CN104078732A - 一种太赫兹波传输的功分、合路结构 - Google Patents

一种太赫兹波传输的功分、合路结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波传输的功分、合路结构。在金属基座上依次设有主支路过渡结构、主支路传输结构、分支路传输结构和分支路过渡结构；太赫兹波从一端输入或输出，经过主支路过渡结构平缓变换为表面波，通过主支路传输，在分支路传输结构表面波被分成两路，最后经由分支路过渡结构变换回原太赫兹波并分别从分支路过渡结构的两端输出或输入。本发明设计结构简单，只需在金属表面加工三角柱凸起结构；设计的过渡结构可以将入射的电磁波逐渐引导成为表面波，减少电磁波的反射提高传输效率，该结构的功分、合路效率在理论上可以达到90%；设计的结构具有多变性，可以通过修改凸起结构的具体尺寸满足不同频段的太赫兹波。

Description

一种太赫兹波传输的功分、合路结构
技术领域
本发明涉及一种电磁波的传输的功分、合路结构，特别是涉及一种太赫兹波传输的功分、合路结构。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波，太赫兹波长在3000～30μm，介于毫米波与红外光之间，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。因此，太赫兹波不仅是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，被称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。另一方面，太赫兹波还具有很多优越的特性，其主要应用集中在太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术上。利用THz时域光谱技术可以直接测得介电常数。THz成像技术更是可以检测食品的新鲜程度，由于THz的能量小对生物***的破坏性小，所以相比于X射线有更加高的医学用途。此外，许多生物大分子的转动和吸收谱太赫兹频段，所以在生物化学领域，THz也有很大的发展空间。所以，对于太赫兹波的研究存在极大的学术价值和应用价值。
太赫兹辐射源是太赫兹技术转化为现实生产力的关键环节，而大功率、高效率的THz发射源则是THz时域光谱技术、THz诊断和成像技术以及THz雷达和通信能否成为投入实际应用的决定因素。如何才能有效的长生出大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的、宽带可调的太赫兹辐射源，以及如何将其方便、灵活应用于日常的科研工作和实际生活之中，已经成为21世纪太赫兹领域的科技工作者所追求的目标，以及他们迫切需要解决的实际问题。
1998年T.W.Ebbesen等人的实验结果却发现：当在金属板上制作周期性分布的亚波长金属小孔阵列时,某些频率的光波能够以非常高的效率透过亚波长小孔结构，其透射率要远远大于预测结果，这种现象被称为异常透射增强现象(Extraordinary optical transmission，EOT)。很快，人们提出了表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP)理论对光波段的异常透射增强现象进行了成功的解释：当特定频率的光入射到具有亚波长周期性小孔阵列结构的金属表面时，可以和金属中自由电子产生谐振形成表面电荷振荡， 是这种谐振作用导致了异常透射增强现象的形成。然而，对于太赫兹波段来说金属被视作为完美导体，表面等离子体激元在金属表面的场约束很差，不能得到有效激发。Pendry提出了一个伪表面等离子体 (Spoof Surface Plasmon Polaritons)的全新概念，在金属表面的加上这种周期凹孔结构后，金属表面可以视为一层等效介质，其等效介电常数与光波段的金属介质具有相似的表达式形式，电磁波的渗透作用得到了增强，从而实现了亚波长约束。而作为与周期性凹进结构相对称的一种更易于制造的新型结构——金属表面柱状凸起结构，不仅可以实现人工SPPs的传播，而且能在高度的约束下同时具有良好的传播长度，在横向也能实现亚波长约束，利用这个性能可以设计结构紧凑的太赫兹波导，并能实现太赫兹波的拐弯，分束，耦合等功能。因此，人工SPPs在金属表面周期分布的柱状凸起结构上表现出良好性质使其在要求高度集成的太赫兹应用方面具有极大的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹波传输的功分、合路结构，采用人工表面等离子结构技术，可以实现的高效传输的功分、合路的结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明在金属基座上依次设有主支路过渡结构、主支路传输结构、分支路传输结构和分支路过渡结构；太赫兹波从主支路传输结构一端输入，经过主支路过渡结构平缓变换为表面波，通过主支路传输，在分支路传输结构表面波被分成两路，最后经由分支路过渡结构变换回原太赫兹波并分别从分支路过渡结构的两端输出，实现功分的功能；或者两路太赫兹波从分支路传输结构一端输入，经过分支路过渡结构平缓变换为两路表面波，通过分支路传输结构，在主支路传输结构表面波被合成一路，最后经由主支路过渡结构变换回原太赫兹波并输出，实现合路的功能。
