专利名称：一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及小型化波导技术领域，具体涉及一种可传输前向波的超常媒质小型化 矩形波导。
背景技术：
矩形波导是一根空心金属管，其横截面为矩形，是微波、毫米波频段的一种常见的 电磁波传输结构。矩形波导与微带线、同轴线等微波传输结构相比，具有损耗小、功率容量 大以及结构坚固等优点。另外，还可以通过在矩形波导上面开缝形成一类独特的无线通信 天线——缝隙天线。总而言之，矩形波导在微波、毫米波技术领域具有广泛的应用前景。但 是矩形波导有一个很大的缺点矩形波导横截面的宽度(假设宽度大于或等于高度，下同) 必须要大于所传输电磁波波长的二分之一，否则电磁波就无法在矩形波导中传播。也可以 理解为在矩形波导中传播的电磁波，其工作波长一定要小于矩形波导横截面的宽度的二 倍(该数值又被称为矩形波导的截止波长，其对应的频率则被称为截止频率)。因此，研制宽 度小于传输工作波长且大于截止波长的电磁波的小型化矩形波导具有重要的应用价值。超常媒质是一种兴起于20世纪末的新型人工复合电磁材料，它具有周期性的结 构，通过超常媒质结构单元在空间中的周期性排列来形成，所述超常媒质结构单元包括基 板和C型断口圆环，如图3所示。超常媒质具有很特殊的电磁特性，尤其是超常媒质的有效 介电常数或者有效磁导率可以为负值。超常媒质由于具备特殊的电磁特性，超常媒质被广 泛地应用于改善现有射频、微波、毫米波器件的性能，缩小它们的体积。2005年，Hrabar等 人利用超常媒质实现了一种小型化的矩形波导，如图2所示，它包括一个空心矩形波导，以 及在矩形波导的内部，沿着波导的中心轴线放置各向异性超常媒质结构单元，并且这种超 常媒质结构单元在垂直于波导轴线方向上的有效磁导率分量为负，在其它方向上的有效磁 导率分量以及在所有方向上的有效介电常数分量为正值。该小型化矩形波导可以传输工作 波长大于截止波长(也就是工作波长大于矩形波导横截面宽度二倍)的电磁波。也就是说， 该小型化波导，在横截面宽度小于电磁波工作波长的二分之一的情况下，仍然可以传输电 磁波。由于普通波导的横截面宽度必须大于工作波长的二分之一，因此，该矩形波导是一种 小型化的矩形波导，它与普通波导相比具有更小的横截面宽度，但却能传输同样波长的电 磁波。然而，上述的基于超常媒质的小型化矩形波导，在传输特性方面有一个比较特殊 的地方电磁波在其中的相速方向与群速方向相反(相速为负值，以这种方式传播的电磁波 被称为后向波)。而对于普通矩形波导或者其他传输结构(同轴线、微带线等)以及包括空 气在内的绝大多数均勻媒质而言，电磁波在其中的相速方向与群速方向相同(相速为正值， 以这种方式传播的电磁波被称为前向波)。虽然如此特殊的电磁性质会使得该小型化矩形 波导在个别应用中带来意想不到的好处，但它同时也会在普遍的传统应用领域带来极大不 便。例如，当应用这种小型化波导来实现漏波天线时，该漏波天线将只能向后方辐射电磁波 而无法向前方辐射电磁波。
发明内容
为了解决现有的基于超常媒质的小型化矩形波导无法传输前向波的问题，本发明 提供一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导。本发明的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，它包括一个空心矩形波 导和多个超常媒质结构单元，各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导内部，且所述 各个超常媒质结构单元分成两组沿着空心矩形波导的ζ方向两侧金属壁交错放置，所述各 个超常媒质结构单元在平行于所述空心矩形波导的ζ方向的有效磁导率分量为负值，在其 它方向的有效磁导率分量以及在所有方向上的有效介电常数分量均为正值，空心矩形波导 的横截面的高度小于或等于所述横截面的宽度，且所述宽度小于二分之一工作波长。本发明的有益效果本发明提供了一种低成本的可传输前向波的超常媒质小型化 矩形波导，本发明通过在空心矩形波导内交错放置超常媒质结构单元，使得在空心矩形波 导中传播的电磁波的工作波长不再依赖于空心矩形波导的横截面尺寸，同时电磁波的相速 与群速方向相同，即实现了前向波传输。
图1是本发明的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导的立体结构示 意图；图3是现有的超常媒质结构单元2的立体结构示意图，图2是现有的基于超常媒 质的小型化矩形波导的立体结构示意图，图4是本发明的具体实施方式
五中进行数值仿 真获得的超常媒质小型化矩形波导的传输系数随频率的变化曲线示意图，图5是本发 明的具体实施方式
五中进行数值仿真获得的超常媒质小型化矩形波导的有效介电常数 (effectivepermittivity)随频率的变化曲线示意图，图6是本发明的具体实施方式
五中 进行数值仿真获得的超常媒质小型化矩形波导的有效磁导率(effectiv印ermeability)随 频率的变化曲线示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一 种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，它包括一个空心矩形波导1和多个超常媒质 结构单元2，各个超常媒质结构单元2位于所述空心矩形波导1内部，且所述各个超常媒质 结构单元2分成两组沿着空心矩形波导1的ζ方向两侧金属壁交错放置，所述各个超常媒 质结构单元2在平行于所述空心矩形波导1的ζ方向的有效磁导率分量为负值，在其它方 向的有效磁导率分量以及在所有方向上的有效介电常数分量均为正值，空心矩形波导1的 横截面的高度小于或等于所述横截面的宽度，且所述宽度小于二分之一工作波长。本实施方式中的空心矩形波导1为微波或毫米波矩形波导。 本实施方式中的超常媒质结构单元2具有各向异性，本实施方式利用了超常媒质 结构单元的各向异性、负磁导率特性以及特殊的电磁波传输模式。
