CN115332817A - 一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，属于太赫兹器件技术领域，具有平面对称结构，包括一对采用E面波导中心剖分制作的输入矩形波导，及采用一体化制作的一对直列式矩形波导‑半圆波导阻抗变换器、一个阶梯形隔板和一个输出公共圆波导；一对输入矩形波导分别通过对应直列式矩形波导‑半圆波导阻抗变换器与输出公共圆波导相连；阶梯形隔板位于输出公共圆波导内部对应于一对直列式矩形波导‑半圆波导阻抗变换器间隙的位置，厚度与间隙相同，并与输出公共圆波导的输入端相接。本发明避免阶梯形隔板和输出公共圆波导因剖分缝隙引起的模式谐振，实现宽频带内损耗低、幅度一致性高的无模式谐振传输。

Description

一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器。
背景技术
波导圆极化器是双极化天线馈电***及基于圆极化模式的径向功率组合网络中的重要元件。圆极化器通常要求宽带性能优良、结构简单且紧凑，但这些特性很难存在于同一个元件中。旋转栅正交模转换器被认为是一种宽带的结构，但是它的体积过于庞大复杂。尽管目前有人提出折叠的紧凑型设计，但会增加结构的复杂性和制造难度，不适合亚毫米波和太赫兹应用。
隔板圆极化器结构简单紧凑，适合高频应用，但其工作带宽相对较窄。这个概念首先被提出时，通过倾斜的隔板和方形的公共圆波导实现了15％的分数带宽。之后有人分别提出了阶梯式隔板和阶梯厚度的隔板，获得了20％的分数带宽，接近理论单模带宽极限。再之后有人提出15％分数带宽的圆波导隔板圆极化器，由于不同端口形状的单模带宽限制，圆形波导的带宽比方形波导窄。因此，有人提出三角形公共端口的宽带隔板圆极化器，实现了37.8％的分数带宽，但是三角形端口中电场的不均匀分布会影响辐射方向图。为了扩大工作带宽并保持电场均匀性，有人在加宽矩形波导中设置反向平行的双隔板，虽然它的带宽可以达到40％，但会发生模式谐振。此外，波导内部增加额外的精确结构使其不利于扩展到亚毫米和太赫兹波段。
除了调整端口形状或在波导内部增加额外结构以拓宽理论单模带宽外，另一种方法是允许圆极化器在单模带宽之外的频率工作。通过仔细优化公共的波导和隔板尺寸，可以降低高阶模式的水平。其优点在于这不会额外增加制造难度，可以应用于更高频段。目前，在微波频段实现无谐振的宽带隔板圆极化器相对容易，因为与波长相比，制造误差可以忽略不计，测试与仿真结果的一致性高。但目前报道的毫米波波段的隔板圆极化器在某些频率上仍然存在谐振，使其难以向更高的频率拓展。因此，在太赫兹频率下实现宽带无谐振的隔板圆极化器仍然非常具有挑战性。
此外，模式谐振受波导剖分和制造方法影响，特别是对于流行的金属分块技术，模块间的不良接触会引入可变的空气缝隙。在现存的技术中，几乎所有隔板圆极化器的波导阻抗变换器都与其公共端口不在同一直线上，这使得隔板圆极化器只能在公共圆波导的顶部、中间或侧面进行剖分，以适应金属精密加工技术。然而，这些剖分方式都将导致公共端口和阻抗变换器部分产生空气缝隙。在太赫兹频段，波导剖分缝隙与工作波长相比拟，这些缝隙会引起严重的电磁泄露。此外，由于宽带隔板圆极化器的隔板部分尺寸敏感度，传统剖分方式产生的空气缝隙引入了不连续性，使其极易在单模带宽以外激励起高次模，产生模式谐振。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，降低隔板圆极化器在太赫兹频段的剖分泄露，避免剖分缝隙引起的模式谐振，具有结构简单紧凑、正交模幅度一致性高、损耗低、工作带宽大、无模式谐振的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，包括一对输入矩形波导、一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器、一个阶梯形隔板和一个输出公共圆波导；
所述宽带太赫兹隔板圆极化器为平面对称结构，一对输入矩形波导分别通过对应的直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器与输出公共圆波导相连，一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器之间的间距与阶梯形隔板的厚度相同；阶梯形隔板位于输出公共圆波导内部对应于一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器间隙的位置，与输出公共圆波导的输入端相接；
所述一对输入矩形波导采用E面波导中心剖分的金属分块技术制作，所述一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器、阶梯形隔板和输出公共圆波导采用分别从直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器端和输出公共圆波导端向中心加工的一体化制作。
