CN110137650A - 波导装置及信号传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导装置，包括具有弯折部分的矩形波导，矩形波导包括导波腔；各向异性材料，至少设置在弯折部分对应的导波腔中，且各向异性材料的表面与导波腔的腔壁贴合；其中，在被传导波的传播方向上，弯折部分与各向异性材料形成的结构的等效折射率处于零折射率材料折射率的预设范围内。上述波导装置，在被传导波的传播方向上，弯折部分与各向异性材料形成的结构可以被等效成零折射率材料，进而使得电磁波在所述弯折部分中传播时也能具有高透射率并保持波阵面平整。本发明还涉及一种信号传输装置。

Description

波导装置及信号传输装置

技术领域

本发明涉及波导技术领域，特别是涉及一种波导装置及具有该波导装置的信号传输装置。

背景技术

波导是一种能够引导电磁波定向传输的装置，常见的波导类型有平板波导、矩形波导和圆波导。其中矩形波导在微波和太赫兹频段有着广泛的应用，例如当电磁波在直矩形波导中传播时通常可以有接近100％的透射。

然而，当波导存在较多弯折时，会使电磁波的透射率降低，甚至还会在电磁波传播过程中将电磁波的波阵面扭曲，大大影响电磁波的透射效果。

发明内容

基于此，有必要针对具有弯曲角度的波导电磁波透射率低、波阵面不平整的问题，提供一种改进的波导装置。

一种波导装置，包括：

具有弯折部分的矩形波导，所述矩形波导开设有导波腔，所述导波腔贯穿所述矩形波导；以及，

各向异性材料，至少设置在所述弯折部分对应的导波腔中，且所述各向异性材料的表面与所述导波腔的腔壁贴合；

其中，在被传导波的传播方向上，所述弯折部分与所述各向异性材料形成的结构的等效折射率处于零折射率材料折射率的预设范围内。

上述波导装置，在被传导波的传播方向上，所述弯折部分与所述各向异性材料形成的结构可以被等效成零折射率材料，进而使得电磁波在所述弯折部分中传播时，也能具有高透射率并保持波阵面平整。

在其中一个实施例中，所述零折射率材料折射率的预设范围为-0.1～0.1。

在其中一个实施例中，所述矩形波导的导波截面为长度为a宽度为b的矩形；

所述各向异性材料为非磁性材料，且在所述被传导波的传播方向上，所述各向异性材料的折射率n_r，由所述弯折部分与所述各向异性材料形成的结构的等效折射率n_eff确定：

其中，表示所述被传导波在真空中的波数，f表示所述被传导波的频率，c表示所述被传导波在真空中的速度，m表示所述被传导波在所述导波截面长度方向上的半周期数，n表示所述被传导波在所述导波截面宽度方向上的半周期数。

在其中一个实施例中，所述各向异性材料包括复合材料，在所述被传导波的传播方向上，所述复合材料具有与折射率n_r相同的等效折射率。

在其中一个实施例中，所述复合材料由至少两种具有不同介电常数的非金属材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元周期排列形成。

在其中一个实施例中，所述复合材料由具有不同介电常数的A材料和B材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元AB的形式周期排列形成。

在其中一个实施例中，在所述被传导波的传播方向上，所述最小重复单元的长度小于等于所述被传导波的波长的1/6。

在其中一个实施例中，至少在一个相邻两所述具有不同介电常数的材料的接触面上设置有金属线，所述金属线与所述导波腔的腔壁垂直接触。

在其中一个实施例中，所述金属线的半径小于等于所述被传导波的波长的1/50。

在其中一个实施例中，所述弯折部分具有一弯折角度，所述弯折角度的范围为0～360°。

本发明还提供一种信号传输装置。

一种信号传输装置，具有如前所述的波导装置，所述波导装置的一端连接有对接信号输入的第一组件，另一端连接有对接信号输出的第二组件。

上述信号传输装置，信号可以高效且完整的经所述波导装置传输，进而保证通信质量。

在其中一个实施例中，所述第一组件连接有至少两组所述波导装置，每一所述波导装置远离所述第一组件的一端均连接有所述第二组件。

附图说明

图1为本发明一实施例波导装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例沿x方向截取的截面示意图；

图3为平面波在图2所述实施例的工作频率下传输时的电磁场示意图；

图4为平面波在另一实施例波导装置的工作频率下传输时的电磁场示意图；

图5为平面波在一实施例的信号传输装置中传输时的电磁场示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

零折射率材料，即材料的相对介电常数和/或相对磁导率接近零，从而使得该材料的折射率接近零。根据相速度公式，c表示光速，n表示材料的折射率，可知波在零折射率材料中的相速度趋近于无穷大，从而表现出许多独特的特征，例如电磁波隧穿效应，光场增强效应，高透射率的指向传播效应等。

