CN114583426A - 一种h面剖分的太赫兹弯折波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，包括上盖板和下腔体两部分；上盖板内含矩形波导一；下腔体内含矩形波导口、槽间隙波导、矩形波导二、两级波导台阶以及U形槽结构；所述矩形波导口与槽间隙波导、矩形波导二及矩形波导一依次连接；所述波导台阶位于矩形波导二终端的下底面；U形槽结构分布在矩形波导二及波导台阶的外围，开口朝向矩形波导口的方向。本发明利用周期阵列排布的电磁带隙结构抑制特定频率范围的电磁波，避免了矩形波导由H面波导剖分制作导致的能量泄露问题。同时设计U形槽结构抑制波导弯折处的表面波传播，降低传输损耗。具有结构简单、制作方便、低传输损耗和宽频带工作的优点。

Description

一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构

技术领域

本发明属于太赫兹器件技术领域，具体一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构。

背景技术

弯波导用于波导电路连接，常见于毫米波、太赫兹电路中。在加工制作时，通常需要将波导剖开才能将内部结构精确制作；电路组装后，波导剖分产生的缝隙几乎无法完全消除，这些因加工精度、表面粗糙度等问题产生的缝隙会导致电磁泄露，影响电路性能，这个问题在高频段尤其严重。

一般来说，避免波导剖分电磁泄露的常规做法是，在矩形波导宽边的中心进行剖分，即E面波导剖分，理论上这种剖分不会切断波导中的电流线，能量泄露最小，适用于波导窄边平行于电路平面的电路结构。然而，这并非对所有的电路结构都适用。在SiP封装三维电路系统中，波导宽边平行于电路平面时，电路的垂直互联使用H面剖分更利于简化电路结构，但H面剖分不论在波导顶部、底部还是中心剖分，都会切断电流线，产生较大的电磁辐射，工作频率越高，辐射越严重。因此，开发一种易于加工制作、性能优良的可用于H面剖分的太赫兹弯折波导对于电路连接、系统封装至关重要，也为太赫兹电路的合理布局提供一种解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用周期阵列排布的电磁带隙结构，抑制特定频率范围的电磁波，避免了矩形波导由H面波导剖分制作导致的能量泄露问题，同时设计U形槽结构抑制波导弯折处的表面波传播的H面剖分的太赫兹弯折波导结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，包括上盖板和下腔体两部分；上盖板内含矩形波导一；下腔体内含矩形波导口、槽间隙波导、矩形波导二、两级波导台阶以及U形槽结构；

所述矩形波导口与槽间隙波导、矩形波导二及矩形波导一依次连接；所述波导台阶位于矩形波导二终端的下底面；U形槽结构分布在矩形波导二及波导台阶的外围，开口朝向矩形波导口的方向。

进一步地，所述矩形波导口为长度小于1/4波长的矩形波导，矩形波导口的输入波导口位于下腔体的侧面上，输入波导口为矩形，矩形的相邻两条边分别为矩形波导口的宽边和窄边；矩形波导二及槽间隙波导的波导宽边和窄边分别平行于矩形波导口的宽边和窄边；矩形波导一的宽边平行于矩形波导口的宽边，窄边垂直于矩形波导口的宽输入波导口；矩形波导口与槽间隙波导、矩形波导二及矩形波导一的宽边和窄边尺寸均相同；

所述矩形波导一和矩形波导二均为标准矩形波导，其宽边与窄边的比例为2:1；矩形波导一的角为倒圆角。

进一步地，所述槽间隙波导外围的下腔体内设有周期性方柱，方柱的高度与槽间隙波导相同，每侧方柱有两排，关于槽间隙波导呈对称分布。

进一步地，所述U形槽结构的高度介于矩形波导窄边长度的0.3-0.7倍之间，宽度为1/4波长，U形槽结构的“U”型两个直线臂长度为1/2波长；U形槽结构的两端开口分别与槽间隙波导连通；矩形波导二位于U形槽结构内，矩形波导二的宽边与U形槽结构两端开口的连线相平行，且U形槽结构内壁与矩形波导二外壁之间的距离与方柱的边长相同。

本发明的有益效果是：本发明提供的可H面剖分的太赫兹弯折波导结构，利用周期阵列排布的电磁带隙结构，可抑制特定频率范围的电磁波，无需电接触就能实现电磁信号无泄漏传输，避免了矩形波导由H面波导剖分制作导致的能量泄露问题。同时，额外设计的U形槽结构，进一步抑制了波导弯折处的表面波传播，降低传输损耗。本发明实现了矩形波导在宽频带的低损耗转弯，可应用于太赫兹器件技术领域，具有结构简单、制作方便、低传输损耗和宽频带工作的优点。

