CN1148279A - 介质波导 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及介质，特别是具有一个介质材料部件(2)的平面或准平面波导(1)，该介质材料部件(2)由这样一种材料部分地制成：该材料的导磁率或导磁率张量和/或介电常数或介电常数张量可以由局部进入材料(2)的磁场(9)改变；并设置了用于产生至少一个磁场(9)的至少一个媒介(6)。因此由媒介(6)产生的材料部件(2)导磁率或导磁率张量和/或介电常数或介电常数张量可以至少被局部地改变。

Description

介质波导
本发明涉及介质，特别是平面或准平面波导，它至少有一个介质材料部件。
已知的平面波导是局部地制造的引导形状，在这里，介质载板(基片)被覆盖金属导体/结构(带和条传输)或者在金属基板上装有介质结构(介质可调短流路)。在这种形状中平面波导涉及露线结构。就平面线而言，高精度要求转移到了平面结构上。借助于光刻技术，这些要求可以容易地和低成本地并以精确地再现方式实现。与波导技术相比，平面电路技术提供了许多优点，例如在一个载板上，电路的一些平面元件可以集成为一个系统，节省了空间和高度。由于在各元件之间采用短连接，从而减少了引线损耗、连接件的数量以及不均匀的重量。类似的情况是，半导体器件还可以被简单地安装。此外，平面结构通常有比波导电路更干净的带宽。
这种类型的平面波导存在如下的缺点：TEM型阻抗取决于基片导体部件的选择尺寸的及介质基片本身的性质，而且在制成波导后TEM型的阻抗就不能再改变。
本发明的任务是提供一种介质波导，该导波可以在导波制成后改变或调整其TEM阻抗。
本发明的任务由权利要求1的区别特征以及权利要求2的区别特征来完成。在本发明工作的两种方式，场产生媒介直接靠近波导，藉此，场产生媒介与金属导体结构和/或波导的基平面电分离。借助于磁场或电场改变导磁率和/或介电常数或介质基片的介质质量或底板与导体结构之间的介质材料结构，就可以依据最终产生的(磁、电)场强质改变介质波导的阻抗电平。至此，无源的电子器件波导就有效地成为有源的器件，在这里，波导的动态系统特性通过场产生媒介被有目的地改变。
在另一个优选实施例中，层靠近波导，该层含有场产生媒介。如果在邻近的层中的场产生媒介被安排成基体或网板的构形，就会导致波导的TEM型阻抗的特别好的控制。通过插入若干个场产生媒介就能够在一定范围内非常精确地调节TEM的型阻抗。
在特别好的构造中，场产生媒介是电感线圈或电容器。电感线圈有m圈绕组，该电感线圈以这样一种方式即，由流过电感线圈的电流产生的磁场至少部分地进入介质材料结构的方式，排列在空间。电感线圈与驱动电子线路有效地连接，使可预置强度和方向的电流能由驱动电子线路加到每个电感线圈。由此限定了电感线圈产生的磁场的方向和强度。
如果电场产生的电容器的媒介的电场向量方向基本平行于波导的结构平面，那么使用电容器就非常有利。也可以这样设想；如果需要的话，考虑到使用的介质基片选择的因素，电容器产生垂直于波导结构平面的电场。
如果在两个区域或区段边界间的特性阻抗通过这种类型的介质波导来调整，则产生作为从第一区域到第二区域传播的波的被限定的反射系数γ就是非常有利的。
如果区段或区域的长度L、宽度B和/或特性阻抗ZL的量可以由场产生媒介以这样的方式，即场产生媒介仅产生用于调整长度L、宽度B和特性阻抗ZL量的预置强度的场的方式，来调整；在区域或区段中所述的场至少部分地进入波导的介质材料部件，这样也会有上述相同的优点。
介质材料部件或结构与基面之间的介质基片由于使用了旋磁或旋电材料而变得很有利，所述的介质材料部件的介质数εγ为3和5。由此能实现微波范围的波导的特别好的性能。如果材料为钇铁榴石层使其优点明显相同。这种类型的钇铁榴石层验证了导磁率或导磁率张量在启动恒定磁场时在磁场穿过的区域中改变，由于这个原因波导的TEM型阻抗也改变。
