同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)導(dǎo)體、填充物、外導(dǎo)體和設(shè)置于內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間、具有角向和軸向的二維周期性的第一及第二不均勻結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)采用同軸波導(dǎo)，具有功率容量大、損耗小、散熱能力強(qiáng)及易與微波技術(shù)領(lǐng)域常用的信號(hào)傳輸系統(tǒng)集成的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為獲得帶隙特性而引入的不均勻結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)方式更有利于高頻應(yīng)用時(shí)的加工制作。此外，其帶隙特性可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式改變第一及第二不均勻結(jié)構(gòu)相對(duì)的角向位置加以調(diào)節(jié)，從而使帶隙具有可控性。本發(fā)明可以作為微波通信、衛(wèi)星通信、遙感遙測(cè)、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗等高功率微波應(yīng)用領(lǐng)域中抑制干擾或噪聲的諧波抑制器或可調(diào)Q值的帶阻濾波器。
【專利說(shuō)明】
同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及微波技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁帶隙（Electromagnetic band gap，EBG)結(jié)構(gòu)是一種人造的周期結(jié)構(gòu)，通常由 介電常數(shù)呈周期性分布的介質(zhì)結(jié)構(gòu)或按周期性排列的介質(zhì)、金屬或其混合體單元構(gòu)成。電 磁帶隙結(jié)構(gòu)最為顯著的特征是對(duì)特定頻率范圍的電磁波呈現(xiàn)帶阻特性，使得頻率落入帶隙 內(nèi)的電磁波的傳播受到很強(qiáng)地抑制。利用這一特性，電磁帶隙結(jié)構(gòu)已被廣泛地應(yīng)用于微波
技術(shù)領(lǐng)域，其應(yīng)用涉及濾波器、功分器、諧振器、混頻器、功率放大器、諧波抑制器、微波天線 等器件。
[0003] 傳統(tǒng)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)是由全介質(zhì)材料構(gòu)成。和介質(zhì)材料相比，金屬材料可以很好 的約束電磁波，同時(shí)金屬材料更有利于導(dǎo)熱和加電，因此由金屬或金屬介質(zhì)混合體構(gòu)成的 電磁帶隙結(jié)構(gòu)在微波技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景更為廣泛。目前，金屬電磁帶隙結(jié)構(gòu)種類較多，但 其構(gòu)成方式大多基于微帶線，通常是在微帶線的金屬導(dǎo)帶、金屬接地板和介質(zhì)基板上制作 出周期性的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，美國(guó)UCLA的D.Sievenpiper提出一種蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 制作在普通的微波介質(zhì)基片上，介質(zhì)板一側(cè)腐蝕有周期排列的金屬貼片，這些金屬貼片通 過(guò)金屬化過(guò)孔與介質(zhì)另一側(cè)的地板相連。該結(jié)構(gòu)通過(guò)相鄰金屬貼片單元之間的縫隙形成電 容C，金屬化過(guò)孔連接的回路形成電感L，進(jìn)而形成并聯(lián)的LC諧振電路來(lái)獲得頻率阻帶；中國(guó) 專利CN104681949A采用這種蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)制作雙陷波UWB天線，該天線利用EBG結(jié)構(gòu)的帶 隙特性有效地濾除了WIMAX和WLAN兩個(gè)頻段的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了全頻段良好的全向輻射特性和 穩(wěn)定的增益效果；T. Itoh提出的一種缺陷地板(Defected Ground Structure:DGS)EBG結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)在微帶線的接地板中腐蝕出一維或二維周期性的矩形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率帶隙特 性。中國(guó)專利CN101931114A利用具有T型的缺陷地板結(jié)構(gòu)的微帶線制作了級(jí)聯(lián)型濾波器，該 濾波器利用微帶線的缺陷地板形成的EBG結(jié)構(gòu)對(duì)特定頻段內(nèi)的二次諧波和三次諧波進(jìn)行了 有效地抑制，無(wú)需加入額外的諧波抑制組件，從而該濾波器保持了較小的體積。
