本發(fā)明涉及微波器件領域，尤其涉及一種基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器及其實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

高功率微波系統(tǒng)在軍事上有很廣泛的應用。如高功率微波雷達進行測距識別探測，高功率拒止武器用于驅(qū)散人群。除此之外，在受熱核聚變等離子加熱方面，高功率毫米波微波源也是重要需求。一般一套完整的微波系統(tǒng)主要包括三個部分：第一、高功率微波源，在毫米波亞毫米波一般使用真空器件，比如回旋管。二、微波傳輸系統(tǒng)，主要包括各種傳輸線、波導、功分器、耦合器、模式轉(zhuǎn)換器等各種無源器件。第三、主要包括微波發(fā)射接收系統(tǒng)，包括各種天線，負責微波能量的發(fā)射與接收。其中微波傳輸系統(tǒng)把微波源產(chǎn)生的高功率信號饋送到天線發(fā)射系統(tǒng)中不可缺少組成部分。所以為了使能量高效率的傳輸，在波導傳輸線每個連接地方需要進行阻抗匹配。同時，因為傳輸過程中不可避免遇到障礙物，微波傳輸方向需要進行改變，所以此時需要用到彎波導。由于波在彎曲波導中傳輸時，波導在彎曲內(nèi)側(cè)和外側(cè)傳輸距離不一樣，會使原來波導傳輸模式變差，混雜許多其它高階模式，并且會產(chǎn)生很大的反射，惡化傳輸系統(tǒng)的整個傳輸效率。

所以為了電磁能量能在彎曲波導中高效率的傳送，并且保持原有的電磁波模式不變，精密設計一種90度彎曲波導接頭具有重要意義了。針對一定帶寬特定模式的90度彎波導是傳輸系統(tǒng)一種基礎性原件，傳統(tǒng)的方法一般根據(jù)耦合模理論，設計彎波導接頭的各種參數(shù)。其中彎波導的曲率是一種重要的參數(shù)。一般傳統(tǒng)的90度玩波導曲率較小，當波導在低頻時，橫截面大，此時彎波導的體積龐大，占據(jù)導波系統(tǒng)空間，這就限制了微波系統(tǒng)的小型化與緊湊化。曲率較大時，帶寬傳輸效率會急劇下降。

表面等離子體激源是一種表面波模式。一般在光波段可以在金屬表面激發(fā)起表面波，其實就是電磁波與金屬內(nèi)部自由電子相互作用，引起共振。在垂直金屬表面方向，電磁場幅度呈指數(shù)衰減，電磁能量沿著金屬表面進行傳播。但是在太赫茲波段，由于無法有效的激發(fā)起表面等離子體激元，場無法被束縛在金屬表面。但是pendry等國際學者證明，當在金屬表面刻有微小的凹槽，并且凹槽的尺寸遠小于入射波長時，金屬表面可以激發(fā)起類表面等離子體模式，并且可以通過調(diào)節(jié)凹槽的幾何尺寸來調(diào)整入射波的傳輸特征，同時該凹槽可以用等效介質(zhì)法來計算。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對高功率傳輸系統(tǒng)的需要，本發(fā)明提出了一種基于人工表面等離子激元(spoofsurfaceplasmon)ssp原理的彎波導結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)一種緊湊的彎波導功能，還可以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換功能。

本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器包括：彎波導、深度漸變光柵和深度均勻光柵；其中，彎波導包括兩段直波導中間連接一段圓弧波導，圓弧波導包括一對平行的側(cè)面以及內(nèi)弧面和外弧面，內(nèi)弧面和外弧面沿電磁波傳播方向的截面分別為圓的一部分，具有相同的弧度；在內(nèi)弧面的內(nèi)壁以及外弧面的內(nèi)壁分別刻有周期的深度均勻的凹槽，凹槽的側(cè)壁的延長線相交于內(nèi)弧面和外弧面所在圓的圓心，在內(nèi)弧面的內(nèi)壁形成凹槽深度為h1的深度均勻光柵，在外弧面的內(nèi)壁形成凹槽深度為h2的深度均勻光柵；兩段直波導與內(nèi)弧面和外弧面相連接的內(nèi)壁上，分別刻有周期的深度漸變的凹槽，在與內(nèi)弧面相連接的兩段直波導的內(nèi)壁上分別形成深度由h1漸變至0的深度漸變光柵，在與外弧面相連接的兩段直波導的內(nèi)壁上分別形成深度由h2漸變至0的深度漸變光柵；直波導中沒有形成深度漸變光柵的部分為均勻波導；電磁波模式在直波導的均勻波導中以波導模式傳播，當經(jīng)過圓弧波導時，能夠在深度均勻光柵處激起表面波模式，從而把電磁波束縛在表面，使其沿著刻有凹槽的圓弧波導的表面?zhèn)鞑?，從而控制電磁模的傳播方向和相位；當電磁波從直波導向圓弧波導傳播時，在直波導的內(nèi)壁具有凹槽深度逐漸變深的深度漸變光柵，實現(xiàn)波導模式與表面波模式之間的波矢匹配，減小反射以增大傳輸效率；當電磁波從圓弧波導向直波導傳播時，直波導的內(nèi)壁具有凹槽深度逐漸變淺的深度漸變光柵，表面波模式高效率地恢復成波導模式，在均勻波導中傳播。