所述主支路过渡结构，一共有10个按直线排列的第一组三角柱凸起构成，所述每个三角柱凸起纵向宽度均为a，三角柱凸起排列周期间距均为d，从主支路过渡结构到主支路传输结构方向的10个三角柱凸起横向宽度b，依次为b0、 b1、b2、… b9，三角柱凸起高度h依次为h0、 h1、 h2、…h9，则bn=[(15-n)*b]/15；hn=[(15-n)*h]/15，其中n=0、1、2…9，入射波波长为λ，则有a＜2h＜2b＜2a=d＜λ/2，设纵向为X方向，横向为Y方向，高度方向指向为Z方向。
所述主支路传输结构，一共有9个按直线排列的第二组三角柱凸起构成，并与主支路过渡结构的一组三角柱凸起方向一致，所述每个三角柱凸起的大小相同，排列周期间距相等，三角柱凸起横向宽度为b、三角柱凸起纵向宽度为a、三角柱凸起高度为h、三角柱凸起排列周期间距为d。
所述分支路传输结构，共有7个与主支路传输结构三角柱凸起的大小相同，排列周期间距相等的第三组三角柱凸起，每个三角柱凸起在横向上一分为二，构成2个为一对的7对对称半三角柱凸起，从主支路传输结构往分支路传输结构方向上依次编号M1、M2、…M7则Y方向上上每一组半三角柱向两侧对称位移C，即Mn组半三角柱Y方向上距离Cn=2*C*m，其中m=1、2、3…7，
所述分支路过渡结构，共有10个与主支路过渡结构三角柱凸起排列方向相反、排列间距相同的第四组三角柱凸起，大小一一对应的在横向上一分为二，构成2个为一对的10对对称半三角柱凸起，每一对半三角柱在横向上距离为14*C。
所述三角柱凸起材料与金属基座相同，三角柱凸起的尺寸为工作波段亚波长范围。
所述三角柱凸起为等腰三角柱，横向上为非等腰底边，与金属基座结合的面为矩形面。
本发明所具有的有益效果是：
1）设计结构简单，只需在金属表面加工凸起的三角柱结构，所用的材料 为常见的金属铝。
2）设计过渡结构可以将普通入射的电磁波逐渐引导成为表面波，减少电磁波的反射提高传输效率，该结构的功分、合路效率在理论上可以达到接近90%。
3）设计的结构可以多变，可以通过修改凸起结构的具体尺寸满足不同频段的太赫兹波。
附图说明
图1是本发明结构整体示意图。
图2是主支路过渡结构表面三角柱凸起结构设计参数示意图。
图3是主支路传输结构表面三角柱凸起结构设计参数示意图。
图4是两个分支路表面三角柱凸起结构设计示意图。
图5是对主支路过渡和传输结构仿真S21曲线结果示意图。
图6是对功分、合路结构仿真S21曲线结果示意图。
图中：1、主支路过渡结构，2、主支路传输结构，3、分支路传输结构，4、分支路过渡结构，5、三角柱凸起，a、三角柱凸起纵向宽度，b、三角柱凸起横向宽度，h、三角柱凸起高度，d、三角柱凸起排列周期间距。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明在金属基座上依次设有主支路过渡结构1、主支路传输结构2、分支路传输结构3和分支路过渡结构4；太赫兹波从主支路传输结构1一端输入，经过主支路过渡结构1平缓变换为表面波，通过主支路传输2，在分支路传输结构3表面波被分成两路，最后经由分支路过渡结构4变换回原太赫兹波并分别从分支路过渡结构4的两端输出，实现功分的功能；或者两路太赫兹波从分支路传输结构4一端输入，经过分支路过渡结构4平缓变换为两路表面波，通过分支路传输结构3，在主支路传输结构2表面波被合成一路，最后经由主支路过渡结构1变换回原太赫兹波并输出，实现合路的功能。
三角柱凸起5材料与金属基座相同凸起为等腰三角柱，横向上为非等腰底边，与金属基座结合的面为矩形面，三角柱凸起5的尺寸为工作波段亚波长范围。
如图2所示，所述主支路过渡结构1，一共有10个按直线排列的第一组三角柱凸起构成，所述每个三角柱凸起纵向宽度均为a=0.5mm，排列周期间距均为d=1mm，从主支路过渡结构1到主支路传输结构2方向的9个三角柱横向宽度b，依次为b0、 b1、b2、… b9，高度依次为h0、 h1、 h2、…h9，则bn=[(15-n)*b]/15；hn=[(15-n)*h]/15，其中b=0.415mm，h=0.45mm，n=0、1、2…9，本设计入射波频率为110GHz，波长λ=2.72mm，a＜2h＜2b＜2a=d＜λ/2。设纵向为X方向，横向为Y方向，高度方向指向为Z方向。
如图3所示，所述主支路传输结构2，一共有9个按直线排列的第二组三角柱凸起构成，并与主支路过渡结构1的一组三角柱凸起方向一致，所述每个三角柱凸起的大小相同，排列周期间距相等，三角柱凸起横向宽度b=0.415mm、三角柱凸起纵向宽度a=0.5mm、三角柱凸起高度h=0.5mm、三角柱凸起排列周期间距d=1mm、底层金属的厚度为0.5mm。
