CN104103882B

CN104103882B - 一种太赫兹介质填充金属槽波导

Info

Publication number: CN104103882B
Application number: CN201410334893.3A
Authority: CN
Inventors: 屈世伟; 白雪; 蒋琪; 易欢; 吴伟伟; 夏润梁
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2017-08-08
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: CN104103882A

Abstract

本发明公开了一种太赫兹介质填充金属槽波导,其结构包括金属槽和槽里填充的介质。电磁波沿着槽的纵向传播，其基模是横电模，高次模是横磁模，电磁波模式的截止频率由槽的深度决定。本发明给出了基模传播常数的特征方程。本发明结构简单、损耗小、易集成。本发明列举了多种可基于该波导结构的无源器件。特别地，本发明用作天线阵的串联馈电网络，可实现馈电简单、高增益、平面结构、易集成的太赫兹天线阵。本发明可用于太赫兹高速无线通信和雷达系统中。

Description

一种太赫兹介质填充金属槽波导

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹介质填充金属槽波导,可用于高速无线通信系统、雷达系统中。

背景技术

近年来，太赫兹电磁波频谱因其多种优势备受关注，例如，开放频谱资源、无线高速通信、太赫兹成像、无损探伤、安全检查等，太赫兹系统在工业、科学和医学上都具有重大价值。但由于工作频率的大幅上升，也给研究人员提出了新的挑战，其中，研究有效的太赫兹波导以及高效地辐射或接收太赫兹波成为了一个关键目标。

一般地，现有的太赫兹波导的设计源于与其工作频段相邻的两个频段的波导，即微波波导和光纤。在微波波段的传统带线传输线，例如微带线、槽线、共面波导等，随着工作频率的不断升高，由于损耗过大以及传输线之间的耦合作用，使得此类传输线不再适用。而传统的金属波导则可用于太赫兹频段，例如，空金属波导管，但由于加工误差、金属损耗、色散等原因，其应用范围也会受到严重限制。再如，平行板金属波导，可传输无色散的横电磁(TEM)模式的电磁波，且金属损耗相对低，但金属波导尺寸较大，不方便系统集成。为了解决以上多种限制，研究人员提出了介质集成波导，其平面结构使得它易于系统集成，但是，其侧壁围栏过孔结构的加工精度限制了其工作频率范围。另一方面，工作在近红外与光波频段的介质光纤也可作为太赫兹波导。传统介质光纤是一种圆柱形波导，通过内部全反射将光束缚在光纤轴中。与金属波导管类似，太赫兹波在传统介质光纤中衰减对于长距离传输而言非常大，不同的是该衰减是由介质损耗引起的。并且，介质光纤工作在太赫兹频段时存在比较大的弯折损耗。针对以上问题，研究人员提出了其他形式的低损耗太赫兹介质波导，例如，中空介质波导和中心多孔介质波导。中空介质波导主要分为两种，一种是利用特殊的太赫兹材料，通过全反射使得太赫兹波束缚在波导的空心中。但由于多模传播，传导模式与自由空间的电磁波模式失配严重，导致耦合效率低。另外一种中空波导是利用人工材料，通过形成电磁带隙使得太赫兹波在中心空气中传播。但其应用范围受到尺寸大、带宽窄等问题的限制。中心多孔介质波导主要是指光子晶体波导，利用光子带隙通过内部全反射束缚电磁波，此类波导加工比较复杂。

再者，传播表面等离子体波的金属裸线也是一种太赫兹波导，该波导具有较低损耗和低色散特性。但是绝大部分场的分布都延伸在空气中，这导致严重的弯折损耗和近距离传输线之间耦合，不适用于系统集成。对此，研究人员提出了介质涂层的金属裸线和波纹裸线，提高场的束缚力。另外，研究人员还提出了基于亚波长周期结构的准表面等离子波导，可有效传导太赫兹波，例如，V形槽波导、单带线波导、楔形波导等。然而，其复杂的三维结构大大增加了加工难度。

另一方面，由于太赫兹电磁波存在较大的自由空间传输衰减，所以需要高增益的太赫兹天线。目前太赫兹天线局限于传统的透镜天线和喇叭天线，其非平面结构使得它们不适用于系统集成。在太赫兹频段，平面结构的高增益天线阵列的设计需要高效率的馈电网络，要求传输线结构简单进而易于加工实现、损耗小、效率高。

