一种应用于太赫兹频段的新型波导极化模式转换膜片结构的制作方法

本发明涉及太赫兹电路单元组件，特别是一种应用于太赫兹频段的新型波导极化模式转换膜片结构。

背景技术：

在微波毫米波及更低频率的系统中，通常采用如图1所示的传统扭波导结构来改变电磁波的极化方向。波导弯曲是利用金属材料的塑性变形来实现的，扭弯时通常一端提供扭力，另一端在旋转方向上固定，扭弯时需在波导内填充辅助材料，或不填充任何材料而进行空心扭弯或加热空心扭弯。为了减少扭波导扭转段产生的不均匀性，扭转 90°的扭转段长度一般要大于 2 倍波长，以WR10为例的扭波导整体长度一般要大于20mm，这使得系统体积和重量比较大。而且因这种加工工艺复杂，困难，导致其内表面粗糙度、波导内腔的尺寸精度和位置公差不易保证 ，质量稳定性差 ，加工成本昂贵，特别是对于毫米波及亚毫米波系统的可靠性影响很大可靠性影响很大。然而，随着频率的升高，尤其到了太赫兹频段后，波导波长进入微米量级，传统机械加工工艺基本无法加工此种结构。

技术实现要素：

本发明提出了一种应用于太赫兹频段的新型波导极化模式转换膜片结构，是一种通过电磁波耦合实现极化方向改变的波导极化模式转换膜片，具有结构紧凑、体积小巧等优点，以标准波导WR10为例的90°极化转换膜片厚度仅为1.14mm，对在要求小巧的空间结构中转换极化方向是非常有利的，为扭波导的设计提供新的思路与方法。

本发明的技术方案如下：

一种应用于太赫兹频段的新型波导极化模式转换膜片结构，其特征在于：整个膜片呈圆片结构，圆片上以圆心为中心设置有对称的八个圆孔，包括四个大圆孔和四个小圆孔，大圆孔和小圆孔间隔设置。

所述波导极化模式转换膜片结构的圆心位置设置有耦合腔，该耦合腔的形状为两个相交的矩形，所述矩形的角均倒圆角。

所述耦合腔可以是两个完全相同的矩形相交的形状，也可以是两个相同的正方形相交的形状。

根据电磁波波长与频率的成比例缩放效应，得到全频带通用的设计方法：根据标准波导表格查询设计频率的标准波导，所述耦合腔宽边长度为a，确定：

耦合腔的宽度W=0.618×a；

耦合腔的倒圆角半径R=W/4；

所述波导波长λg为： ，

其中：波长λ=C/f，（C为光速，f为频率）；

在只有TE01模传输的标准波导中λc=2a；

最后确定膜片厚度D=λg/4。

利用所述波导极化模式转换膜片结构，垂直极化传播的电磁波通过复杂的耦合方式在耦合腔内进行耦合，再继续传播至水平极化波导中，将复杂的耦合电磁波转换为水平极化波。

所述波导极化模式转换膜片结构的厚度可根据频率确定，膜片的工作频率越高，膜片的厚度则越薄，耦合腔的尺寸越小。

本发明的有益效果如下：

本发明加工工艺简单，加工成本低，在现在的高精度机床下面可以轻易加工出满足精度的产品；在弹载、星载等微波毫米波系统中要求其器件体积小，重量轻，本发明的单膜片极化扭转波导的厚度仅略大于四分之一波长，体积小、重量轻，有较小的驻波和插入损耗，工作带宽可达波导全频带，而且克服了传统扭波导结构尺寸大、加工难度大、加工周期长等缺点，完全满足了在小巧空间结构中电磁波转换极化方向的作用，可以满足工程需要，在弹载、星载等对体积和重量要求苛刻的窄带系统中具有极高应用价值。

附图说明

图1为传统扭波导结构图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的极化模式转换电磁场分布图；

图4为本发明的膜片耦合腔的尺寸设计示意图；

图5为用于测试本发明的测试方案图；

图6为基于图5所示方案的测试结果图。

具体实施方式

如图2所示，一种应用于太赫兹频段的新型波导极化模式转换膜片结构，整个膜片呈圆片结构，圆片上以圆心为中心设置有对称的八个圆孔，包括四个大圆孔和四个小圆孔，大圆孔和小圆孔间隔设置。

所述波导极化模式转换膜片结构的圆心位置设置有耦合腔，该耦合腔的形状为两个相交的矩形，所述矩形的角均倒圆角。

所述耦合腔可以是两个完全相同的矩形相交的形状，也可以是两个相同的正方形相交的形状。

以标准波导WR10为例的90°极化转换膜片厚度仅为1.14mm，对在要求小巧的空间结构中转换极化方向是非常有利的，为扭波导的设计提供新的思路与方法，该波导极化模型转换膜片。

根据电磁场的传播分布图3观测，垂直极化传播的电磁波通过复杂的耦合方式在耦合腔内进行耦合，再继续传播至水平极化波导中，将复杂的耦合电磁波转换为水平极化波。

膜片的外围结构依照标准法兰面UG387设计，通过电磁仿真软件模拟优化，内部耦合腔设计如图4所示。

本发明的加工实物的尺寸大小与一角硬币基本相同，厚度根据频率而定。照片中的膜片工作频率从左向右依次升高，可见膜片厚度依次变薄，中心耦合腔尺寸逐渐变小。

如图5所示，太赫兹矢量网络分析仪测试平台测试方案，使用ZVA50矢量网络分析仪外加频率拓展模块进行测量，频率拓展头分别与垂直波导和水平波导对接，最后将待测膜片夹在其中测试其S参数。

根据测试平台选用工作于110GHz-170GHz频段的极化模式转换膜片，实测结果如图6，从结果可以看出在波导工作的全频带范围内，插入损耗基本在1dB以内，回波损耗优于15dB，性能优良，完全可以取代经典扭波导。