CN106207355B - 基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导 - Google Patents

基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，用于解决现有技术中存在的波导结构复杂和体积大的技术问题，包括尖锐弯折矩形波导和超传输隔膜，其中，尖锐弯折矩形波导采用H面弯折波导，由两个对称的波导结构拼接而成，在拼接位置加载有超传输隔膜，其中波导结构的一端设置有连接法兰，其所在平面与波导横截面形成倾斜角，且倾斜于波导横截面的窄边方向；超传输隔膜的中心位置设置有不同形式的开口缝隙结构，开口缝隙结构采用C‑型单频谐振环或C‑型多频复合谐振环，其开口朝向超传输隔膜的宽边，能实现单频或多频带内电磁波的无反射传输。本发明实现了在任意角度弯折的矩形波导内电磁波的无反射传输，具有结构简单且体积小的特点。

Description

基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种无反射传输的尖锐弯折矩形波导，具体设计一种基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，可用于在任意角度弯折的矩形波导内电磁波的无反射传输。
技术背景
波导是微波传输器件的重要组成部分，作为定向导引电磁波的结构，常见的波导结构有平行平板波导、矩形波导、圆波导和光纤等。矩形波导是一种横截面为矩形，内充空气的规则金属波导，其结构简单，损耗低且功率容量大，是微波技术最常用的传输系统之一，在实际工程应用中，为实现电磁波的弯曲传输，经常需要将矩形波导弯折，例如魔T，微波真空电子器件的核心部分就是由弯曲波导与直波导级联而成的周期性结构，阵列波导光栅器件中每一条阵列波导通常是由弯曲波导和直波导连接而成，在集成光电器件中经常需要弯曲波导来实现波导的侧向位移和连接等。
然而对于弯折波导结构，由于弯曲角度的存在影响着波导传输特性，并产生传输损耗，尤其当弯折角度变的尖锐时，电磁波几乎无法传输。例如2004年，张小康等人在《光子学报》第2期发表了题为“波导弯曲半径与弯曲损耗的关系”的文章，文章中分析了波导弯曲产生损耗的机理，理论研究了弯曲传输损耗与弯曲半径变化关系，并建立了弯曲损耗经验公式。
为了有效实现电磁波在弯折波导内的无损传输，国内外学者对弯折波导进行了广泛的研究。目前的研究方法主要有两种，一种是介质填充法，介质填充法是通过在波导中分层或全部填充超材料介质实现电磁波在任意弯折波导内的无反射传输，例如2014年，JieLuo等人在SCIENTIFIC REPORTS刊登了题为“Anisotropic zero-index waveguide witharbitrary shapes”的文章，文章中提出了一种在弯折波导中的弯折区域全部填充介电常数接近于零的超材料的方法，可以实现任意尖锐弯折或弯曲波导内电磁波的弯曲传输。但是介质填充法需要在波导弯曲部分全部或者分层填充介质材料，不便于实际加工，而且超材料的结构特性需要建立在大量周期性结构单元的基础上，不利于微波系统的小型紧凑的集成设计。
另一种方法是通过改变弯折波导在弯折处的结构，比如将弯折处的外折角延伸形成等截面矩形腔体结构，从而形成一个过渡传输结构，这种通过改变波导结构的方式，在降低弯折波导内电磁波反射，实现较高效率的电磁波弯曲传输的同时缩小结构的连接尺寸，其结构简单并且易于工程实现。但是这种结构只能够在有限角度或需要较长的过渡传输结构才能实现电磁波的弯曲传输。
上述现有技术尽管能够实现电磁波在弯曲波导内的传输，但其缺点也非常明显，电磁波在任意角度弯折的矩形波导内弯曲传输的同时，结构设计复杂，体积大，不满足波导结构的小型紧凑化设计，这些缺点在一定程度上局限了弯曲波导应用的广泛性。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，通过在波导弯折处加载超传输隔膜，实现任意角度弯折的矩形波导在单频或多频带内电磁波的无反射传输，用于解决现有技术中存在的波导结构复杂和体积大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，包括尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述尖锐弯折矩形波导由两个对称的波导结构1拼接而成，在拼接位置加载有超传输隔膜2，该超传输隔膜2上设置有C-型单频谐振环或C-型多频复合谐振环，其中C-型单频谐振环用于实现波导在单频内电磁波的无反射传输，C-型多频复合谐振环用于实现波导在多频带内电磁波的无反射传输。
上述基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，所述尖锐弯折矩形波导，采用H面弯折矩形波导。
上述基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，所述波导结构1，其一端设置有连接法兰，该连接法兰所在平面与波导横截面形成倾斜角，且倾斜于波导横截面的窄边方向。
