專利名稱：一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導的制作方法
技術領域：
本發明涉及小型化波導技術領域，具體涉及一種電磁波相速方向可控的小型化矩 形波導。
背景技術：
矩形波導是一根空心金屬管，其橫截面為矩形，是微波、毫米波頻段的一種常見的 電磁波傳輸結構。矩形波導與微帶線、同軸線等微波傳輸結構相比，具有損耗小、功率容量 大以及結構堅固等優點。另外，還可以通過在矩形波導上面開縫形成一類獨特的無線通信 天線——縫隙天線。總而言之，矩形波導在微波、毫米波技術領域具有廣泛的應用前景。但 是矩形波導有一個很大的缺點矩形波導橫截面的寬度(假設寬度大于或等于高度，下同) 必須要大于所傳輸電磁波波長的二分之一，否則電磁波就無法在矩形波導中傳播。也可以 理解為在矩形波導中傳播的電磁波，其工作波長一定要小于矩形波導橫截面的寬度的二 倍(該數值又被稱為矩形波導的截止波長，其對應的頻率則被稱為截止頻率)。因此，研制寬 度小于傳輸工作波長且大于截止波長的電磁波的小型化矩形波導具有重要的應用價值。超常媒質是一種興起于20世紀末的新型人工復合電磁材料，它具有周期性的結 構，通過超常媒質結構單元在空間中的周期性排列來形成，所述超常媒質結構單元包括基 板和C型斷口圓環，如圖5所示。超常媒質具有很特殊的電磁特性，尤其是超常媒質的有效 介電常數或者有效磁導率可以為負值。超常媒質由于具備特殊的電磁特性，超常媒質被廣 泛地應用于改善現有射頻、微波、毫米波器件的性能，縮小它們的體積。2005年，Hrabar等 人利用超常媒質實現了一種小型化的矩形波導，如圖4所示，它包括一個空心矩形波導，以 及在矩形波導的內部，沿著波導的中心軸線放置各向異性超常媒質結構單元，并且這種超 常媒質結構單元在垂直于波導軸線方向上的有效磁導率分量為負，在其它方向上的有效磁導率分量以及在所有方向上的有效介電常數分量為正值。該小型化矩形波導可以傳輸工作 波長大于截止波長(也就是工作波長大于矩形波導橫截面寬度二倍)的電磁波。也就是說， 該小型化波導，在橫截面寬度小于電磁波工作波長的二分之一的情況下，仍然可以傳輸電 磁波。由于普通波導的橫截面寬度必須大于工作波長的二分之一，因此，該矩形波導是一種 小型化的矩形波導，它與普通波導相比具有更小的橫截面寬度，但卻能傳輸同樣波長的電 磁波。然而，上述的基于超常媒質的小型化矩形波導，在傳輸特性方面有一個比較特殊 的地方電磁波在其中的相速方向與群速方向相反(相速為負值，以這種方式傳播的電磁波 被稱為后向波)。而對于普通矩形波導或者其他傳輸結構(同軸線、微帶線等)以及包括空 氣在內的絕大多數均勻媒質而言，電磁波在其中的相速方向與群速方向相同(相速為正值， 以這種方式傳播的電磁波被稱為前向波)。雖然如此特殊的電磁性質會使得該小型化矩形 波導在個別應用中帶來意想不到的好處，但它同時也會在普遍的傳統應用領域帶來極大不 便。例如，當應用這種小型化波導來實現漏波天線時，該漏波天線將只能向后方輻射電磁波 而無法向前方輻射電磁波。
發明內容
為了解決現有的基于超常媒質的小型化矩形波導只能傳輸后向波而無法根據需 求控制電磁波相速方向的問題，本發明提供一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導。一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，它包括一個空心矩形波導、多個超 常媒質結構單元，所述小型化矩形波導還包括多個圓柱形控制棒，各個超常媒質結構單元 位于所述空心矩形波導內部，每一個圓柱形控制棒沿著平行于所述空心矩形波導的y向軸 線穿透所述空心矩形波導，且所述每一個圓柱形控制棒沿著ζ向軸線排成一列，所述每一 個圓柱形控制棒在所述空心矩形波導內的部分固定有一個超常媒質結構單元，所述每個圓 柱形控制棒用于沿自身圓柱軸線旋轉，以帶動固定在所述每一個圓柱形控制棒上的超常媒 質結構單元均旋轉至平行于空心矩形波導的χ方向或ζ方向，所述超常媒質結構單元在垂 直于所述超常媒質結構單元基板面的方向上的有效磁導率分量為負值，在其它方向上的有 效磁導率分量以及在所有方向上的有效介電常數分量為正值，空心矩形波導的橫截面的高 度小于或等于所述橫截面的寬度，且所述寬度小于二分之一工作波長。