電磁波模式分為波導模式和表面波模式，當在直波導的均勻波導中時，以波導模式傳播，當在彎波導時，由于深度均勻光柵，以表面波模式傳播，深度漸變光柵實現(xiàn)兩種模式的波失匹配，從而高效率完成模式轉(zhuǎn)換。

通過分別調(diào)節(jié)內(nèi)弧面的深度均勻光柵的凹槽深度h1，以及外弧面的深度均勻光柵的凹槽深度h2，控制表面波的色散特性(相位)。凹槽深度越深，對表面波模式的束縛能力越強。h1和h2分別小于波導壁的厚度。

為了在工作頻帶內(nèi)激起表面波模式，光柵的周期長度d要遠遠小于波長λ。所以，對于內(nèi)弧面和外弧面的深度均勻光柵的單位光柵個數(shù)分別為m1和m2，則有為向上取整數(shù)，其中，r1為外弧面的半徑，r2為外弧面的半徑。

該彎波導轉(zhuǎn)彎角度在原理上可以實現(xiàn)任意角度彎波導，并且可以保持極高的傳輸效率。并且在其它頻段可以實現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換?？梢哉f這種功能器件可以實現(xiàn)兩種功能，即模式轉(zhuǎn)換和模式轉(zhuǎn)向傳輸。并且，該彎波導還可以使曲率變大，使系統(tǒng)的緊湊化。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法。

本發(fā)明的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)彎波導所在的工作頻率，確定彎波導的參數(shù)，彎波導包括兩段直波導中間連接一段圓弧波導，圓弧波導包括一對平行的側(cè)面以及內(nèi)弧面和外弧面，內(nèi)弧面和外弧面沿電磁波傳播方向的截面分別為圓的一部分，具有相同的弧度，直波導的端口的高度為b，寬度為a；

2)確定深度漸變光柵的單元個數(shù)m，以及內(nèi)弧面和外弧面的深度均勻光柵的單元個數(shù)m1和m2。

3)根據(jù)深度漸變光柵和深度均勻光柵的參數(shù)，其中，端口的高度b、周期長度d、凹槽的深度h和凹槽的寬度w，建立光柵的本征方程：

其中τn²+βn＝k²，f為工作頻率，c為真空光速，β0是0次空間諧波軸向波數(shù)，βn是第n個空間諧波軸向波數(shù)，τn是第n個空間諧波的垂直光柵表面方向的波數(shù)，k是自由空間諧波數(shù)，n＝±1、±2、±3、…，式中的h，對應外弧面的深度均勻光柵h＝h2，對應內(nèi)弧面的深度均勻光柵h＝h1；特別要指出的是，對于深度漸變光柵，與內(nèi)弧面和外弧面相連接漸變光柵凹槽的梯度變化分別為δh1＝h1/m和δh2＝h2/m，對應內(nèi)弧面的第i個凹槽深度h＝hi＝(i-1)δh1，i＝1,2……,m，所以對于內(nèi)弧面相接的深度漸變光柵第一個凹槽深度為h＝0，第二凹槽深度h＝δh1，第三個凹槽深度為h＝2δh1，…，一直到第m個凹槽深度為h＝-h1，同理對于與外弧面相連接的兩個漸變光柵凹槽深度以δh2梯度逐步加深，對應外弧面的第j個凹槽深度h＝hj＝(j-1)δh2，j＝1,2……,m；

4)根據(jù)上述本征方程，及參數(shù)之間的關(guān)系，數(shù)字求解出深度漸變光柵和深度均勻光柵的色散曲線；

5)根據(jù)色散曲線，通過數(shù)值仿真軟件，對內(nèi)弧面和外弧面的深度均勻光柵的深度進行優(yōu)化，實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的要求。

