一种基于人工超颖材料的回旋管用透射式电磁模式变换器

摘要

本发明提供一种基于人工超颖材料的回旋管用透射式电磁模式变换器，属于微波、毫米波和太赫兹波传输技术领域。本发明利用人工超颖材料能改变电磁波电磁特性的特点，根据电磁波入射情况，通过对电磁超颖材料的单元进行有规律的阵列排布，调节表面上每个单元的相位，引起电场方向的改变，从而改变电磁波模式，实现回旋管TE模式到高斯光束的转换和直线传输，改善现有技术中模式变换器尺寸较大、难加工、笨重、不易调节等缺点。

说明书

技术领域

本发明属于微波、毫米波和太赫兹波传输技术领域，具体涉及一种用于回旋管的透射式电磁模式变换器。

背景技术

回旋管作为一种大功率微波、毫米波、太赫兹波辐射源器件，自问世以来已得到迅速的发展，其工作波段已从微波波段发展到毫米波和太赫兹波段，平均功率已达到数百千瓦，脉冲功率可达数兆瓦，这是普通微波管所不能比拟的，因此在雷达、通讯、高性能精密陶瓷的烧结、核磁共振、DNA诊断等领域具有极大的应用前景；除此之外，由于其输出功率大，还在受控热核聚变领域具有重要的实用价值。目前，能源危机是世界各国面对的重大问题，新型能源的探索与开发受到各国政府和科学家的高度重视。受控热核反应为新能源的产生提供了重要的途径，热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear ExperimentalReactor，缩写ITER)是将高密度等离子体加温到上亿度的高温，从而实现受控核聚变，给人类带来丰富的清洁能源，实现这一计划的关键技术之一就在于等离子体加热，而目前ITER等离子体加热主要就是采用回旋管。

回旋管的工作模式为波导横电波模式(TE模)。在波导中，TE模电磁波的传播模式为传播方向上电场的纵分向为零，磁场的纵向分量不为零。电磁波从波导向空间辐射后，输出的电磁场在轴向辐射近轴区域呈空心圆锥状，波导截面上的场分布和极化方向是绕波导轴旋转对称的，导致辐射能量分散、方向性差，不利于实现远距离定向单极化辐射，无法直接利用。而高斯光束具有准高斯场的分布特点，可以向自由空间高效辐射和自由传播，适合直接应用。为了减少在回旋管输出窗口处的传输损耗，并获得易于空间定向发射的模式，须将回旋管工作模式TE模转换成自由空间中的高斯模式。

常用的回旋管模式变换器有准光镜面发射式模式变换器和非规则波导模式变换器。准光镜面发射式模式变换器利用多个镜面多次反射，将回旋管输出的TE模式电磁波旋转90度实现横向输出，但其体积大，安装精度要求高；非规则波导模式变换器利用曲折波导、蛇形波导等特殊波导对波导模式进行变换，但其需要非常长的波导段才能实现高效率模式变换，加工精度要求极高，无法实现高阶TE模式变换的实用化。

人工超颖材料是指运用人工工程方法构建具有一般天然材料所不具备的超常性质的材料，其性质不是由材料化学组分决定，而是由它的几何结构决定。电磁超颖材料是研究和应用较广的一种超颖材料，通过对阵元和排列方式的设计，可以调控材料电磁特性参数。对阵元进行有规律的阵列排布，可以有效地调控电磁波相位、极化方式和传播模式等电磁特性参数，这种媒质也被研究学者们称为人工电磁超颖材料或者电磁超颖表面材料。利用电磁超颖材料的这种特殊电磁特性，通过针对回旋管TE工作模式的特点设计阵元和及其排列方式，可以实现回旋管工作模式从TE模到自由空间中的高斯波束或类高斯波束的转换。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于人工超颖材料的回旋管用透射式电磁模式变换器。本发明利用人工超颖材料能改变电磁波电磁特性的特点，根据电磁波入射情况调整人工超颖材料尺寸以及排列方式，实现回旋管TE模式到高斯光束的转换和直线传输，改善现有技术中模式变换器尺寸较大、难加工、笨重、不易调节等缺点。

