CN110809356B - 一种等离子体太赫兹波导生成装置 - Google Patents

一种等离子体太赫兹波导生成装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体太赫兹波导生成装置，包括微控制器、人机交互模块、供电电源、高压脉冲电源、地电极、介质板以及高压脉冲支路，介质板上设有贯穿整个介质板的微通孔阵列，一条高压脉冲支路对应一个微通孔，每条高压脉冲支路包括一个电阻、一个高压固态开关、一个驱动模块和一个针电极，每个针电极从介质板的上表面插入对应的微通孔内，且针电极的外表面与微通孔的内表面紧密贴合，地电极紧密贴合在介质板的下表面，通过针电极和地电极将微通孔阵列的两端密封，每个微通孔内含有工作气体。本发明能够实现光子晶体带隙特征的“电控式”调节，且具有动态响应快、可重构和调节频带宽的特点。

Description

一种等离子体太赫兹波导生成装置
技术领域
本发明属于太赫兹技术、放电等离子体技术领域，特别涉及了等离子体太赫兹波导技术。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为30～3000μm,1THz＝1012Hz)范围内的电磁波。THz技术被广泛应用于生物分子识别、材料诊断、天文观测、大气与环境监测、无线通信、国家安全与反恐等多个重要领域。在THz应用系统中,太赫兹波的传输通道—波导是不可或缺的关键部分。
光子晶体是含周期排列的人工微结构，具有光子禁带和光子局域的特性，能够用于制作太赫兹波导。在光子晶体的光子禁带中，频率落入禁带范围内的电磁波无法在光子晶体内传播。然而，若在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，则会在光子禁带中产生窄通带。因此，通过在光子晶体中引入线缺陷的方式可以用来制作基于光子晶体的太赫兹波导，即与缺陷模相应频率的电磁波在线缺陷中具有高透过率，而远离线缺陷就会迅速衰减。现有太赫兹波导大多以空气或金属等作为缺陷介质，结构固定、仅能实现一种波导形式、工作频段狭窄，通用性较差，具有较大的局限性。
以下是3种现有的基于光子晶体的毫米波波导技术。
(1)基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，见中国专利申请1(公开号CN107908021A)，本发明实施例公开了一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器。该环行器包括一个T字型光子晶体波导，所述T字型光子晶体波导中心设置有一个第一磁光介质柱，所述T字型光子晶体波导的两个拐角处分别设置有第二磁光介质柱，所述第一磁光介质柱的形状和所述第二磁光介质柱的形状相同，以及所述第一磁光介质柱的横截面积大于所述第二磁光介质圆柱的横截面积。本发明实施例通过在T字型光子晶体波导中心及两个拐角处分别设置第一磁光介质柱和第二磁光介质柱，利用磁光介质柱的法拉第旋转效应，得到一种隔离度更高、插入损耗更小的便于集成的T字型光子晶体环行器。该专利申请的不足之处在于使用的介质为氧化铝陶瓷和镍-锌铁氧体，其介电常数等参数均固定不变，仅可在3cm波长的X波段工作，而且结构无法重构，仅能实现T字型的一种波导形式。
(2)一种基于光子晶体波导的毫米波与太赫兹波阻抗调配器，见中国专利申请2(公开号CN107240750A)，本发明属于无线通信技术领域，提供一种基于光子晶体波导的毫米波与太赫兹波阻抗调配器，用以实现毫米波与太赫兹波系统的传输匹配。本发明阻抗调配器由光子晶体波导和调节金属柱组成，光子晶体波导由两块金属板及固定连接于两块金属板之间的若干个固定金属柱构成，光子晶体波导沿中线预留缺陷结构，固定金属柱对称分布于缺陷结构两侧，金属板沿缺陷结构两侧还对称设置有若干个通孔，调节金属柱通过通孔贯通于管子晶体波导内、与金属板形成活动连接，同时，调节金属柱与固定金属柱共同形成阵列分布。本发明通过调节金属柱实现调配器中不同数量和排列方式的金属柱，形成若干种阻抗匹配。该专利的不足之处在于金属柱需通过机械装置插入或拔出光子晶体结构，响应速度慢，无法进行连续调节，操作复杂，仅能实现直线型波导。
