CN113346211B - 一种电磁波传输波导 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁波传输波导，包括：传输线、第一电场模式转换元件和第二电场模式转换元件，所述第一电场模式转换元件和所述第二电场模式转换元件分别设置在所述传输线的两端，所述第一电场模式转换元件的一端设置有第一波导口元件，所述第二电场模式转换元件的一端设置有第二波导口元件，所述传输线的宽度小于所述传输线的高度。本发明提供的一种电磁波传输波导，用以至少解决电磁波传输波导无法弯折的技术问题，实现在近场探测时应用。

Description

一种电磁波传输波导

技术领域

本发明涉及波导技术领域，尤其涉及一种电磁波传输波导。

背景技术

表面等离子波(Surface plasmon polariton，SPP)是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，用于传输光能量，且不受衍射极限的限制，表面等离子激元具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。波导就是用来定向引导微波频率电磁波的微波器件，波导在探测、制导、侦察、通信等领域有着广泛应用。

现有的工作于毫米波和太赫兹频段的电磁波传输波导基本为内腔是矩形或圆形的金属波导，这种传统金属波导由于其金属结构的限制，传统波导无法发生自由弯折，同时金属壁的尺寸较大，并要留有内腔空隙，占用的空间大，这样的结构也会随着工作频率的增加会使加工难度增加。此外，传统的电磁波传输波导难以在近场显微成像中应用，特别是难以在近场探测时使用，近场探测是通过探针与被探测物体的近场耦合效应，在太赫兹辐射或激光激发太赫兹频段的电磁波辐射照射下实现对探测物体的显微成像，近场显微成像的分辨率受到针尖尺寸与探测间距的影响，并且对探测后信号的接收灵敏度要求较高，传统的电磁波传输波导难以满足近场探测的空间位置需求，因此对近场探测技术的发展与应用带来了诸多限制。

目前，现有技术中还不存在一种可以弯折的并利于高频段加工的波导结构，难以实现在近场探测时应用，这在电磁波传输波导技术中成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种电磁波传输波导，用以至少解决电磁波传输波导无法弯折的技术问题，实现在近场探测时应用。

为了实现上述目的，本发明提供一种电磁波传输波导，包括：传输线、第一电场模式转换元件和第二电场模式转换元件，所述第一电场模式转换元件和所述第二电场模式转换元件分别设置在所述传输线的两端，所述第一电场模式转换元件的一端设置有第一波导口元件，所述第二电场模式转换元件的一端设置有第二波导口元件，所述传输线的宽度小于所述传输线的高度。

本发明提供一种电磁波传输波导，所述传输线的宽度小于所述传输线的高度，所述传输线在未发生弯折的状态下类似二维平面状，所述传输线可以发生弯折，在传输电磁波时，所述传输线的这种弯折的结构并不会对电磁波传输波导的性能产生严重影响，仍然可以良好的传输电磁波，特别是为毫米波和太赫兹波的电磁波的传输提供了一种可以实现弯折的结构。并且，本发明提供一种电磁波传输波导加工方便，也可以方便实现与电磁波信号源连接固定。

在一种可能实施的方式中，所述传输线为金属材质的传输线，所述传输线的内壁上间隔设置有多个第一隔片。表面等离子体波在所述传输线内和连续间隔设置的多个第一隔片上震荡传输。

