CN106803612A - 一种基于电磁诱导透明的群时延调控器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁诱导透明的群时延调控器，包括构成标准矩形波导的上腔体(1)、下腔体(2)、插入到标准矩形波导上腔体(1)和下腔体(2)之间的介质基板(3)、用于介质基板(3)定位固定的两个销钉(4)以及用于标准矩形波导的上腔体(1)、下腔体(2)定位固定的四个螺丝(5)，介质基板(3)正面的倒L形谐振单元(31)以及反L形谐振单元(32)和介质基板(3)背面的矩形金属环(33)相互作用，得到三个大小不同的群时延峰值，实现群时延调控。本发明可用于各种电子仪器以及通信系统中，其优点是结构紧凑、便于集成、调控范围大，多种群时延调控可以通过更换加载不同的谐振结构的介质基板来轻松实现。

Description

一种基于电磁诱导透明的群时延调控器
技术领域
本发明属于微波毫米波电路与系统领域，涉及一种群时延调控器。
背景技术
群时延调控技术一直被广泛应用于各种电子仪器以及通信系统中，通过群时延器，可使输入信号延时一段特定时间后输出，进而完成对信号的特殊控制。相比于其他群时延器，微波/毫米波群时延器是直接对微波/毫米波信号进行延时处理而非先进行电-声、电-光转换，因而得到更多的系统集成式应用。纵观国内外相关研究动态可知，小型集成化、大范围、宽带或多频带群时延调控实现是其发展主流。基于电磁诱导透明的群时延因其可实现的结构紧凑、便于集成、调控范围大，因此具有较强的理论研究意义以及应用推广价值。
最简单的微波/毫米波群时延器就是一段特定长度的传输线，如微带线、同轴线、矩形波导等，为减少尺寸、增加群时延调控范围，又发展出了各种基于耦合线、反射电路以及谐振结构等的紧凑型群时延器。比如杨林川等人用矩形波导设计了一种Ku波段的群时延均衡器(见杨林川,李茂辉,张德伟,汪永飞,周东方.一种Ku波段群时延均衡器的设计[J]，信息工程大学学报,2014,05:576-579.)，该群时延均衡器采用环形器与波导加载谐振腔相级联的方法，具有损耗小、群时延方便可调的优点，但其体积比较大，带宽比较窄且不易于集成设计。
纵观国内外相关研究动态可知，小型集成化、大范围、宽带或多频带群时延调控实现是其发展主流。基于电磁诱导透明的群时延因其可实现的结构紧凑、便于集成、调控范围大，因此具有较强的理论研究意义以及应用推广价值。电磁诱导透明理论的发展，为提升群时延调控能力提供了新思路。通过在低Q“明模”中引入高Q“暗模”可实现窄通带内的高群时延，甚至是理论上的无限大群时延。其中Song Han等人通过SRR环引入明模和暗模(见HanS,Singh R,Cong L,et al.Engineering the fano resonance and electromagneticallyinduced transparency in near-field coupled bright and dark metamaterial[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2015,48(3):035104.)，产生电磁诱导透明效应来实现窄通带内高群时延，其优点是便于小型化集成设计，但是存在通带带宽和群时延量成反比的问题，在一定程度上限制了电磁诱导透明理论与技术在宽带系统中的应用推广。为此Chihhui Wu等人曾提出采用多层多谐振结构单元级联的方式(见Wu C,KhanikaevA B,Shvets G.Broadband slow light metamaterial based on a double-continuumFano resonance[J].Physical Review Letters,2011,106(10):107403.)来解决通带带宽与群时延量成反比的问题，只是这样却导致了结构尺寸庞大难以集成的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于电磁诱导透明的群时延调控器，在缓和通带带宽与群时延量成反比的矛盾前提下，实现紧凑、便于集成、调控范围大的性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于电磁诱导透明的群时延调控器，包括标准矩形波导的上腔体、下腔体、插入到标准矩形波导上腔体和下腔体之间的介质基板、用于介质基板定位固定的两个销钉以及用于标准矩形波导的上腔体、下腔体定位固定的四个螺丝；所述介质基板正面的金属微带结构有倒L形谐振单元、反L形谐振单元、两排金属化接地通孔以及两个销钉孔，介质基板背面的金属微带结构有矩形金属环、两排金属化接地通孔以及两个销钉孔。
通过调节矩形金属环和两个L形谐振结构的结构尺寸，使其在某一频带内产生强的相互作用进而生成电感应透明窗、磁感应透明窗以及Fano效应透明窗的三个通带窗口，即形成电磁诱导透明效应；在该效应产生的三个通带窗口中可以得到三个大小不同的群时延峰值，实现群时延调控。其具体设计为，合理设计矩形金属环和两个L形谐振结构的尺寸大小，使得调节电感应透明窗、磁感应透明窗以及Fano效应透明窗的三个通带窗口的位置，即使得大小不同的群时延峰值按照特定的顺序分布，实现群时延调控。
本发明采用了在具有低损耗的标准金属矩形波导，由上下腔体和构成，在其E面插入介质基板，介质基板背面的矩形金属环结构产生一个被称低Q模的本征模，该模式由矩形金属环与外部输入场的耦合效应产生，产生较强烈的吸收，即在标准矩形波导可内产生一个较宽的阻带，在相同的谐振频点上，矩形金属环的高度越大时品质因数越低，因此在本发明设计中应选择阻带的品质因数较低为好。介质基板正面的两个L形谐振结构和介质基板背面的矩形金属环相互作用，在有输入场的情况下产生了电谐振和磁谐振，它们分别对应具有较高的品质因数的电感应透明通带和磁感应透明通带，同时两个不对称的L形结构在有输入场的情况下产生了Fano效应，合理设计矩形金属环和两个L形谐振结构的尺寸，我们就可以得到符合要求的群时延调控器。