如果存在具有在介质材料部件或钇铁榴石层与基面之间的Lggg厚度的镓钆榴石层，对使用钇铁榴石层来说就是有利的。有利的情况是，基面为镓钆榴石层的侧面薄覆盖铜层，该侧面处在钇铁榴石层的相反面。具有厚度Lq的石英层可以设置在介质材料部件或钇铁榴石层与结构平面之间，所述的结构平面是从石英层光刻产生的。场产生媒介有利的设置在与结构平面相反的基面一侧，场产生媒介用专门由苯乙烯层制作的绝缘层与导体基面电隔离。场产生媒介可以有利地置入薄层内或邻近该薄层。
在相同的较佳操作形式中，场产生媒介的驱动电子线路安排在含有场产生媒介的薄层侧面，所说的侧面与导电基面相反。驱动电子线路与场产生媒介电连接。一个这种类型的部件可以特别紧凑地制成，而且制造花费适当。由于驱动电子线路直接放置在含有场产生媒介的超薄层上，因此在驱动电子线路与场产生媒介间的连接线就被减小到最小。
一个这种类型的波导是磁或电可控反射吸收衰减器。它还可以作为磁或电可控频段抑制或滤波器被应用。由此，实现了介质波导的TEM型阻抗取决于频率的效果。如果出现两个波导间的调整，该调整仅产生在窄频段的情况。在滤波器制作后，对该频段外的频率不再调整是可能的。由于存在用场产生媒介改变特性阻抗的可能性，因此可以在不同频率的两个介质波导间依次改变一个波导来完成调整。这样就能够用本发明的波导进行频谱分析。
一个这种类型的波导也可以置入(例如)作为可变的壳体电容器或串联电感器的波导部件中，固为此介质波导具有裸导体区段，在其各个端区段上有宽度B1，在其中间区段有宽度B2。为了生产给定的壳体电容器或串联电感器，应借助于场产生媒介相应地改变中间区段的有效宽度B2。为了减小宽度B2，用场产生媒介产生要求强度的场，该场至少部分地进入中间区段的介质材料部件的边界区域，由此，TEM型阻抗可以在裸导体区段的中间区段的边界区域内调整，这个TEM阻抗为零至无穷大。
该介质波导还可以是连接电缆，其长度可以由场产生媒介改变，改变的方式同上所述。
如果多于一个的波导靠近连接电缆的一端，对本发明也是有利的。波导的特性阻抗可以由场产生媒介以这样的方式，即在特性阻抗ZL→∞处连接电缆未接负载工作和在特性阻抗ZL→0处连接电缆短路的方式，来改变。
本发明的介质波导是有源电子器件，借助于可变的TEM型阻抗能带来任何一些应用可能性。借助于波导的位置依赖可调阻抗分布(position dependent adjustableimpedance profile)，介质波导可作为反射吸收衰减器来应用。在这里所说的吸收不是基于吸收原理而是基于变化反控制场的强度和与控制相关的传播场的强度。
下面参照附图说明本发明可能的工作方式。
图1是具有集成感应面的介质波导；
图2是具有集成感应面的介质波导，利用感应线圈在中心区域产生磁场H；
图3是通常在商业上可得到的条状传输线的剖面图；
图4是贯穿本发明的波导的剖面图；
图5是贯穿具有钇铁榴石层的波导的剖面图；
图6是具有以矩阵形状分布感应线圈的感应面的顶视图；
图7a-7c是具有中心区域的波导的顶视图，其宽度可以由场产生媒介改变；
图8和图9是介质导波的示意图，其介质特性可以由电场改变。
图1和图2示出了介质波导1，它的条状传输线扩展。波导1有位于介质层2上的导电基面3。条状导体4设置在介质基片层2的侧面2a。基面3处于侧面2a的相反侧面。导体4通过光刻工艺制成。介质基片2有相对导磁率μγ和介质常数εγ。薄层5处于基面3上的介质基片2的相反一侧。感应环6置于薄层5中，薄层5的感应环6通过连接线6c与驱动电子线路7连接(未示出)。限定强度和方向的感应电流可以通过驱动电子线路7加到环形线圈6中。若干环形线圈6可以含有产生高磁场H的若干绕组。
感应线圈6如图6所示的那样以矩阵形状安排并平行于基面3，这种类型的感应线圈使其产生的磁场9进入基面3并进入介质2的临界区域。由此，改变了介质2的介质特性，从而在全区域改变了介质波导的特性阻抗ZL如图2所示，在中央区域靠加给线圈6b的电流改变TEM型组抗，从而产生了除了ZL外的特性阻抗ZLV。
特性阻抗ZL的变化量取决于产生的磁场的强度、介质材料部件2的使用材料及其尺寸，其数值则必须通过适当的实验或计算来确定。
图3示出了介质波导1。两条条状导体4相互平行设置。在图3中，示出了以条状传输线传播的电磁波的E场8。