上述基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，所述超传输隔膜2，采用矩形金属材料。
上述基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，所述超传输隔膜2，其上设置的开口缝隙结构，采用C-型单频谐振环21，位于超传输隔膜2的中心位置，且其开口朝向超传输隔膜2的宽边。
上述基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，所述超传输隔膜2，其上设置的开口缝隙结构，采用C-型多频复合谐振环，该C-型多频复合谐振环包括C-型单频谐振环21，所述C-型单频谐振环21位于超传输隔膜2的中心位置，且其环内或环外嵌套有至少一个C-型单频谐振内环或C-型单频谐振外环，形成由多个C-型谐振环组成的复合结构，该复合结构中的C-型谐振环的开口均朝向超传输隔膜2的宽边。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明由于在两个对称的波导结构的拼接位置加载有超传输隔膜，该超传输隔膜上设置有不同形式的开口缝隙结构，能够实现波导中电磁波的无反射传输，与现有技术中通过改变波导结构或在波导内填充介质的结构相比，简化了结构，缩小了体积，更易于弯折波导的实际加工与应用。
2、本发明由于尖锐弯折矩形波导由两个对称的波导结构拼接而成，波导结构相互拼接形成一个尖锐的弯折角度，通过改变波导的弯折角度，实现了电磁波在任意角度弯折的矩形波导内的无反射传输。
3、本发明由于开口缝隙结构采用C-型单频谐振环或C-型多频复合谐振环，能够有效实现单频或多频带下电磁波的弯曲传输。
附图说明
图1是本发明实施例1的整体结构示意图；
图2是本发明C-型单频谐振环的结构示意图；
图3是本发明C-型多频复合谐振环的结构示意图；
图4是本发明实施例1的电场分布对比图，其中，图4(a)是两个波导结构之间未加载超传输隔膜的波导电场分布图，图4(b)是两个波导结构之间加载超传输隔膜的波导电场分布图；
图5是本发明实施例1的传输特性曲线图；
图6是本发明实施例1C-型单频谐振环的外径与透射频率关系图；
图7是本发明实施例1在不同角度弯折时的传输特性曲线图；
图8是本发明实施例2的传输特性曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，以下结合附图和具体实施例作进一步的描述。
实施例1
参照图1，本实施例包括尖锐弯折矩形波导，该尖锐弯折矩形波导采用H面弯折矩形波导，是由两个对称的波导结构1拼接而成，所述矩形波导采用宽22.86mm，高10.16mm，单模传输频率范围为8.2-12.4GHz的标准WR90波导。波导结构1的一端设置有连接法兰，该连接法兰所在平面与波导横截面形成倾斜角，且倾斜于波导横截面的窄边方向。两个对称的波导结构1之间拼接超传输隔膜2，波导结构1和超传输隔膜2固定拼接而成的弯折矩形波导的弯折角度是波导结构1一端与波导横截面形成倾斜角的2倍。超传输隔膜2采用矩形金属材料，在超传输隔膜2上中心位置设置有开口缝隙结构。
参照图2，开口缝隙结构采用C-型单频谐振环，C-型单频谐振环位于超传输隔膜2的中心位置，其开口朝向超传输隔膜2的宽边，在考虑弯折波导的传输特性时，C-型单频谐振环的外径和环的宽度同时影响弯折波导的透射频率，在本实施例中，C-型单频谐振环的结构尺寸设置如下：环的水平和垂直外径均为r，环的宽度为d。在环的宽度d确定时，通过调整环的外径尺寸来调节所需要的透射频率。透射频率为10GHz时对应C-型单频谐振环的外径r为5.34mm，环的宽度d为0.5mm。
实施例2
本实施例与实施例1所采用的结构相同，仅仅对构成开口缝隙结构的形式和尺寸作了调整，其结构如图3所示。
参照图3，开口缝隙结构采用C-型多频复合谐振环，该C-型多频复合谐振环包括C-型单频谐振环21、C-型单频谐振外环22和C-型单频谐振内环23，形成由三个C-型谐振环组成的三频复合结构，其中C-型单频谐振环21位于超传输隔膜2的中心位置，且在C-型单频谐振外环22的开口内，C-型单频谐振内环23位于C-型单频谐振环21的开口内，且为满足频率要求的同时缩小环的结构尺寸，C-型单频谐振内环23的两臂同时朝向开口内凹陷，该C-型单频谐振环21、C-型单频谐振外环22和C-型单频谐振内环23的开口均朝向超传输隔膜2的宽边。在考虑弯折波导的传输特性时，各个谐振环的外径和环的宽度、各个谐振环之间的垂直和水平间距同时影响弯折波导的三频透射频率。在本实施例中，各环的尺寸结构设置如下：各个谐振环的宽度均为d；C-型单频谐振环21的水平和垂直外径均为r；C-型单频谐振外环22的水平与垂直外径分别为r1和r2；C-型单频谐振内环23的水平外径为r3，垂直外径为r4，凹陷处环两臂的垂直外径为r5，两臂的间距为a，在环的宽度d、各环之间的垂直和水平间距确定时，通过调整各个C-型谐振环的外径来调节所需要的三频谐振频点。在考虑弯折波导的传输特性时，各环的垂直间距和水平间距分别为1mm和0.8mm，C-型单频谐振内环23凹陷处环两臂的间距a为0.4mm，对应C-型多频复合谐振环的尺寸为：环的宽度d均为0.5mm，各个C-型谐振环的外径r、r1、r2、r3、r4、r5分别为5.4mm、8mm、4.37mm、2.8mm、3.8mm、2.53mm。
