CN114597612A - 一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件，其中基于电磁带隙结构的法兰，包括：金属板，所述金属板中间开有波导口，所述金属板上刻蚀有周期方形柱电磁带隙结构，所述方形柱电磁带隙结构凸出于金属板表面，所述波导口附近设有椭圆阻抗变换过渡结构；在对接时，平面法兰的波导口与所述基于电磁带隙结构的法兰的波导口对齐，方形柱电磁带隙结构朝向平面法兰；平面法兰与所述基于电磁带隙结构的法兰存在法兰对接空气间隙，波导中的能量沿垂直方向传播，沿缝隙的电磁泄露在周期方形柱电磁带隙结构中得到抑制。

Description

一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件

技术领域

本发明属于太赫兹波导领域，具体涉及一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

太赫兹测试常采用波导接口，使用标准法兰进行紧密连接，需要固定螺丝使法兰面之间无空气间隙才能保证较高的传输效率和良好的驻波特性，在对待测件进行测试时为了保证波导口的理想对接需要多次拆卸螺丝，降低测试效率的同时也很大程度上影响了用户体验。

太赫兹波导口进行连接时，波导法兰对紧密连接有比较高的要求。由于高频段波长短，对连接件结构的精密度有很高的要求，而波导法兰连接需要人工固定，常常会因为固定不紧密在波导口之间存留缝隙，造成电磁泄露，增加传输损耗，影响信号传输的完整性。这一现象在太赫兹高频段尤为明显，在增加测试误差的同时也降低了测试效率，无法满足高精度快速测试的要求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件，本发明采用间隙波导技术对波导连接法兰面进行改进，免除了螺丝安装的麻烦，仅需销钉定位，大大提高了测试效率。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种基于电磁带隙结构的法兰。

一种基于电磁带隙结构的法兰，包括：金属板，所述金属板中间开有波导口，所述金属板上刻蚀有周期方形柱电磁带隙结构，所述方形柱电磁带隙结构凸出于金属板表面，所述波导口附近设有椭圆阻抗变换过渡结构；

在对接时，平面法兰的波导口与所述基于电磁带隙结构的法兰的波导口对齐，方形柱电磁带隙结构朝向平面法兰；平面法兰与所述基于电磁带隙结构的法兰存在法兰对接空气间隙，波导中的能量沿垂直方向传播，沿缝隙的电磁泄露在周期方形柱电磁带隙结构中得到抑制。

第二个方面，本发明提供了一种基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件。

一种基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，包括：第一法兰盘、第二法兰盘和直通段，所述第一法兰盘和第二法兰盘通过所述直通段连接，所述第一法兰盘和第二法兰盘上均设有第一个方面所述的基于电磁带隙结构的法兰。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，作为波导连接件可与传统标准法兰对接，只需销钉对位，无需螺丝拧紧，容许在法兰面间存在一定的空气间隙，保证信号高质量传输的同时可以实现快速测试。

本发明与现有技术相比，使用电磁带隙结构代替波导口附近的金属面，现有技术使用电磁带隙结构代替波导侧壁，虽然都利用了电磁带隙的电磁波抑制功能，但设计原则不同。

本发明实现了有缝隙对接情况下的波导信号高质量传输。

本发明弥补了现有技术没有解决的波导器件快速连接功能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一示出的电磁带隙结构色散曲线图；

图2是本发明实施例一示出的基于电磁带隙周期结构的法兰结构图；

图3是本发明实施例一示出的基于电磁带隙周期结构的法兰传输性能仿真图；

图4是本发明实施例二示出的新型法兰与传统法兰的缝隙场分布对比图；

图5(a)是本发明实施例二示出的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件的整体结构图；

图5(b)是本发明实施例二示出的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件的俯视图；

图6(a)是本发明实施例二示出的试用于250GHz以下频段的法兰面结构图；

图6(b)是本发明实施例二示出的试用于250GHz以上频段的法兰面结构图；

其中，1、周期方形柱电磁带隙结构，2、椭圆阻抗变换过渡结构，3、法兰对接空气间隙，4、第一法兰盘，5、第二法兰盘，6、销钉，7、第一连接孔，8、第二连接孔，9、直通段，10、环形保护面，11、基于电磁带隙结构的法兰。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，术语如“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例提供了一种基于电磁带隙结构的法兰。

