[发明专利]一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导

说明书

技术领域

本发明涉及小型化波导技术领域，具体涉及一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导。

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3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2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无法传输前向波的问题，本发明提供一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导。

本发明的一种可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，它包括一个空心矩形波导和多个超常媒质结构单元，各个超常媒质结构单元位于所述空心矩形波导内部，且所述各个超常媒质结构单元分成两组沿着空心矩形波导的z方向两侧金属壁交错放置，所述各个超常媒质结构单元在平行于所述空心矩形波导的z方向的有效磁导率分量为负值，在其它方向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均为正值，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可传输前向波的超常媒质小型化矩形波导，本发明通过在空心矩形波导内交错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，同时电磁波的相速与群速方向相同，即实现了前向波传输。

附图说明