(3)产生连续可调谐缺陷模的等离子体光子晶体的装置及方法，见中国专利申请3(公开号CN106028614A)，本发明涉及一种产生连续可调谐缺陷模的等离子体光子晶体的装置，包括放电电源、框架、安装在框架上的氧化铝陶瓷棒阵列和等离子体放电管，框架包括上下平行设置的两个第一有机玻璃板以及连接两个第一有机玻璃板的多个支撑管，氧化铝陶瓷棒阵列和等离子体放电管均穿过两个第一有机玻璃板，等离子体放电管位于所述氧化铝陶瓷棒阵列之间，等离子体放电管与放电电源相连接。该专利的等离子体放电管壁厚为1mm、外径为12mm、长度为250mm，其中充入压强为650Pa、纯度99.99％的氩气，在放电电压为20-30kV之间时，等离子体密度变化范围为1011cm-3-9×1011cm-3该专利的不足之处在于只有一个等离子体缺陷，工作模式和范围固定，仅能实现谐振频率在7.7GHZ-8.5GHz、禁带宽度在7.2GHz-10.5GHz的滤波功能。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种等离子体太赫兹波导生成装置。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：包括微控制器、人机交互模块、供电电源、高压脉冲电源、地电极、介质板以及N条高压脉冲支路，介质板上设有贯穿整个介质板的微通孔阵列，微通孔的数量为N，一条高压脉冲支路对应一个微通孔，每条高压脉冲支路包括一个电阻、一个高压固态开关、一个驱动模块和一个针电极，每个针电极从介质板的上表面插入对应的微通孔内，且针电极的外表面与微通孔的内表面紧密贴合，地电极紧密贴合在介质板的下表面，且地电极电气连接至高压脉冲电源的接地端，通过针电极和地电极将微通孔阵列的两端密封，每个微通孔内含有工作气体，在一条高压脉冲支路中，针电极经依次串联的高压固态开关和电阻与高压脉冲电源的输出端电气连接，且高压固态开关的控制端通过屏蔽线与驱动模块的输出端电气连接，各驱动模块的输入端、高压脉冲电源的控制端和人机交互模块的输出端分别与微控制器的I/O口电气连接，微控制器和各驱动模块的供电端分别与供电电源的输出端电气连接；根据太赫兹波导模式要求，在人机交互模块上选择需要导通的高压开关，人机交互模块输出相应触发信号至微控制器，微控制器输出对应的开通和关断信号给相应的驱动模块，从而控制对应的高压固态开关进行开通和关断动作，当高压固态开关导通时，对应的针电极上施加了高压脉冲，使微通孔内的工作气体放电产生微等离子体，同时太赫兹波从介质板的一侧入射，从而在等离子体光子晶体中形成特定的太赫兹线缺陷；通过人机交互模块输出不同触发信号，实现不同太赫兹波导的快速切换；通过调节高压脉冲电源参数和/或改变工作气体，能够改变微等离子体的特征物理参数，从而对等离子体光子晶体的带隙特征进行动态调控。
进一步地，所述高压脉冲电源的输出电压范围为0-20kV，且能够在该范围内连续可调，输出频率为1-50kHz，输出脉冲宽度为1-50μs，脉冲上升沿小于1μs。
进一步地，所述介质板的材料为玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯；介质板上微通孔的数量至少为9，呈矩形或梯形排列，微通孔的孔径为50-500μm，相邻微通孔的间距为200-2000μm，介质板的厚度为5-20mm。
进一步地，所述针电极的材料为不锈钢、铝或铜；针电极上位于微通孔之外的部分镀有绝缘层，绝缘层的材料为环氧树脂或聚四氟乙烯，采用磁控溅射法镀层，其厚度为20-100μm。
进一步地，所述地电极的材料为不锈钢、铝或铜，呈平板形状，厚度为1-5mm。
进一步地，所述工作气体为氦气、氖气或氩气，或者前述至少一种气体与其他单质气体的混合气体，气体的工作压强为1-100kPa。
进一步地，所述屏蔽线为射频屏蔽线，屏蔽线的编织层为红铜或镀锡铜，屏蔽线能够对1GHz范围内的电磁辐射具有20dB以上的衰减。
进一步地，所述电阻为高压无感电阻，阻值为0.1-10kΩ，功率为50-500W；所述高压固态开关为IGBT模块，其耐压值为15kV，最大允许电流有效值为20A以上，开通后关断时间小于2μs；所述驱动模块输出的驱动电压为±15V，驱动电流的幅值为100mA以上；所有电阻、高压固态开关和驱动模块设置在一块PCB板上。
进一步地，所述人机交互模块采用触摸电容屏。