其中，在步驟2)中，光柵的參數(shù)包括：光柵的周期長度d、外弧面的深度均勻光柵的凹槽深度h2、內(nèi)弧面的深度均勻光柵的凹槽深度h1、凹槽的寬度w、周期長度d、深度漸變光柵的單位光柵個數(shù)m、外弧面的半徑r2以及內(nèi)弧面的半徑r1。深度漸變光柵和深度均勻光柵的周期長度d<<λ，λ為工作波長，且凹槽的寬度w＝d/2。深度漸變光柵和深度均勻光柵的周期長度d相同，當d確定時，深度漸變光柵的單位光柵個數(shù)m越大，那么漸變越平緩，電磁波的反射就越小。對于內(nèi)弧面和外弧面的深度均勻光柵的單位光柵個數(shù)分別為為向上取整數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點：

本發(fā)明在圓弧波導的內(nèi)弧面和外弧面分別設置有深度均勻光柵，在與內(nèi)弧面和外弧面相連接的兩段直波導的相對的內(nèi)壁上分別設置有深度漸變光柵，當電磁波經(jīng)過圓弧波導時，能夠在深度均勻光柵處激起表面波模式，從而把電磁波束縛在表面，深度漸變光柵實現(xiàn)波導模式與表面波模式之間的波失匹配；本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，不需要其他過渡件；同時相比傳統(tǒng)的方法，利用光刻技術(shù)，加工容易，并且在同一工作頻率下，改變光柵的深度，還可以當做彎波導來使用；彎波導因為曲率大，比傳統(tǒng)實現(xiàn)同等功能的彎波導所占用空間少；本發(fā)明的方法實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的效率高，能夠使反射以及其他雜模降到最低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的立體圖；

圖2為本發(fā)明的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的電磁波沿傳播方向的剖面圖；

圖3為金屬光柵的示意圖，其中，(a)為雙邊金屬光柵，(b)為單邊金屬光柵；

圖4為金屬光柵的色散曲線；

圖5為本發(fā)明的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的一個實施例的工作頻率在300ghz時te01-te01模式場分布圖；

圖6為本發(fā)明的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的一個實施例的工作頻率在300ghz時te01-te01模式場分布圖；

圖7為普通彎波導工作頻率在250ghz電場分布圖；

圖8為普通彎波導工作頻率在300ghz電場分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本實施例的基于表面等離子激元彎波導模式轉(zhuǎn)換器的立體圖，彎波導包括兩段直波導中間連接一段圓弧波導，圓弧波導包括一對平行的側(cè)面以及內(nèi)弧面和外弧面，內(nèi)弧面和外弧面沿電磁波傳播方向的截面分別為圓的一部分，具有相同的弧度。本實施例中，弧度為90°，根據(jù)具體設計要求，弧度可以在0～180°之間。波導端口的寬為a，高為b。

如圖2所示，在內(nèi)弧面的內(nèi)壁形成凹槽深度為h1的深度均勻光柵，在外弧面的內(nèi)壁形成凹槽深度為h2的深度均勻光柵；在與內(nèi)弧面相連接的兩段直波導的內(nèi)壁上分別形成凹槽深度由h1漸變至0的深度漸變光柵，在與外弧面相連接的兩段直波導的內(nèi)壁上分別形成凹槽深度由h2漸變至0的深度漸變光柵。深度均勻光柵和深度漸變光柵的光柵單位周期長度相同，周期長度為d，且光柵的周期長度d<<λ工作波長，周期長度d小于1/10波長，占空比為50％。深度漸變光柵的長度為l＝m×d，其中，m為深度漸變光柵的單位光柵個數(shù)，每段深度漸變光柵的單位光柵個數(shù)相同，所以深度漸變光柵的梯度為δh1＝h1/m和δh2＝h2/m。在彎波導，深度均勻光柵的凹槽是個準矩形，因為光柵表面不是直線，而是圓弧線段。其中，內(nèi)弧面的半徑為r1，單位光柵個數(shù)為外弧面的半徑為r2，單位光柵個數(shù)為為向下取整數(shù)。

首先研究矩形光柵的色散特性。如圖3所示為矩形光柵示意圖，其中，(a)為雙邊金屬光柵，(b)為單邊金屬光柵。光柵周期方向為z方向，波導端口的高度為b、周期長度為d、雙邊的凹槽的深度分別為h2和h1、單邊的凹槽的深度為h以及光柵的寬度為w，根據(jù)矩形光柵的本征方程：