一种基于电磁带隙结构的法兰，包括：金属板，所述金属板中间开有波导口，所述金属板上刻蚀有周期方形柱电磁带隙结构1，所述方形柱电磁带隙结构凸出于金属板表面，所述波导口附近设有椭圆阻抗变换过渡结构2；

在对接时，平面法兰的波导口与所述基于电磁带隙结构的法兰11的波导口对齐，方形柱电磁带隙结构朝向平面法兰；平面法兰与所述基于电磁带隙结构的法兰11存在法兰对接空气间隙3，波导中的能量沿垂直方向传播，沿缝隙的电磁泄露在周期方形柱电磁带隙结构1中得到抑制。

以325-500GHz频段为例设计电磁带隙结构色散曲线如图1所示。选择周期方柱的边长、高度和周期距离参数可以调整对应的电磁禁带频率和带宽。仿真四种工作模式，统计50GHz以上的模式分布情况，在325-500GHz频带没有任何模式分布，此时周期结构呈现禁带特性，即不允许电磁波传播。

基于电磁带隙周期结构的法兰设计如图2所示。两层具有一定厚度的金属板叠层放置，金属板中间开有波导口，上下金属板的波导口对齐。传统法兰为金属平面，本实施例设计的新型法兰对金属板的一面进行改进，即在单侧金属面上刻蚀周期方形柱电磁带隙结构1，方形柱凸出于金属面，波导口附近有台阶式椭圆阻抗变换过渡结构。传统法兰平面与本实施例设计的新型法兰面对接时存在法兰对接空气间隙3，波导中的能量沿垂直方向传播，沿缝隙的电磁泄露在周期结构中得到抑制。

以325-500GHz频段基于电磁带隙周期结构的法兰波导传输性能如图3所示。优化周期结构使得禁带带宽覆盖325-500GHz，选择缝隙宽度为50μm，仿真波导端口的传输特性和驻波特性。当采用传统法兰即平面金属时，由于缝隙的泄露传输系数性能明显降低。使用电磁带隙周期结构的法兰代替一个金属平面，等效构造PEC-PMC，此时传输系数保持在0dB左右，传输性能优良。此外，端口驻波系数在-20dB以下，性能指标满足一般器件连接需要。图4为本实施例设计的新型法兰与传统法兰仿真信号沿波导传输时，在空气缝隙中的电场分布对比，可以看到，左侧的传统法兰沿缝隙泄露较为严重，而右侧的新型法兰由于周期表面，很好地抑制了沿缝隙的泄露场，使能量集中在波导口附近，保证了纵向信号的传输质量。该仿真验证了基于电磁带隙周期结构的新型法兰对于非接触连接的有效性。

作为一种或多种实施方式，所述椭圆阻抗变换过渡结构2为台阶式椭圆阻抗变换过渡结构，台阶式椭圆阻抗变换过渡结构包括内圈椭圆阻抗变换过渡结构和外圈椭圆阻抗变换过渡结构，所述内圈椭圆阻抗变换过渡结构的表面高于外圈椭圆阻抗变换过渡结构的表面。

作为一种或多种实施方式，所有所述周期方形柱电磁带隙结构1的上表面在同一水平面上。

本实施例所述的基于电磁带隙结构的波导法兰结构，波导口附近排布周期方柱，波导口与方柱之间通过椭圆或阶梯椭圆实现阻抗匹配过渡。波导法兰面增加电磁带隙结构，基于该结构设计太赫兹波导连接件，如直波导、弯波导等。周期方柱位于圆形底座上，调整底座高度使法兰面上各个结构金属上表面位于同一水平面。太赫兹高频段在周期方柱外围增加环形保护面，周期方柱上表面与保护面上表面位于同一水平面，保护方柱不受外力损坏。

实施例二

本实施例提供了一种基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件。

正如背景技术中所介绍的，基于传统波导连接件的太赫兹测试测量仪器在对待测件进行测试时需要反复拆卸螺丝，测试周期长，无法满足快速测试的需求。且每次连接时由于安装松紧度不同引入误差，造成测试不稳定的现象，这一现象在高频段表现较为明显。

为此，本实施例提供了一种基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，包括：第一法兰盘4、第二法兰盘5和直通段9，所述第一法兰盘4和第二法兰盘5通过所述直通段9连接，所述第一法兰盘4和第二法兰盘5上均设有实施例一所述的基于电磁带隙结构的法兰11。