从以上分析可知，在实际的应用中，对低损耗、结构简单、易于加工、易于集成、单模传输且其模式易于匹配的太赫兹传输线有着急切的需求，本发明正是针对这一需求而提出。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景，为了解决目前太赫兹传输线损耗大、结构复杂、不易集成等问题，提出了一种太赫兹介质填充金属槽波导。

本发明所述的一种太赫兹介质填充金属槽波导，基本结构包括金属槽和槽中填充的介质。本发明的特点在于，电磁波沿着槽纵向传播，电磁波模式的截止频率由槽深度和介质的相对介电常数决定，当填充的介质一定时，截止频率随着槽深度减小而升高。

本发明所述的一种太赫兹介质填充金属槽波导所传导电磁波的基模是横电模，在金属槽内电场极化方向垂直于金属侧壁。根据边界条件，可利用模式匹配方法得到关于传播常数的特征方程，如下所示：

其中：k为基模的传播常数,k₁为电磁波在无限大介质中传播常数，k_o为电磁波在自由空间传播常数，μ_o为自由空间磁导率，μ为介质中磁导率，h为金属槽的深度。

本发明所述的一种太赫兹介质填充金属槽波导所传导电磁波的高阶模式是横磁模，在金属槽内磁场矢量方向垂直于金属槽侧壁。

本发明所述的介质填充金属槽波导不受金属槽形式所限制，可以是矩形槽、半圆形槽或倒三角形槽。同时，该波导也不受金属槽的实现方式所限制，可以在金属块上直接开槽，也可以通过在介质槽表面镀上金属层实现。特别地，介质填充金属槽波导可以利用过孔技术，用金属化过孔来代替金属槽的侧壁而不改变其电性能，实现基片集成介质填充金属槽波导。

本发明所述的介质填充金属槽波导结构简单、损耗小、易于加工。本发明所诉波导属于开波导，容易在此波导结构基础上实现功分器、滤波器、耦合器及天线等无源器件的设计。同时，由于本发明所诉波导具有金属结构，并且表面是平面结构，所以适用于与其他有源器件和电路集成。

附图说明

图1是本发明的三维视图；

图2是本发明的基模电场在波导横截面上的分布示意图；

图3是本发明的一个具体实施基模的衰减和色散曲线；

图4(a)是本发明的基模激励方法示例一，矩形波导激励；

图4(b)是本发明的矩形波导激励基模侧视图；

图4(c)是本发明的基模激励方法示例二，水平偶极子激励；

图4(d)是本发明的基模激励方法示例三，横电模电磁波照射激励；

图5(a)是本发明的高次模激励方法示例一，矩形波导激励；

图5(b)是本发明的矩形波导激励高次模侧视图；

图5(c)是本发明的高次模激励方法示例二，垂直偶极子激励；

图5(d)是本发明的高次模激励方法示例三，横磁模电磁波照射激励；

图6(a)是可用作本发明的金属槽形状示例一，矩形槽；

图6(b)是可用作本发明的金属槽形状示例二，半圆形槽；

图6(c)是可用作本发明的金属槽形状示例三，下三角形槽；

图7(a)是可作为本发明的金属槽实现方式示例一，金属块开槽；

图7(b)是可作为本发明的金属槽实现方式示例二，介质槽镀金属层；

图7(c)是可作为本发明的金属槽实现方式示例三，金属化过孔槽；

图7(d)是本发明的金属槽实现方式示例三的侧视图；

图8是基于本发明的功分器的示例，Y字型功分器俯视图；

图9是基于本发明的耦合器的示例，平行波导耦合器俯视图；

图10(a)是基于本发明的滤波器的示例一，加载感性膜片带通滤波器俯视图；

图10(b)是基于本发明的滤波器的示例二，加载谐振腔带阻滤波器俯视图；

图11(a)是基于本发明的高增益天线阵俯视图；

图11(b)是基于本发明的高增益天线阵侧视图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所述的一种介质填充金属槽波导技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施示例。

图1给出了介质填充金属槽波导的基本结构，包括金属槽101和槽中填充的介质102。电磁波沿着槽纵向传播，槽的深度h决定电磁波模式的截止频率，槽的宽度w影响电磁波模式在上半空间的分布大小。

图2为本发明的基模电场在波导横截面上的分布示意图，箭头代表电场矢量，该波导的基模为横电模，槽内电场极化方向垂直于槽侧壁。

图3给出了本发明的一种具体实施基模的衰减和色散曲线。该具体实施方式的结构如图1所示，为介质填充矩形金属槽波导，其w设定为0.4mm，h设定为0.3mm，槽中填充介质的介电常数为2.45。在220～320GHz频段内，波导的衰减α变化范围为0.98～1.47dB/cm，波导传播常数与自由空间传播常数比k/k0从变化范围为1.02～1.2。