本發明的有益效果本發明提供了一種低成本的電磁波相速方向可控的小型化矩 形波導；本發明通過圓柱形控制棒對電磁波相速方向進行控制，使本發明可分別實現前向 波傳輸和后向波傳輸；本發明通過在空心矩形波導內放置超常媒質結構單元，使得在空心 矩形波導中傳播的電磁波的工作波長不再依賴于空心矩形波導的橫截面尺寸。
圖1是本發明的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導的立體結構示意 圖，圖2是本發明的傳輸前向波(電磁波相速為正值)時的小型化矩形波導的立體結構 示意圖；圖3是本發明的傳輸后向波(電磁波相速為負值)時的小型化矩形波導的立體 結構示意圖，圖4是現有的基于超常媒質的小型化矩形波導的立體結構示意圖，圖5是現 有的超常媒質結構單元2的立體結構示意圖，圖6是本發明的具體實施方式
七中進行數 值仿真獲得的超常媒質小型化矩形波導的傳輸系數隨頻率的變化曲線示意圖，圖7是本 發明的具體實施方式
七中進行數值仿真獲得的超常媒質小型化矩形波導的有效介電常數 (effectivepermittivity)隨頻率的變化曲線示意圖，圖8是本發明的具體實施方式
七中 進行數值仿真獲得的超常媒質小型化矩形波導的有效磁導率(effectiv印ermeability)隨 頻率的變化曲線示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一根據說明書附圖具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種 電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，它包括一個空心矩形波導1、多個超常媒質結構單 元2，所述小型化矩形波導還包括多個圓柱形控制棒3，各個超常媒質結構單元2位于所述 空心矩形波導1內部，每一個圓柱形控制棒3沿著平行于所述空心矩形波導1的y向軸線穿 透所述空心矩形波導1，且所述每一個圓柱形控制棒3沿著ζ向軸線排成一列，所述每一個 圓柱形控制棒3在所述空心矩形波導1內的部分固定有一個超常媒質結構單元2，所述每個圓柱形控制棒3用于沿自身圓柱軸線旋轉，以帶動固定在所述每一個圓柱形控制棒3上的 超常媒質結構單元2均旋轉至平行于空心矩形波導1的χ方向或ζ方向，所述超常媒質結構單元2在垂直于所述超常媒質結構單元2基板面的方向上的有效磁導率分量為負值，在 其它方向上的有效磁導率分量以及在所有方向上的有效介電常數分量為正值，空心矩形波 導1的橫截面的高度小于或等于所述橫截面的寬度，且所述寬度小于二分之一工作波長。
具體實施方式
二根據說明書附圖2和3具體說明本實施方式，本實施方式所述的 固定在所述每一個圓柱形控制棒3上的超常媒質結構單元2均旋轉至平行于空心矩形波導 1的χ方向時，所述超常媒質結構單元2在所述χ方向的磁導率分量為負值，所述空心矩形 波導1中傳輸的電磁波相速為正值；如果固定在所述每一個圓柱形控制棒3上的超常媒質 結構單元2均旋轉至平行于空心矩形波導1的z方向，則所述超常媒質結構單元2在所述 z方向的磁導率分量為正值，所述空心矩形波導1中傳輸的電磁波相速為負值。本實施方式的理論依據為
假設波導軸線方向為Z方向，橫截面寬度方向為X方向，高度方向為y方向，則此時超
常媒質結構lT1.兒的Yi效磁
有效介電常數為；>0。此時，該矩形波導中的電磁場滿足無源空間的麥克斯韋方程 VxE= - Jajf^Jiy Hda)
帶入⑴
式，得到相應的標量方程為
將(2a)式和(2b)式相互代入就可以得到只與縱向場分量相關的電磁場表達式，如(3)
對于TE模式，(3)式可以簡化為
.