矩形波导，即矩形截面的金属波导，包括一导波腔，该导波腔贯穿矩形波导，横电波和/或横磁波在该导波腔中传输。在矩形波导理论中，横电波指仅在垂直于波的传播方向的平面内有电场的电磁波，横磁波指仅在垂直于波的传播方向的平面内有磁场的电磁波，横电波使用TE_mn波表示，其中，m、n分别表示电磁波在矩形波导导波截面的长度方向上和宽度方向上的半周期数，横磁波使用TM_mn波表示，此处的导波截面是指导波腔垂直于电磁波传播方向的截面。横电波和横磁波在波导中传播时，传播速度随自身的频率变化，表现出色散特性。

传统技术中，弯波导常用的构造方法包括：(1)利用光子晶体的带隙，通过在光子晶体中构建一条弯曲的缺陷来传导电磁波；(2)通过现有工艺制作具有一定弯折角度的矩形波导。虽然这两种方法都可以较好地实现具有高透射率的弯波导，但是这两种方法都有一定的局限性，比如第一种方法难以集成到金属波导器件内，而第二种方法对于保证电磁波较高的透射率以及较为平整的波阵面所需要的工艺较为复杂，对波导内表面的要求也较高，从而增加了制作成本。除此之外，第二种方法对于波导只能进行简单弯折，适用环境受限。

如图1所示，本申请实施例提供一种波导装置100，可以用于传导横电波，包括矩形波导10以及设置在矩形波导10的导波腔102中的各向异性材料11。另外，为简化叙述，本申请中的折射率和介电常数均指材料的相对折射率和相对介电常数。

矩形波导10具有弯折部分101，以图1所示为例，本实施例的弯折部分101具有一弯折角度，弯折角度的范围可以是0～360°。根据实际需求，弯折部分101的弯折形式可以有多种，如曲线弯折、折线弯折或是大角度弯折等，可以理解的是，曲线弯折和折线弯折的各拐角处的弯折角度也可以不同。特别地，对于螺旋线弯折的情况，本申请也同样适用，此时，其弯折角度为360°。本实施例采用大角度弯折为例进行说明。

各向异性材料11的表面与导波腔102的腔壁贴合。具体的，矩形波导10内部可以部分或全部填充各向异性材料11，即至少保证弯折部分101对应的导波腔中填充有各向异性材料11。根据实际需求，各向异性材料11可以是复合材料，如电介质光子晶体，电介质光子晶体在低频且尺寸小于被传导波波长的情况下，能够等效成一种各向异性材料；当然，也可以是单个的各向异性材料。

在被传导波的传播方向上(图1实线箭头所示)，至少弯折部分101与各向异性材料11形成的结构的等效折射率n_eff处于零折射率材料折射率的预设范围内。传统的零折射率材料理论中，若材料的折射率处于一预设范围时，表现出零折射率材料的特性，便可将该材料称为零折射率材料，该预设范围优选为-0.1～0.1。

使用该波导装置100来传导横电波时，根据零折射率材料的性质，电磁波在弯折部分101处也具有高透射率，而且电磁波的波阵面也较为平整。除此之外，该波导装置100的弯折形式多样，适用范围广，且结构简单易制备，可以与其他波导器件直接集成。

根据本发明的一些实施例，利用该波导装置100传导横电波(即TE_mn波)时，根据矩形波导的色散关系，可以将矩形波导10和各向异性材料11形成的结构等效成一个电介质材料，该电介质材料具有等效折射率其中，n_r表示各向异性材料11在被传导波传播方向上的折射率，各向异性材料11为非磁性材料(即磁导率μ＝1)，表示所述横电波在真空中的波数，c表示所述横电波在真空中的速度，a表示矩形波导的导波截面的长度，b表示矩形波导的导波截面的宽度。

