CN105206908B - 一种基于开路‑短路圆柱介质谐振器的左手波导传输结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开路‑短路圆柱介质谐振器的左手波导传输结构，主要包括输入连接装置、输出连接装置、波导单元以及圆柱介质谐振单元；可以实现波导填充媒质的等效负介电常数和等效负磁导率，从而实现波导的左手传输特性，具有谐振模式多、易装配、传输特性稳定、谐振品质因数高的特点，并可根据需要灵活选择振器的高度，具有尺寸灵活的优点。

Description

一种基于开路-短路圆柱介质谐振器的左手波导传输结构

技术领域

本发明涉及一种左手传输结构，特别是一种左手波导传输结构，属于微波传导领域。

背景技术

随着微波系统的快速发展，人们对波导传输结构的损耗和相移性能提出了更高的要求。在经典的波导传输结构中，由于波导内的填充的传输媒质介电常数和磁导率均不小于1，电磁波在波导中传输时，相位总是沿传输方向滞后的(即：右手传输特性)，随着微波元器件和系统的迅速发展，对波导相移特性(即：左手传输特性)的需求逐渐增加。如何实现波导传输媒质的负介电常数和负磁导率，从而实现波导的左手传输特性，已成为一个重要课题。为实现媒质的负介电常数和负磁导率，研究人员将大量精力专注于谐振单元的研究，通过在波导内加载谐振单元，在谐振频率附近频带内可实现媒质的负介电常数或负磁导率。

2000年D.R.Smith等人用金属条与金属环结构首次实现在负的介电常数与负磁导率；2009年Zhiyu Wang等人在此基础上提出了开路-短路金属条结构，不仅可实现负介电常数，而且结构更为简洁；但是由于密集的金属介入，导致基于金属结构的媒质损耗大，传输效率低，难以满足实际工程上信号传输的需要，因此，近年来更多的研究机构将目光集中到全介质谐振结构上。

用高介电常数、低损耗的介质材料制作的全介质谐振结构可以克服金属谐振结构损耗大的缺点，2008年A.Ahmadi等人提出了以高介电常数的介质材料制作小球、长圆柱和介质谐振器，分别构成谐振单元，在自由空间传输模式下实现了左手特性；Q.Zhao等人研究了长圆柱和方柱的谐振结构，并通过对方柱的加工和测试验证了该结构的左手传输特性；由于上述结构应用于自由空间，且需要支介质维持其空间分布位置，因此无法避免支持介质所引入的附加影响，导制传输损耗增加，同时引入支撑介质的结构也增加了制作和装配的复杂度。

O.Acher等人将圆柱介质谐振器加载到平板传输线的底边，通过对反射系数进行测试，验证了该结构具有左手传输特性，但并没有讨论在波导传输模式下该结构是否有效；2014年Bai Du等人提出了将谐振结构加载在波导中的左手传输结构，该结构以介质方柱作为谐振单元，加载在波导宽边，实现了波导的左手传输特性，但是该结构采用的是两端开路和两端短路相结合的谐振结构，对于两端开路结构，要求使用支撑介质将谐振单元固定在波导中间，使其不与金属波导壁接触，因此该结构同样会受到支撑介质的影响，此外，该结构的两短端路结构要求介质方柱与波导顶端与底端同时紧密结合，细微的尺寸误差将直接影响介质方柱的介振性能，因此该结构的介质方柱的高度必须与波导高度相同，降低了谐振单元设计的灵活性，并且该结构的装配难度也较高。

发明内容

针对上述传输结构的缺点，本申请提出了一种基于开路-短路圆柱介质谐振器的左手波导传输结构，避免使用支撑介质，消除了支撑介质的影响，降低了装配难度，增加了设计的灵活性。

本发明采用如下技术方案实现：

一种左手波导传输结构，包括谐振单元，输入连接装置，输出连接装置和波导。所述的谐振单元包括圆柱介质谐振器，所述的圆柱介质谐振器的底面设有金属覆盖层，所述的金属覆盖层直接紧贴波导底端。所述的波导为矩形波导。所述输入输出连接装置为法兰盘结构，其四角各有一个通孔，用于连接和固定。