附图说明

图1为可H面剖分的太赫兹弯折波导结构的三维结构剖图；

图2为可H面剖分的太赫兹弯折波导结构的俯视图；

图3为可H面剖分的太赫兹弯折波导结构的侧视图；

图4为波导结构示意图；

图5为矩形波导倒圆角示意图；

图6为可H面剖分的太赫兹弯折波导结构应用于WR-4波导频段的电场分布图；

图7为可H面剖分的太赫兹弯折波导结构应用于WR-4波导频段的S参数仿真结果图；

图8为未加任何防泄露结构的太赫兹弯折波导结构应用于WR-4波导频段的S参数仿真结果图；

附图标记说明：1-矩形波导口，2-槽间隙波导，3-矩形波导二，4-波导台阶，5-矩形波导一，6-U形槽结构。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1～图3所示，本发明的一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，上盖板和下腔体两部分；上盖板内含矩形波导一5；下腔体内含矩形波导口1、槽间隙波导2、矩形波导二3、两级波导台阶4以及U形槽结构6；

所述矩形波导口1与槽间隙波导2、矩形波导二3及矩形波导一5依次连接；所述波导台阶4位于矩形波导二3终端的下底面；U形槽结构6分布在矩形波导二3及波导台阶4的外围，开口朝向矩形波导口1的方向。

进一步地，所述矩形波导口1为长度小于1/4波长的矩形波导，矩形波导口1的输入波导口位于下腔体的侧面上，输入波导口为矩形，矩形的相邻两条边分别为矩形波导口1的宽边和窄边；矩形波导二3及槽间隙波导2的波导宽边和窄边分别平行于矩形波导口1的宽边和窄边；矩形波导一5的宽边平行于矩形波导口1的宽边，窄边垂直于矩形波导口1的宽输入波导口；矩形波导口1与槽间隙波导2、矩形波导二3及矩形波导一5的宽边和窄边尺寸均相同，分别记为a和b，与宽边和窄边组成的矩形垂直的方向为波导方向(波传输方向)，如图4所示。输入波从矩形波导口1传入太赫兹弯折波导结构中，然后经过槽间隙波导2和矩形波导二3传输至矩形波导一5，输入波在矩形波导口1与槽间隙波导2、矩形波导二3中沿水平方向传播，在矩形波导一5内沿竖直方向传播。所述上盖板的下表面与下腔体的上表面平行对接。

所述矩形波导一5和矩形波导二3均为标准矩形波导，其宽边与窄边的比例为2:1；矩形波导一5的角为倒圆角，如图5中的圆圈所示。

所述槽间隙波导2外围的下腔体内设有周期性方柱，方柱的高度与槽间隙波导2相同(即槽间隙波导2的窄边尺寸)，每侧方柱有两排，关于槽间隙波导2呈对称分布。

所述U形槽结构6的高度介于矩形波导窄边长度的0.3-0.7倍之间，宽度为1/4波长，U形槽结构6的“U”型两个直线臂长度(图2中l₂)为1/2波长；U形槽结构6的两端开口分别与槽间隙波导2连通；矩形波导二3位于U形槽结构6内，矩形波导二3的宽边与U形槽结构6两端开口的连线相平行，且U形槽结构内壁与矩形波导二外壁之间的距离与方柱的边长相同。

所述波导台阶4分为两级，与矩形波导二3一体化制作。

本发明的H面剖分的太赫兹弯折波导结构的原理为：当矩形波导TE10模式由波导口传输至槽间隙波导后，由于电磁带隙结构能够在特定的频率范围内抑制表面波的传输，因此即便波导H面剖分存在缝隙，亦能保证电磁信号在直波导中传输时无法泄露。此外，U形槽结构可抑制波导转弯处缝隙中的表面波传输，从而解决了H面波导剖分太赫兹弯折波导的泄露问题。

本实施例中，矩形波导口1的型号为WR-4(1.092mm×0.546mm)，其中，矩形波导二3和矩形波导一5中倒圆角的半径为0.1mm；槽间隙波导2中波导槽两侧方柱的边长均为0.205mm，高0.546mm，阵列周期为0.42mm。所述波导台阶分为两级，位于所述下腔体中的矩形波导的下底面，其中，下层台阶宽0.2mm、高0.2mm，上层台阶宽0.148mm，高0.198mm，长度均与矩形波导二3宽边尺寸相同；所述U形槽结构6分布在所述下腔体中的矩形波导及波导台阶的周围，U形槽的宽度w为0.29mm，内侧圆角半径r₁为0.68mm，外侧圆角半径r₂为0.85mm，U形槽距离矩形波导二3的波导壁的距离d为0.35mm，U形槽两端开口为方形，边长l₁为0.205mm，方柱横截面的边长e＝d＝0.35mm，相邻两个方柱之间的距离p为1/4波长。

