[发明专利]一种基于表面等离子激元弯波导模式转换器及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波器件领域，尤其涉及一种基于表面等离子激元弯波导模式转换器及其实现方法。

背景技术

高功率微波系统在军事上有很广泛的应用。如高功率微波雷达进行测距识别探测，高功率拒止武器用于驱散人群。除此之外，在受热核聚变等离子加热方面，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统主要包括三个部分：第一、高功率微波源，在毫米波亚毫米波一般使用真空器件，比如回旋管。二、微波传输系统，主要包括各种传输线、波导、功分器、耦合器、模式转换器等各种无源器件。第三、主要包括微波发射接收系统，包括各种天线，负责微波能量的发射与接收。其中微波传输系统把微波源产生的高功率信号馈送到天线发射系统中不可缺少组成部分。所以为了使能量高效率的传输，在波导传输线每个连接地方需要进行阻抗匹配。同时，因为传输过程中不可避免遇到障碍物，微波传输方向需要进行改变，所以此时需要用到弯波导。由于波在弯曲波导中传输时，波导在弯曲内侧和外侧传输距离不一样，会使原来波导传输模式变差，混杂许多其它高阶模式，并且会产生很大的反射，恶化传输系统的整个传输效率。

所以为了电磁能量能在弯曲波导中高效率的传送，并且保持原有的电磁波模式不变，精密设计一种90度弯曲波导接头具有重要意义了。针对一定带宽特定模式的90度弯波导是传输系统一种基础性原件，传统的方法一般根据耦合模理论，设计弯波导接头的各种参数。其中弯波导的曲率是一种重要的参数。一般传统的90度玩波导曲率较小，当波导在低频时，横截面大，此时弯波导的体积庞大，占据导波系统空间，这就限制了微波系统的小型化与紧凑化。曲率较大时，带宽传输效率会急剧下降。

表面等离子体激源是一种表面波模式。一般在光波段可以在金属表面激发起表面波，其实就是电磁波与金属内部自由电子相互作用，引起共振。在垂直金属表面方向，电磁场幅度呈指数衰减，电磁能量沿着金属表面进行传播。但是在太赫兹波段，由于无法有效的激发起表面等离子体激元，场无法被束缚在金属表面。但是pendry等国际学者证明，当在金属表面刻有微小的凹槽，并且凹槽的尺寸远小于入射波长时，金属表面可以激发起类表面等离子体模式，并且可以通过调节凹槽的几何尺寸来调整入射波的传输特征，同时该凹槽可以用等效介质法来计算。

发明内容

针对高功率传输系统的需要，本发明提出了一种基于人工表面等离子激元(Spoof surface plasmon)SSP原理的弯波导结构；该结构不仅可以实现一种紧凑的弯波导功能，还可以实现模式转换功能。

本发明的一个目的在于提供一种基于表面等离子激元弯波导模式转换器。

本发明的基于表面等离子激元弯波导模式转换器包括：弯波导、深度渐变光栅和深度均匀光栅；其中，弯波导包括两段直波导中间连接一段圆弧波导，圆弧波导包括一对平行的侧面以及内弧面和外弧面，内弧面和外弧面沿电磁波传播方向的截面分别为圆的一部分，具有相同的弧度；在内弧面的内壁以及外弧面的内壁分别刻有周期的深度均匀的凹槽，凹槽的侧壁的延长线相交于内弧面和外弧面所在圆的圆心，在内弧面的内壁形成凹槽深度为h₁的深度均匀光栅，在外弧面的内壁形成凹槽深度为h₂的深度均匀光栅；两段直波导与内弧面和外弧面相连接的内壁上，分别刻有周期的深度渐变的凹槽，在与内弧面相连接的两段直波导的内壁上分别形成深度由h₁渐变至0的深度渐变光栅，在与外弧面相连接的两段直波导的内壁上分别形成深度由h₂渐变至0的深度渐变光栅；直波导中没有形成深度渐变光栅的部分为均匀波导；电磁波模式在直波导的均匀波导中以波导模式传播，当经过圆弧波导时，能够在深度均匀光栅处激起表面波模式，从而把电磁波束缚在表面，使其沿着刻有凹槽的圆弧波导的表面传播，从而控制电磁模的传播方向和相位；当电磁波从直波导向圆弧波导传播时，在直波导的内壁具有凹槽深度逐渐变深的深度渐变光栅，实现波导模式与表面波模式之间的波矢匹配，减小反射以增大传输效率；当电磁波从圆弧波导向直波导传播时，直波导的内壁具有凹槽深度逐渐变浅的深度渐变光栅，表面波模式高效率地恢复成波导模式，在均匀波导中传播。

电磁波模式分为波导模式和表面波模式，当在直波导的均匀波导中时，以波导模式传播，当在弯波导时，由于深度均匀光栅，以表面波模式传播，深度渐变光栅实现两种模式的波失匹配，从而高效率完成模式转换。