本发明采用圆柱介质谐振器，可以获得比方柱介质谐振器更高的品质因数；并且圆柱介质谐振器采用开路-短路结构，其金属覆盖面直接与矩形波导窄边紧密接触，构成短路面，既避免了采用支撑介质影响性能又降低了装配难度；此外圆柱介质谐振器上表面直接与空气接触，构成开路面，不需要与波导顶边接触，因此不受波导尺寸的严格限制，可根据需要选择圆柱介质谐振器的高度，增加了设计的灵活性。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式示意图。

图2为本发明的一种实施方式的主视图。

图3为图2的B-B向示意图。

图4为图2的A-A向示意图。

图5为本发明的一种实施方式的频率-散射参数图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

本发明所提出的左手传输结构由输入连接装置1，输出连接装置1、波导2和谐振单元组成，如图1所示。其中，输入输出连接装置为法兰盘1，其四角各有一个通孔5，用于连接和固定；传输结构主体为矩形波导2，采用的是标准WR-62矩形波导，在矩形波导的窄边底面正中放置了谐振结构；谐振结构由圆柱介质谐振器3和金属覆盖层4组成，材料为BaSnO3陶瓷，其相对介电常数为24.86，损耗角正切为0.0003，金属覆盖层4位于圆柱介质谐振器3的底边，作为短路面，而圆柱介质谐振器3的顶边直接与空气接触，作为开路面，因此构成了开路-短路圆柱介质谐振结构。该结构的三视图如图2所示，其中左视图为主视图沿B-B’剖开的剖面图，俯视图为主视图沿A-A’面剖开的剖面图，由图2可以看出，谐振结构中金属覆盖层紧贴在矩形波导的窄边上。

本发明所提出的这种基于开路-短路圆柱介质谐振器的左手波导传输结构，其工作原理是：由开路-短路圆柱介质谐振器构成四分之一波长谐振结构，当圆柱介质谐振器的高度为波导内电磁波波长四分之一的整数倍时，圆柱介质谐振器发生谐振，圆柱介质谐振器发生谐振时对应的电磁波频率称为谐振结构的固有谐振频率。圆柱介质谐振器谐振引起波导传输方式的变化，从而使波导呈现左手传输特性。左手传输特性的产生机理是：当电磁波由输入连接装置进入波导内部时，在波导内部激励起其主模，TE10模，该模式的电场方向与波导窄边平行，横向磁场方向与波导宽边平行，当输入的电磁波频率与谐振结构固有的谐振频率接近，且电场和磁场方向分别与谐振结构的固有电、磁场分布方向相同时，在谐振结构中激励起谐振模式，此时传统空气填充波导的右手传输模式将被改变，在谐振结构的影响下，波导内填充媒质呈现出等效介电常数小于零或等效磁导率小于零的现象，使导波呈现出左手传输特性。

另外，采用安捷伦矢量网络分析仪N5247A对上述基于开路-短路圆柱介质谐振器的左手波导传输结构进行测试，得到的散射参数(S-parameter)的幅度如图4所示；由图4可以看出，在10-18GHz的测试频率范围内，有五个明显谐振峰出现，即在该频段内激励起了谐振结构的五种谐振模式，在这五个谐振频率附近波导均呈现左手传输特性。

Claims (5)

1.一种左手波导传输结构，包括谐振单元，其特征在于，

所述的谐振单元包括圆柱介质谐振器，所述的圆柱介质谐振器的底面设有金属覆盖层，所述的金属覆盖层直接紧贴波导底端；

所述圆柱介质谐振器的高度为波导内电磁波波长四分之一的整数倍，圆柱介质谐振器发生谐振，在谐振结构的影响下，波导内填充媒质呈现出等效介电常数小于零或等效磁导率小于零的现象。

2.如权利要求1所述的左手波导传输结构，其特征在于：所述波导为矩形波导。

3.如权利要求2所述的左手波导传输结构，其特征在于，所述圆柱介质谐振器放置在矩形波导窄边底面的正中间。

4.如权利要求1所述的左手波导传输结构，其特征在于，还包括传输机构，所述传输机构包括输入连接装置和输出连接装置。

5.如权利要求4所述的左手波导传输结构，其特征在于，所述输入连接装置和输出连接装置的结构为法兰盘，法兰盘四角各有一个通孔。