新型环形交叉口设计（共5篇）
新型环形交叉口设计 篇1
1 概 述
环形交叉口分为传统环形交叉口和现代环形交叉口,如图1和图2所示。两者区分标准主要是看交叉口是否遵循入环礼让规则、是否在入环道路口增加车道以及是否使入环车辆缓行等,若是则属现代环形交叉口,否则为传统环形交叉口[1]。
我国80年代开展了大规模城市建设,在市中心建立了大量的传统环形交叉口,随着城市人口和汽车保有量不断增加,在交通高峰期传统环形交叉口的交通拥堵问题和安全问题越来越严重,已经无法满足目前的交通需求。本文首先介绍一种新型的现代环形交叉口的适用条件以及自行车道设计方法;在此基础上介绍一种新型双车道环形交叉口——涡轮式环形交叉口。
2 现代环形交叉口设计
2.1 现代环形交叉口适用条件
现代环形交叉口主要适合建在郊区或乡村,汽车交通量小于1 000 pch/h,行人和自行车、电动自行车交通量较小,交叉口为高速交叉口、超过四路交叉的交叉口或者为左转交通量大的交叉口[2]。
2.2 现代环形交叉口设计要点
现代环形交叉口的重要特点:所有从支路进入环岛的车辆必须“让”环内车辆先行。因此,现代环形交叉口的地面标线和标志必须完备,否则,在交通流量大时,现代环形交叉口反而形成事故的多发点。
1)首先,要在环形交叉口前方设置醒目的提醒标志,这个标志可以提醒司机前方将出现环形交叉口,避免车辆在夜间撞上环岛。如果道路上使用地图类型的标志,提醒标志就显得的多余。所以,当交叉口设置地图类型的标志时,提醒标志仅在一些需要的情况下设置,比如:视距受到限制或路段车辆行驶车速较大。如果使用的话,这个标志应该在路段上其他所有标志之前出现。
2)其次,要在环形交叉口入口处设置“让行”交通限制的地面标线和路边标志,使进入环岛的车辆让行环内的车辆。
2.3 现代环形交叉口自行车道设计
在现代环形交叉口处理自行车交通有多种方法。最基本的方法是和机动车交通混合运行。当提供自行车车道时,可以建在机动车环道旁,也可以建在一定距离之外。本文将提供4种自行车道的设计方法[3]。
方法1:混合交通。机动车和自行车交通混合运行,一起围绕现代环形交叉口运动。现代环形交叉口设计如图3所示。
方法2:相邻自行车道。自行车车道建在机动车环道旁边。两车道间不设置隔离设施,如图4所示。自行车和机动车都有自己的专用车道。这种设计存在一种潜在的危险,即车辆右转时与绕行自行车冲突,尤其是卡车和自行车的冲突,因为卡车司机右转时存在盲区,看不见旁边正在行驶的自行车。
方法3:分离自行车道——自行车优先。自行车车道与现代环形交叉口分开,如图5所示。自行车拥有分开的自行车车道,在穿越入口和出口车道时拥有优先权。骑车人和司机的运行路径是相互垂直的,能够提前预知各自的存在,所以自行车和汽车的冲突减少。
方法4:分离自行车道——自行车无优先权。方法4和方法3相似,如图6所示。自行车拥有分开的自行车车道,但是在穿越入口和出口车道时没有优先权。
研究的结果表明[4],分离自行车道(方法3、方法4)比混合交通(方法1)和相邻自行车道(方法2)安全,无优先权的分离自行车道(方法4)比有优先权的分离自行车道(方法3)安全。
3 新型双车道环形交叉口设计——涡轮式环形交叉口
在荷兰出现了一种新型的双车道环形交叉口——涡轮式环形交叉口[5]。这种新型交叉口的重要设计原则是:①环形交叉口内无交织交通;②采用低速方法处理冲突点。
如图7所示。涡轮式环形交叉口在环道的两个车道间设置了螺旋形的车道标线,使得环道内不会出现交织交通,潜在冲突点的数目也从16个降为10个[6,7,8]。螺旋形车道标线还可以设置成可穿越的防冲铺砌即车道分隔带,可以有效防止擦撞的发生。可穿越的车道分隔带剖面如图8所示
4 结束语