模式变换器的基本原理一般是根据回旋管工作TE模式与高斯光束辐射模式场分布的不同，通过部分移相后再模式叠加的原理实现初始模式到辐射模式的转换，这往往需要导波长度与空间长度成正比的空间长度才能完成移相。因此要想实现模式转换器的紧凑化，必须尽可能缩小移相器的尺寸。通过对电磁超颖材料的单元进行有规律的阵列排布，调节表面上每个单元的相位，可以引起电场方向的改变，从而改变电磁波模式。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于人工超颖材料的回旋管用透射式电磁模式变换器，其特征在于，包括n层金属基板，相邻层金属基板的间距a为0.1λ～0.4λ，每层金属基板的厚度t小于0.2λ，λ为变换器工作频率对应的电磁波波长，每层金属基板由m*m个正方形结构单元组成，所述结构单元边长D为0.25λ～λ，每个结构单元中心设置一个“十字型”通孔，所述“十字型”通孔的臂长Ls为0.25λ～λ，臂宽d为0.025λ～0.2λ，所述“十字型”通孔的设置规律为：针对每一个“十字型”通孔，以基板中心为圆心，基板中心到“十字型”通孔的中心的距离为半径作圆，旋转“十字型”通孔使其两臂与所述圆在“十字型”通孔的中心处的切线的夹角为θ，其中，0°<θ<90°，即使入射电磁波在“十字型”通孔的两臂都有电场分量；所述“十字型”通孔的臂长根据在x方向和y方向的电场相位所需补偿相位差进行调整，使透过基板的电磁波在空间整体合成满足高斯分布。

进一步地，所述金属基板层数n≥4，所述正方形结构单元数目m≥2。

进一步地，所述正方形结构单元的数目m≥6。

进一步地，所述“十字型”通孔水平臂与所述圆在“十字型”通孔的中心处的切线的夹角θ为45°。

进一步地，所述基于人工超颖材料的回旋管用透射式电磁模式变换器还可以包括介质基板，所述金属基板位于介质基板之上，两者固定连接，便于加工。

进一步地，所述金属基板的材料为合金材料或者纯金属材料，具体为Cu合金、Al合金、Au合金、Ag合金、Fe合金、Cu、Al、Au、Ag、Fe等，介质基板的材料为电磁波透射材料，具体为聚四氟乙烯、FR-4(环氧玻璃布层压板)、FR-5(环氧玻璃布层压板)、FE-3(环氧树脂)、陶瓷、硅片或二氧化硅等。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

相比于现有技术中的电磁模式变换器，本发明设计的回旋管用透射式电磁模式变换器实现了电磁波从TEmn模式到高斯光束的转换。在相同的工作频率下，现有的电磁模式变换器需要非常长的波导段才能实现高效率模式变换，加工精度要求极高，体积较大，而本发明设计的电磁模式变换器在35GHz工作频率下，TE01模式的转换效率可达99.03％，并且本发明电磁模式变换器易于加工、大幅度缩小了长度和整体体积、重量较轻、成本低、易于调节和安装。

附图说明

图1为本发明实施例1模式变换器的三维示意图；

其中，1为介质基板，2为金属基板，3为“十字型”通孔。

图2为本发明实施例1模式变换器结构正视图。

图3为本发明实施例1模式变换器中单个结构单元示意图。

图4为本发明实施例2模式变换器的结构正视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

本实施例提供一种应用于工作模式为TE01的回旋管用透射式电磁模式变换器，其结构的三维示意图如图1所示。

该电磁模式变换器共包括五层金属基板和介质基板，金属基板材料为铜，介质板基板材料为聚四氟乙烯。模式变换器每层金属基板厚度为0.105mm，介质板厚度为0.7mm，五层介质基板的相邻两层的间距为1.6mm。图2为电磁模式变换器结构的正视图。变换器的每层金属基板由10*10个结构单元组成，共有100个“十字型”通孔。每个结构单元的示意图如图3所示，其中，结构单元的边长D为3.9mm，“十字型”通孔的臂长Ls变化范围在3.2mm-3.6mm之间(臂长Ls1不等于Ls2)，臂宽d为0.6mm，具体每个的尺寸根据电磁仿真结果确定，使得电磁波经每个“十字型”通孔透射后，电磁波的电场由TE01模式变为高斯光束。