因此，可以通过调整n_r，即选取合适的各向异性材料11，使得至少弯折部分101与各向异性材料11形成的结构的等效折射率n_eff处于零折射率材料折射率的预设范围内，该部分结构对应于被传导波的频率表现出零折射率材料的特性，从而制备出具有高透射率且透射波波阵面平整的弯波导。

另一实施例中，对于已选定的各向异性材料11，还可以通过改变导波截面的长度a和宽度b来对制备的波导装置100的工作频率进行调整。

根据本发明的一些实施例，各向异性材料11可以是复合材料，在所述被传导波的传播方向上，所述复合材料具有与折射率n_r相同的等效折射率。由于自然界中单个的各向异性材料的种类较少，因此，对于具有特定折射率的各向异性材料，技术人员往往选择采用复合材料来进行人工制备。

进一步地，复合材料由至少两种具有不同介电常数的非金属材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元周期排列形成。

本实施例中，以图2所示为例，复合材料由具有不同介电常数的A材料和B材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元AB(即110)的形式周期排列形成，构成具有ABABABAB…结构的复合材料，该复合材料填入在弯折部分101处且其表面与导波腔102的腔壁贴合。需要指出的是，本实施例仅以AB结构为例，并不限制最小重复单元的具体形式。

在被传导波的传播方向上，最小重复单元AB的长度小于被传导波的波长，从而根据复合材料的有效介质理论，可以推知该复合材料的介电常数是各向异性的，具体表达式为介电常数ε_y'、ε_x‘和ε_z’分别表示复合材料在y方向、x方向和z方向上的等效介电常数，y方向表示被传导波的传播方向，x方向表示与金属平板平行的方向，z方向表示与金属平板垂直的方向。

具体的，复合材料在x方向、y方向和z方向介电常数表示为：

其中ε_A表示A材料的介电常数，ε_B表示B材料的介电常数，d_A表示A材料在被传导波传播方向上的长度，d_B表示B材料在被传导波传播方向上的长度，l＝d_A+d_B表示最小重复单元AB的长度。对于非磁性材料，其折射率n与自身的介电常数ε满足因此，通过调整复合材料的d_A、d_B、ε_A和ε_B便能使复合材料在被传导波传播方向上的折射率与所需的折射率n_r相同或相近，从而制备出具有高透射率且透射波波阵面平整的弯波导。

进一步地，在被传导波的传播方向上，最小重复单元110的长度l小于等于被传导波的波长的1/6，以更好的满足复合材料的有效介质理论，找到效果较好的最小重复单元110的参数值。此处的1/6是一预设范围，最小重复单元110的长度l越小，复合材料的有效介质的等效效果越好。

进一步地，如图2所示，至少在一个相邻两具有不同介电常数的材料的接触面上设置有金属线12，金属线12与导波腔102的腔壁垂直接触。以TE₀₁波入射为例，此时金属线12需与垂直于z方向的导波腔102的腔壁垂直接触，以消去z方向的电场分量。根据实际需求，并不必须在每一接触面上均设置金属线12，只需达到消去z方向的电场分量的目的即可。

进一步地，金属线12的半径小于被传导波的波长的1/50。同样此处的1/50也是一预设范围，金属线12的半径越小，对复合材料的有效介质等效造成的误差也越小。

以图2所示结构为例，TE₀₁波作为入射波，使其自x方向入射后沿y方向出射，传播方向由虚线箭头示出，波导装置100的具体制备过程如下：

首先取导波截面的宽度(即z方向上导波腔102的两腔壁间的垂直距离)b＝50cm，同时选择一个归一化的频率来替代被传导波的频率。本实施例中为更好的满足复合材料的有效介质理论，将归一化的频率f'选为一个较低的数值，取f'＝0.0585，另取最小重复单元长度l＝10cm，推算得到ε_x'＝ε_z'＝3.5，ε'_y＝2.86。通过调整复合材料的结构参数和介电常数，得到能够实现该目标的一组参数为ε_A＝5，ε_B＝2，d_A＝5cm以及d_B＝5cm。

技术人员使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对上述结构进行模拟，将平面波自波导装置100的一端以TE₀₁模式入射，波导装置100的入射端和出射端分别填充有介电常数为3.5的各向同性材料，金属线12的半径取1cm。如图3所示，虚线箭头表示平面波的传播方向，明暗部分表示z方向磁场的传播相位变化，明亮部分表示波峰，深暗部分表示波谷，可以看到，由于传播方向上即传播方向上，波导装置100弯折处的折射率满足零折射率材料的预设范围，从而TE₀₁波在弯折部分101中传播时，仍能保持较高的透射并保持波阵面平整。