本文主要介绍遵循礼让规则的现代环形交叉口和解决多车道环形交叉口安全问题的涡轮式环形交叉口,各自的特点和设计要点,并未涉及详细设计参数。下一步的工作是细化设计工作,制定适合中国国情的环形交叉口设计标准。
摘要：介绍传统环形交叉口和现代环形交叉口的区别,提出现代环形交叉口的适用条件、设计要点以及现代环形交叉口的自行车道设计方法,最后介绍一种新型双车道环形交叉口——涡轮式环形交叉口。环形交叉口比传统交叉口更加安全,涡轮式环形交叉口解决双车道环形交叉口的安全问题。
关键词：环形交叉口,传统环形交叉口,现代环形交叉口,涡轮式环形交叉口
参考文献
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城市道路平面交叉口的设计 篇2
摘要：随着中国经济建设、城市建设的大力发展，城市道路交叉口的设计变成了一件美丽的衣裳。目前，国家与政府都特别注重完善城市道路的综合环境，那么对于提高城市道路平面交叉口的畅通无阻，是现在城市社会经济发展的基础，而交叉口的设计是其中的关键环节。
关键词：城市道路；平面交叉口设计
引言：
伴随着城市的迅速发展，城市增多的人口，城市道路交通愈来愈复杂，面对着错中复杂的道路和街道，城市道路平面交叉口假如没有一个适当完善的设计，将会给交通带来非常大的压力，导致交通堵塞，造成交叉口通行能力有限且容易发生交通事故。所以城市道路的交叉口设计必须要有合理性与科学性，这样对于城市居民正常的出行和确保行车与行人的安全具备特别关键的促进作用。
交叉口的设计依据
设计速度：交叉口的交通岛、附加车道与转角曲线等每一个部分的几何尺寸都取决于设计速度。交叉口的设计速度和路段设计速度严密相关，二者速差太大时会由于太大减速而影响行车安全，但速差小而路段车速高时依然对行车安全不利，环形交叉又有占地过大及左转绕行等限制因素。
设计车辆：平面交叉口设计使用小客车、载重汽车、鞍式列车作为设计车辆，平面交叉转弯曲线的线形与路幅宽度要以设计车辆转弯时的行车轨迹作为设计控制。各级道路要以16m交叉口总长的鞍式列车作为设计车辆。
规划交通量：在设计平面交叉口中，多数状况下使用相交道路设计小时交通量作为交叉口规划交通量，并依据实测的转弯车辆比率确定每一个路口的左转、右转与直行交通量。
通行能力：平面交叉口设计，一定要让其设计服务水平下的通行能力满足交叉口规划交通量的需求，并且不一样的交通管制形式，交叉口的通行能力不一样，计算办法也不一样。
2、城市道路平面交叉口的设计要点
2.1平面设计的要求与原则
在设计交叉口时关键要求是，让关键道路的过往车辆成功通过。在关键道路的过往车辆不受到影响下，纵坡与横坡略微的改变一下，目的是为了照顾次要道路的行车需求。设计的原则是：在相同等级互相交错的时候，维护自己的纵坡没有改变，来让别处的横坡度改变。在关键与次要道路互相交错的时候，那么，不改变关键道路的纵面与横断面，之后把次要道路的双坡横断面慢慢地和主道路的纵坡相同的单坡横断面，这样做的目的是方便和主道路的交通成功。在设计的时候，切记必须要有一个道路的纵坡方向背离交叉口，其目的是有对排出水有利。交叉口区域内横坡要平缓些，通常不大于路段横坡，方便行车。
2.2平面交叉口的计算行车速度
道路交叉口设计当中需要关键思考的原因就是计算行车速度，在设计交叉口的经过中务必要适当选取计算车平均速度，这样才可以让交叉口的功能更好地体现，为此也可以更好地确保车辆行驶中的安全性与流畅性，让交通事故的产生减少。交叉口部位都比较大的人流量与车流量，因此在行到交叉口路段时都会选取减速慢行，假如不可以依照有关的要求实施设计，会影响整个城市交通的正常运行，假如规范太高，又会在必然程度上让建设成本增加了，导致了资金的浪费。因此在数值的选择上能够选取正常路段行驶速度的50%-70%，左右转车速度选取最大车速的50%，当然，个个路段的详细状况不一样，在数值选择时也要依据不一样的状况适当合理的调整。