[0004] 目前，高性能的衛(wèi)星通訊、干擾與抗干擾、遠(yuǎn)程通信、軍事雷達(dá)以及高功率微波 (HPM)等技術(shù)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展對(duì)電子系統(tǒng)的功率傳輸容量、峰值功率等方面的技術(shù)指標(biāo)提 出更高的要求。在整個(gè)系統(tǒng)中，用以改變或控制信號(hào)載波特性的天饋系統(tǒng)的功率容量是系 統(tǒng)最終功率容量的限定因素，因此中大功率容量天饋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于上述技術(shù)領(lǐng)域具有重 要的意義。然而，微波技術(shù)領(lǐng)域常用的微帶傳輸線由于存在功率容量小、損耗大以及信號(hào)泄 漏等固有缺陷，難于滿足天饋系統(tǒng)在傳輸損耗、功率容量等方面的需求，從而極大地限制了 基于微帶線的EBG結(jié)構(gòu)在天饋系統(tǒng)的濾波器、定向耦合器、功分器以及天線等器件中應(yīng)用。 針對(duì)中大功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迫切需求，基于金屬波導(dǎo)EBG結(jié)構(gòu)以其特有的低損耗、良好的散熱 性能、大功率容量等電磁特性和物理結(jié)構(gòu)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。目前，已有應(yīng)用金屬波 導(dǎo)EBG結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的天饋系統(tǒng)濾波器、口徑天線以及極化器等器件的成功案例。例如， Goussetis等人提出在金屬波導(dǎo)腔體沿傳播進(jìn)行縱向的EBG膜片加載，可用于實(shí)現(xiàn)低通濾波 器(LPF);而進(jìn)行橫向的EBG膜片加載，則可形成諧振腔用于實(shí)現(xiàn)多工器，該方法具有改善帶 寬及分支隔離度的優(yōu)勢(shì);Park等人利用周期金屬柱結(jié)構(gòu)代替難于制作的倫伯(Luneberg)透 鏡來(lái)引導(dǎo)表面波，制成非對(duì)稱平行板波導(dǎo)倫伯透鏡，用于實(shí)現(xiàn)寬角度掃描或多波束天線系 統(tǒng)。但，需要指出的是，現(xiàn)有的金屬波導(dǎo)EBG結(jié)構(gòu)大多采用方(矩形)波導(dǎo)或圓波導(dǎo)通過(guò)周期 性加載一維或二維的金屬膜片、柱體或孔洞來(lái)獲得帶隙特性。采用這些EBG結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的各種 器件與常用的基于同軸波導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)之間需要通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)換器相互連接，而且當(dāng)結(jié)構(gòu) 工作頻率很高時(shí)(如工作于太赫茲頻段時(shí)），為了獲得帶隙特性而加載的膜片其尺寸將變得 極為細(xì)小導(dǎo)致加工制作的困難。另外，現(xiàn)有波導(dǎo)EBG結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下其帶隙特 性往往是固化的，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而限制了其在諸如濾波器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有金屬波導(dǎo)EBG結(jié)構(gòu)所存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種同軸波導(dǎo)二 維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有功率容量大、損耗小、散熱性好以及便于系統(tǒng)集成等優(yōu)勢(shì)，可 用于實(shí)現(xiàn)微波毫米波亞毫米通信以及雷達(dá)系統(tǒng)中抑制雜波干擾所需的高Q值可調(diào)濾波器。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，包括金屬柱狀 內(nèi)導(dǎo)體、填充物和金屬空心管狀外導(dǎo)體，填充物套裝于內(nèi)導(dǎo)體，外導(dǎo)體套裝于填充物，內(nèi)導(dǎo) 體及外導(dǎo)體的中心軸線位于同一直線上。其中，該同軸波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置于內(nèi) 導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間的第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)，第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié) 構(gòu)均具有角向和軸向的二維周期性。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以同軸波導(dǎo)為基礎(chǔ)，在同軸波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體 與外導(dǎo)體之間同時(shí)引入第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)，且第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均 勻結(jié)構(gòu)均具有角向和軸向的二維周期性。