本实施例提出基于间隙波导技术的太赫兹波导连接件，频率覆盖60-500GHz，涵盖60-90/90-140/140-220/220-325/325-500及75-110/110-170/170-260/260-400等多个标准波导频段。针对不同频段法兰面特点采用两种结构方案。利用电磁带隙周期结构替代波导法兰金属面，抑制电磁波沿法兰面的横向泄露，从而允许波导法兰连接时存在一定的空气缝隙。

电磁带隙周期结构抑制沿缝隙的电磁泄露原理如下。当两个无限大PEC表面平行放置且间距为2d时，PEC-PEC结构对垂直极化电场不存在禁带特性，呈现全通特性，而当电场为水平极化时呈现高通滤波特性。周期表面代替其中一个PEC可以用PMC等效，PEC-PMC结构对垂直极化电场抑制，对水平极化电场呈现高通特性。因此PEC-PMC结构可以实现电磁波抑制功能。

基于电磁带隙结构设计了频率覆盖60-500GHz包含多个标准波导频段的系列化太赫兹波导连接件，用以满足日常测试需求。基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件整体结构如图5(a)、图5(b)所示，图5(a)为整体结构，图5(b)为俯视图，仰视图与俯视图相同。包括两个法兰盘1和直通段9，与一般直通波导外观相同。销钉6和第一连接孔7、第二连接孔8用于定位。法兰面对接处包含环形保护面10，波导口附近刻蚀电磁带隙周期表面6。

60-500GHz按照标准波导频段进行划分，250GHz以下频段，90-140/110-170/140-220GHz频段不包含环形保护面10，直接用周期方柱作为受力面，周期方柱位于圆形底座上，使上表面位于同一水平面，如图6(a)所示。采用此设计可以尽可能利用法兰对接面制造更多的周期结构，保证电磁抑制能力。

250GHz以上频段，270-260/220-325/260-400/325-500GHz频段由于方柱尺寸较小容易受到外力破损，在周期方柱外围增加环形保护面10，保护面表面与方柱上表面位于同一水平面，如图6(b)所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电磁带隙结构的法兰，其特征在于，包括：金属板，所述金属板中间开有波导口，所述金属板上刻蚀有周期方形柱电磁带隙结构，所述方形柱电磁带隙结构凸出于金属板表面，所述波导口附近设有椭圆阻抗变换过渡结构；

在对接时，平面法兰的波导口与所述基于电磁带隙结构的法兰的波导口对齐，方形柱电磁带隙结构朝向平面法兰；平面法兰与所述基于电磁带隙结构的法兰存在法兰对接空气间隙，波导中的能量沿垂直方向传播，沿缝隙的电磁泄露在周期方形柱电磁带隙结构中得到抑制。

2.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的法兰，其特征在于，所述椭圆阻抗变换过渡结构为台阶式椭圆阻抗变换过渡结构。

3.根据权利要求2所述的基于电磁带隙结构的法兰，其特征在于，所述台阶式椭圆阻抗变换过渡结构包括内圈椭圆阻抗变换过渡结构和外圈椭圆阻抗变换过渡结构，所述内圈椭圆阻抗变换过渡结构的表面高于外圈椭圆阻抗变换过渡结构的表面。

4.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的法兰，其特征在于，所有所述周期方形柱电磁带隙结构的上表面在同一水平面上。

5.一种基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，其特征在于，包括：第一法兰盘、第二法兰盘和直通段，所述第一法兰盘和第二法兰盘通过所述直通段连接，所述第一法兰盘和第二法兰盘上均设有权利要求1-4任一项所述的基于电磁带隙结构的法兰。

6.根据权利要求5所述的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，其特征在于，所述第一法兰盘和第二法兰盘上均设有连接孔和销钉。

7.根据权利要求6所述的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，其特征在于，所述连接孔包括第一连接孔和第二连接孔。

8.根据权利要求7所述的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，其特征在于，所述第一连接孔上插接连接销钉。

9.根据权利要求5所述的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，若波导频段高于250GHz、低于500GHz，则在权利要求1-4任一项所述的基于电磁带隙结构的法兰外围增加环形保护面。

10.根据权利要求9所述的基于电磁带隙结构的太赫兹波导连接件，所述环形保护面与周期方形柱电磁带隙结构的上表面在同一水平面上。

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