2.3城市道路平面交叉口中心线与车道的设计
在实施城市道路平面交叉口中心线设计的经过中，要思考到确保城市道路平面交叉口的顺畅性与视觉的通畅性，因为中心线的设计特别关键，在整个城市道路平面交叉口的设计中占有着非常关键的位置，因此在实施城市道路平面交叉口的设计中我们不要疏忽中心线的设计。因为低于正常车道的通过能力的是道路交叉口处的交通能力，所以需要经过设置专用车道、拓宽交叉口道路面积、增加车道数目和宽度、压缩绿化带面积、减速车道设置等方法，让道路交叉口的车辆通过能力提高。
2.4平面交叉口的监控体系和标志、标线设计
许多城市道路的交叉口，存在不合理的信号灯配置问题，导致绿灯时车辆不能及时通过或绿灯无车可过的情况，这就需要有关部门对几个交叉口的信号周期实施灵活调整，多思考车辆行驶经过中的连续性，充足思考周期长度、绿信比与相位差等原因，增强“绿色”设计理念的运用。在对城市道路平面交叉口的标志、标线实施设计时，必须要本着简洁、实用的原则，保证“醒目”结果，防止信息量的太大，除路名牌外，要尽量防止太多图片或文字性的标注。
2.5人行过街横道线设计
在城市道路平面交叉口区域内要设置行人过街横道线，其部位要尽量靠近路段人行道，其条纹要和道路中心线平行，人行横道线要为 300cm的最小宽度，并能依据行人交通量以100cm为一级加宽。人行横道线要为40cm或 45cm的线宽，要为60cm的线间隔，能依据车行道宽度实施调整，但最大不能超过80cm。
表1 进出口道规划红线宽度增加值及展宽长度
图1 展宽段长度和展宽段渐变段长度
路基大于30cm宽度的道路上，安全岛要在中央分隔带或对向车道的分界线处的人行横道上设置。在安全岛面积不可以满足等候信号放行的行人停留需要、桥墩或别的构筑物遮挡驾驶人视线等状况下，人行横道能设置错位。行人过街交通量非常大的路口，人行横道线能并列设置两道，让斑马线虚实段互相交错，并辅以方向箭头指示行人靠左右分道过街，方向箭头要为100cm。
2.6增强交叉口的交通组织，确保道路交通的通行顺畅
（1）解决好左转车辆问题。解决好左转车辆问题是处理交通拥堵非常重要的一步，我们在现实工作中，除了运用交通信号灯对城市道路平面交叉口实施组织控制外，标线、交通岛和车道的的渠化设计还需要在道路交叉口增加，并在设计中把平面交叉与立体交叉结合起来，从而确保道路交通的通行流畅；（2）设置专用车车道。在目前的道路平面交叉口设计工作中，为了处理交通的拥堵状况，非常多设计单位也设计了专用车的车道，但常常是增加左转或者右转的专用车道，而没有思考到现实状况。导致有的地方左、右转车道闲置，直行道却拥堵不堪的状况的发生。所以我们在现实工作中，需要对当地的交通状况有相对深刻的认识的前提下，依据当地的现实状况实施专用车道的设计，从而切实确保道路交通的顺畅。
结语：
可见，城市道路平面交叉口的设计是一项非常复杂的工作经过，深信经过本文对城市道路平面交叉口的设计的阐述以后，对于城市通行过往车辆效率地现状可以起到指导功能，因此在平面交叉口的设计中必须要对影响交通的各类原因实施综合思考，确保交叉口设计的科学性与合理性，推动城市交通的发展。
参考文献：
一种新型宽带环形滤波器设计 篇3