鑒于此結(jié)構(gòu)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)與基于微 帶線的電磁帶隙結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)基于金屬波導(dǎo)，因此具備更高的功率容 量、更低的損耗以及更好的散熱能力，能夠適用中大功率乃至千瓦級(jí)以上的高功率微波應(yīng) 用領(lǐng)域；（2)與現(xiàn)有的基于方形或圓波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明利用了同軸結(jié)構(gòu)的金屬 波導(dǎo)，能夠更容易與微波技術(shù)領(lǐng)域常用的基于同軸波導(dǎo)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)集成；同時(shí)相比于 采用周期性加載膜片實(shí)現(xiàn)帶隙特性的方法，本發(fā)明的采用在內(nèi)外導(dǎo)體之間同時(shí)引入具有角 向和軸向二維周期性的不均勻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了帶隙特性，該實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，有利于高頻應(yīng)用時(shí) 結(jié)構(gòu)的加工制作。
[0008] 上述優(yōu)點(diǎn)使得本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以作為微波通信、衛(wèi)星通信、遙感遙測(cè)、雷 達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗等高功率微波應(yīng)用領(lǐng)域中抑制干擾或噪聲的諧波抑制器或可調(diào)Q值的帶 阻濾波器。
[0009] 較佳地，第一不均勻結(jié)構(gòu)可相對(duì)第二不均勻結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。基于此，轉(zhuǎn)動(dòng)第一或第 二不均勻結(jié)構(gòu)，便可改變兩不均勻結(jié)構(gòu)之間的初始相位差，從而使得帶隙特性具有可控性， 而且控制方式簡(jiǎn)單，僅需通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)即可控制帶隙特性，在此過(guò)程中無(wú)需改變或調(diào)整其他結(jié) 構(gòu)參數(shù)。這一特性使得本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)更具通用性。
[0010] 具體地，第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)的角向周期數(shù)mb及軸向周期長(zhǎng)度pb分 別滿足如下公式：
[0011] mb=mi+mk
[0013] 其中，mi為入射波模式的角向模式指數(shù)，kci為入射波模式模式截止波數(shù);mk為與入 射波產(chǎn)生耦合的模式的角向模式指數(shù)，該模式的截止波數(shù);fo為所需的傳輸帶隙中心 頻率，co為真空中的光速，e r為內(nèi)外導(dǎo)體之間填充物的相對(duì)介電常數(shù)，yr為該材料的相對(duì)磁 導(dǎo)率，31為圓周率。
[0014] 具體地，第一不均勻結(jié)構(gòu)為刻蝕于內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的第一螺旋凹槽，第二不 均勻結(jié)構(gòu)為刻蝕于填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面的、連續(xù)的第二螺旋凹槽，第一螺旋凹槽 與第二螺旋凹槽的螺旋方向一致。其中，螺旋方向?yàn)轫槙r(shí)針或逆時(shí)針。
[0015] 較佳地，第一螺旋凹槽與第二螺旋凹槽的縱向截面為正弦型、余弦型、半圓形或矩 形。
[0016] 具體地，第一不均勻結(jié)構(gòu)為在內(nèi)導(dǎo)體外表面沿著螺旋線打孔，第二不均勻結(jié)構(gòu)為 在填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面沿著螺旋線打孔。
[0017] 具體地，第一不均勻結(jié)構(gòu)為加載于內(nèi)導(dǎo)體的外表面的帶狀螺旋導(dǎo)體，第二不均勻 結(jié)構(gòu)為加載于填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面的帶狀螺旋導(dǎo)體。
[0018] 較佳地，螺旋導(dǎo)體的縱向截面為圓形或矩形。
[0019] 具體地，第一不均勻結(jié)構(gòu)為刻蝕于內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的螺旋凹槽，第二不均勻 結(jié)構(gòu)為加載于填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面的帶狀螺旋導(dǎo)體;第一不均勻結(jié)構(gòu)為加載于內(nèi) 導(dǎo)體的外表面的帶狀螺旋導(dǎo)體，第二不均勻結(jié)構(gòu)為蝕刻于內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的螺旋凹 槽。
[0020] 較佳地，螺旋凹槽和螺旋導(dǎo)體的縱向截面相同。
[0021] 通過(guò)以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實(shí)施例。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明同軸波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是圖1的縱向截面示意圖。