图4举例了本发明的多种基模(横电模)激励方法示意图。图4(a)为矩形波导激励的俯视图，图4(b)为矩形波导激励的侧视图，介质填充金属槽波导401由矩形波导402激励，矩形波导短边与介质填充金属槽波导表面平行；图4(c)为偶极子激励示意图，偶极子403与介质填充金属槽波导401表面平行放置；图4(d)为太赫兹波束照射激励示意图，横电模式的太赫兹波束404垂直入射到介质填充金属槽波导401表面，电场极化方向405与波导表面平行。

图5举例了本发明的多种高次模(横磁模)激励方法示意图。图5(a)为矩形波导激励的俯视图，图5(b)为矩形波导激励的侧视图，介质填充金属槽波导501由矩形波导502激励，矩形波导长边与介质填充金属槽波导表面平行；图5(c)为偶极子激励示意图，偶极子503与介质填充金属槽波导501表面垂直放置；图5(d)为太赫兹波束照射激励示意图，横磁模式的太赫兹波束504垂直入射到介质填充金属槽波导501表面，磁场矢量方向505与波导表面平行且垂直于波导轴线方向。本发明中列举的三种激励方法中，即波导激励、偶极子激励、太赫兹波束照射，波导激励的方法相对简单，偶极子激励的方法效率较低。

图6举例了本发明的多种金属槽形状的示意图。图6(a)为矩形金属槽61；图6(b)为半圆形金属槽62；图6(c)为倒三角形金属槽63。

图7举例了本发明的多种金属槽的实现方式示意图。图7(a)为在金属块701上开槽；图7(b)为在介质槽702表面镀上金属层703；图7(c)为基片集成介质填充金属槽波导73三维视图，图7(d)为该波导侧视图，该波导结构包括上层金属开槽贴片704，介质基片705，金属化过孔706，下层金属地707。本发明中列举的三种金属槽的实现方式中，金属块开槽可利用微加工技术或者3D打印金属技术实现，介质槽的制作可利用腐蚀硅基方法或者3D打印介质技术实现，基片集成的介质填充金属槽波导可利用印刷电路板(PCB)技术实现。

以下列举了基于该波导结构的几种无源器件。图8为基于本发明的Y字型功分器81，从输入端口801输入太赫兹波，在端口802和端口803输出，可以调节功分器输出支路的槽宽度控制输出功率比。图9为基于本发明的平行波导耦合器91。图10为基于本发明的两种滤波器。图10(a)为带有对称感性膜片的带通滤波器1010；图10(b)为带有谐振腔的带阻滤波器1020。

本发明中介质填充金属槽波导属于开波导结构，因此，可以通过在波导上放置辐射贴片的形式，将波导中电磁波能量耦合到贴片上，进而辐射到自由空间。特别地，可以在介质填充金属槽波导两侧沿着槽的纵向放置多列贴片，实现高增益贴片阵列，图11为此类高增益天线阵111，结构包括介质填充金属槽波导1101，圆形贴片天线阵1102。图11(a)为该天线阵的顶视图，图11(b)为本天线阵的侧视图。该阵列利用介质填充金属槽波导作为阵列天线的串联馈电网络对阵列单元耦合激励，不仅结构简单，而且损耗小、效率高，同时其平面结构使得该天线阵易与其他系统器件集成。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims

1.一种太赫兹介质填充非周期金属槽波导，其特征在于：包括金属槽和槽里填充的介质；且该波导传导的电磁波沿着波导纵向传播，基模为横电模，在金属槽内电场极化方向垂直于金属侧壁，传播常数的特征方程，如下所示：

其中：k为基模的传播常数,k₁为电磁波在无限大介质中传播常数，k_o为电磁波在自由空间传播常数，μ_o为自由空间磁导率，μ为介质中磁导率，h为金属槽的深度；

介质填充金属槽波导利用过孔技术，用金属化过孔来代替金属槽的侧壁而不改变其电性能，实现基片集成介质填充金属槽波导；

所述太赫兹介质填充非周期金属槽波导为基片集成介质填充金属槽波导，该波导结构包括上层金属开槽贴片(704)，介质基片(705)，金属化过孔(706)，下层金属底(707)。