另一方面，將(lb)式代入到(la)式可以得到
將(5)式展開，可以得到
再將(4)式代入到(5)式可以得到
可以利用分離變量法求解上述微分方程。結果為
將(8)式代入到(4)式就可以得到填充各向異性超常媒質的矩形波導中的場方程
而求解(9)式可以得到相位常數的解
(11)
由此可以得出結論
1.當uz<0,ux>0時，矩形波導的截止頻率消失，也就是說，波
導能夠傳播的電磁波的工作波長與矩形波導尺寸無關。同時，由于在u2<0時，
并且ux>0，所以此時，電磁波在該矩形波導內是以
正向波的形式傳播，也就是說相速為正。 2.ux<0,uz >0，矩形波導的截止頻率仍然存在，但是恰好與普通
矩形波導的截止頻率作用相反普通矩形波導截止頻率的作用是，在截止頻率以下，電磁波 不能傳播，在截止頻率以上，電磁波才可以傳播，所以矩形波導的寬度必須大于工作波長的二分之一；對于/^ < 0,//z > 0時的矩形波導，它的截止頻率的作用是，在截止頻率以上，電磁波不能傳播，在截止頻率以下，電磁波才可以傳播，所以矩形波導的寬度必須小于
工作波長的二分之一，因此實現了小型化。同時，由于此時，
同時成立，所以電磁波在該矩形波導內是以后向波的形式傳播，也就是說相速 為負。
具體實施方式
三根據說明書附圖2具體說明本實施方式，本實施方式是對具體 實施方式二的進一步說明，具體實施方式
二中固定在所述每一個圓柱形控制棒3上的超常 媒質結構單元2均旋轉至平行于空心矩形波導1的x方向時，所述各個超常媒質結構單元 2沿著空心矩形波導1的z方向兩側金屬壁成交錯放置。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一、二或三的不同之處在于，本實施 方式所述超常媒質結構單元2的基板的材料為特氟龍。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四中任意一個實施方式的不同 之處在于，本實施方式所述超常媒質結構單元2的基板的高度是12毫米，所述基板的寬度 是6毫米，所述基板的厚度是0. 7毫米，所述基板的相對介電常數是2. 6。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五中任意一個實施方式的不同 之處在于所述超常媒質結構單元2的C型斷口圓環的內半徑是1毫米，所述C型斷口圓環 的外半徑是2毫米，所述C型斷口圓環的斷口寬度是0. 5毫米。本實施方式中，在超常媒質結構單元2的基板兩面的C型斷口圓環的斷口位置相 反。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六中任意一個實施方式的不同 之處在于所述各個超常媒質結構單元2分成兩組沿著空心矩形波導1的z方向兩側金屬壁 以6毫米的周期間距交錯放置。針對本實施方式進行數值仿真，獲得本實施方式所述的超常媒質小型化矩形波導 的傳輸系數的數值仿真結果如圖6所示，可以看到，在8. 2GHz左右出現了一個通帶。圖7 和圖8分別描述了數值仿真獲得的所述超常媒質小型化矩形波導的有效介電常數和有效 磁導率，從圖7和圖8中可以看到，對應于圖6中8. 2GHz附近的通頻帶，此時所述超常媒質 小型化矩形波導的有效介電常數和磁導率均為正值，即，此時該超常媒質小型化矩形波導 內傳輸的是前向波(相速為正的電磁波)。
權利要求