在一种可能实施的方式中，所述第一电场模式转换元件的内壁上间隔设置有多个第二隔片；所述第二电场模式转换元件的内壁上间隔设置有多个第二隔片。

在一种可能实施的方式中，所述多个第二隔片的宽度均相同；和/或

所述多个第二隔片的厚度均相同。

在一种可能实施的方式中，分布在所述第一电场模式转换元件内壁上的所述多个第二隔片沿所述第一电场模式转换元件长度的方向呈高度依次增加或减小分布；和/或

分布在所述第二电场模式转换元件内壁上的所述多个第二隔片沿所述第二电场模式转换元件长度的方向呈高度依次增加或减小分布。

在一种可能实施的方式中，所述多个第一隔片在所述传输线的内壁上以所述传输线的中心轴线为对称轴呈对称分布。

在一种可能实施的方式中，所述多个第二隔片的最大高度与所述多个第一隔片的高度相等。

在一种可能实施的方式中，所述电磁波传输波导还包括屏蔽保护件，所述屏蔽保护件设置在所述传输线的外侧。

在一种可能实施的方式中，所述屏蔽保护件为金属线，所述金属线环绕设置在所述传输线的外侧。

在一种可能实施的方式中，所述第一波导口元件的一端设置有法兰盘；和/或所述第二波导口元件的一端设置有法兰盘。

本发明提供的电磁波传输波导，传输线可以发生弯折，为电磁波的传输提供了一种可以实现弯折的结构。

本发明提供的电磁波传输波导，还包括屏蔽保护件，所述屏蔽保护件能够减少所述传输线、所述第一电场模式转换元件以及所述第二电场模式转换元件在电磁波传输时造成的电磁波泄露、以及减少所述第一电场模式转换元件和所述第二电场模式转换元件在电场模式转换时造成的电磁波泄露，从而提升传输性能，还能够加强电磁波传输波导整体结构的强度。

本发明提供的电磁波传输波导，由于传输线可以发生弯折，方便将本发明提供的电磁波传输波导应用到近场探测，将传输线弯折的尖端部分靠近目标，被探测目标物体放置于弯折的尖端部分近场区域可以得到不同的测量数值，方便近场探测应用。

除了上面所描述的本发明实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明实施例提供的一种电磁波传输波导所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电磁波传输波导的剖视图；

图2为本发明实施例提供的电磁波传输波导的俯视图；

图3为本发明实施例提供的电磁波传输波导的左视图；

图4为本发明实施例提供的电磁波传输波导的又一俯视图；

图5为本发明实施例提供的电磁波传输波导的图4的左视图；

图6为本发明实施例提供的电磁波传输波导的弯折状态的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的电磁波传输波导在直线状态下的内部电场工作剖面图；

图8为本发明实施例提供的电磁波传输波导在直线状态下的内部电场工作又一剖视图；

图9为本发明实施例提供的电磁波传输波导在弯折状态下的内部电场工作的剖视图；

图10为本发明实施例提供的电磁波传输波导在近场探测工作中应用的示意图；

图11为本发明实施例提供的电磁波传输波导在近场探测工作中应用的仿真结果示意图。

附图标记说明：

10-传输线；

11-第一隔片；

12-尖端部分；

20-第一电场模式转换元件；

21-第二隔片；

30-第一波导口元件；

40-第二电场模式转换元件；

50-第二波导口元件；

60-屏蔽保护件；

70-被探测目标物体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电磁波传输波导就是用来定向引导微波频率电磁波的微波器件。但是，现有的电磁波传输波导中，传输毫米波和太赫兹频段的电磁波传输波导的内腔基本是矩形或圆形的结构，波导的内壁具有一定的厚度，无法发生弯折，给毫米波和太赫兹频段的电磁波的应用带来了局限性。

此外，由于现有的电磁波传输波导难以在近场探测时使用，近场探测是通过探针与被探测物体的近场耦合效应，在太赫兹辐射或激光激发太赫兹频段的电磁波辐射照射下实现对探测物体的显微成像，近场显微成像的分辨率受到针尖尺寸与探测间距的影响，现有的电磁波传输波导受自身结构的影响，无法在近场显微成像、近场探测中应用。

鉴于上述背景，本发明提供的电磁波传输波导，其中，通过将传输线10的宽度设置的小于传输线10的高度，传输线10在未发生弯折的状态下类似二维平面状，实现了电磁波传输波导可以弯折的效果，并且不会对电磁波传输产生太大的影响，其可以弯折出大致呈90°的尖端部分12，在近场探测使用时，被探测目标物体70放置在弯折的尖端部分12的近场区域，电磁波传输波导弯折的尖端部分12可以靠近不同的被探测目标物体70，得到不同的探测数值，使用非常方便。

