太赫茲過模傳輸線損耗研究

2013-12-07 陳 馳 電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院

  太赫茲波的頻率較高,在波導(dǎo)傳輸中損耗較大。本文采用微擾法對(duì)太赫茲波在矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)中傳輸時(shí)的損耗進(jìn)行了理論分析,并對(duì)矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)中不同頻率,不同尺寸以及不同模式的衰減特性進(jìn)行了比較,結(jié)果表明采用圓波導(dǎo)TE0n模傳輸可獲得最小的衰減。

  由于太赫茲波在技術(shù)上介于微波技術(shù)和光學(xué)技術(shù)之間,所以相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),因受波源和探測(cè)技術(shù)的限制,少有人問津,以致形成遠(yuǎn)紅外和亞毫米波空白區(qū),即“太赫茲空白區(qū)”。但近幾年,隨著太赫茲波發(fā)生技術(shù)上取得的一系列進(jìn)展,尤其是量子級(jí)聯(lián)激光器、THz-TDS、自由電子產(chǎn)生大功率連續(xù)太赫茲波源(回旋管)技術(shù)的發(fā)展,以及在太赫茲波探測(cè)、成像等方面取得的一系列進(jìn)展,在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成了一個(gè)太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究熱潮。

  在傳輸方面,由于太赫茲波在自由空間中的傳輸損耗很大,因此,太赫茲傳輸線的研究就成了太赫茲器件的重要基礎(chǔ),也是太赫茲波能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵,國(guó)內(nèi)外均對(duì)低損耗太赫茲傳輸線展開了深入的研究。

  對(duì)于大功率太赫茲源,一般采用波導(dǎo)傳輸?shù)姆绞絹韨鬏斕掌澆,因此本文主要討論矩形波?dǎo)以及圓波導(dǎo)傳輸太赫茲波中的損耗,由于有限電導(dǎo)率和有耗電介質(zhì),所有的傳輸線都是有耗的,波導(dǎo)導(dǎo)體損耗由波導(dǎo)壁上的表面電流和表面電阻產(chǎn)生了熱損耗,而波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)不理想,所以介質(zhì)也已熱的形式消耗能量。在不填充的特殊介質(zhì)的波導(dǎo)中,波導(dǎo)導(dǎo)體損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)損耗。

  1、理論分析

  當(dāng)導(dǎo)體和介質(zhì)是有耗的時(shí)候,可用復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率來包含損耗即,有ε=ε′-jε″ 和μ=μ′-jμ″,可以得到坡印廷定理的復(fù)數(shù)表達(dá)式:

太赫茲過模傳輸線損耗研究

  結(jié)論

  本文推導(dǎo)了波導(dǎo)傳輸線的損耗的計(jì)算方法,對(duì)矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)中不同頻率,不同尺寸以及不同模式的衰減特性進(jìn)行了比較。通過數(shù)值計(jì)算可知波導(dǎo)尺寸越大,傳輸太赫茲波時(shí)的損耗越小,矩形波導(dǎo)中損耗最小的模式為TE10模,圓波導(dǎo)中損耗最小的模式為TE01模。相同截面積時(shí),圓波導(dǎo)的損耗小于矩形波導(dǎo)。當(dāng)圓波導(dǎo)中采用TE0n模式時(shí),易實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸,但TE0n并不是圓波導(dǎo)中的基模,在其傳輸中容易因?yàn)椴▽?dǎo)的不規(guī)則發(fā)生模式突變,因此需進(jìn)一步研究保持圓波導(dǎo)中的模式穩(wěn)定的方法。