本实施例采用三维电磁仿真软件对本发明提出的可H面剖分的太赫兹弯折波导结构精确设计，以实现输入电磁波的低损耗传输。其中，U形槽结构6对于抑制弯折波导H面剖分的电磁泄露具有重要作用，是本发明的点睛之笔。可通过调节U形槽结构6的参数得到需要的工作带宽。

为便于验证本实施例提出的H面剖分太赫兹弯折波导结构性能及缝隙泄露情况，将其应用于WR-4波导频段进行仿真，其电场分布图如图6所示，可知当输入矩形TE10模式时，可以实现模式传输，且缝隙中扩散的能量被U形槽结构抑制，不会导致能量泄露问题。上述结构在WR-4波导频段的仿真结果如图7所示，在177～259GHz的工作频段，输入回波损耗(|S₁₁|)优于20dB，插入损耗(|S₂₁|)优于0.05dB，相对带宽超过37％。

为更直观地突出本发明提出的有益效果，将未加任何防泄露结构的同尺寸太赫兹弯折波导应用于WR-4波导频段作为对比，其S参数仿真结果图如图8。可以看出，其回波损耗平坦度较差，插入损耗大大增加，最大达到2dB以上，说明电磁能量泄露严重。

此外，在上述示例的仿真中，下腔体与上盖板均预留了0.02mm的缝隙，其结果表明了本发明所提出的太赫兹弯折波导结构，H面剖分的缝隙对其电磁信号传输影响极小，证明该结构可有效避免因H面剖分而导致的缝隙泄露问题。

综上所述，本实施例提出的可H面剖分的太赫兹弯折波导结构，可以抑制太赫兹弯折波导因在H面剖分导致的能量泄露问题，具有结构简单、装配方便、低传输损耗和宽频带工作的优点。

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实质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 (5)

1.一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，其特征在于，包括上盖板和下腔体两部分；上盖板内含矩形波导一(5)；下腔体内含矩形波导口(1)、槽间隙波导(2)、矩形波导二(3)、两级波导台阶(4)以及U形槽结构(6)；

所述矩形波导口(1)与槽间隙波导(2)、矩形波导二(3)及矩形波导一(5)依次连接；所述波导台阶(4)位于矩形波导二(3)终端的下底面；U形槽结构(6)分布在矩形波导二(3)及波导台阶(4)的外围，开口朝向矩形波导口(1)的方向。

2.根据权利要求1所述的一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，其特征在于，所述矩形波导口(1)为长度小于1/4波长的矩形波导，矩形波导口(1)的输入波导口位于下腔体的侧面上，输入波导口为矩形，矩形的相邻两条边分别为矩形波导口(1)的宽边和窄边；矩形波导二(3)及槽间隙波导(2)的波导宽边和窄边分别平行于矩形波导口(1)的宽边和窄边；矩形波导一(5)的宽边平行于矩形波导口(1)的宽边，窄边垂直于矩形波导口(1)的宽输入波导口；矩形波导口(1)与槽间隙波导(2)、矩形波导二(3)及矩形波导一(5)的宽边和窄边尺寸均相同。

3.根据权利要求1所述的一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，其特征在于，所述矩形波导一(5)和矩形波导二(3)均为标准矩形波导，其宽边与窄边的比例为2:1；矩形波导一(5)的角为倒圆角。

4.根据权利要求1所述的一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，其特征在于，所述槽间隙波导(2)外围的下腔体内设有周期性方柱，方柱的高度与槽间隙波导(2)相同，每侧方柱有两排，关于槽间隙波导(2)呈对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种H面剖分的太赫兹弯折波导结构，其特征在于，所述U形槽结构(6)的高度介于矩形波导窄边长度的0.3-0.7倍之间，宽度为1/4波长，U形槽结构(6)的“U”型两个直线臂长度为1/2波长；U形槽结构(6)的两端开口分别与槽间隙波导(2)连通；矩形波导二(3)位于U形槽结构(6)内，矩形波导二(3)的宽边与U形槽结构(6)两端开口的连线相平行，且U形槽结构内壁与矩形波导二外壁之间的距离与方柱的边长相同。

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