如图4所示，所述分支路传输结构3，共有7个与主支路传输结构2三角柱凸起的大小相同，排列周期间距相等的第三组三角柱凸起，每个三角柱凸起在横向上一分为二，构成2个为一对的7对对称半三角柱凸起，从主支路传输结构2指向分支路传输结构3方向上依次编号M1、M2、…M7，则Y方向上每一组2个半三角柱分别向两侧对称位移C=0.06mm，即Mn组半三角柱Y方向上距离Cn=2*0.06*m，单位为mm，其中m=1、2、3…7。
如图4所示，所述分支路过渡结构4，共有10个与主支路过渡结构1三角柱凸起排列方向相反、排列间距相同的第四组三角柱凸起，大小一一对应的在横向上一分为二，构成2个为一对的10对对称半三角柱凸起，每一对半三角柱在横向上距离为0.84mm。
如图5所示，对主支路结构进行S参数的仿真，则可以看到110GHz频段的S21接近0dB，传输的性能和效率很好。
如图6所示，对合路结构进行仿真，在三路过渡结构前两端分别放上探针，电磁波从左侧主支路上入射，测量则3支路上的场，则仿真结果如图所示。在110GHz频段上：三路场能量分别为67.92dB、64.53dB、64.39 dB，则功分（合路）效率在理论上可以达到90%。
本发明的工作频带在110GHz附近，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整三角柱凸起结构的尺寸。
以上所述，仅是本发明的在110GHz附近特定频段的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：本在金属基座上依次设有主支路过渡结构（1）、主支路传输结构（2）、分支路传输结构（3）和分支路过渡结构（4）；太赫兹波从主支路传输结构（1）一端输入，经过主支路过渡结构（1）平缓变换为表面波，通过主支路传输（2），在分支路传输结构（3）表面波被分成两路，最后经由分支路过渡结构（4）变换回原太赫兹波并分别从分支路过渡结构（4）的两端输出，实现功分的功能；或者两路太赫兹波从分支路传输结构（4）一端输入，经过分支路过渡结构（4）平缓变换为两路表面波，通过分支路传输结构（3），在主支路传输结构（2）表面波被合成一路，最后经由主支路过渡结构（1）变换回原太赫兹波并输出，实现合路的功能。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：所述主支路过渡结构（1），一共有10个按直线排列的第一组三角柱凸起构成，所述每个三角柱凸起纵向宽度均为a，三角柱凸起排列周期间距均为d，从主支路过渡结构（1）到主支路传输结构（2）方向的10个三角柱凸起横向宽度b，依次为b0、 b1、b2、… b9，三角柱凸起高度h依次为h0、 h1、 h2、…h9，则bn=[(15-n)*b]/15；hn=[(15-n)*h]/15，其中n=0、1、2…9，入射波波长为λ，则有a＜2h＜2b＜2a=d＜λ/2，设纵向为X方向，横向为Y方向，高度方向指向为Z方向。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：所述主支路传输结构（2），一共有9个按直线排列的第二组三角柱凸起构成，并与主支路过渡结构（1）的一组三角柱凸起方向一致，所述每个三角柱凸起的大小相同，排列周期间距相等，三角柱凸起横向宽度为b、三角柱凸起纵向宽度为a、三角柱凸起高度为h、三角柱凸起排列周期间距为d。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：所述分支路传输结构（3），共有7个与主支路传输结构（2）三角柱凸起的大小相同，排列周期间距相等的第三组三角柱凸起，每个三角柱凸起在横向上一分为二，构成2个为一对的7对对称半三角柱凸起，从主支路传输结构（2）指向分支路传输结构（3）方向上依次编号M1、M2、…M7，则Y方向上每一组2个半三角柱分别向两侧对称位移C，即Mn组半三角柱Y方向上距离Cn=2*C*m，其中m=1、2、3…7。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：所述分支路过渡结构（4），共有10个与主支路过渡结构（1）三角柱凸起排列方向相反、排列间距相同的第四组三角柱凸起，大小一一对应的在横向上一分为二，构成2个为一对的10对对称半三角柱凸起，每一对半三角柱在横向上距离为14*C。
6.根据权利要求2-5所述的一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：所述三角柱凸起材料与金属基座相同，三角柱凸起的尺寸为工作波段亚波长范围。
7.根据权利要求2-5所述的一种太赫兹波传输的功分、合路结构，其特征在于：所述三角柱凸起为等腰三角柱，横向上为非等腰底边，与金属基座结合的面为矩形面。
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