本發(fā)明涉及太赫茲電路單元組件，特別是一種應(yīng)用于太赫茲頻段的新型波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在微波毫米波及更低頻率的系統(tǒng)中，通常采用如圖1所示的傳統(tǒng)扭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)改變電磁波的極化方向。波導(dǎo)彎曲是利用金屬材料的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的，扭彎時(shí)通常一端提供扭力，另一端在旋轉(zhuǎn)方向上固定，扭彎時(shí)需在波導(dǎo)內(nèi)填充輔助材料，或不填充任何材料而進(jìn)行空心扭彎或加熱空心扭彎。為了減少扭波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)段產(chǎn)生的不均勻性，扭轉(zhuǎn) 90°的扭轉(zhuǎn)段長(zhǎng)度一般要大于 2 倍波長(zhǎng)，以WR10為例的扭波導(dǎo)整體長(zhǎng)度一般要大于20mm，這使得系統(tǒng)體積和重量比較大。而且因這種加工工藝復(fù)雜，困難，導(dǎo)致其內(nèi)表面粗糙度、波導(dǎo)內(nèi)腔的尺寸精度和位置公差不易保證 ，質(zhì)量穩(wěn)定性差 ，加工成本昂貴，特別是對(duì)于毫米波及亞毫米波系統(tǒng)的可靠性影響很大可靠性影響很大。然而，隨著頻率的升高，尤其到了太赫茲頻段后，波導(dǎo)波長(zhǎng)進(jìn)入微米量級(jí)，傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝基本無(wú)法加工此種結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于太赫茲頻段的新型波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)，是一種通過(guò)電磁波耦合實(shí)現(xiàn)極化方向改變的波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，以標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)WR10為例的90°極化轉(zhuǎn)換膜片厚度僅為1.14mm，對(duì)在要求小巧的空間結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換極化方向是非常有利的，為扭波導(dǎo)的設(shè)計(jì)提供新的思路與方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種應(yīng)用于太赫茲頻段的新型波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)，其特征在于：整個(gè)膜片呈圓片結(jié)構(gòu)，圓片上以圓心為中心設(shè)置有對(duì)稱的八個(gè)圓孔，包括四個(gè)大圓孔和四個(gè)小圓孔，大圓孔和小圓孔間隔設(shè)置。

所述波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)的圓心位置設(shè)置有耦合腔，該耦合腔的形狀為兩個(gè)相交的矩形，所述矩形的角均倒圓角。

所述耦合腔可以是兩個(gè)完全相同的矩形相交的形狀，也可以是兩個(gè)相同的正方形相交的形狀。

根據(jù)電磁波波長(zhǎng)與頻率的成比例縮放效應(yīng)，得到全頻帶通用的設(shè)計(jì)方法：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)表格查詢?cè)O(shè)計(jì)頻率的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，所述耦合腔寬邊長(zhǎng)度為a，確定：

耦合腔的寬度W=0.618×a；

耦合腔的倒圓角半徑R=W/4；

所述波導(dǎo)波長(zhǎng)λg為： ，

其中：波長(zhǎng)λ=C/f，（C為光速，f為頻率）；

在只有TE01模傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)中λc=2a；

最后確定膜片厚度D=λg/4。

利用所述波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)，垂直極化傳播的電磁波通過(guò)復(fù)雜的耦合方式在耦合腔內(nèi)進(jìn)行耦合，再繼續(xù)傳播至水平極化波導(dǎo)中，將復(fù)雜的耦合電磁波轉(zhuǎn)換為水平極化波。

所述波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)的厚度可根據(jù)頻率確定，膜片的工作頻率越高，膜片的厚度則越薄，耦合腔的尺寸越小。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明加工工藝簡(jiǎn)單，加工成本低，在現(xiàn)在的高精度機(jī)床下面可以輕易加工出滿足精度的產(chǎn)品；在彈載、星載等微波毫米波系統(tǒng)中要求其器件體積小，重量輕，本發(fā)明的單膜片極化扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)的厚度僅略大于四分之一波長(zhǎng)，體積小、重量輕，有較小的駐波和插入損耗，工作帶寬可達(dá)波導(dǎo)全頻帶，而且克服了傳統(tǒng)扭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸大、加工難度大、加工周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，完全滿足了在小巧空間結(jié)構(gòu)中電磁波轉(zhuǎn)換極化方向的作用，可以滿足工程需要，在彈載、星載等對(duì)體積和重量要求苛刻的窄帶系統(tǒng)中具有極高應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)扭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的極化模式轉(zhuǎn)換電磁場(chǎng)分布圖；

圖4為本發(fā)明的膜片耦合腔的尺寸設(shè)計(jì)示意圖；

圖5為用于測(cè)試本發(fā)明的測(cè)試方案圖；

圖6為基于圖5所示方案的測(cè)試結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，一種應(yīng)用于太赫茲頻段的新型波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)，整個(gè)膜片呈圓片結(jié)構(gòu)，圓片上以圓心為中心設(shè)置有對(duì)稱的八個(gè)圓孔，包括四個(gè)大圓孔和四個(gè)小圓孔，大圓孔和小圓孔間隔設(shè)置。

所述波導(dǎo)極化模式轉(zhuǎn)換膜片結(jié)構(gòu)的圓心位置設(shè)置有耦合腔，該耦合腔的形狀為兩個(gè)相交的矩形，所述矩形的角均倒圓角。

所述耦合腔可以是兩個(gè)完全相同的矩形相交的形狀，也可以是兩個(gè)相同的正方形相交的形狀。

以標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)WR10為例的90°極化轉(zhuǎn)換膜片厚度僅為1.14mm，對(duì)在要求小巧的空間結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換極化方向是非常有利的，為扭波導(dǎo)的設(shè)計(jì)提供新的思路與方法，該波導(dǎo)極化模型轉(zhuǎn)換膜片。

根據(jù)電磁場(chǎng)的傳播分布圖3觀測(cè)，垂直極化傳播的電磁波通過(guò)復(fù)雜的耦合方式在耦合腔內(nèi)進(jìn)行耦合，再繼續(xù)傳播至水平極化波導(dǎo)中，將復(fù)雜的耦合電磁波轉(zhuǎn)換為水平極化波。

膜片的外圍結(jié)構(gòu)依照標(biāo)準(zhǔn)法蘭面UG387設(shè)計(jì)，通過(guò)電磁仿真軟件模擬優(yōu)化，內(nèi)部耦合腔設(shè)計(jì)如圖4所示。

本發(fā)明的加工實(shí)物的尺寸大小與一角硬幣基本相同，厚度根據(jù)頻率而定。照片中的膜片工作頻率從左向右依次升高，可見(jiàn)膜片厚度依次變薄，中心耦合腔尺寸逐漸變小。

如圖5所示，太赫茲矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試平臺(tái)測(cè)試方案，使用ZVA50矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀外加頻率拓展模塊進(jìn)行測(cè)量，頻率拓展頭分別與垂直波導(dǎo)和水平波導(dǎo)對(duì)接，最后將待測(cè)膜片夾在其中測(cè)試其S參數(shù)。

根據(jù)測(cè)試平臺(tái)選用工作于110GHz-170GHz頻段的極化模式轉(zhuǎn)換膜片，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6，從結(jié)果可以看出在波導(dǎo)工作的全頻帶范圍內(nèi)，插入損耗基本在1dB以內(nèi)，回波損耗優(yōu)于15dB，性能優(yōu)良，完全可以取代經(jīng)典扭波導(dǎo)。