进一步地，所述触摸电容屏上显示了介质板上的微通孔阵列，根据太赫兹波导模式要求，点击选中需要产生微等离子体的微通孔，从而生成对应的高压固态开关的触发信号。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明中等离子体的产生和物理特征参数不仅可被外部放电参数调控，而且它的等效介电系数可正可负，使得太赫兹波波导的带隙特征可调，且具有动态响应快、可重构和调节频带宽的特点；
(2)本发明中每个等离子体单元都电气连接高压固态开关，使得能够在光子晶体中引入任意排列的多种等离子体线缺陷，从而构成多种太赫兹波导模式并且可快速切换；
(3)本发明采用触摸电容屏输入，通过微控制器控制多个高压开关模块的开通与关断，具有波导模式直观可控、可任意重构的特点；
(4)本发明的针电极上覆盖了绝缘层，使得等离子体单元之间电耦合减弱，可控性更强；
(5)本发明采用的高压固态开关具有迅速开通与关断能力，使得等离子体单元产生与关闭的同时性较好；
(6)本发明采用具有快速上升沿的高压脉冲电源和微通孔结构，使得产生的等离子体具有高电子密度和较好的均匀性；
(7)本发明采用惰性工作气体和针电极结构，降低了微通孔内等离子体的击穿电压。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是实施例1中触摸显示屏的触发界面图；
图4是实施例1的结果仿真图；
图5是实施例2中4种触摸显示屏的触发界面图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
等离子体光子晶体是将等离子体当成是一种超材料，在光子晶体的缺陷处填充等离子体，形成特定的线缺陷，可构成太赫兹波导。等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。等离子体由分子、原子和带电粒子组合而成，且宏观上呈电中性的物质。在电极间施加高电压进行气体放电是产生低温等离子体的一种形式。由于这种低温等离子体的产生和物理特征参数不仅可被外部放电参数调控，而且它的等效介电系数可正可负，从而可实现等离子体光子晶体带隙特征的“电控式”调节，且具有动态响应快、可重构和调节频带宽的特点。
如图1-2所示，本发明设计了一种等离子体太赫兹波导生成装置，包括微控制器11、人机交互模块12、供电电源8、高压脉冲电源1、地电极6、介质板5以及N条高压脉冲支路。介质板5上设有贯穿整个介质板的微通孔阵列，微通孔的数量为N。一条高压脉冲支路对应一个微通孔，每条高压脉冲支路包括一个电阻2、一个高压固态开关3、一个驱动模块9和一个针电极4。每个针电极4从介质板5的上表面插入对应的微通孔内，且针电极4的外表面与微通孔的内表面紧密贴合，地电极6紧密贴合在介质板5的下表面，且地电极6电气连接至高压脉冲电源1的接地端，通过针电极4和地电极6将微通孔阵列的两端密封，每个微通孔内含有工作气体7。在一条高压脉冲支路中，针电极4经依次串联的高压固态开关3和电阻2与高压脉冲电源1的输出端电气连接，且高压固态开关3的控制端通过屏蔽线13与驱动模块9的输出端电气连接。各驱动模块9的输入端、高压脉冲电源1的控制端和人机交互模块12的输出端分别与微控制器11的I/O口电气连接。微控制器11和各驱动模块9的供电端分别与供电电源8的输出端电气连接。
所有电阻、高压固态开关和驱动模块设置在一块PCB板10上。
上述装置的工作过程：根据太赫兹波导模式要求，在人机交互模块上选择需要导通的高压开关，人机交互模块输出相应触发信号至微控制器，微控制器输出对应的开通和关断信号给相应的驱动模块，从而控制对应的高压固态开关进行开通和关断动作，当高压固态开关导通时，对应的针电极上施加了高压脉冲，使微通孔内的工作气体放电产生微等离子体，同时太赫兹波从介质板的一侧入射，从而在等离子体光子晶体中形成特定的太赫兹线缺陷。通过调节高压脉冲电源参数与工作气体能够改变微等离子体的特征物理参数，从而可对等离子体光子晶体的带隙特征进行动态调控；通过选择高压开关开通的排列方式可构成不同类型的线缺陷，从而能够实现多种太赫兹波导及其快速切换。
优选地，所述高压脉冲电源的输出电压范围为0-20kV，且能够在该范围内连续可调，输出频率为1-50kHz，输出脉冲宽度为1-50μs，脉冲上升沿小于1μs。高压脉冲电源提供能够用于产生等离子体的高电压。与直流电源和交流电源相比，高压脉冲电源具有快速脉冲上升沿，有利于增强放电同步性和等离子体均匀性，并且多参数灵活可调，方便宽范围调节等离子体的特征物理参数。
