一种太赫兹介质填充金属槽波导的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种太赫兹介质填充金属槽波导，其结构包括金属槽和槽里填充的介质。电磁波沿着槽的纵向传播，其基模是横电模，高次模是横磁模，电磁波模式的截止频率由槽的深度决定。本发明给出了基模传播常数的特征方程。本发明结构简单、损耗小、易集成。本发明列举了多种可基于该波导结构的无源器件。特别地，本发明用作天线阵的串联馈电网络，可实现馈电简单、高增益、平面结构、易集成的太赫兹天线阵。本发明可用于太赫兹高速无线通信和雷达系统中。
【专利说明】一种太赫兹介质填充金属槽波导
【技术领域】
[0001] 本发明属于太赫兹【技术领域】，具体涉及一种太赫兹介质填充金属槽波导，可用于 高速无线通信系统、雷达系统中。
【背景技术】
[0002] 近年来，太赫兹电磁波频谱因其多种优势备受关注，例如，开放频谱资源、无线高 速通信、太赫兹成像、无损探伤、安全检查等，太赫兹系统在工业、科学和医学上都具有重大 价值。但由于工作频率的大幅上升，也给研究人员提出了新的挑战，其中，研究有效的太赫 兹波导以及高效地辐射或接收太赫兹波成为了一个关键目标。
[0003] -般地，现有的太赫兹波导的设计源于与其工作频段相邻的两个频段的波导，即 微波波导和光纤。在微波波段的传统带线传输线，例如微带线、槽线、共面波导等，随着工作 频率的不断升高，由于损耗过大以及传输线之间的耦合作用，使得此类传输线不再适用。而 传统的金属波导则可用于太赫兹频段，例如，空金属波导管，但由于加工误差、金属损耗、色 散等原因，其应用范围也会受到严重限制。再如，平行板金属波导，可传输无色散的横电磁 (TEM)模式的电磁波，且金属损耗相对低，但金属波导尺寸较大，不方便系统集成。为了解决 以上多种限制，研究人员提出了介质集成波导，其平面结构使得它易于系统集成，但是，其 侧壁围栏过孔结构的加工精度限制了其工作频率范围。另一方面，工作在近红外与光波频 段的介质光纤也可作为太赫兹波导。传统介质光纤是一种圆柱形波导，通过内部全反射将 光束缚在光纤轴中。与金属波导管类似，太赫兹波在传统介质光纤中衰减对于长距离传输 而言非常大，不同的是该衰减是由介质损耗引起的。并且，介质光纤工作在太赫兹频段时存 在比较大的弯折损耗。针对以上问题，研究人员提出了其他形式的低损耗太赫兹介质波导， 例如，中空介质波导和中心多孔介质波导。中空介质波导主要分为两种，一种是利用特殊的 太赫兹材料，通过全反射使得太赫兹波束缚在波导的空心中。但由于多模传播，传导模式与 自由空间的电磁波模式失配严重，导致耦合效率低。另外一种中空波导是利用人工材料，通 过形成电磁带隙使得太赫兹波在中心空气中传播。但其应用范围受到尺寸大、带宽窄等问 题的限制。中心多孔介质波导主要是指光子晶体波导，利用光子带隙通过内部全反射束缚 电磁波，此类波导加工比较复杂。
[0004] 再者，传播表面等离子体波的金属裸线也是一种太赫兹波导，该波导具有较低损 耗和低色散特性。但是绝大部分场的分布都延伸在空气中，这导致严重的弯折损耗和近距 离传输线之间耦合，不适用于系统集成。对此，研究人员提出了介质涂层的金属裸线和波纹 裸线，提高场的束缚力。另外，研究人员还提出了基于亚波长周期结构的准表面等离子波 导，可有效传导太赫兹波，例如，V形槽波导、单带线波导、楔形波导等。然而，其复杂的三维 结构大大增加了加工难度。
[0005] 另一方面，由于太赫兹电磁波存在较大的自由空间传输衰减，所以需要高增益的 太赫兹天线。目前太赫兹天线局限于传统的透镜天线和喇叭天线，其非平面结构使得它们 不适用于系统集成。在太赫兹频段，平面结构的高增益天线阵列的设计需要高效率的馈电 网络，要求传输线结构简单进而易于加工实现、损耗小、效率高。
[0006] 从以上分析可知，在实际的应用中，对低损耗、结构简单、易于加工、易于集成、单 模传输且其模式易于匹配的太赫兹传输线有着急切的需求，本发明正是针对这一需求而提 出。
【发明内容】
[0007] 本发明鉴于上述技术背景，为了解决目前太赫兹传输线损耗大、结构复杂、不易集 成等问题，提出了一种太赫兹介质填充金属槽波导。
[0008] 本发明所述的一种太赫兹介质填充金属槽波导，基本结构包括金属槽和槽中填充 的介质。本发明的特点在于，电磁波沿着槽纵向传播，电磁波模式的截止频率由槽深度和介 质的相对介电常数决定，当填充的介质一定时，截止频率随着槽深度减小而升高。
[0009] 本发明所述的一种太赫兹介质填充金属槽波导所传导电磁波的基模是横电模，在 金属槽内电场极化方向垂直于金属侧壁。根据边界条件，可利用模式匹配方法得到关于传 播常数的特征方程，如下所示：
[0010]
【权利要求】
1. 一种太赫兹介质填充金属槽波导，其特征在于：包括金属槽和槽里填充的介质。
2. 根据权利要求1所述的介质填充金属槽波导，其特征在于：该波导传导的电磁波沿 着波导纵向传播，基模为横电模，高次模为横磁模。
3. 根据权利要求1所述的介质填充金属槽波导，其特征在于：该波导所传导的电磁波 模式的截止频率由槽的深度决定。
4. 根据权利要求1所述的介质填充金属槽波导，其特征在于：金属槽形状为矩形，半圆 形或倒三角形。
5. 根据权利要求1所述的介质填充金属槽波导，其特征在于：所述金属槽是在金属块 上开设槽，或者金属槽是在非金属基材上开设槽后在槽的底面以及槽的侧面设置镀金属 层，或者金属槽是在带有下层金属和上层开槽金属的介质基片上设置金属化过孔。
【文档编号】H01P3/10GK104103882SQ201410334893
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】屈世伟, 白雪, 蒋琪, 易欢, 吴伟伟, 夏润梁 申请人:电子科技大学