[0024] 圖3a是轉(zhuǎn)動(dòng)圖1所示外導(dǎo)體使得第一、第二不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為π時(shí)的橫向 界面示意圖。
[0025] 圖3b是轉(zhuǎn)動(dòng)圖1所示外導(dǎo)體使得第一、第二不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為V2時(shí)的橫 向界面示意圖。
[0026] 圖3c是轉(zhuǎn)動(dòng)圖1所示外導(dǎo)體使得第一、第二不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為0時(shí)的橫向 界面示意圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明同軸波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5是圖4的縱向截面示意圖。
[0029] 圖6a是轉(zhuǎn)動(dòng)圖4所示外導(dǎo)體使得第一、第二不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為π時(shí)的橫向 界面示意圖。
[0030] 圖6b是轉(zhuǎn)動(dòng)圖4所示外導(dǎo)體使得第一、第二不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為V2時(shí)的橫 向界面示意圖。
[0031] 圖6c是轉(zhuǎn)動(dòng)圖4所示外導(dǎo)體使得第一、第二不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為0時(shí)的橫向 界面示意圖。
[0032] 圖7是圖4所示電磁帶隙結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)時(shí)（內(nèi)外導(dǎo)體表面所刻蝕的凹槽的初始相 位差為4入射波傳輸系數(shù)的幅度頻率響應(yīng)曲線。
[0033] 圖8是圖5中在固定外導(dǎo)體的條件下，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)導(dǎo)體使內(nèi)外導(dǎo)體表面凹槽的初始 相位差取不同值時(shí)入射波傳輸系數(shù)的幅度頻率響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034]現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類似的元件標(biāo)號(hào)代表類似的元件。
[0035] 為了更好地理解本發(fā)明，先對(duì)本發(fā)明帶隙可控的同軸波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的工作原 理做如下介紹：
[0036] 本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)其頻率帶隙的產(chǎn)生利用了不均勻同軸波導(dǎo)中模式耦合效 應(yīng)。具體而言，同軸波導(dǎo)在其內(nèi)外導(dǎo)體之間（可以是內(nèi)導(dǎo)體的外表面、外導(dǎo)體的內(nèi)表面，也可 以是填充于內(nèi)外導(dǎo)體之間的填充物上）引入二維周期性的不均勻結(jié)構(gòu)后，原來(lái)在均勻同軸 波導(dǎo)中彼此獨(dú)立傳播的波導(dǎo)模式，就有可能在非均勻邊界條件的影響下彼此間發(fā)生相互的 耦合作用進(jìn)而引起能量的轉(zhuǎn)移。因此，從模式耦合的角度，本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)具有頻率 帶隙效應(yīng)就可以解釋為，在一定的頻率范圍內(nèi)特定模式的入射波通過(guò)具有二維周期性的不 均勻邊界與另一模式的反向波之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合，進(jìn)而使入射波大部分的能量都轉(zhuǎn)移至與之 耦合的模式的反向波，最終使相應(yīng)頻率范圍內(nèi)入射波傳輸受到極大地抑制并在頻譜中形成 傳輸帶隙。
[0037] 從理論與實(shí)驗(yàn)表明，利用模式耦合產(chǎn)生的傳輸帶隙其寬度、幅度等特性參數(shù)在很 大程度上取決于模式之間耦合的強(qiáng)度，而模式耦合強(qiáng)度又與模式之間的耦合系數(shù)成正比。 當(dāng)同軸波導(dǎo)的內(nèi)外導(dǎo)體表面同時(shí)引入二維周期性不均勻結(jié)構(gòu)之后，模式之間的耦合系數(shù)不 僅取決于內(nèi)外導(dǎo)體表面不均勻結(jié)構(gòu)的幅度，而且還決定于內(nèi)外導(dǎo)體表面不均勻結(jié)構(gòu)引入時(shí) 的初始相位差Δ Φ(=| Φ〇-φ?|)。
[0038] 因此，依據(jù)模式耦合理論和傳輸帶隙的控制原理，本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)的參數(shù) 設(shè)計(jì)原則以及帶隙控制規(guī)則為：1)同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體外壁以及外導(dǎo)體內(nèi)壁平均半徑的選擇不 僅要滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)功率容量、散熱能力等指標(biāo)的具體要求，而且還要能夠確保在 所需的帶隙頻率范圍內(nèi)用于產(chǎn)生傳輸帶隙的兩個(gè)耦合模式能以行波模式傳播。2)內(nèi)外導(dǎo)體 之間的不均勻結(jié)構(gòu)的圓周方向即角向的周期數(shù)m b應(yīng)設(shè)置為