优选地，所述介质板的材料为玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯；介质板上微通孔的数量至少为9，呈矩形或梯形排列，微通孔的孔径为50-500μm，相邻微通孔的间距为200-2000μm，介质板的厚度为5-20mm。含微通孔阵列的介质板不仅是光子晶体，而且为等离子体的产生提供通道。
优选地，所述针电极的材料为不锈钢、铝或铜；针电极上位于微通孔之外的部分镀有绝缘层，绝缘层的材料为环氧树脂或聚四氟乙烯，采用磁控溅射法镀层，其厚度为20-100μm。针电极尖端的局部电场高，有益于降低微通道内放电等离子体的击穿电压，在针体上镀绝缘层以避免针电极之间因距离过近而产生不必要的击穿现象。
优选地，所述地电极的材料为不锈钢、铝或铜，呈平板形状，厚度为1-5mm。
优选地，所述工作气体为氦气、氖气或氩气，或者前述至少一种气体与其他单质气体的混合气体，气体的工作压强为1-100kPa，有益于降低击穿电压，并产生较均匀的等离子体。
优选地，所述屏蔽线为射频屏蔽线，屏蔽线的编织层为红铜或镀锡铜，屏蔽线能够对1GHz范围内的电磁辐射具有20dB以上的衰减。该屏蔽线用于连接驱动模块与高压固态开关，对脉冲电源及放电产生的强电磁干扰进行有效屏蔽，保障低压的驱动信号能够准确传输至高压固态开关的驱动输入端。
优选地，所述电阻为高压无感电阻，阻值为0.1-10kΩ，功率为50-500W，用于限制电流大小，保护电源和等离子体装置，延长使用寿命。所述高压固态开关为IGBT模块，其耐压值为15kV，最大允许电流有效值为20A以上，开通后关断时间小于2μs。所述驱动模块输出的驱动电压为±15V，驱动电流的幅值为100mA以上。
优选地，所述人机交互模块采用触摸电容屏。触摸电容屏上显示了介质板上的微通孔阵列，根据太赫兹波导模式要求，点击选中需要产生微等离子体的微通孔，从而生成对应的高压固态开关的触发信号。
实施例1
在本实施例中，高压脉冲电源的参数为电压0-20kV、频率1-30kHz、输出脉冲宽度为5μs，脉冲上升沿为小于1μs。电阻、高压固态开关、驱动模块、针电极、微通孔的数量均为25。电阻的参数为1kΩ/1000W；高压固态开关的耐压值为20kV，最大允许电流有效值为20A，开通与关断时间为1μs；针电极的材料为铜，针体上除插入介质板通孔内的部分外有绝缘镀层，绝缘层材料为环氧树脂，厚度为60μm；介质板的尺寸为长6mm×宽6mm×厚5mm，中央有5×5个通孔，通孔直径为300μm，孔间距为500μm；地电极的尺寸为长5mm×宽5mm×厚1mm，材料为铜；工作气体7为氦气。
在本实施例中，在触摸电容屏上选择5×5阵列的第三行进行点击选中，如图3所示。当改变电极电压时，通孔内等离子体的电子密度会发生变化，从而引起波导的工作频段发生变化。电压为12-20kV范围时，电子密度ne范围在1015cm-3-1016cm-3之间，等离子体光子晶体的太赫兹通带变化如图4所示，当电子密度增加时，中心频率向高频移动，调节范围从0.75THz到1.02THz，调节率为36％，同时窄通带的半高宽基本不变，为8GHz左右。
实施例2
在本实施中，高压脉冲电源的参数为电压0-20kV、频率1-50kHz、输出脉冲宽度为1-50μs，脉冲上升沿为小于1μs。电阻、高压固态开关、驱动模块、针电极、微通孔的数量均为70。电阻的参数为5kΩ/500W；高压固态开关的耐压值为20kV，最大允许电流有效值为20A，开通与关断时间为1μs；针电极的材料为铜，针体上除插入介质板通孔内的部分外有绝缘镀层，绝缘层材料为环氧树脂，厚度为30μm；介质板的尺寸为长5mm×宽6mm×厚5mm，中央有7×10个通孔，通孔直径为100μm，孔间距为200μm；地电极的尺寸为长5mm×宽5mm×厚1mm，材料为铜；工作气体7为氦气。