另一实施例中，如图4所示，还可以将弯折部分设计成折线弯折的形式，从而使平被传导波的传播方向不发生改变。技术人员将上述复合材料置于具有折线弯折部分201的矩形波导20中，得到波导装置200，并以TE₀₁波作为入射波入射进导波腔202，使TE₀₁波自y方向入射后仍旧沿y方向出射，其传播方向由虚线箭头示出。利用前述仿真软件对波导装置200进行模拟，被传导波的归一化频率微调为f'＝0.0593，此时传播方向上从而TE₀₁波在该折线弯折的波导中传播时，也能保持较高的透射并保持波阵面的平整。

参见图5，本发明实施例还提供一种信号传输装置300，具有如前文所述的波导装置100，波导装置100的一端连接有对接信号输入的第一组件30，以及对接信号输出的第二组件31。图中的模拟条件与前文所述的大角度弯折的波导装置100的相同，在此不再赘述，其中虚线箭头表示信号的传播方向。

从对上述信号传输装置模拟可知，在其归一化工作频率f'＝0.0585下，信号可以高效且完整的经波导装置300传输，进而保证通信质量。

根据本发明的一个实施例，第一组件30连接有至少两组波导装置100，每一波导装置远离所述第一组件的一端均连接有第二组件31。如此设置可以使信号高效且完整的传输至多个设备，方便了信号的多位置传送、接收以及处理。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种波导装置，其特征在于，包括：

具有弯折部分的矩形波导，所述矩形波导开设有导波腔，所述导波腔贯穿所述矩形波导；以及，

各向异性材料，至少设置在所述弯折部分对应的导波腔中，且所述各向异性材料的表面与所述导波腔的腔壁贴合；

其中，在被传导波的传播方向上，所述弯折部分与所述各向异性材料形成的结构的等效折射率处于零折射率材料折射率的预设范围内。

2.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述零折射率材料折射率的预设范围为-0.1～0.1。

3.根据权利要求1或2所述的波导装置，其特征在于，

所述矩形波导的导波截面为长度为a宽度为b的矩形；

所述各向异性材料为非磁性材料，且在所述被传导波的传播方向上，所述各向异性材料的折射率n_r由所述弯折部分与所述各向异性材料形成的结构的等效折射率n_eff确定：

其中，表示所述被传导波在真空中的波数，f表示所述被传导波的频率，c表示所述被传导波在真空中的速度，m表示所述被传导波在所述导波截面长度方向上的半周期数，n表示所述被传导波在所述导波截面宽度方向上的半周期数。

4.根据权利要求3所述的波导装置，其特征在于，所述各向异性材料包括复合材料，在所述被传导波的传播方向上，所述复合材料具有与折射率n_r相同的等效折射率。

5.根据权利要求4所述的波导装置，其特征在于，所述复合材料由至少两种具有不同介电常数的非金属材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元周期排列形成。

6.根据权利要求5所述的波导装置，其特征在于，所述复合材料由具有不同介电常数的A材料和B材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元AB的形式周期排列形成。

7.根据权利要求5或6所述的波导装置，其特征在于，在所述被传导波的传播方向上，所述最小重复单元的长度小于等于所述被传导波的波长的1/6。

8.根据权利要求5或6所述的波导装置，其特征在于，至少在一个相邻两所述具有不同介电常数的材料的接触面上设置有金属线，所述金属线与所述导波腔的腔壁垂直接触。

9.根据权利要求8所述的波导装置，其特征在于，所述金属线的半径小于等于所述被传导波的波长的1/50。

10.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述弯折部分具有一弯折角度，所述弯折角度的范围为0～360°。

11.一种信号传输装置，其特征在于，具有如权利要求1-10任一项所述的波导装置，所述波导装置的一端连接有对接信号输入的第一组件，另一端连接有对接信号输出的第二组件。

12.根据权利要求11所述的信号传输装置，其特征在于，所述第一组件连接有至少两组所述波导装置，每一所述波导装置远离所述第一组件的一端均连接有所述第二组件。