图4示出了贯穿本发明介质波导1的剖面图。它被假设为薄层5(感应面)反在限定的位置上有感应线圈6的改变介质基片2的介质特性。感应线圈6仅被设置在影响结构面的给定条状传输线的那些位置上。
图5示出了根据条状传输线技术的本发明的再一个波导1。波导1有镓-钇榴石载体11，在其上外延地生成均匀的单结晶和掺镓钇铁榴石层2。该掺杂层2是非磁化状态的介质。面向由流体相外延(fluid phase epitaxy)产生的钇铁榴石层2的区域被石英层10覆盖在覆盖层的整个范围，与该混合物相反的表面均匀地涂覆了铜。该铜层的厚度为17.5μm，石英层10的石英面铜层形成了结构面4。该结构面4由光刻制成，以便出现限定几何尺寸的条状传输线4。在与结构面4相反的基面3的侧面上设置了薄层5的感应面。该薄层5有感应环6a、6b形状的电感6，它们通过连接线6c与驱动电子线路电连接(未示出)。感应环6a、6b以图6可见的矩阵形状设置。在薄层5和基面3之间设置了用于电隔离感应面5和基面3的聚苯乙稀层12。由电感线圈6a、6b产生的磁场9进入基面3及镓钇榴石载体层11，并改变了钇铁榴石层2的介质特性。由于钇铁榴石层2的介质特性的改变，使条状传输线的TEM的型阻抗ZL在区域内也改变。
图7a至7c示出了介质波导1，裸导体部分4分为个区段13、14，其两个端区段13具有宽度B1，中间区段具有宽度B2，B2大于B1。特别是感应线圈6以这样一种方式，即中央传输区段14b的有效宽度B2可以被磁场改变的方式，设置感应层6的在中间区段14中。靠变化宽度B2就能够变化中央区段的特性阻抗ZL。这样，借助于这种类型的波导就能够产生串联电感L图(7b)或壳体电容C(图7c)。通过感应线圈6以相当于一端开路或一端短路的方式就可以调整中央区段14的侧边区段14a的TEM型阻抗。
图8和图9示出了介质波导，它具有介质基片层2，在一侧上设置了感应基面3，在表面2a上光刻制成了结构面4。在导波1的侧边设置了若干电容器板6，由此可以在横向于条状传输引入的波的传播方向产生电场15。靠产生的电场15可以局部地改变介质基片层2的介质特性，由此在该区域中就产生了新的特性阻抗ZLV。电容器板6以这样的方式，即由处于相反边的一对电容器板产生给定方向和强度的电场方式，通过连接元件S电连接电源端U。根据电场的方向和强度，期望的TEM型阻抗ZLV在最终场渗透区域行自我调节。

Claims (21)

1.一种介质，特别是至少有一个介质材料部件(2)的平面或准平面波导(1)，其中介质材料部件(2)至少部分地由这样的材料构成：该材料的导磁率或导磁率张量和/或介电常数或介电常数张量可以由局部进入材料(2)的磁场(9)和至少一个磁场(9)改变；由于磁场(9)由媒介(6)产生，因此材料部件(2)的导磁率或导磁率张量和/或介电常数或介电常数张量可至少部分改变
2.一种介质，特别是至少有一个介质材料部件(2)的平面或准平面波导(1)，其中介质材料部件(2)由这样的材料部分地构成：该材料的导磁率或导磁率张量和/或介电常数或介电常数张量可以由局部进入材料(2)的电场(15)改变，并且设置了用于产生至少一个电场(15)的至少一个媒介(6)；因而靠媒介(6)产生的电场(15)能至少局部地改变材料部件(2)的导磁率或导磁率张量和/或介电常数或介电常数张量。
3.根据权利要求1或2所述的介质波导(1)，其特征在于场产生媒介(6)邻近波导(1)，场产生媒介(6)与金属导电结构(4)和/或波导(1)的基面(3)电隔离，所述的电隔离是通过层特别是聚苯乙烯层来完成。
4.根据权利要求3所述的介质波导(1)，其特征在于至少一个层尤其是薄层(5)毗邻波导(1)，使场产生媒介(6)处于薄层(5)中或其上。
5.根据权利要求4所述的介质波导(1)，其特征在于邻近层(5)中的场产生媒介(6)以矩阵或网板的形状设置，特别是安排在金属导体结构(4)的区域。