进一步地，所述一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器均包括至少3阶周围四棱被倒圆角的矩形波导单元；各阶矩形波导单元的长度均为1/4波长；最后一阶矩形波导单元的窄边尺寸与相接的输出公共圆波导的半径相等，其他各阶矩形波导单元的窄边尺寸从输入矩形波导开始呈等差数列依次减小；各阶矩形波导单元的宽边尺寸依次减小或与前一阶相等，整体呈输入矩形波导的宽边尺寸至输出公共圆波导的直径尺寸过渡；各阶矩形波导单元的内侧与对应输入矩形波导的内侧位于同一平面，内侧两棱倒圆角的半径一致，且为加工极限值；各阶矩形波导单元的外侧两棱倒圆角的半径依次增大，最后一阶矩形波导单元的外侧两棱倒圆角的半径大于相接的输出公共圆波导的半径。上述尺寸为优选尺寸，实际因加工导致的尺寸误差±0.01倍波长为可接受范围。
进一步地，所述阶梯形隔板包括至少3阶，厚度为1/16～1/8波长。
进一步地，当所述阶梯形隔板为4阶时，各阶的长度依次为0.08、0.24、0.34和0.37倍波长，相邻阶的高度差为0.07～0.13倍波长。上述尺寸为优选尺寸，实际因加工导致的尺寸误差±0.01倍波长为可接受范围。
进一步地，所述阶梯形隔板与输出公共圆波导内壁相接的区域倒圆角，半径为加工极限值。
进一步地，所述一对输入矩形波导均包括依次的第一直波导、第一45°弯波导、第二直波导、第二45°弯波导和第三直波导，共弯曲90°，使得一对输入矩形波导的输入端口相对，输出端口并列。
进一步地，当所述宽带太赫兹隔板圆极化器工作于单模频带时，所述输出公共圆波导的半径R满足主模TE11模式的单模传输条件，即
Figure BDA0003768037290000031
当所述宽带太赫兹隔板圆极化器工作于非单模频带时，所述输出公共圆波导的半径R满足：
Figure BDA0003768037290000032
其中，λc1为主模TE11模式的截止波长；λc2为第一高次模TM01模式的截止波长。
本发明所述无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器的工作原理为：根据电磁场的基本原理，任何一种线极化波可矢量分解为两个正交的分量。从输入矩形波导输入的线极化TE10模式同样可矢量分解为两个正交的分量，在输出公共圆波导中，矩形波导TE10模式转变为圆波导TE11模式，其中的不对称阶梯形隔板实现矢量分解的功能，并使两个正交的TE11模式产生90°的相位差，从而生成圆波导中的圆极化TE11模式。
当宽带太赫兹隔板圆极化器的工作频率超出单模传输的频率范围时，单模带宽外将存在高次模激励的风险，通过仔细优化阶梯形隔板和输出公共圆波导尺寸，使其在单模带宽以外避免高次模激励。当阶梯形隔板和输出公共圆波导尺寸不合理或引入额外的不连续性时，高次模将被激励，在输出公共圆波导和输入矩形波导之间多次反射，引起模式谐振。在太赫兹频段，由于金属分块加工导致的波导剖分缝隙与工作波长相比拟，使用金属分块加工剖分方式引入的不连续性不可忽视，将尺寸敏感的输出公共圆波导部分和直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器一体化制造可避免引入不连续性，从而有效防止模式谐振，同时降低传输损耗，实现宽频带内无模式谐振传输。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，通过设置直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器，实现输入矩形波导至输出公共圆波导的过渡，并将直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器与尺寸敏感的阶梯形隔板和输出公共圆波导一体化加工，不会产生剖分缝隙及引入额外的不连续性，从而避免剖分加工引起的电磁泄露和模式谐振；并通过精确优化阶梯形隔板和输出公共圆波导尺寸，实现了太赫兹频段的隔板圆极化器在宽频带内无高阶模式谐振，具有结构简单紧凑、正交模幅度一致性高、损耗低、工作带宽大、无模式谐振的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器的分块-一体化结合加工三维图；
图2为本发明实施例1提供的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器中电磁信号通路的外部三维立体图；
图3为图2的局部透视图；
图4为本发明实施例1提供的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器在没有进行波导剖分加工时，应用于190～270GHz频段的S参数仿真结果图；
图5为本发明实施例1提供的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器的常规剖分加工三维图；
图6为本发明实施例1提供的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器采用常规剖分加工(图5)时，应用于190～270GHz频段的S参数仿真结果图；
图7为本发明实施例1提供的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器采用分块-一体化结合加工(图1)时，应用于190～270GHz频段的S参数仿真结果图；