随着无线通信的高速发展,频率资源日益紧张,作为分离有用和无用信号的微波滤波器已成为通信系统的关键部件,其频率响应特性的好坏直接影响到整个系统的性能。无线通信系统的发展给滤波器的设计提出了更高的要求,包括:宽通带、小型化、低损耗以及高频率选择性等。近年来,国内外学者对宽带滤波器的结构和设计进行了一些研究[1,2,3,4]。文献[1]提出了一种改进的z变换优化算法,并用该算法设计出由两段级联开路枝节和半波长连接线构成的超宽带滤波器文献[2]设计了一种“交指型”宽带滤波器,该滤波器由两组“平行耦合线谐振器阵”相互交叉构成;文献[3]介绍了一种“圆形双模”宽带滤波器,该滤波器是将具有不同传输零点的多个由两个特性阻抗不同的半圆形和一段开路调谐枝节构成的单圆环谐振器串联起来构成的,半圆形和开路调谐枝节的特性阻抗比值决定了谐振器频率响应曲线中的传输零点位置;文献[4]设计了一种平行耦合滤波器,该滤波器可以通过调节平行耦合线的线宽和间距来得到较大的耦合系数,这种结构常常被用于设计相对带宽较大的微波滤波器。虽然文献[1-4]中提出的新型滤波器结构有高频率选择性和低损耗等优良特性,但是尺寸较大和结构不紧凑是它们共同的缺点,这对于滤波器的小型化和应用是非常不利的。
文献[5]提出了一种正方环形双模谐振器结构,该结构最大的优点在于每一个双模谐振器都具有双调谐回路的特性,即可以同时产生两个谐振频率点。因而,滤波器设计所需要的固有阶数可以减少一半,便于设计出紧凑的结构。另外环形谐振腔的作用是使环形谐振器的辐射损耗比贴片型谐振器要小很多,而且比同频率的贴片谐振器寸小很多,因此在小型化方面有很大的优势。文献[5]中还提出了由两条电长度为λ0/4(λ0为中心频率的波导波长)开路调谐枝节和正方环形谐振器构成的宽带双模滤波器结构,但是文献[5]中没有给出具体的设计思路。文献[1]在此基础上根据传输线的奇、偶模理论[6,7]分别对带有两个λ0/4开路调谐枝节和带有两个3λ0/4开路调谐枝节的正方环形谐振器进行了分析,推导出了谐振器传输零点的计算公式,且由公式计算出特性阻抗比值在0.5至3.3范围内,谐振器在两个传输零点之间的相对带宽变化范围分别为59%-116%和32%-55%,文献中提出并设计了一种带有平行耦合线和λ0/4短路枝节结构的环形双模宽带滤波器。该滤波器在具有阻带非常宽、插入损耗很小和频率选择特性好的同时,还具有尺寸小、结构紧凑的优点。
为了满足实际应用中对不同带宽的要求,本文设计了一种基于带有两个λ0/2短路调谐枝节的双模环形谐振器的宽带滤波器,其相对带宽在40%至77%之间变化。首先对带有两个λ0/2短路调谐枝节的正方环形谐振器进行分析,推导出谐振器传输零点的计算公式。然后根据推导公式和仿真软件提出设计了一个中心频率为4.25GHz,3d B相对带宽为45%的宽带环形滤波器。
1 理论分析
图一给出了双模环形谐振器的结构图,该结构图是由一个正方环形及两个半波长短路调谐枝节构成的。其中环的周长为λ0(λ0为中心频率时的波长),特性阻抗为Z1,输入、输出传输线的特性阻抗均Á为Z0,短路枝节的特性阻抗均为Z2。
为了分析调谐枝节对整个谐振器的影响,将输入、输出传输线和环的特性阻抗固定,令Z0=Z1=50Ω。当Z2分别取40Ω、50Ω、60Ω时,利用电磁场仿真软件Sonnet 9.52[8]对图一所示的环形谐振器结构(中心频率为4.25GHz,3d B相对带宽为45%的带有两个λ0/2短路调谐枝节的正方环形谐振器)进行仿真分析,得到谐振器在枝节特性阻抗Z2取不同值时的频率响应曲线,如图二所示。
从图二中可以看出谐振器在通带两边分别各有一个传输零点,且传输零点位置随着短路枝节特性阻抗的减小而向远离中心频率的方向移动,此时相应谐振器的相对带宽也随之而增加。为了解释这一现象,有必要对其进行理论分析。
注意到谐振器是一个对称结构,可将其按图一中的虚线将谐振器结构分成两个对称的部分,因此就可以只用利用奇、偶模理论对谐振器的一半结构进行分析。将输入信号分解成偶模和奇模,然后分别激励谐振器,图三和图四分别给出了偶模和奇模激励下谐振器的等效电路图。
通过传输线理论分析可得偶模等效电路的输入阻抗为:
其中a=z1/z2,t=tanθ,θ为图一中枝节的电长度。则偶模等效电路的反射系数:
奇模等效电路的输入阻抗:
奇模等效电路的反射系数:
谐振器的散射系数:
当散射系数为零时,我们便可以计算出谐振器的传输零点方程,由式(9)可得:
将式(3)、(4)、(7)和(8)代入(10)整理可得:
从而可以得出计算谐振器传输零点的闭合公式:
从计算谐振器传输零点公式(12),不难看出只要通过改变环和调谐枝节的特性阻抗比值就可以调整传输零点位置,从而改变谐振器的通带宽度。而环形谐振器的传输零点位置随特性阻抗比值a=z1/z2变化曲线如图五所示。由于微带结构传输线的特性阻抗太大或者太小,实现起来都十分的困难,所以通常将Z2的值的范围定在14Ω到100Ω之间,则特性阻抗比值a在0.5至3.6范围内,通过公式(12)计算可得,谐振器在两个传输零点之间的相对带宽在40%到77%之间变化。
2 滤波器的设计
根据上述理论并利用Sonnet软件对滤波器结构进行分析仿真优化,本文设计出了一个宽带环形滤波器。设计中,所选用的材料参数:基板厚度h=1.27mm,相对介电常数εr=9.8。相应的物理尺寸:输入、输出传输线的长度为7.05mm,宽度为1.35mm;环的长度为6.55mm,宽度为1.35mm;短路调谐枝节长度为14.65mm,宽度为0.6mm;微扰贴片长度为0.3mm,宽度为0.3mm。滤波器结构如图六所示,相应的频率响应曲线如图七所示。
从图七中可以看出,损耗为3d B的带宽范围是3.22GHz—5.14GHz,根据相对带宽计算公式:
可以得出相对带宽为45%,其中,△f表示带宽,fH表示上限频率,fL表示下限频率,f0表示中心频率。另外在通带范围内,S11均小于-18d B,这说明该滤波器具有良好的反射损耗特性,同时也验证了本文设计理论的有效性和正确性。
3 结束语
本文运用奇、偶模理论对带有两个λ0/2短路调谐枝节的谐振器进行了理论分析,并推导出了计算谐振器传输零点的闭合公式。该公式能够从理论上解释确定谐振器传输零点的规律,为滤波器设计提供了理论基础。基于这个理论基础,本文设计了一个带有两个λ0/2短路调谐枝节,中心频率为4.25GHz,3d B相对带宽为45%的宽带环形滤波器,该滤波器可应用于宽带微波通信系统之中。
摘要：本文设计了一种基于带有两个半波长短路调谐枝节的双模环形谐振器的新型宽带滤波器。该滤波器能够在通带两侧各产生一个传输零点,使得滤波器的插入损耗在通带外的衰减非常迅速,从而提高了滤波器的频率选择特性。利用“奇、偶模理论”对双模环形谐振器进行了分析,并给出了传输零点的计算公式。结合传输零点公式和仿真软件设计出了一个中心频率为4.25GHz、3dB相对带宽为45%的宽带环形滤波器。仿真结果表明,该滤波器具有低插入损耗和良好的频率选择性等优点。
关键词：半波长短路调谐枝节,新型宽带滤波器,双模环形谐振器,传输零点,奇、偶模理论
参考文献
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新型环形交叉口设计 篇4
1 TRIZ理论的基本原理
TRIZ理论是前苏联人Altshuller及其领导的一批研究人员在分析研究世界各国近250万份高水平的发明专利的基础上, 通过总结各种技术发展进化遵循所规律模式, 以及解决各种技术矛盾和物理矛盾所使用的创新原理和法则, 进而提出的、专门研究创新的理论。
TRIZ理论提供了多种工具, 包括问题的分析方法 (产品进化法则、物质—场理论等) 和解决方法 (76种标准解、40种冲突解决原理、分离原理等) 。这些工具本身包含了多个领域的知识, 在多个领域均有应用成果, 具有很高的适用性。