在本实施例中，如图5中的(a)-(d)所示的4种触摸电容屏选中的微通孔，依次对应形成直线型波导、直角型波导、45°型波导以及直角和45为混合型波导。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：包括微控制器、人机交互模块、供电电源、高压脉冲电源、地电极、介质板以及N条高压脉冲支路，介质板上设有贯穿整个介质板的微通孔阵列，微通孔的数量为N，一条高压脉冲支路对应一个微通孔，每条高压脉冲支路包括一个电阻、一个高压固态开关、一个驱动模块和一个针电极，每个针电极从介质板的上表面插入对应的微通孔内，且针电极的外表面与微通孔的内表面紧密贴合，地电极紧密贴合在介质板的下表面，且地电极电气连接至高压脉冲电源的接地端，通过针电极和地电极将微通孔阵列的两端密封，每个微通孔内含有工作气体，在一条高压脉冲支路中，针电极经依次串联的高压固态开关和电阻与高压脉冲电源的输出端电气连接，且高压固态开关的控制端通过屏蔽线与驱动模块的输出端电气连接，各驱动模块的输入端、高压脉冲电源的控制端和人机交互模块的输出端分别与微控制器的I/O口电气连接，微控制器和各驱动模块的供电端分别与供电电源的输出端电气连接；根据太赫兹波导模式要求，在人机交互模块上选择需要导通的高压固态开关，人机交互模块输出相应触发信号至微控制器，微控制器输出对应的开通和关断信号给相应的驱动模块，从而控制对应的高压固态开关进行开通和关断动作，当高压固态开关导通时，对应的针电极上施加了高压脉冲，使微通孔内的工作气体放电产生微等离子体，同时太赫兹波从介质板的一侧入射，从而在等离子体光子晶体中形成特定的太赫兹线缺陷；通过人机交互模块输出不同触发信号，实现不同太赫兹波导的快速切换；通过调节高压脉冲电源参数和/或改变工作气体，能够改变微等离子体的特征物理参数，从而对等离子体光子晶体的带隙特征进行动态调控。
2.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述高压脉冲电源的输出电压范围为0-20 kV，且能够在该范围内连续可调，输出频率为1-50 kHz，输出脉冲宽度为1-50 μs，脉冲上升沿小于1μs。
3.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述介质板的材料为玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯；介质板上微通孔的数量至少为9，呈矩形或梯形排列，微通孔的孔径为50-500 μm，相邻微通孔的间距为200-2000 μm，介质板的厚度为5-20 mm。
4.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述针电极的材料为不锈钢、铝或铜；针电极上位于微通孔之外的部分镀有绝缘层，绝缘层的材料为环氧树脂或聚四氟乙烯，采用磁控溅射法镀层，其厚度为20-100 μm。
5.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述地电极的材料为不锈钢、铝或铜，呈平板形状，厚度为1-5 mm。
6.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述工作气体为氦气、氖气或氩气，气体的工作压强为1-100 kPa。
7.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述屏蔽线为射频屏蔽线，屏蔽线的编织层为红铜或镀锡铜，屏蔽线能够对1GHz范围内的电磁辐射具有20dB以上的衰减。
8.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述电阻为高压无感电阻，阻值为0.1-10 kΩ，功率为50-500 W；所述高压固态开关为IGBT模块，其耐压值为15kV，最大允许电流有效值为20A以上，开通后关断时间小于2μs；所述驱动模块输出的驱动电压为±15V，驱动电流的幅值为100mA以上；所有电阻、高压固态开关和驱动模块设置在一块PCB板上。
9.根据权利要求1所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述人机交互模块采用触摸电容屏。
10.根据权利要求9所述等离子体太赫兹波导生成装置，其特征在于：所述触摸电容屏上显示了介质板上的微通孔阵列，根据太赫兹波导模式要求，点击选中需要产生微等离子体的微通孔，从而生成对应的高压固态开关的触发信号。
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