CN112490607B - 一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，包括第一直波导、极化变换器、填充介质、扼流槽、短路器、第二直波导、耦合探针和圆波导；第一直波导与极化变换器的一个端口连接，极化变换器的另一个端口与圆波导的一个端口连接，圆波导的另一个端口上构建短路器，第二直波导通过耦合探针与短路器连接；圆波导断开，在断开处构建扼流槽，填充介质填充在扼流槽中。本发明同时提供太赫兹扭波导的实现方法。本发明能够实现任意角度扭转，有效的解决了现有太赫兹系统非平行结构互联困难、太赫兹通信或雷达机构承载繁重的问题，增强太赫兹通信或雷达系统的实用性。

Description

一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹频段射频无源电路，特别涉及一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导及其实现方法，属于太赫兹射频技术领域。

背景技术

在空间通信中，由于空间飞行器的高速相对移动，使得空间链路通信时间短，而激增的空间业务又要求传输数据量非常大。太赫兹通信由于传输速率高，在短时间中可以传递大量的信息，非常适合空间通信。

而实际应用中，太赫兹通信或雷达系统射频电路非常复杂，且不具备同轴的柔性导波结构，其系统拓扑结构的拓展形式受到非常大的制约。而实际系统集成中往往需要扭波导连接两个E面不平行的端口，如图4所示，通道的连接需要90°扭波导实现两个端口的互联。太赫兹波段电磁波波长短，传统的结构旋转型扭波导加工难度非常大，而且实现的扭波导插入损耗也不可容忍。因此，为了提升太赫兹通信或雷达系统的拓扑结构灵活度，亟需一种可以扭转任意角度的扭波导电路结构。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导及其实现方法，能够实现任意角度扭转，有效的解决了现有太赫兹系统非平行结构互联困难、太赫兹通信或雷达机构承载繁重的问题，增强太赫兹通信或雷达系统的实用性。

本发明的技术方案是：

一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，包括第一直波导、极化变换器、填充介质、扼流槽、短路器、第二直波导、耦合探针和圆波导；第一直波导和第二直波导口径参数相同；

第一直波导与极化变换器的一个端口连接，极化变换器的另一个端口与圆波导的一个端口连接，圆波导的另一个端口上构建短路器，第二直波导通过耦合探针与短路器连接；

圆波导断开，在断开处构建扼流槽，填充介质填充在扼流槽中。

圆波导断开，形成上圆波导和下圆波导，上圆波导底端设计有向上的翻边结构，下圆波导顶端设计有向上的翻边结构，上圆波导的翻边结构和下圆波导的翻边结构截面均为L型，且下圆波导的翻边结构外径大于上圆波导的翻边结构外径；

下圆波导的翻边结构和上圆波导的翻边结构形成的L型腔体即为扼流槽4。

扼流槽的截面为L型，其横部和竖部长度相同，宽度相同。

扼流槽横部和竖部长度均为圆波导中电磁波波长的1/4。

扼流槽横部和竖部宽度均为圆波导中电磁波波长的1％。

极化变换器为膜片式极化变换器，厚度为圆波导中电磁波波长的1/4，双矩形窗中心间距为圆波导中电磁波波长的1/2。

所述耦合探针为石英基板的微带探针结构。

一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导实现方法，包括如下步骤：

第一步：信号从第一直波导馈入，在第一直波导中形成TE10模电场，极化变换器对第一直波导中的TE10模电场矢量做45°旋转，生成的电磁场模式分布激励圆波导生成TM01模式的电磁场，所述圆波导中生成的TM01模式电磁场为圆对称模式；

第二步：，短路器用于提升耦合探针的耦合性能，TM01模式电磁场进入耦合探针中，转换为TEM模式电磁场；

第三步：TEM模式电磁场通过耦合探针进入第二直波导的耦合结构，转换为TE10模式电磁场，实现电磁波的模式转换传输。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明通过任意角度扭波导实现了运动部件上下分离，可以实现太赫兹频段通信或雷达系统射频通道和天线的运动隔离，从而避免太赫兹频段伺服扫描机构必须承载太赫兹天线和射频通道共同运动导致载重大、运动不灵活的问题。

(2)本发明具有结构简单，易于加工的优点，不仅可以降低扭波导的传输损耗，而且具有一定的承重能力，易于使用。

(3)本发明首次提出了太赫兹频段任意角度扭波导和旋转关节的电路结构，通过对矩形波导TE10模式到TM01模式的变换，将传输电磁场调整成了圆对称分布模式场，使得该扭波导可以实现任意角度旋转，其电磁场耦合量不变，为太赫兹技术发展提供了技术途径。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明三维结构仿真模型；

图3为本发明膜片极化变换器仿真模型；

图4为太赫兹通信捕获跟踪通道结构图。

具体实施方式

为了更好的对本发明中的技术方案做出详细说明，下面结合附图作进一步介绍。

如图1所示，本发明一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，包括第一直波导1、极化变换器2、填充介质3、扼流槽4、短路器5、第二直波导6、耦合探针7和圆波导8。第一直波导1和第二直波导6口径参数相同，长度可以相同也可以不同。

第一直波导1与极化变换器2的一个端口连接，极化变换器2的另一个端口与圆波导8的一个端口连接，圆波导8的另一个端口上构建短路器5，第二直波导6通过耦合探针7与短路器5连接。

为了实现扭波导具备扭转角度的任意性，需要将圆波导8在合适的位置断开。断开后的圆波导，在断开处存在沿传播方向阻抗的不连续性，为了提升传输性能，在断开出构建扼流槽4。