本发明的优点和有益效果:
(1)本发明采用电磁诱导透明的概念设计群时延调控器，其具有紧凑、便于集成、调控范围大等优良性能。
(2)本发明采用矩形金属环以及两个L形谐振结构，其结构简单，设计灵活方便，且易于设计。
(3)本发明采用在低Q“明模”中引入两个高Q“暗模”的方法来实现窄通带内的高群时延，缓和了通带带宽和群时延量之间的矛盾。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。
附图说明
图1是本发明提供的基于电磁诱导透明的群时延调控器的结构三维示意图。
图2是本发明提供的基于电磁诱导透明的群时延调控器的基板正面结构示意图。
图3是本发明提供的基于电磁诱导透明的群时延调控器的基板背面结构示意图。
图4是本发明提供的基于电磁诱导透明的群时延调控器在ka波段的群时延仿真及测试效果图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，一种基于电磁诱导透明的群时延调控器，包括构成标准矩形波导的上腔体1、下腔体2、插入到标准矩形波导上腔体1和下腔体2之间的介质基板3、用于介质基板3定位固定的两个销钉4以及用于标准矩形波导的上腔体1、下腔体2定位固定的四个螺丝5；所述介质基板3正面的金属微带结构有倒L形谐振单元31、反L形谐振单元32、两排金属化接地通孔35以及两个销钉孔34，介质基板3背面的金属微带结构有矩形金属环31、两排金属化接地通孔35以及两个销钉孔34。
介质基板3正面的倒L形谐振单元31以及反L形谐振单元32和介质基板背面的矩形金属环33相互作用，在有输入场的情况下产生了电谐振和磁谐振，同时两个不对称的倒L形谐振单元31和反L形谐振单元32在有输入场的情况下产生了Fano效应。
通过调节倒L形谐振单元31以及反L形谐振单元32和矩形金属环33 的结构尺寸，使得调节电感应透明窗、磁感应透明窗以及Fano效应透明窗的三个通带窗口的位置，即使得大小不同的群时延峰值按照特定的顺序分布，实现群时延调控。
作为一个实例，一种基于电磁诱导透明的群时延调控器被设计、加工、实验。标准矩形波导为工作于Ka波段的WR-28(7.112mm*3.556mm)，仿真设计中选用的介质基板为Rogers RT/duroid 5880其介电常数为2.2，厚度0.254mm，损耗角正切为0.0009，其中介质基板3上的电路结构尺寸分别为，介质基板3正面的倒L形谐振结构31的高度为3mm，宽度为0.8mm，反L形谐振结构32的高度为3mm，宽度为0.79mm，介质基板3背面的矩形金属环的高度为3.256mm，宽度为2mm，所有金属条带的宽度均为0.2mm。图4给出了本实例中群时延调控器在Ka波段的群时延仿真及测试结果，三个群时延峰值呈凹形分布，且仿真及测试结果基本吻合。
进一步，通过调节倒L形谐振单元31以及反L形谐振单元32和矩形金属环33的结构尺寸，可以改变三个群时延峰值的相对位置，得到更多类型的群时延分布。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于电磁诱导透明的群时延调控器，包括构成标准矩形波导的上腔体(1)、下腔体(2)、插入到标准矩形波导上腔体(1)和下腔体(2)之间的介质基板(3)、用于介质基板(3)定位固定的两个销钉(4)以及用于标准矩形波导的上腔体(1)、下腔体(2)定位固定的四个螺丝(5)，其特征在于：所述介质基板(3)的正面和背面均具有金属微带结构，介质基板(3)正面的金属微带结构包括印制在介质基板(3)上的第一谐振结构单元(31)和第二谐振结构单元(32)；介质基板(3)背面的金属微带结构包括印制在介质基板(3)上的第三谐振结构单元(33)；所述的第一谐振结构单元(31)、第二谐振结构单元(32)以及第三谐振结构单元(33)呈同心分布，在介质基板(3)的左右两侧有两个用于定位固定的销钉孔(34)；所述的标准矩形波导下腔体(2)中央有一个放置介质基板的凹型槽(21)以及两个销钉孔(22)，介质基板(3)通过两个销钉(4)固定在标准矩形波导上腔体(1)和下腔体(2)的中央；所述的标准矩形波导上腔体(1)和下腔体(2)四周有四个螺丝孔(11)，通过四个螺丝(5)将标准矩形波导上腔体(1)和下腔体(2)固定在一起。
2.根据权利要求1所述的基于电磁诱导透明的群时延调控器，其特征在于：所述第一谐振结构单元(31)由印制在介质基板(3)正面的倒L形金属条构成；所述的第二谐振结构单元(32)由印制在介质基板(3)正面的反L形金属条构成；所述的第三谐振结构单元(33)由印制在介质基板(3)背面的矩形金属环构成；所述的介质基板(3)左右两侧有两排接地通孔(35)，其直径相同。
3.根据权利要求1所述的基于电磁诱导透明的群时延调控器，其特征在于：通过调节介质基板(3)正面上的第一谐振结构单元(31)和第二谐振结构单元(32)以及介质基板(3)背面上的第三谐振结构单元(33)的结构尺寸，使其在某一频带内产生强的相互作用进而生成电感应透明窗、磁感应透明窗以及Fano效应透明窗的三个通带窗口，即形成电磁诱导透明效应；在该效应产生的三个通带窗口中可以得到三个大小不同的群时延峰值，实现群时延调控。
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