参考图1和图2所示，本发明提供一种电磁波传输波导，包括：传输线10、第一电场模式转换元件20和第二电场模式转换元件40，第一电场模式转换元件20和第二电场模式转换元件40分别设置在传输线10的两端，第一电场模式转换元件20的一端设置有第一波导口元件30，第二电场模式转换元件40的一端设置有第二波导口元件50，传输线10的宽度小于传输线10的高度。

本发明提供的一种电磁波传输波导，传输线10为金属材质的传输线10，由于传输线10的宽度小于传输线10的高度，参考图6所示，传输线10可以发生弯折，在传输电磁波时，传输线10的这种弯折的结构并不会对电磁波传输波导的性能产生严重影响，仍然可以良好的传输电磁波，特别是为毫米波和太赫兹波的电磁波的传输提供了一种可以实现弯折的结构，方便使用。

本实施例提供的一种电磁波传输波导，为了实现从一端口至另一端口的电磁波传输性能，其各结构的连接顺序为第一波导口元件30连接第一电场模式转换元件20，第一电场模式转换元件20连接传输线10长度方向的一端，传输线10长度方向的另一端再连接第二电场模式转换元件40，第二电场模式转换元件40再连接第二波导口元件50，从而实现电磁波的传输，本实施例提供的一种电磁波传输波导在弯折状态下可以进行工作。

其中，传输线10在未发生弯折的状态下类似二维平面状，传输线10具有一定长度、宽度及高度，传输线10的宽度小于传输线10的高度，传输线10宽度方向的两侧裸露。传输线10可以采用激光工艺进行微雕刻，便于加工制造。传输线10在自身长度方向的中部任意位置可以发生弯折。

在一种可能实施的方式中，传输线10的宽度可以为0.1mm。

参考图1和图2所示，传输线10的内壁上间隔设置有多个第一隔片11，第一隔片11可以采用金属材质，包括但不限于铜或合金钢，以避免外界电场或磁场对在传输线10内传输的微波产生干扰。

多个第一隔片11具有一定高度、宽度及厚度，多个第一隔片11沿传输线10的长度连续间隔排列。多个第一隔片11高度方向的一端连接在传输线10的内壁上。

参考图3所示，第一波导口元件30具有矩形或圆形的内腔，第一波导口元件30可以采用金属材质，包括但不限于铜。为了实现电磁波传输性能，第一波导口元件30可以为一收一发的双端口结构，用于传输不同模式的电磁波。

第二波导口元件50具有矩形或圆形的内腔，第二波导口元件50可以采用金属材质，包括但不限于铜。为了实现电磁波传输性能，第二波导口元件50可以为一收一发的双端口结构，用于传输不同模式的电磁波。

参考图1所示，第一电场模式转换元件20的作用是将第一波导口元件30中的模式电磁波，例如TE01基模电场波，转换为表面等离子体波。

传输线10是表面等离子波传输线，传输线10的作用是将第一电场模式转换元件20形成的表面等离子体波进行传输。

表面等离子体波在传输线10内和连续间隔设置的多个第一隔片11上震荡传输，由于传输线10和第一隔片11的对称结构，表面等离子体波束缚于传输线10的内部不向外发生辐射，极大地提高了传输线10的传输性能。确保高传输质量并减少信号损耗。

在一种可能实施的方式中，第一电场模式转换元件20的内壁上间隔设置有多个第二隔片21；第二电场模式转换元件40的内壁上间隔设置有多个第二隔片21。

第一电场模式转换元件20具有矩形或圆形的内腔，且第一电场模式转换元件20的内腔的形状与第一波导口元件30的内腔的形状相同。

第二电场模式转换元件40具有矩形或圆形的内腔，且第二电场模式转换元件40的内腔的形状与第二波导口元件50的内腔的形状相同。

在一种可能实施的方式中，第一电场模式转换元件20的内壁上嵌设有多个第二隔片21；第二电场模式转换元件40的内壁上嵌设有多个第二隔片21。有利于提高传输性能。

在一种可能实施的方式中，多个第二隔片21的宽度均相同；和/或多个第二隔片21的厚度均相同。参考图1所示，第二隔片21的宽度方向和第一隔片11的宽度方向为箭头X表示的方向，第二隔片21的高度方向和第一隔片11的高度方向为箭头Y表示的方向。