本实施方式的理论依据如下
假设波导轴线方向为ζ方向，横截面宽度方向为χ方向，高度方向为y方向，则此时
超常媒质结构单元的有效磁导率u＝{ux,uy,uz}有效介电常数为￡；,并且有如下关系 Φζ <> O。 此时，该矩形波导中的电磁场满足无源空间的麦克斯韦方程 —· ~
将 E(x,y,z) 二 E{x7y)e ￥:fi{x,\\z) 二带入⑴式，得
到相应的标量方程为
+ 7K = 一 MhPJh
Sv
QE
-yK-^r= Jmj^Hv(2a)
dx
dEv QE
f . 二-挪丨]"A dx oy
oy
-yHx~—JWE^rEv(2b)
fir
—JmE0ErEz
ox Oy
将(2a)式和(2b)式相互代入就可以得到只与纵向场分量相关的电磁场表达式，如(3) 式所示
对于TE模式，(3)式可以简化为
另一方面，将(lb)式代入到(la)式可以得到
将(5)式展开，可以得到
再将⑷式代入到(5)式可以得到
可以利用分离变量法求解上述微分方程。结果为
而求解(9)式可以得到相位常数的解
由此可见
<0时，矩形波导的截止频率消失，也就是说，波导能够 传播的电磁波的工作波长与矩形波导尺寸无关。同时，由于在< O时， (1 Jr2 )
Er 1 一--并且，所以此时，电磁波在该矩形波导内是以正向
波的形式传播。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一的不同之处在于，本实施方式所 述超常媒质结构单元2的基板的材料为特氟龙。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二的不同之处在于，本实施方 式所述超常媒质结构单元2的基板的高度是12毫米，所述基板的宽度是6毫米，所述基板的厚度是0. 7毫米，所述基板的相对介电常数是2. 6。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一、二或三的不同之处在于所述超常媒质结构单元2的C型断口圆环的内半径是1毫米，所述C型断口圆环的外半径是2毫 米，所述C型断口圆环的断口宽度是0.5毫米。本实施方式中，在超常媒质结构单元2的基板两面的C型断口圆环的断口位置相 反。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四中任意一个实施方式的不同 之处在于所述各个超常媒质结构单元2分成两组沿着空心矩形波导1的ζ方向两侧金属壁 以6毫米的周期间距交错放置。针对本实施方式进行数值仿真，获得本实施方式所述的超常媒质小型化矩形波导 的传输系数的数值仿真结果如图4所示，可以看到，在8. 2GHz左右出现了一个通带。图5 和图6分别描述了数值仿真获得的所述超常媒质小型化矩形波导的有效介电常数和有效 磁导率，从图5和图6中可以看到，对应于图4中8. 2GHz附近的通频带，此时所述超常媒质 小型化矩形波导的有效介电常数和磁导率均为正值，即，此时该超常媒质小型化矩形波导 内传输的是前向波(相速为正的电磁波)。
权利要求
一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，它包括一个空心矩形波导(1)和多个超常媒质结构单元(2)，其特征在于各个超常媒质结构单元(2)位于所述空心矩形波导(1)内部，且所述各个超常媒质结构单元(2)分成两组沿着空心矩形波导(1)的z方向两侧金属壁交错放置，所述各个超常媒质结构单元(2)在平行于所述空心矩形波导(1)的z方向的有效磁导率分量为负值，在其它方向的有效磁导率分量以及在所有方向上的有效介电常数分量均为正值，空心矩形波导(1)的横截面的高度小于或等于所述横截面的宽度，且所述宽度小于二分之一工作波长。
2.根据权利要求1所述的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，其特征在 于，所述超常媒质结构单元(2)的基板的材料为特氟龙。
3.根据权利要求2所述的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，其特征在于 所述超常媒质结构单元(2)的基板的高度是12毫米，所述基板的宽度是6毫米，所述基板 的厚度是0. 7毫米，所述基板的相对介电常数是2. 6。
4.根据权利要求3所述的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，其特征在于 所述超常媒质结构单元(2)的C型断口圆环的内半径是1毫米，所述C型断口圆环的外半 径是2毫米，所述C型断口圆环的断口宽度是0. 5毫米。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，其 特征在于所述各个超常媒质结构单元(2)分成两组沿着空心矩形波导(1)的ζ方向两侧金 属壁以6毫米的周期间距交错放置。
全文摘要
一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，它涉及小型化波导技术领域。本发明解决了现有的基于超常媒质的小型化矩形波导无法传输前向波的问题，本发明包括一个空心矩形波导和多个超常媒质结构单元，各个超常媒质结构单元位于空心矩形波导内部，且所述各个超常媒质结构单元分成两组沿着空心矩形波导z方向两侧金属壁交错放置，各个超常媒质结构单元在平行于所述空心矩形波导的z方向的有效磁导率分量为负值，在其它方向的有效磁导率分量以及在所有方向上的有效介电常数分量均为正值，空心矩形波导的横截面的高度小于或等于宽度，且所述宽度小于二分之一工作波长。本发明适用于射频通信、微米波领域的电子电路和器件、天线小型化的设计与制造。
文档编号H01P3/12GK101867078SQ201010183020
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者傅佳辉, 吴群, 孟繁义, 张狂, 杨国辉 申请人:哈尔滨工业大学