[0039] mb=mi+mk
[0040] 同時(shí)，其軸向周期長(zhǎng)度Pb應(yīng)設(shè)置為
[0042]其中，ΠΗ為入射波模式的角向模式指數(shù)，kci為入射波模式模式截止波數(shù);mk為與入 射波產(chǎn)生耦合的模式的角向模式指數(shù)，而該模式的截止波數(shù);fo為所需的傳輸帶隙中 心頻率，C0為真空中的光速，er為內(nèi)外導(dǎo)體之間填充物的相對(duì)介電常數(shù)，該材料的相對(duì) 磁導(dǎo)率，kca為的截止波;3)根據(jù)耦合模理論，同軸波導(dǎo)兩個(gè)導(dǎo)體表面不均勻結(jié)構(gòu)的幅度均應(yīng) 遠(yuǎn)小于其軸向周期長(zhǎng)度Pb。在滿足這一條件的情況下，兩個(gè)導(dǎo)體表面不均勻結(jié)構(gòu)的幅度取 值越大將會(huì)使得傳輸帶隙具有更大的幅度和寬度。另外，如兩個(gè)導(dǎo)體表面不均勻結(jié)構(gòu)的幅 度兩者之比選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值，使內(nèi)外導(dǎo)體表面不均勻結(jié)構(gòu)的初始相位差為0時(shí)，在傳輸帶隙 中心頻率處入射波模式與耦合模式之間的耦合系數(shù)結(jié)果為0,就可以使得傳輸帶隙的調(diào)控 范圍達(dá)到最大化。需要注意的是，能夠達(dá)到這一效果比值取決于不僅取決于同軸波導(dǎo)的結(jié) 構(gòu)參數(shù)以及填充物性質(zhì)，還取決于參與耦合的模式參數(shù);4)引入的二維不均勻結(jié)構(gòu)在軸向 上周期的數(shù)目應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)度要求選擇適合的數(shù)值。在滿足長(zhǎng)度要 求的前提下，適當(dāng)增加軸向周期的數(shù)目可以使傳輸帶隙更為顯著，但軸向周期的數(shù)目也不 易過(guò)大否則會(huì)增加頻率位于帶隙外傳輸信號(hào)的損耗。
[0043]基于上述原理及設(shè)計(jì)原則，本發(fā)明提供了一種同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參 考圖1，該同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)包括金屬柱狀內(nèi)導(dǎo)體1、填充物2和金屬空心管狀外導(dǎo) 體3。填充物2套裝于內(nèi)導(dǎo)體1，外導(dǎo)體3套裝于填充物2,內(nèi)導(dǎo)體1及外導(dǎo)體3的中心軸線位于 同一直線上。進(jìn)一步地，該同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置于內(nèi)導(dǎo)體1與外導(dǎo)體2之 間的第一不均勻結(jié)構(gòu)4及第二不均勻結(jié)構(gòu)5,第一不均勻結(jié)構(gòu)4及第二不均勻結(jié)構(gòu)5均具有角 向和軸向的二維周期性，且第一不均勻結(jié)構(gòu)4可相對(duì)所述第二不均勻結(jié)構(gòu)5發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0044]具體地，在本實(shí)施例中，第一不均勻結(jié)構(gòu)4為刻蝕于內(nèi)導(dǎo)體1外表面的、連續(xù)的第一 螺旋凹槽，第二不均勻結(jié)構(gòu)5為刻蝕于填充物外2表面的、連續(xù)的第二螺旋凹槽，第一螺旋凹 槽與第二螺旋凹槽的螺旋方向應(yīng)保持一致。其中，螺旋方向沿軸向可以為順時(shí)針或逆時(shí)針。 再請(qǐng)參考圖2,螺旋凹槽的縱向界面為余弦型。此時(shí)，同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體內(nèi)壁R。與內(nèi)導(dǎo)體外壁 的半徑Ri可分別表示為關(guān)于軸向位置z與角向（圓周方向）角度Φ變化的函數(shù)
[0047]其中，kb = 2Vpb，a()、b()分別為開(kāi)槽后同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體內(nèi)壁和內(nèi)導(dǎo)體外壁的平均半 徑，1。山分別為外導(dǎo)體內(nèi)壁和內(nèi)導(dǎo)體外壁的螺旋槽幅度，ΦμΦ:分別為外導(dǎo)體內(nèi)壁和內(nèi)導(dǎo) 體外壁的螺旋槽的初始相位，mb為螺旋槽的角向周期數(shù)，p b為螺旋槽的軸向周期長(zhǎng)度。需要 說(shuō)明的是，在其它實(shí)施例中，當(dāng)在內(nèi)導(dǎo)體1及填充物2上刻蝕螺旋凹槽后，其縱向界面也可以 是正弦型、半圓形或矩形。