6.根据权利要求5所述的介质波导(1)，其特征在于磁场产生媒介(6)是具有的圈绕组的感应线圈；该感应线圈的这样的方式，即由流过电感线圈的电流产生的磁场(9)至少部分地进入介质材料部件(2)的方式，在空间调节；该电感线圈安排在相反于条状导体(4)的基面(3)的一侧。
7.根据权利要求6所述的介质波导(1)，其特征在于感应线圈(6)与驱动电子线路(7)连接，具有给定强度和/或方向的至少一个磁场(9)可以由感应线圈(6)产生，感应线圈(6)的驱动电子线路(7)邻近与导电基面(3)相反的薄层(5)的一侧，并与感应线圈(6)电连接。
8.根据权利要求5所述的介质波导(1)，其特征在于电场(15)产生媒介(6)是电容器，由电容器专门产生的电场(15)的电场向量的方向近似平行波导(1)的结构平面。
9.根据权利要求8所述的介质波导(1)，其特征在于电容器(6)是平板电容器，该平板横向于电磁波的传播方向设置，该平板电容器与驱动电子线路(7)连接。
10.根据权利要求1或上述权利要求之一项的特征所述的介质波导(1)或分段，其特征在于波导L(1)的特性阻抗数值Z可以通过至少一个场产生媒介(6)至少局部或分段改变。
11.根据权利要求10所述的介质波导(1)，其特征在于区段或区域的长度L、宽度B和/或特性阻ZIL的数值可以通过场产生媒介(6)引人用于调整长度L、宽度B和/或特性阻抗ZL值的所要求强度的场(9、15)的方式，被给定或调整；在该区段或区域中场(9、15)至少部分地进入波导(1)的介质材料部件(2)。
12.根据权利要求11所述的介质波导(1)，其特征在于一个第一区域或区段(13)中，波导(1)具有特性阻抗ZL1；与第一区域(13)连接的波导(1)的第二区域或区段(14)具有可由场产生媒介(6)变化的特性阻抗ZL2，被给定的要求的反射系数r由第二特性阻抗ZL2调整，该反射系数r可以按下式计算： r = Z L 2 - Z L 1 Z L 2 + Z L 1
13.根据上述权利要求之一项所述的介质波导(1)，其特征在于介质材料部件(2)由旋磁或旋电材料构成，材料部件(2)的介质常数εγ为3～5。
14.根据权利要求13所述的介质波导(1)，其特征在于材料部件(2)是钇铁榴石层。
15.根据上述权利要求之一项所述的介质波导(1)，其特征在于介质波导(1)具有导电基面(3)和至少一个条状导体(4)或结构平面(4)；介质材料部件(2)处于基面(3)和条状导体(4)或结构平面(4)之间；具有厚度Lggg的镓钇石层(11)处于介质材料部件(2)和基面(3)之间。
16.根据权利要求15所述的介质波导(1)，其特征在于厚度为LQ的石英层(10)处于介质材料部件(2)和条状导体(4)或结构平面(4)之间。
17.根据上述权利要求之一项所述的介质波导(1)，其特征在于波导(1)是磁或电可控的反射吸收衰减器或者是磁或电可控的频带阻断或滤波器。
18.根据权利要求17所述的介质波导(1)，其特征在于特性阻抗ZLf可以被分配到由介质波导(1)引导的波的每个频率值ft，并可以以分配的频率ft，仅略微衰减而其它频率f≠ft较强衰耗的方式进行调节。
19.根据上述权利要求之一项所述的介质波导(1)，其特征在于条状导体区段(4)在其顶部具有宽度B1，在其中部具有宽度B2，中间区段(14b)的宽度B2由产生给定壳体电容器或串联电感器的场产生媒介(6)的这样的方式，即场产生媒介(6)产生用于产生宽度B2的要求强度的场(9、15)的方式，来改变；因此场(9、15)至少部分地进入中间区段(14)的介质材料部件(2)的边界区域(14a)。
20.根据上述权利要求之一项所述的介质波导(1)，其特征在于波导(1)是连接电缆，其长度L可以由场产生媒介(6)改变。
21.根据权利要求20所述的介质波导(1)，其特征在于另一个波导(1′)邻近该连接电缆的一端，波导(1′)的特性阻抗ZL由场产生媒介(6)以这样的方式，即特性阻抗ZL→∞时连接电缆开路(runs idle)和特性阻抗ZL→O时连接电缆被短路的方式来改变。
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