附图中各标记的说明如下：
1：一对输入矩形波导；101：第一输入矩形波导的第三直波导；102：第二输入矩形波导的第三直波导；2：一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器；201：第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器；202：第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器；3：阶梯形隔板；4：输出公共圆波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种工作在190～270GHz频段的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，结构如图1～3所示，包括一对输入矩形波导1(即第一输入矩形波导和第二输入矩形波导)、一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器2(即第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器201和第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器202)、一个阶梯形隔板3和一个输出公共圆波导4。
所述宽带太赫兹隔板圆极化器为平面对称结构，第一输入矩形波导通过对应的第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器201与输出公共圆波导4相连，第二输入矩形波导通过对应的第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器202与输出公共圆波导4相连，第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器201和第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器202之间的间距与阶梯形隔板3的厚度相同；阶梯形隔板3位于输出公共圆波导4内部对应于第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器201和第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器202间隙的位置，与输出公共圆波导4的输入端相接。
所述第一输入矩形波导和第二输入矩形波导均为WR-4.3矩形波导(1.092mm*0.546mm)，包括依次的第一直波导、第一45°弯波导、第二直波导、第二45°弯波导和第三直波导，共弯曲90°，使得第一输入矩形波导和第二输入矩形波导的输入端口相对，输出端口并列。第一输入矩形波导的第三直波导101和第二输入矩形波导的第三直波导102分别与对应的第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器201和第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器202相连。
所述输出公共圆波导4的半径为0.496mm。
所述第一直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器201和第二直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器202均包括4阶周围四棱被倒圆角的矩形波导单元；各阶矩形波导单元的长度均为0.31mm，从一对输入矩形波导1至输出公共圆波导4方向，宽边尺寸依次为1.092mm、1.092mm、1.05mm、1.01mm，窄边尺寸依次为0.524mm、0.503mm、0.481mm、0.491mm；各阶矩形波导单元的内侧与对应输入矩形波导的内侧位于同一平面，内侧两棱倒圆角的半径一致，且为加工极限值0.1mm；各阶矩形波导单元的外侧两棱倒圆角的半径依次增大，依次为0.2mm、0.3mm、0.38mm、0.533mm。
所述阶梯形隔板3包括4阶，各阶的厚度均为0.104mm，长度依次为0.11mm、0.317mm、0.47mm、0.503mm，高度依次为0.549mm、0.407mm、0.256mm、0.125mm；所述阶梯形隔板3与输出公共圆波导4内壁相接的区域倒圆角，半径为加工极限值0.1mm。
本实施例采用三维电磁仿真软件对无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器的尺寸进行精确设计。为便于验证本实施例提出的太赫兹隔板圆极化器性能及模式谐振情况，将其应用于190～270GHz频段进行仿真，其仿真结果如图4所示，在200～270GHz的工作频段，输入回波损耗超过20dB，输入端口隔离度超过16dB，正交模隔离度超过40dB，正交模的幅度差低于0.1dB，相对带宽超过30％，远高于单模带宽所能达到的20％，且无任何模式谐振发生，实现宽频带内无模式谐振传输。
