一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)包括金屬槽和槽里填充的介質(zhì)。電磁波沿著槽的縱向傳播，其基模是橫電模，高次模是橫磁模，電磁波模式的截止頻率由槽的深度決定。本發(fā)明給出了基模傳播常數(shù)的特征方程。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、易集成。本發(fā)明列舉了多種可基于該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的無源器件。特別地，本發(fā)明用作天線陣的串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)饋電簡單、高增益、平面結(jié)構(gòu)、易集成的太赫茲天線陣。本發(fā)明可用于太赫茲高速無線通信和雷達系統(tǒng)中。
【專利說明】一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，可用于 高速無線通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)中。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，太赫茲電磁波頻譜因其多種優(yōu)勢備受關(guān)注，例如，開放頻譜資源、無線高 速通信、太赫茲成像、無損探傷、安全檢查等，太赫茲系統(tǒng)在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)上都具有重大 價值。但由于工作頻率的大幅上升，也給研究人員提出了新的挑戰(zhàn)，其中，研究有效的太赫 茲波導(dǎo)以及高效地輻射或接收太赫茲波成為了一個關(guān)鍵目標。
[0003] -般地，現(xiàn)有的太赫茲波導(dǎo)的設(shè)計源于與其工作頻段相鄰的兩個頻段的波導(dǎo)，即 微波波導(dǎo)和光纖。在微波波段的傳統(tǒng)帶線傳輸線，例如微帶線、槽線、共面波導(dǎo)等，隨著工作 頻率的不斷升高，由于損耗過大以及傳輸線之間的耦合作用，使得此類傳輸線不再適用。而 傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)則可用于太赫茲頻段，例如，空金屬波導(dǎo)管，但由于加工誤差、金屬損耗、色 散等原因，其應(yīng)用范圍也會受到嚴重限制。再如，平行板金屬波導(dǎo)，可傳輸無色散的橫電磁 (TEM)模式的電磁波，且金屬損耗相對低，但金屬波導(dǎo)尺寸較大，不方便系統(tǒng)集成。為了解決 以上多種限制，研究人員提出了介質(zhì)集成波導(dǎo)，其平面結(jié)構(gòu)使得它易于系統(tǒng)集成，但是，其 側(cè)壁圍欄過孔結(jié)構(gòu)的加工精度限制了其工作頻率范圍。另一方面，工作在近紅外與光波頻 段的介質(zhì)光纖也可作為太赫茲波導(dǎo)。傳統(tǒng)介質(zhì)光纖是一種圓柱形波導(dǎo)，通過內(nèi)部全反射將 光束縛在光纖軸中。與金屬波導(dǎo)管類似，太赫茲波在傳統(tǒng)介質(zhì)光纖中衰減對于長距離傳輸 而言非常大，不同的是該衰減是由介質(zhì)損耗引起的。并且，介質(zhì)光纖工作在太赫茲頻段時存 在比較大的彎折損耗。針對以上問題，研究人員提出了其他形式的低損耗太赫茲介質(zhì)波導(dǎo)， 例如，中空介質(zhì)波導(dǎo)和中心多孔介質(zhì)波導(dǎo)。中空介質(zhì)波導(dǎo)主要分為兩種，一種是利用特殊的 太赫茲材料，通過全反射使得太赫茲波束縛在波導(dǎo)的空心中。但由于多模傳播，傳導(dǎo)模式與 自由空間的電磁波模式失配嚴重，導(dǎo)致耦合效率低。另外一種中空波導(dǎo)是利用人工材料，通 過形成電磁帶隙使得太赫茲波在中心空氣中傳播。但其應(yīng)用范圍受到尺寸大、帶寬窄等問 題的限制。中心多孔介質(zhì)波導(dǎo)主要是指光子晶體波導(dǎo)，利用光子帶隙通過內(nèi)部全反射束縛 電磁波，此類波導(dǎo)加工比較復(fù)雜。
[0004] 再者，傳播表面等離子體波的金屬裸線也是一種太赫茲波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有較低損 耗和低色散特性。但是絕大部分場的分布都延伸在空氣中，這導(dǎo)致嚴重的彎折損耗和近距 離傳輸線之間耦合，不適用于系統(tǒng)集成。對此，研究人員提出了介質(zhì)涂層的金屬裸線和波紋 裸線，提高場的束縛力。另外，研究人員還提出了基于亞波長周期結(jié)構(gòu)的準表面等離子波 導(dǎo)，可有效傳導(dǎo)太赫茲波，例如，V形槽波導(dǎo)、單帶線波導(dǎo)、楔形波導(dǎo)等。然而，其復(fù)雜的三維 結(jié)構(gòu)大大增加了加工難度。
[0005] 另一方面，由于太赫茲電磁波存在較大的自由空間傳輸衰減，所以需要高增益的 太赫茲天線。目前太赫茲天線局限于傳統(tǒng)的透鏡天線和喇叭天線，其非平面結(jié)構(gòu)使得它們 不適用于系統(tǒng)集成。在太赫茲頻段，平面結(jié)構(gòu)的高增益天線陣列的設(shè)計需要高效率的饋電 網(wǎng)絡(luò)，要求傳輸線結(jié)構(gòu)簡單進而易于加工實現(xiàn)、損耗小、效率高。
[0006] 從以上分析可知，在實際的應(yīng)用中，對低損耗、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、易于集成、單 模傳輸且其模式易于匹配的太赫茲傳輸線有著急切的需求，本發(fā)明正是針對這一需求而提 出。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景，為了解決目前太赫茲傳輸線損耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易集 成等問題，提出了一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)。
[0008] 本發(fā)明所述的一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，基本結(jié)構(gòu)包括金屬槽和槽中填充 的介質(zhì)。本發(fā)明的特點在于，電磁波沿著槽縱向傳播，電磁波模式的截止頻率由槽深度和介 質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，當填充的介質(zhì)一定時，截止頻率隨著槽深度減小而升高。
[0009] 本發(fā)明所述的一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)所傳導(dǎo)電磁波的基模是橫電模，在 金屬槽內(nèi)電場極化方向垂直于金屬側(cè)壁。根據(jù)邊界條件，可利用模式匹配方法得到關(guān)于傳 播常數(shù)的特征方程，如下所示：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種太赫茲介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，其特征在于：包括金屬槽和槽里填充的介質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，其特征在于：該波導(dǎo)傳導(dǎo)的電磁波沿 著波導(dǎo)縱向傳播，基模為橫電模，高次模為橫磁模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，其特征在于：該波導(dǎo)所傳導(dǎo)的電磁波 模式的截止頻率由槽的深度決定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，其特征在于：金屬槽形狀為矩形，半圓 形或倒三角形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)填充金屬槽波導(dǎo)，其特征在于：所述金屬槽是在金屬塊 上開設(shè)槽，或者金屬槽是在非金屬基材上開設(shè)槽后在槽的底面以及槽的側(cè)面設(shè)置鍍金屬 層，或者金屬槽是在帶有下層金屬和上層開槽金屬的介質(zhì)基片上設(shè)置金屬化過孔。
【文檔編號】H01P3/10GK104103882SQ201410334893
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】屈世偉, 白雪, 蔣琪, 易歡, 吳偉偉, 夏潤梁 申請人:電子科技大學(xué)