[0048]根據(jù)前述工作原理及圖1、2所示的帶隙結(jié)構(gòu)可知，該帶隙結(jié)構(gòu)的傳輸帶隙特性具 有可控性，其控制方法如下：內(nèi)導(dǎo)體1及刻蝕其上的第一不均勻結(jié)構(gòu)4固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)外導(dǎo)體 3并帶動(dòng)填充物2及刻蝕其上的第二不均勻結(jié)構(gòu)5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得第一不均勻結(jié)構(gòu)4及第二不 均勻結(jié)構(gòu)5之間的初始相位差發(fā)生改變，例如圖3a至3c中，初始相位差分別為3t、3t/2及0,進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸帶隙特性的控制。且，需要指出的是，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方式控制本發(fā)明電磁帶隙結(jié) 構(gòu)的帶隙特性的過(guò)程中，當(dāng)?shù)谝?、第二不均勻結(jié)構(gòu)之間的初始相位差為Vm b時(shí)，帶隙效應(yīng)最 為顯著，傳輸帶隙的寬度和幅度達(dá)到最大;而當(dāng)?shù)谝?、第二不均勻結(jié)構(gòu)之間的初始相位差為 〇時(shí)，帶隙效應(yīng)則變得最為微弱，同時(shí)傳輸帶隙的寬度和幅度達(dá)到最小。當(dāng)然，在本發(fā)明的其 它實(shí)施例中，可通過(guò)直接轉(zhuǎn)動(dòng)第一或第二不均勻結(jié)構(gòu)來(lái)使得兩者之間的初始相位差發(fā)生改 變，而本實(shí)施例中所揭露了轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)外導(dǎo)體只是其中的一個(gè)特例而已。
[0049] 再請(qǐng)參考圖4及圖5,為本發(fā)明同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例。該實(shí)施 例與第一實(shí)施例的區(qū)別僅在于:螺旋凹槽的縱向界面為矩形。而內(nèi)導(dǎo)體Γ、填充物2'、外導(dǎo) 體3'、第一不均勻結(jié)構(gòu)4'及第二不均勻結(jié)構(gòu)5'與第一實(shí)施例相同，故在此不摘贅述。而采用 第一實(shí)施例的方式轉(zhuǎn)動(dòng)外導(dǎo)體3'時(shí)，第一不均勻結(jié)構(gòu)4及第二不均勻結(jié)構(gòu)5之間的初始相位 差發(fā)生改變?nèi)鐖D6a至6c所示，其中，圖6a至6c的初始相位差分別為3t、jt/2及0。
[0050] 需要指出的是，圖4及圖5中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如下：同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體內(nèi) 壁平均半徑為4.7mm，內(nèi)導(dǎo)體外壁平均半徑為1.295mm;內(nèi)外導(dǎo)體的材料均為銅，內(nèi)外導(dǎo)體之 間的填充物為聚乙烯(PE)，其相對(duì)介電常數(shù)^為2.25,相對(duì)磁導(dǎo)率用于產(chǎn)生傳輸帶隙 的兩個(gè)親合模式分別選為同軸波導(dǎo)的主模(TEM模式）以及與主模最為臨近的模式(TE11模 式），帶隙的中心頻率設(shè)為16GHz，依據(jù)前述公式螺旋凹槽的螺距應(yīng)取為7.35mm，螺旋凹槽的 角向周期數(shù)應(yīng)取為1;為了使傳輸帶隙的調(diào)控范圍達(dá)到最大化，外導(dǎo)體內(nèi)表面與內(nèi)導(dǎo)體外表 面的矩形凹槽其幅度分別取為0.6mm和0.224mm，凹槽沿軸向的旋轉(zhuǎn)方向均為逆時(shí)針?lè)较颍?在初始狀態(tài)下，內(nèi)外導(dǎo)體表面的螺旋凹槽的初始相位差設(shè)為^為了獲得顯著的帶隙效應(yīng)， 螺旋凹槽的軸向周期數(shù)目取為20，此時(shí)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為14.7cm。
[0051] 基于該具體參數(shù)的結(jié)構(gòu)，圖7則給出了初始狀態(tài)下入射波在上述結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)其 傳輸系數(shù)(S21參數(shù))的幅頻響應(yīng)（即傳輸系數(shù)的模隨頻率的變化）曲線。從圖中可以看出，入 射波傳輸系數(shù)的幅頻響應(yīng)曲線在14.94GHz~17.18GHz范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的凹陷，并在頻率 為16.01GHz處達(dá)到極小值(其值約為-44.89dB)，在上述頻率范圍內(nèi)入射波的傳輸會(huì)受到很 強(qiáng)的抑制從而在頻譜中形成傳輸帶隙。這一結(jié)果表明了本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)形成傳輸帶 隙的可行性。
[0052] 此外，基于該具體參數(shù)的結(jié)構(gòu)，按照前述的帶隙控制方法，將結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體固定， 通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)表面開(kāi)槽的內(nèi)導(dǎo)體來(lái)改變內(nèi)外導(dǎo)體表面所刻蝕的凹槽的初始相位差，并設(shè)內(nèi)導(dǎo)體 旋轉(zhuǎn)的角度步長(zhǎng)為18° (V1 〇)。請(qǐng)參考圖8，其給出了在內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中隨著角度的變化 入射波傳輸系數(shù)幅頻響應(yīng)的改變。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)外導(dǎo)體表面的 凹槽初始相位差由初始狀態(tài)的180°開(kāi)始逐漸減小，傳輸帶隙的幅度將逐漸減小，其寬度也 逐步變窄，但帶隙的中心頻率始終保持不變，最終當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)體表面的凹槽初始相位差為〇取 為時(shí)，傳輸帶隙完全消失。這一現(xiàn)象表明了本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)其傳輸帶隙的可控性以 及帶隙控制方法的可行性。