实施例2

电磁波工作模式为TE01模式，选取工作频率35GHz，变换器的每层金属基板由6*6个结构单元组成，共有36个“十字型”通孔。

当TE01电磁波辐射进入变换器时，传播的法向平面电场方向在顺时针和逆时针圆形之间交替变化。考虑入射电场方向为顺时针圆形的瞬时情况，入射电场经过每个结构单元，以基板中心为圆心，基板中心到每个“十字型”通孔的中心的距离为半径作圆，可得到经过每个结构单元的入射电场分布。调整每个“十字型”通孔使其旋转一定角度，使得“十字型”通孔两臂与所述圆在“十字型”通孔的中心处的切线的夹角θ为45°，即此时结构单元处的电场以45°入射到每个“十字型”通孔。以每个“十字型”通孔中心为原点建立新坐标系，第一臂长Ls1方向为x方向，第二臂长Ls2方向为y方向，根据入射电磁波在每个新坐标系x方向和y方向的电场分量，以及出射电磁波在每个新坐标系x方向和y方向的电场分量，利用电磁波相位补偿公式，计算出x方向和y方向分别需要补偿的相位，调整每个通孔的臂长Ls1和臂长Ls2来补偿每个结构单元x方向和y方向的电场相位，使透射出人工超颖材料的电磁波在空间整体合成满足高斯分布。以对角线上的单元为例，入射TE01模式电磁波时，若使入射电场方向与单元新坐标系呈45°，此时入射电场Ei在新坐标系下具有x分量和y分量，电场可以表示为：其中，E_xm是x方向的电场幅值，Eym是y方向的电场幅值，和为单位矢量，角频率w＝2×π×f，波数k＝2×π/λ，t为时间，为入射电场相位。为了使出射电场变成高斯波束，在时间t不变的情况下，出射电场方向应变成竖直向下，此时出射电场E_t在新坐标系下只具有y分量，电场可以表示为：为出射电场相位。对入射电场E_i和出射电场E_t的矢量表达式进行数学运算，可以得到x分量和y分量需要补偿的相位和例如，6*6结构的第1行第5列的“十字型”通孔，以6*6基板的中心位置为圆心，圆心到“十字型”通孔中心的距离为半径做圆，可以得到“十字型”通孔需旋转14.0362°才能使“十字型”通孔的两臂与圆的切线夹角呈45°。将“十字型”通孔逆时针旋转14.0362°，然后以“十字型”通孔中心为原点建立新坐标系，可以得到入射电场在通孔处的x分量E_ix＝E_i×cos(45°)，y分量E_iy＝-E_i×sin(45°)，出射电场的x分量E_tx＝-E_t×sin(14.0362°)，y分量E_ty＝-E_t×cos(14.0362°)。对出射电场和入射电场进行运算可以得到，对x方向的电场相位补偿对y方向的电场相位补偿便能使电场在当前“十字型”通孔处的出射方向变为竖直向下。基板包括6*6结构单元的具体旋转角度情况以及x分量、y分量所需补偿相位情况如下表所示，其中α表示旋转角度，以逆时针为正，a为x方向的电场相位补偿，b为y方向的电场相位补偿。

对于基板包括10*10个结构单元可按照同样的计算方式，得到结构的旋转角度情况以及x分量和y分量所需补偿的相位。

对于图3所示的结构单元利用HFSS软件或者CST软件进行仿真，可以得到出射电场强度约等于入射电场强度，相移改变量达到360°时，“十字型”通孔臂长Ls1与y分量电场相位的关系曲线以及臂长Ls2与x分量电场相位的关系曲线。根据图3结构的仿真结果曲线，带入补偿相位可以得到Ls2臂长，带入补偿相位可以得到Ls1臂长。每个“十字型”通孔的臂长参数运用这种方法确定，此时即可使透射出人工超颖材料的电磁波在空间上满足高斯分布。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。