为更直观地突出本发明提出的有益效果，对上述宽带太赫兹隔板圆极化器采用不同剖分制作方式，在190～270GHz的工作频段进行电磁仿真，使用20μm厚的空气腔模拟剖分加工导致的缝隙。当采用常规剖分加工方法制造(即整体采用E面中心剖分的金属分块技术加工)时，其三维剖分示意图如图5所示，仿真结果如图6所示，从仿真的S参数结果中可以看出，在247GHz频点处存在尖峰，证明常规剖分加工方式导致该隔板圆极化器发生了模式谐振，此外S41的数值明显降减小，而S31基本不变，说明剖分缝隙导致了正交模中的一个分量产生了严重的电磁泄露，从而使正交模的幅度一致性恶化。当采用本发明提出的分块-一体化结合加工方法(即一对输入矩形波导1采用E面中心剖分的金属分块技术加工，一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器2、阶梯形隔板3和输出公共圆波导4采用分别从直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器端和输出公共圆波导端向中心进行的一体化工艺加工)时，其三维剖分示意图如图1所示，仿真结果如图7所示，从仿真的S参数结果中可以看出，曲线平滑，无任何谐振发生，且幅度一致性无明显恶化，证明分块-一体化结合加工方法的有效性。
综上所述，本实施例提出的无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，可以有效避免宽带太赫兹隔板圆极化器因剖分制造导致的模式谐振及能量泄露问题，具有结构简单紧凑、正交模幅度一致性高、损耗低、工作带宽大、无模式谐振的优点。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明,仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，包括一对采用E面波导中心剖分的金属分块技术制作的输入矩形波导，及一体化共同制作的一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器、一个阶梯形隔板和一个输出公共圆波导；
所述宽带太赫兹隔板圆极化器为平面对称结构，一对输入矩形波导分别通过对应的直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器与输出公共圆波导相连，一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器之间的间距与阶梯形隔板的厚度相同；阶梯形隔板位于输出公共圆波导内部对应于一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器间隙的位置，与输出公共圆波导的输入端相接。
2.根据权利要求1所述无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，所述一对直列式矩形波导-半圆波导阻抗变换器均包括至少3阶周围四棱被倒圆角的矩形波导单元；各阶矩形波导单元的长度均为1/4波长；最后一阶矩形波导单元的窄边尺寸与相接的输出公共圆波导的半径相等，其他各阶矩形波导单元的窄边尺寸从输入矩形波导开始呈等差数列依次减小；各阶矩形波导单元的宽边尺寸依次减小或与前一阶相等，整体呈输入矩形波导的宽边尺寸至输出公共圆波导的直径尺寸过渡；各阶矩形波导单元的内侧与对应输入矩形波导的内侧位于同一平面，内侧两棱倒圆角的半径一致，且为加工极限值；各阶矩形波导单元的外侧两棱倒圆角的半径依次增大，最后一阶矩形波导单元的外侧两棱倒圆角的半径大于相接的输出公共圆波导的半径。
3.根据权利要求1所述无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，所述阶梯形隔板包括至少3阶，厚度为1/16～1/8波长。
4.根据权利要求3所述无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，当所述阶梯形隔板为4阶时，各阶的长度依次为0.08、0.24、0.34和0.37倍波长，相邻阶的高度差为0.07～0.13倍波长。
5.根据权利要求1所述无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，所述一对输入矩形波导均包括依次的第一直波导、第一45°弯波导、第二直波导、第二45°弯波导和第三直波导，共弯曲90°。
6.根据权利要求1所述无谐振的宽带太赫兹隔板圆极化器，其特征在于，当所述宽带太赫兹隔板圆极化器工作于单模频带时，所述输出公共圆波导的半径R满足：
Figure FDA0003768037280000021
当所述宽带太赫兹隔板圆极化器工作于非单模频带时，所述输出公共圆波导的半径R满足：
Figure FDA0003768037280000022
其中，λc1为主模TE11模式的截止波长；λc2为第一高次模TM01模式的截止波长。
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