[0053]綜上所述，與現(xiàn)有的電磁帶隙結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明不論是在實(shí)現(xiàn)方式還是在帶隙特 性上均存在顯著的不同，且這些差異給本發(fā)明帶來(lái)了更好的效果和明顯的益處，主要體現(xiàn) 在：1)與基于微帶線的電磁帶隙結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)基于金屬波導(dǎo)，因此具備 更高的功率容量、更低的損耗以及更好的散熱能力，能夠適用中大功率乃至千瓦級(jí)以上的 高功率微波應(yīng)用領(lǐng)域;2)與現(xiàn)有的基于方形或圓波導(dǎo)電磁帶隙結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明利用了同 軸結(jié)構(gòu)的金屬波導(dǎo)，能夠更容易與微波技術(shù)領(lǐng)域常用的基于同軸波導(dǎo)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)集 成；同時(shí)相比于采用周期性加載膜片實(shí)現(xiàn)帶隙特性的方法，本發(fā)明的采用開(kāi)槽或加載導(dǎo)體 的方式更為簡(jiǎn)單，有利于高頻應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)的加工制作；3)本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)最為顯著 的優(yōu)勢(shì)在于其帶隙特性具有可控性，而且控制方式簡(jiǎn)單，僅需通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)即可控制帶隙特性， 在此過(guò)程中無(wú)需改變或調(diào)整其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。這一特性使得本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)更具通用 性。利用上述效果和益處，本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以作為微波通信、衛(wèi)星通信、遙感遙測(cè)、 雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗等高功率微波應(yīng)用領(lǐng)域中抑制干擾或噪聲的諧波抑制器或可調(diào)Q值的 帶阻濾波器。
[0054]此外，需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中第一及第二不均勻結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式并不限于上述 文字描述及附圖所示，還包括以下方式：
[0055] (1)第一不均勻結(jié)構(gòu)為刻蝕于內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的第一螺旋凹槽，第二不均勻 結(jié)構(gòu)為刻蝕于外導(dǎo)體內(nèi)表面的、連續(xù)的第二螺旋凹槽；
[0056] (2)鉆孔方式，具體為:第一不均勻結(jié)構(gòu)為在內(nèi)導(dǎo)體外表面沿著螺旋線打孔，第二 不均勻結(jié)構(gòu)為在填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面沿著螺旋線打孔；
[0057] (3)加載導(dǎo)體方式，具體為:第一不均勻結(jié)構(gòu)為加載于內(nèi)導(dǎo)體的外表面的帶狀螺旋 導(dǎo)體，第二不均勻結(jié)構(gòu)為加載于填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面的帶狀螺旋導(dǎo)體；
[0058] (4)刻蝕凹槽和加載導(dǎo)體相結(jié)合的方式，具體為:第一不均勻結(jié)構(gòu)為刻蝕于內(nèi)導(dǎo)體 外表面的、連續(xù)的螺旋凹槽，第二不均勻結(jié)構(gòu)為加載于填充物外表面或外導(dǎo)體內(nèi)表面的帶 狀螺旋導(dǎo)體;第一不均勻結(jié)構(gòu)為加載于內(nèi)導(dǎo)體的外表面的帶狀螺旋導(dǎo)體，第二不均勻結(jié)構(gòu) 為蝕刻于內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的螺旋凹槽。且，凹槽與加載的導(dǎo)體的界面形狀一致。
[0059]需要指出的是，當(dāng)采用記載導(dǎo)體的方式引入不均勻結(jié)構(gòu)時(shí)，本發(fā)明電磁帶隙結(jié)構(gòu) 的參數(shù)設(shè)計(jì)原則及帶隙控制原則還需要滿足:所加載的導(dǎo)體沿軸向截面的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能取 為軸向周期長(zhǎng)度pb的一半以使入射波模式與耦合模式之間耦合強(qiáng)度達(dá)到最大。