TRIZ利用这些方法和工具解决创新性问题有个一般的过程, 即对系统问题进行分析。如果发现存在冲突, 则应用原理去解决;如果问题明确, 但不知道如何解决, 则应用效应去解决;否则对系统进行进化预测;之后则是评价;最后是实现。TRIZ流程图如图1所示。
2 目前环形炉用铸造式水冷炉门框存在的主要问题及冲突分析
目前我国在冶金加热炉上所使用的炉门框主要有铸造式铸铁实体门框和钢结构水箱式水冷门框两种形式。铸造式铸铁实体门框由于灰口铸铁熔点较低, 在环形炉出钢门这种温度高的地方使用时, 会出现氧化脱碳, 导致门框破碎, 使用寿命很低。而钢结构水箱式水冷门框由于钢板焊结制造的复杂性, 决定了门框焊缝纵横交错, 且水箱式结构本身受热不均等应力差。因此, 在长期的热交变应力作用下, 经常会出现焊缝漏水和钢板变形等问题。
对环形加热炉炉门框实际使用环境及现有两种形式的炉门框存在的问题进行分析, 发现环形加热炉炉门框实际设计中有如下冲突:铸造式铸铁实体门框制造性好而易氧化, 强度较低, 即制造性与强度之间的冲突;而钢结构水箱式水冷门框虽然耐热性好却难制造, 应力差易变形。
通过分析决定采用分割原理及局部质量原理来解决环形加热炉炉门框设计问题。分割原理及局部质量原理具体解释见表1。
3 新型铸造式水冷炉门框的设计
将上述经过TRIZ理论得出的通用解进行工程化, 设计出了环形炉用铸造式水冷炉门框。利用分割原理将门框分为铸造门框体和环形无缝冷却水管两部分, 然后利用局部质量原理, 在铸造式实体门框的基础上, 预埋环形无缝冷却水管来达到结构式门框的水冷效果, 将二者结合起来, 每一部分完成不同功能, 由此设计出新型环形炉用铸造式水冷炉门框。它结合了前两种炉门框的优点于一体, 充分利用铸铁较好的铸造特性和小的冷却收缩性, 热变形小等特点, 同时又避开钢结构水箱式水冷门框受热变形、脱焊漏水等缺陷而达到水冷效果, 具有结构简单、制造容易、安装方便、性能可靠、使用寿命长等特点。其主要结构如图2所示。
使用情况与经济效益:武钢江北集团汉阳钢厂从2007年底开始使用此新型铸造式水冷炉门框, 至今门框依然完好如初。按照以前每年更换一次门框, 直接节省了7个门框, 同时也杜绝了因为门框漏水补焊和更换门框时停产而产生的间接经济损失。由此可见, 这种新型铸造式水冷炉门框具有使用性和经济价值, 值得大力推广。
4 结语
TRIZ理论将复杂的发明问题解决过程通过一种相对简单的逻辑思维展现在人们面前, 使发明问题的解决得以简化。利用TRIZ理论的矛盾/冲突分析矩阵、39个工程参数、40个发明原理等对环形炉门框进行改进设计, 在不增加新材料、新工艺的情况下, 设计出一种新型铸造式水冷炉门框, 同时解决了铸造式铸铁实体门框耐热性差及钢结构水箱式水冷门框受热不均、易变形漏水的问题。该问题的解决也证明, TRIZ理论是一种非常有效的创新设计方法。
摘要：针对现有环形炉炉门框存在耐热性差、使用寿命短的问题, 通过分析现有环形加热炉炉门框的工况及存在的矛盾冲突, 建立了冲突矩阵, 根据TRIZ理论提供的相应的创新原理的启发, 设计了这种新型内嵌连续水冷却系统的铸造式炉门框。现场应用表明, 这种新型炉门框效果良好, 故障率低, 寿命成倍延长。
关键词：环形炉,铸造式炉门框,TRIZ,冲突矩阵
参考文献
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新型环形交叉口设计 篇5
THz(太赫兹)波是指频率在0.1~10THz(波长在30~300μm)的电磁波［１］,具有频率高、脉冲短、高空间相干性和低光子能量等特性,属电子学与光子学之间的过渡区。近年来THz通信器件的研究逐渐成为热点。