具体构建方式如下：

具体地，圆波导8断开，形成上圆波导和下圆波导，上圆波导底端设计有一圈向上的翻边结构，下圆波导顶端设计有一圈向上的翻边结构，上圆波导的翻边结构和下圆波导的翻边结构截面均为L型，且下圆波导的翻边结构外径大于上圆波导的翻边结构外径。下圆波导的翻边结构和上圆波导的翻边结构形成的L型腔体即为扼流槽4。为了对断开的两节圆波导进行结构支撑，将填充介质3填充在扼流槽4中。填充介质3为聚四氟乙烯，填充好后在材料外表面做润滑处理。填充介质3仅填充在L型腔体中，在上圆波导和下圆波导之间没有填充介质。

扼流槽4的截面为L型，其横部和竖部长度相同，宽度相同。扼流槽4横部和竖部长度均为圆波导中电磁波波长的1/4。扼流槽4横部和竖部宽度均为圆波导中电磁波波长的1％。

本发明太赫兹扭波导通过极化变换器2实现TE10模式至TM01模式的转换，极化变换器2为膜片式极化变换器，其结构如图3所示，其厚度为圆波导电磁波波长的1/4，双矩形窗中心间距为圆波导电磁波波长的1/2。

耦合探针为石英基板的微带探针结构，为标准圆波导到微带电路转换结构的尺寸。耦合探针到第二直波导6的转换也属于微带到直波导的标准转换电路。

图2为太赫兹扭波导整体示意图。

一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导的实现方法为：

第一步：信号从第一直波导1馈入扭波导中，经过极化变换器2实现电磁矢量场的极化扭转，极化变换器2将直波导中的TE10模电场矢量做45°旋转，生成的电磁场模式分布激励圆波导8生成TM01模式的电磁场。

第二步：圆波导中生成的TM01模式的电磁场为圆对称模式，圆波导中的TM01模式电磁场经过扼流槽位置时，形成了阻抗匹配和局部谐振结构，改善电磁场在圆波导中的传输特性。

第三步：通过在圆波导的末端构建短路器5提升耦合探针7的耦合性能，从而将圆对称模式的TM01模式的电磁场耦合转换到耦合探针中的TEM模式。

第三步：耦合探针中的TEM模式电磁场通过耦合探针进入到第二直波导6的耦合结构，转换为TE10模式电磁场，实现电磁波的模式转换传输。

本发明可以实现任意角度旋转，同时该太赫兹扭波导电路可以作为太赫兹波段的旋转关节使用。

图4为太赫兹通信捕获跟踪通道结构图，本发明主要用于以图4所示太赫兹复杂系统为代表的互联互通，用于匹配部组件极化关系变换。

本发明提供了一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，采用本发明不仅可使太赫兹波段的传输连接更加灵活可靠，而且任意角度的扭转电路可以很方便的实现太赫兹频段的旋转关节，以解决当前由于缺乏太赫兹旋转关节，使得太赫兹波束扫描机构必须承载天线、射频通道等繁重复杂的系统。极大的提升了太赫兹频段波束扫描的速度和精度，推动了太赫兹通信和雷达系统的应用进程。

本发明结构还可以用于太赫兹频段的旋转关节。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施方式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。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 (6)

1.一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，其特征在于：包括第一直波导(1)、极化变换器(2)、填充介质(3)、扼流槽(4)、短路器(5)、第二直波导(6)、耦合探针(7)和圆波导(8)；第一直波导(1)和第二直波导(6)口径参数相同；

第一直波导(1)与极化变换器(2)的一个端口连接，极化变换器(2)的另一个端口与圆波导(8)的一个端口连接，圆波导(8)的另一个端口上构建短路器(5)，第二直波导(6)通过耦合探针(7)与短路器(5)连接；

圆波导(8)断开，形成上圆波导和下圆波导，上圆波导底端设计有向上的翻边结构，下圆波导顶端设计有向上的翻边结构，上圆波导的翻边结构和下圆波导的翻边结构截面均为L型，且下圆波导的翻边结构外径大于上圆波导的翻边结构外径；下圆波导的翻边结构和上圆波导的翻边结构形成的L型腔体即为扼流槽(4)，填充介质(3)填充在扼流槽(4)中；

极化变换器(2)为膜片式极化变换器，厚度为圆波导中电磁波波长的1/4；极化变换器对第一直波导中的TE10模电场矢量做45°旋转，生成的电磁场模式激励圆波导生成TM01模式的对称电磁场。

2.根据权利要求1所述的一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，其特征在于：扼流槽(4)的截面为L型，其横部和竖部长度相同，宽度相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，其特征在于：扼流槽(4)横部和竖部长度均为圆波导中电磁波波长的1/4。

4.根据权利要求2所述的一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，其特征在于：扼流槽(4)横部和竖部宽度均为圆波导中电磁波波长的1％。

5.根据权利要求1所述的一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，其特征在于：所述耦合探针(7)为石英基板的微带探针结构。

6.权利要求1-5任一项所述一种基于膜片极化变换器的太赫兹扭波导，其特征在于，实现方法包括如下步骤：

第一步：信号从第一直波导(1)馈入，在第一直波导(1)中形成TE10模电场，极化变换器(2)对第一直波导( 1) 中的TE10模电场矢量做45°旋转，生成的电磁场模式激励圆波导(8)生成TM01模式的电磁场，所述圆波导中生成的TM01模式电磁场为圆对称模式；

第二步：短路器(5)用于提升耦合探针(7)的耦合性能，TM01模式电磁场进入耦合探针(7)中，转换为TEM模式电磁场；

第三步：TEM模式电磁场通过耦合探针进入第二直波导(6)的耦合结构，转换为TE10模式电磁场，实现电磁波的模式转换传输。

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