一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导

摘要

一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导，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只能传输后向波而无法根据需求控制电磁波相速方向的问题，本发明包括一个空心矩形波导、多个超常媒质结构单元和多个圆柱形控制棒，各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导内部，每一个圆柱形控制棒沿着平行于所述空心矩形波导的y向轴线穿透所述空心矩形波导，且所述每一个圆柱形控制棒沿着z向轴线排成一列，所述每一个圆柱形控制棒在所述空心矩形波导内的部分固定有一个超常媒质结构单元。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。

说明书

技术领域

本发明涉及小型化波导技术领域，具体涉及一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导。

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5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4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匀媒质而言，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只能传输后向波而无法根据需求控制电磁波相速方向的问题，本发明提供一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导。

一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导，它包括一个空心矩形波导、多个超常媒质结构单元，所述小型化矩形波导还包括多个圆柱形控制棒，各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导内部，每一个圆柱形控制棒沿着平行于所述空心矩形波导的y向轴线穿透所述空心矩形波导，且所述每一个圆柱形控制棒沿着z向轴线排成一列，所述每一个圆柱形控制棒在所述空心矩形波导内的部分固定有一个超常媒质结构单元，所述每个圆柱形控制棒用于沿自身圆柱轴线旋转，以带动固定在所述每一个圆柱形控制棒上的超常媒质结构单元均旋转至平行于空心矩形波导的x方向或z方向，所述超常媒质结构单元在垂直于所述超常媒质结构单元基板面的方向上的有效磁导率分量为负值，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，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电磁波相速方向可控的小型化矩形波导；本发明通过圆柱形控制棒对电磁波相速方向进行控制，使本发明可分别实现前向波传输和后向波传输；本发明通过在空心矩形波导内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。

附图说明

图1是本发明的一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导的立体结构示意图，图2是本发明的传输前向波(电磁波相速为正值)时的小型化矩形波导的立体结构示意图；图3是本发明的传输后向波(电磁波相速为负值)时的小型化矩形波导的立体结构示意图，图4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5是现有的超常媒质结构单元2的立体结构示意图，图6是本发明的具体实施方式七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7是本发明的具体实施方式七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8是本发明的具体实施方式七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（effectivepermeability）随频率的变化曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：根据说明书附图具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电磁波相速方向可控的小型化矩形波导，它包括一个空心矩形波导1、多个超常媒质结构单元2，所述小型化矩形波导还包括多个圆柱形控制棒3，各个超常媒质结构单元2位于所述空心矩形波导1内部，每一个圆柱形控制棒3沿着平行于所述空心矩形波导1的y向轴线穿透所述空心矩形波导1，且所述每一个圆柱形控制棒3沿着z向轴线排成一列，所述每一个圆柱形控制棒3在所述空心矩形波导1内的部分固定有一个超常媒质结构单元2，所述每个圆柱形控制棒3用于沿自身圆柱轴线旋转，以带动固定在所述每一个圆柱形控制棒3上的超常媒质结构单元2均旋转至平行于空心矩形波导1的x方向或z方向，所述超常媒质结构单元2在垂直于所述超常媒质结构单元2基板面的方向上的有效磁导率分量为负值，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，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。

具体实施方式二：根据说明书附图2和3具体说明本实施方式，本实施方式所述的固定在所述每一个圆柱形控制棒3上的超常媒质结构单元2均旋转至平行于空心矩形波导1的x方向时，所述超常媒质结构单元2在所述x方向的磁导率分量为负值，所述空心矩形波导1中传输的电磁波相速为正值；如果固定在所述每一个圆柱形控制棒3上的超常媒质结构单元2均旋转至平行于空心矩形波导1的z方向，则所述超常媒质结构单元2在所述z方向的磁导率分量为正值，所述空心矩形波导1中传输的电磁波相速为负值。

本实施方式的理论依据为：

假设波导轴线方向为z方向，横截面宽度方向为x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，有效介电常数为。

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

                          (1a)

                           (1b)

将带入(1)式，得到相应的标量方程为

                      (2a)

                        (2b)

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

                 (3)

对于TE模式，(3)式可以简化为

                            (4)

另一方面，将(1b)式代入到(1a)式可以得到

                           (5)

将(5)式展开，可以得到

           (6)

再将(4)式代入到(5)式可以得到

            (7)

可以利用分离变量法求解上述微分方程。结果为

                 (8)

            (9)

将(8)式代入到(4)式就可以得到填充各向异性超常媒质的矩形波导中的场方程

           (10)

而求解(9)式可以得到相位常数的解

                    (11)      

由此可以得出结论：

1.      当时，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，由于在时，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，也就是说相速为正。

2.      当，矩形波导的截止频率仍然存在，但是恰好与普通矩形波导的截止频率作用相反：普通矩形波导截止频率的作用是，在截止频率以下，电磁波不能传播，在截止频率以上，电磁波才可以传播，所以矩形波导的宽度必须大于工作波长的二分之一；对于时的矩形波导，它的截止频率的作用是，在截止频率以上，电磁波不能传播，在截止频率以下，电磁波才可以传播，所以矩形波导的宽度必须小于工作波长的二分之一，因此实现了小型化。同时，由于此时，和同时成立，所以电磁波在该矩形波导内是以后向波的形式传播，也就是说相速为负。

具体实施方式三：根据说明书附图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，具体实施方式二中固定在所述每一个圆柱形控制棒3上的超常媒质结构单元2均旋转至平行于空心矩形波导1的x方向时，所述各个超常媒质结构单元2沿着空心矩形波导1的z方向两侧金属壁成交错放置。

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，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，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。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五中任意一个实施方式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。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六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z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6所示，可以看到，在8.2GHz左右出现了一个通带。图7和图8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7和图8中可以看到，对应于图6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）。