这个装置允许通过电火花加工(EDM)同时切割几百个环的孔径。如图5中参考标识43所示，可以使用相同的金属壳体切割多个列。
为了产生用于波纹的向下或向上的锥体、波纹空腔和波纹频率滤波器的环，EDM仍然有用。通过倾斜EDM电极线或使用电火花成型加工(sinkerEDM)，可以切割出内部环的形状(图5，参考标识46)。通常，可以通过叠加板结合EDM切割实现任何波纹。参考标识47表示冲孔工具，其也可以在本发明中用于切割板。
另外，所安装的波导的波纹可能是镀金的。
更具体地，该系统包含用于金属板对齐的上金属壳体40、下金属壳体41、金属销42、根据本发明的原理的具有校准厚度等于脊或槽的多个金属板43、适合于在EDM切割过程中用于压紧金属板的螺丝的螺纹孔44。参考标识45表示EDM切割线的路径以产生出几百个具有相等内径和外径的环或板，参考标识46表示倾斜EDM切割线的路径以产生出几百个用于开口向下或向上的锥体、波纹频率滤波器、空腔、喇叭以及通常情况下的任何波纹结构的环。可以将电火花成型加工与EDM切割线协同使用以实现上述目的。
当然，上述不同示例和实施例是为了说明的目的，不应当以限制的方式解释。可以根据预期使用需要而结合在此所描述的不同的实施例，并且，可以在不背离本发明精神或保护范围的情况下使用等同方式。
上述发明和实施例的所有元件可以由任何材料制成，只要所有与电磁波反射和传播的区域相接触的表面是金属的或者镀有足以使电磁波反射的厚度的金属，该厚度取决于传播频率。例如，这些材料可以包括所有金属，例如但不限于铝、不锈钢、钛、铜或黄铜。可以使用其他非导体材料，例如但不限于各种塑料或聚合物，如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺、氟化橡胶(Kel-F)、环氧塑料、玻璃纤维、聚酯、树脂玻璃、聚四氟乙烯(PTFE)或任何其他陶瓷或复合材料。如果将非导体材料用于制造叠加板/环，这些材料在安装前或安装后可以是电镀金属的，以保证波纹元件的良好功能。

Claims (15)

1.一种用于传输和处理频率为30GHz至100THz的电磁信号的波纹元件，其中，所述元件包含在空心导杆中叠加在一起的多个板的组件，其中，所述板具有至少一个孔径形状，该孔径形状以交替方式利用交替尺寸形成槽或脊，其中，所述板的外部形状对应于空心导杆的内部形状。
2.根据权利要求1所述的波纹元件，其中，所述至少一个孔径具有圆形形状。
3.根据权利要求1或2所述的波纹元件，其中，所述至少一个孔径具有与圆形不同的形状。
4.根据前述任一权利要求所述的波纹元件，其中，所述孔径形状随元件固定或是可变的。
5.根据前述任一权利要求所述的波纹元件其中，所述板包含至少两个孔径，一个孔径用于冷却该元件。
6.根据前述任一权利要求所述的波纹元件，其中，其包含与第一杆连接的第一法兰和与第二杆连接的第二法兰，所述法兰共同配合以容许所述杆在接合处不间断的情况下连接在一起。
7.根据前述任一权利要求所述的波纹元件，其中，所述法兰自动对齐。
8.根据前述任一权利要求所述的波纹元件，其中，凭借用一系列螺丝固定的法兰压紧所述板。
9.根据前述任一权利要求所述的波纹元件，其中，其包含带波纹的开口向下或向上的锥体。
10.根据前述任一权利要求所述的波纹元件，其中，该波纹元件形成波纹喇叭天线。
11.一种包含多个根据前述任一权利要求所述的波纹元件的组件。
12.一种形成用于传输频率高达几太赫兹的电磁信号的波纹元件的方法，其中，该方法包含叠加多个板以形成板的组件，其中，每个板具有至少一个至少用于传输信号的孔径，将所述板的组件引入空心导杆中，空心导杆的内部形状对应于所述板的外部形状。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，凭借至少一组螺丝和一个法兰将板压入空心杆中。
14.根据权利要求12或13的方法，其特征在于，法兰用于将一个杆与另一个杆连接起来，由此在它们的接合处不间断的情况下形成波纹元件的组件。
15.一种将要叠加入空心导杆中的板的制造方法，所述制造方法使用两个壳体压紧叠加的校准板以用EDM技术同时切割它们。
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