其中，τn²+βn＝k²,f為工作頻率，c為真空光速，β0是0次空間諧波軸向波數(shù)，βn是第n個空間諧波的沿z方向的波數(shù)，τn是第n個空間諧波的沿x方向的波數(shù)，k是修正后空間諧波數(shù)，k＝±1、±2、±3、…±n…。電磁波模式由多個空間諧波組成。根據(jù)上述本征方程，及參數(shù)之間的關(guān)系，數(shù)字求解出深度漸變光柵和深度均勻光柵的色散曲線。如圖4所示，其中橫坐標代表沿著矩形光柵表面的波數(shù)與凹槽的深度的乘積，縱軸代表空間諧波數(shù)與端口高度b的乘積。由于是封閉結(jié)構(gòu)所以，矩形光柵波導既支持慢波，又支持快波。從圖4可以看出，當增加凹槽的深度，能夠明顯的改變色散曲線輪廓，從而調(diào)節(jié)波矢的大小。凹槽越深，光柵對電磁波的束縛能力越強，場強在垂直表面方向衰減得越快，沿著表面方向的波數(shù)就越大。產(chǎn)生的總相位可以用如下公式計算：

其中，l表示電磁波沿光柵表面的路徑長度，β(z)表示光柵表面某一z點沿著光柵表面方向的波數(shù)大小，θ0為初始相位。一般為了在傳播方向?qū)崿F(xiàn)相位匹配，在深度均勻光柵兩端各有一段深度漸變光柵?？梢灾勒麄€光柵，激起的表面波在沿著光柵表面?zhèn)鞑ィ詾榱烁玫膶崿F(xiàn)，需要優(yōu)化沿表面波數(shù)的大小。當工作在相同頻率下時，增加凹槽深度明顯可以使色散曲線下移，沿表面的波數(shù)β增大，如圖4所示，圖中虛線表示內(nèi)弧面的深度均勻光柵的色散曲線，實線表示外弧面的深度均勻光柵的色散曲線，凹槽深度分別為0.25mm和0.1mm，此實施例中，h2＝h1＝h。其實當凹槽深度h趨向于零時，色散曲線應該是一個矩形波導，支持各種模式的色散曲線，不存在慢波色散特性。當h越來越大，凹槽會形成一個接著一個的諧振腔，那么只有特定模式，特定頻率能夠通過，該周期結(jié)構(gòu)的禁帶會很明顯。根據(jù)色散曲線圖可以看出，如果能夠在刻有凹槽的金屬表面激發(fā)起表面波模式，那么通過控制凹槽的深度就很容易控制電磁波的傳輸特性，即控制沿光柵表面波數(shù)的大小，但是對電磁波的相位進行調(diào)控。電磁波沿著深度漸變光柵以及內(nèi)弧面的深度均勻光柵傳輸，相位變化為其中k1為沿著光柵路徑l1某點上沿著光柵表面方向的傳播常數(shù)，l1為路徑變量，其路徑為：直波導上表面的深度漸變光柵(最大槽深h1)——>內(nèi)弧面的深度均勻光柵——>直波導上表面的深度漸變光柵(最大槽深h1)。同理，電磁波沿著深度漸變光柵以及外弧面的深度均勻光柵傳輸內(nèi)，相位變化為其中k2為沿著光柵路徑l2某點上沿著光柵表面方向的傳播常數(shù)，l2為路徑變量，其路徑為：直波導下表面的深度漸變光柵(最大槽深h2)——>外弧面的深度均勻光柵——>直波導下表面的深度漸變光柵(最大槽深h2)。當兩者相位差時，則電磁波模式經(jīng)過光柵后，原來的波導模式可以得到恢復。另一方面當相位差由于上下表面的表面波經(jīng)過光柵后，有半個波長的相位差，所以可以把電磁波在上下方向變成一個駐波。所以利用此特性，如果輸入矩形波導遇到光柵結(jié)構(gòu)，如果能夠激起ssp模式，那么通過改變矩形光柵的幾何走向、結(jié)構(gòu)等，來高效率的調(diào)控電磁波傳輸。

通過參數(shù)優(yōu)化，當凹槽的深度h在0.15mm左右，入射電磁波頻率在200ghz～300ghz時，可以激發(fā)起人工表面等離子激元模式。矩形波端口一般寬與高的比值為2，如圖1所示即a/b＝2，在該示例中，矩形波導寬度a＝2mm，高度b＝1mm，參數(shù)如下表所示：

在上面的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，通過數(shù)值仿真軟件計算。當工作頻率在300ghz時，輸入模式為te01模，如圖5所示，可以實現(xiàn)te10到te10彎波導功能，當工作頻率工作在250ghz時，如圖6所示，可以實現(xiàn)te模式到te11模式的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換器功能。

為了對比，當彎波導內(nèi)部沒有刻有矩形光柵時，其他結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)一樣的條件下。通過數(shù)值仿真軟件可以，工作頻率分別工作在250ghz和300ghz時，分別如圖7和8所示，場的分布情況。很明顯，沒有光柵結(jié)構(gòu)，輸入模式為te10模式時，經(jīng)過彎波導結(jié)構(gòu)后，輸出端電場已經(jīng)不能保持單一模式場分布特點，場形已經(jīng)混亂。

最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。