图1中箭头X表示的方向也为第一电场模式转换元件20长度的方向、第二电场模式转换元件40长度的方向以及传输线10长度方向为。分布在第一电场模式转换元件20内壁上的多个第二隔片21沿第一电场模式转换元件20长度的方向呈高度依次增加或减小分布；和/或分布在第二电场模式转换元件40内壁上的多个第二隔片21沿第二电场模式转换元件40长度的方向呈高度依次增加或减小分布。这样的结构有利于提高传输性能。

在一种可能实施的方式中，沿第一电场模式转换元件20的长度方向，分布在第一电场模式转换元件20内壁上的多个第二隔片21沿第一电场模式转换元件20长度的方向呈高度依次增加分布；沿第二电场模式转换元件40的长度方向，分布在第二电场模式转换元件40内壁上的多个第二隔片21沿第二电场模式转换元件40长度的方向呈高度依次减小分布。这种阶梯状的分布结构，能够大大改善阻抗匹配，使第一电场模式转换元件20和第二电场模式转换元件40具有更好的传输性能。

第一电场模式转换元件20用于连接传输线10和第一波导口元件30，第二电场模式转换元件40用于连接传输线10和第二波导口元件50。

在一种可能实施的方式中，多个第一隔片11在传输线10的内壁上以传输线10的中心轴线为对称轴呈对称分布，有利于提高电磁波传输性能。容易理解的是，传输线10的中心轴线指的是沿传输线10长度方向延伸的中心轴线，参考图1中虚线所示为传输线10的中心轴线。

多个第二隔片21的最大高度与多个第一隔片11的高度相等。

参考图4和图5所示，在一种可能实施的方式中，本实施例提供的一种电磁波传输波导，还包括屏蔽保护件60，屏蔽保护件60设置在传输线10的外侧。

屏蔽保护件60包裹在传输线10的外侧，屏蔽保护件60的中部留有间距空间使得传输线10置于屏蔽保护件60内，屏蔽保护件60可以贴合第一电场模式转换元件20和第二电场模式转换元件40。

屏蔽保护件60的作用是减少传输线10、第一电场模式转换元件20以及第二电场模式转换元件40在电磁波传输时造成的电磁波泄露、以及减少第一电场模式转换元件20和第二电场模式转换元件40在电场模式转换时造成的电磁波泄露，从而提升传输性能，并且加强电磁波传输波导整体结构的强度。

在一种可能实施的方式中，屏蔽保护件60为金属线，金属线环绕设置在传输线10的外侧，金属线将传输线10包裹起来，且金属线环绕形成的环状结构的两端正好可以贴合到第一波导口元件30和第二波导口元件50上。

金属线包括但不限于铜。

在一种可能实施的方式中，第一波导口元件30的一端设置有法兰盘；和/或第二波导口元件50的一端设置有法兰盘。这样的结构。便于通过法兰盘与电磁波信号源的连接固定。

本实施例提供的一种电磁波传输波导的结构简单，可以实现在小型器件系统中的集成，传输线10可以采用激光工艺进行微雕刻，便于加工制造。

为了说明本实施例提供的一种电磁波传输波导在直线传输状态以及弯折状态下，对电磁波传输的影响小，采用电磁仿真分析CST软件，对直线状态以及弯折状态的电磁波传输波导分别做电场仿真图。