[0060]以上結(jié)合最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實(shí)施 例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，包括金屬柱狀內(nèi)導(dǎo)體、填充物和金屬空心管狀外 導(dǎo)體，所述填充物套裝于所述內(nèi)導(dǎo)體，所述外導(dǎo)體套裝于所述填充物，所述內(nèi)導(dǎo)體及外導(dǎo)體 的中心軸線位于同一直線上，其特征在于:還包括設(shè)置于所述內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間的第一 不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)，所述第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)均具有角向和軸向 的二維周期性。2. 如權(quán)利要求1所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一不均勻結(jié)構(gòu) 可相對(duì)所述第二不均勻結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，固定所述第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)之一 者，轉(zhuǎn)動(dòng)所述第一不均勻結(jié)構(gòu)及第二不均勻結(jié)構(gòu)之另一者以使得所述第一不均勻結(jié)構(gòu)及第 二不均勻結(jié)構(gòu)之間的初始相位差發(fā)生改變，從而控制所述同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)的傳 輸帶隙特性。3. 如權(quán)利要求2所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一不均勻結(jié)構(gòu) 及第二不均勻結(jié)構(gòu)的角向周期數(shù)mb及軸向周期長(zhǎng)度Pb分別滿足如下公式：其中，mi為入射波模式的角向模式指數(shù)，kci為入射波模式模式截止波數(shù);Hlk為與入射波 產(chǎn)生耦合的模式的角向模式指數(shù)，1^為該模式的截止波數(shù);fo為所需的傳輸帶隙中心頻率， CO為真空中的光速，Er為內(nèi)外導(dǎo)體之間填充物的相對(duì)介電常數(shù)，y r為該材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，JT 為圓周率。4. 如權(quán)利要求3所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一不均勻結(jié)構(gòu) 為刻蝕于所述內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的第一螺旋凹槽，所述第二不均勻結(jié)構(gòu)為刻蝕于所述 填充物外表面或所述外導(dǎo)體內(nèi)表面的、連續(xù)的第二螺旋凹槽，所述第一螺旋凹槽與第二螺 旋凹槽的螺旋方向一致。5. 如權(quán)利要求4所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一螺旋凹槽與 第二螺旋凹槽的縱向截面為正弦型、余弦型、半圓形或矩形。6. 如權(quán)利要求3所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一不均勻結(jié)構(gòu) 為在所述內(nèi)導(dǎo)體外表面沿著螺旋線打孔，所述第二不均勻結(jié)構(gòu)為在所述填充物外表面或所 述外導(dǎo)體內(nèi)表面沿著螺旋線打孔。7. 如權(quán)利要求3所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一不均勻結(jié)構(gòu) 為加載于所述內(nèi)導(dǎo)體的外表面的帶狀螺旋導(dǎo)體，所述第二不均勻結(jié)構(gòu)為加載于所述填充物 外表面或所述外導(dǎo)體內(nèi)表面的帶狀螺旋導(dǎo)體。8. 如權(quán)利要求7所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述螺旋導(dǎo)體的縱向 截面為圓形或矩形。9. 如權(quán)利要求3所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一不均勻結(jié)構(gòu) 為刻蝕于所述內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的螺旋凹槽，所述第二不均勻結(jié)構(gòu)為加載于所述填充 物外表面或所述外導(dǎo)體內(nèi)表面的帶狀螺旋導(dǎo)體;所述第一不均勻結(jié)構(gòu)為加載于所述內(nèi)導(dǎo)體 的外表面的帶狀螺旋導(dǎo)體，所述第二不均勻結(jié)構(gòu)為蝕刻于所述內(nèi)導(dǎo)體外表面的、連續(xù)的螺 旋凹槽。10.如權(quán)利要求9所述的同軸波導(dǎo)二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述螺旋凹槽和螺 旋導(dǎo)體的縱向截面相同。
【文檔編號(hào)】H01P1/20GK106025456SQ201610424355
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】賴穎昕, 危喜臨, 王善進(jìn), 劉華珠
【申請(qǐng)人】東莞理工學(xué)院