以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。
1、仿真条件及内容：
采用ANSOFT HFSS15.0电磁仿真软件进行全波仿真。
1.1频率为10GHz时，对两个波导结构之间未加载超传输隔膜与加载超传输隔膜的波导进行全波仿真，其电场分布结果如图4所示。
1.2加载采用C型单频谐振环作为开口缝隙结构的弯折波导，其对应的传输特性(S参数)结果如图5所示。
1.3加载采用C型单频谐振环作为开口缝隙结构的弯折波导，改变C-型单频谐振环21的外径r，频率会发生改变，对此结构的外径与频率关系进行全波仿真，其结果如图6所示。
1.4加载采用C型单频谐振环作为开口缝隙结构的弯折波导，改变弯折角度θ，其电磁波的传输特性(S21)结果如图7所示。
1.5加载采用C型多频复合谐振环作为开口缝隙结构的弯折波导，其对应的电磁波的传输特性(S参数)结果如图8所示。
2、仿真结果：
参照图4，从仿真结果可以看出，两个波导结构之间未加载超传输隔膜时由于弯折角度的存在影响了波导的传输特性，波导中TE10模电磁波在弯折处存在很强的反射，无法实现电磁波弯曲传输，而对于本发明中加载超传输隔膜的弯折波导，能够实现电磁波的无反射传输。
参照图5，从仿真结果可以看出，对于加载超传输隔膜的弯折波导，采用C-型单频谐振环的开口缝隙结构，在8.2GHz-12.4GHz频段为带通传输，在10GHz处产生谐振，其反射系数S11为-40dB，能够有效的实现弯折波导中电磁波的无反射传输。
参照图6，从仿真结果可以看出，对于加载超传输隔膜的弯折波导，改变C-型单频谐振环的外径，其透射频率会相应发生改变，随着外径的增大，其透射频率在一定范围内呈单调递减趋势。因此，加载超传输隔膜的弯折波导，可以通过改变开口缝隙结构的尺寸来实现在所需频率下电磁波的无反射传输。
参照图7，从仿真结果可以看出，对于加载超传输隔膜的弯折波导，在透射频率为10GHz时，采用C-型单频谐振环的开口缝隙结构，改变波导的夹角θ，弯折波导的透射频点保持不变，只是当弯折波导的夹角增大时，该弯折波导透波的带宽越大。因此，加载超传输隔膜的弯折波导，只需通过调节波导的夹角就能够实现在任意角度弯折的矩形波导中实现电磁波的无反射传输。
参照图8，从仿真结果可以看出，对于加载超传输隔膜的弯折波导，采用C型多频复合谐振环的开口缝隙结构，三个透射频点分别为9GHz、10GHz和11GHz，因此，加载超传输隔膜的弯折波导，通过采用不同形式的C-型多频复合谐振环能够实现弯折矩形波导在多频带内电磁波的无反射传输。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，包括尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述尖锐弯折矩形波导由两个对称的波导结构(1)拼接而成，在拼接位置加载有超传输隔膜(2)，该超传输隔膜(2)上设置有C-型单频谐振环或C-型多频复合谐振环，其中C-型单频谐振环用于实现波导在单频内电磁波的无反射传输，C-型多频复合谐振环用于实现波导在多频带内电磁波的无反射传输。
2.根据权利要求1所述的基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述尖锐弯折矩形波导，采用H面弯折矩形波导。
3.根据权利要求1所述的基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述波导结构(1)，其一端设置有连接法兰，该连接法兰所在平面与波导横截面形成倾斜角，且倾斜于波导横截面的窄边方向。
4.根据权利要求1所述的基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述超传输隔膜(2)，采用矩形金属材料。
5.根据权利要求1所述的基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述超传输隔膜(2)，其上设置的开口缝隙结构，采用C-型单频谐振环(21)，位于超传输隔膜(2)的中心位置，且其开口朝向超传输隔膜(2)的宽边。
6.根据权利要求1所述的基于超传输缝隙隔膜的尖锐弯折矩形波导，其特征在于：所述超传输隔膜(2)，其上设置的开口缝隙结构，采用C-型多频复合谐振环，该C-型多频复合谐振环包括C-型单频谐振环(21)，所述C-型单频谐振环(21)位于超传输隔膜(2)的中心位置，且其环内或环外嵌套有至少一个C-型单频谐振内环或C-型单频谐振外环，形成由多个C-型谐振环组成的复合结构，该复合结构中的C-型谐振环的开口均朝向超传输隔膜(2)的宽边。
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