参考图7所示为本发明实施例提供的电磁波传输波导在直线状态下的内部电场工作剖面图，参考图8所示为本发明实施例提供的电磁波传输波导在直线状态下的内部电场工作的又一剖面图，参考图9为本发明实施例提供的电磁波传输波导在弯折状态下的内部电场工作的剖视图，对比图7和图9的云图结果，显而易见可知本实施例提供的一种电磁波传输波导在直线传输状态以及弯折状态下，对电磁波传输的影响小。因此，本实施例提供的一种电磁波传输波导实现了电磁波传输波导可以弯折的效果，并且不会对电磁波传输产生太大的影响。

特别的，参考图10所示，本实施例提供的一种电磁波传输波导在近场探测工作中应用时，由于传输线10可以自由弯折，例如传输线10的中部弯折出大致呈90°的尖端部分12，作为探测尖端，仍然可以实现直角弯折状态电磁波信号的传输，被探测目标物体70放置于弯折的尖端部分12的近场区域，可以得到对应的测量数值。

将被探测目标物体70可以放置于与弯折的尖端部分12距离0.2mm的位置处，下面具体以骨纤维、石英和纯水材料模型为例，将其放置于与弯折的尖端部分12距离0.2毫米的位置处，在0.11THz-0.13THz频段，不同材料回波信号仿真结果参照图11所示。本实施例提供的一种电磁波传输波导，能够实现应用于近场显微成像中，实现在近场探测时应用，提高近场显微成像的分辨率，有助于推动近场探测技术的发展。

这里需要说明的是，本申请涉及的数值和数值范围为近似值，受制造工艺的影响，可能会存在一定范围的误差，这部分误差本领域技术人员可以认为忽略不计。

在本发明的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为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位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种电磁波传输波导，其特征在于，包括：传输线(10)、第一电场模式转换元件(20)和第二电场模式转换元件(40)，所述第一电场模式转换元件(20)和所述第二电场模式转换元件(40)分别设置在所述传输线(10)的两端，所述第一电场模式转换元件(20)的一端设置有第一波导口元件(30)，所述第二电场模式转换元件(40)的一端设置有第二波导口元件(50)，所述传输线(10)的宽度小于所述传输线(10)的高度；所述传输线(10)在自身长度方向的中部任意位置可以自由弯折，所述传输线(10)的中部弯折形成的尖端部分可以作为探测尖端；

所述传输线(10)为金属材质的传输线(10)，所述传输线(10)的内壁上间隔设置有多个第一隔片(11)；

所述第一电场模式转换元件(20)的内壁上间隔设置有多个第二隔片(21)；

所述第二电场模式转换元件(40)的内壁上间隔设置有多个第二隔片(21)。

2.根据权利要求1所述的电磁波传输波导，其特征在于，

所述多个第二隔片(21)的宽度均相同；和/或

所述多个第二隔片(21)的厚度均相同。

3.根据权利要求2所述的电磁波传输波导，其特征在于，分布在所述第一电场模式转换元件(20)内壁上的所述多个第二隔片(21)沿所述第一电场模式转换元件(20)长度的方向呈高度依次增加或减小分布；和/或

分布在所述第二电场模式转换元件(40)内壁上的所述多个第二隔片(21)沿所述第二电场模式转换元件(40)长度的方向呈高度依次增加或减小分布。

4.根据权利要求1所述的电磁波传输波导，其特征在于，所述多个第一隔片(11)在所述传输线(10)的内壁上以所述传输线(10)的中心轴线为对称轴呈对称分布。

5.根据权利要求1所述的电磁波传输波导，其特征在于，所述多个第二隔片(21)的最大高度与所述多个第一隔片(11)的高度相等。

6.根据权利要求1-5任一所述的电磁波传输波导，其特征在于，还包括屏蔽保护件(60)，所述屏蔽保护件(60)设置在所述传输线(10)的外侧。

7.根据权利要求6所述的电磁波传输波导，其特征在于，所述屏蔽保护件(60)为金属线，所述金属线环绕设置在所述传输线(10)的外侧。

8.根据权利要求1-5任一所述的电磁波传输波导，其特征在于，所述第一波导口元件(30)的一端设置有法兰盘；和/或

所述第二波导口元件(50)的一端设置有法兰盘。

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