一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，它包括一個空心矩形波導(1)、多個超常媒質結構單元(2)，其特征在于所述小型化矩形波導還包括多個圓柱形控制棒(3)，各個超常媒質結構單元(2)位于所述空心矩形波導(1)內部，每一個圓柱形控制棒(3)沿著平行于所述空心矩形波導(1)的y向軸線穿透所述空心矩形波導(1)，且所述每一個圓柱形控制棒(3)沿著z向軸線排成一列，所述每一個圓柱形控制棒(3)在所述空心矩形波導(1)內的部分固定有一個超常媒質結構單元(2)，所述每個圓柱形控制棒(3)用于沿自身圓柱軸線旋轉，以帶動固定在所述每一個圓柱形控制棒(3)上的超常媒質結構單元(2)均旋轉至平行于空心矩形波導(1)的x方向或z方向，所述超常媒質結構單元(2)在垂直于所述超常媒質結構單元(2)基板面的方向上的有效磁導率分量為負值，在其它方向上的有效磁導率分量以及在所有方向上的有效介電常數分量為正值，空心矩形波導(1)的橫截面的高度小于或等于所述橫截面的寬度，且所述寬度小于二分之一工作波長。
2.根據權利要求1所述的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，其特征在于固 定在所述每一個圓柱形控制棒(3)上的超常媒質結構單元(2)均旋轉至平行于空心矩形波 導(1)的χ方向時，所述超常媒質結構單元(2)在所述χ方向的磁導率分量為負值，所述空 心矩形波導(1)中傳輸的電磁波相速為正值；如果固定在所述每一個圓柱形控制棒(3)上 的超常媒質結構單元(2)均旋轉至平行于空心矩形波導(1)的ζ方向，則所述超常媒質結 構單元(2)在所述ζ方向的磁導率分量為正值，所述空心矩形波導(1)中傳輸的電磁波相 速為負值。
3.根據權利要求2所述的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，其特征在于， 固定在所述每一個圓柱形控制棒(3)上的超常媒質結構單元(2)均旋轉至平行于空心矩形 波導(1)的χ方向時，所述各個超常媒質結構單元(2)沿著空心矩形波導(1)的ζ方向兩 側金屬壁成交錯放置。
4.根據權利要求3所述的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，其特征在于， 所述超常媒質結構單元(2)的基板的材料為特氟龍。
5.根據權利要求4所述的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，其特征在于所 述超常媒質結構單元(2)的基板的高度是12毫米，所述基板的寬度是6毫米，所述基板的 厚度是0. 7毫米，所述基板的相對介電常數是2. 6。
6.根據權利要求5所述的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，其特征在于所 述超常媒質結構單元(2)的C型斷口圓環的內半徑是1毫米，所述C型斷口圓環的外半徑 是2毫米，所述C型斷口圓環的斷口寬度是0.5毫米。
7.根據權利要求3、4、5或6所述的一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，其特 征在于所述各個超常媒質結構單元(2)分成兩組沿著空心矩形波導(1)的ζ方向兩側金屬 壁以6毫米的周期間距交錯放置。
全文摘要
一種電磁波相速方向可控的小型化矩形波導，它涉及小型化波導技術領域。本發明解決了現有的基于超常媒質的小型化矩形波導只能傳輸后向波而無法根據需求控制電磁波相速方向的問題，本發明包括一個空心矩形波導、多個超常媒質結構單元和多個圓柱形控制棒，各個超常媒質結構單元位于所述空心矩形波導內部，每一個圓柱形控制棒沿著平行于所述空心矩形波導的y向軸線穿透所述空心矩形波導，且所述每一個圓柱形控制棒沿著z向軸線排成一列，所述每一個圓柱形控制棒在所述空心矩形波導內的部分固定有一個超常媒質結構單元。本發明適用于射頻通信、微米波領域的電子電路和器件、天線小型化的設計與制造。
文檔編號H01P3/12GK101841076SQ20101018319
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者傅佳輝, 吳群, 孟繁義, 張狂, 楊國輝 申請人:哈爾濱工業大學