随着THz与光子晶体技术不断发展,人们提出了多种不同结构的光子晶体THz滤波器。但近年来提出的THz滤波器大都采用引入缺陷或者环形腔内部呈点阵形式排列的结构。2009年,赵星星等人设计了一种新型的一维光子晶体THz多通道滤波器［２］,该滤波器通过在一维光子晶体中引入APQW (非周期量子阱)实现滤波,但这种滤波器每个预设频率处的透射率仅为0.85。陈鹤鸣、卫晓颖等在2014年［３］提出一种4×3内部介质柱、带有四个散射介质柱的光子晶体环形腔滤波器,其Q值可达3 977,透过率达0.97,但其结构较为复杂。
本文提出一种环形腔内部为正方形介质柱的新型结构,通过改变内部正方形介质柱的旋转角度和散射介质柱的半径,使光波在环形谐振腔中耦合区的耦合强度发生改变,从而对THz波进行滤波。最终得到的滤波器Q值高达3 243,对94.053μm波长的透过率为0.985 56,该滤波器结构新颖,性能优良,制作简单。
1结构设计
本文设计的二维光子晶体环形腔THz滤波器是在空气中填充材料为Si的介质柱,其结构如图1所示。介质柱材料折射率n =3.4,晶格常数A = 30μm,介质柱半径R =5.157μm。运用PWM(平面波展开法)可以得到光子晶体的禁带结构［４］,归一化频率范围为0.290 86~0.430 29,对应光子晶体的禁带范围约为69.7~103.1μm。在完整光子晶体的上方去掉一排介质柱,形成光子晶体单模波导［５］,左侧作为光的输入端。光子晶体输入波导与环形谐振腔之间间隔两排介质柱,环形腔内部是Si材料的正方形介质柱。光波通过输入波导进入,由于环形谐振腔与波导之间的耦合作用［６－８］,与环形腔谐振频率相同的波长将通过输出波导滤出［９］,与这种频率不相同的波长将经过输入波导由另一侧输出。
2结构参数对THz滤波器性能的影响
2.1内部正方形介质柱旋转角度的影响
通过改变环形谐振腔中正方形介质柱的边长, 可以改变共振波长,使输出波导输出不同波长的THz波。将正方形介质柱的边长设为92μm,研究旋转角度对透射谱的影响。选取旋转角度Angle分别为5°、6°、7°进行比较研究,结果如图2所示。
由图2可以看出,当旋转角度发生变化时,透射谱中的中心波长不变,但是透射率会随之改变;当旋转角度Angle=6°时,透射率最高。
2.2散射介质柱的影响
改变环形腔四周散射介质柱的半径,对输出的波长也会有一定的影响［１０］。在边长L=92μm且旋转角度Angle=6°的内部正方形介质柱的基础上, 在环形腔的四周各引入一个散射介质柱,研究散射介质柱半径R１分别为4.5、5.0和5.5μm时,对透射谱的影响,如图3所示。
由图3可以看出,散射介质柱半径R１=5.0μm时,波长为94.053μm的波透过率最高。
3仿真计算与结果分析
用基于FDTD(时域有限差分法)的Rsoft软件对该结构进行仿真计算,结果表明,介质柱材料折射率n=3.4,晶格常数A =30μm,介质柱半径R = 5.157μm,内部正方形介质柱的边长L=92μm,散射介质柱半径R１=5μm时,透过性能最好的波长为94.053μm,该峰值相应的频带宽度为0.000 542 6THz,频带宽度极窄,透过率为0.985 56,插入损耗为0.063dB。时域稳态响应图和对应的稳态模场分布如图4所示。
4结束语
提出了一种环形腔内部为正方形介质柱的新型结构,通过改变内部正方形介质柱的旋转角度和散射介质柱的半径,使光波在环形谐振腔中耦合区的耦合强度发生改变,从而对THz波进行滤波。最终得到的滤波器的Q值为3 243,对94.053μm波长的透过率为0.985 56。该滤波器结构新颖,性能良好,相对之前的环形腔内部呈点阵形式排列的结构, 透过率更高;且结构简单,制作更为方便,对太赫兹技术的应用具有重要意义。
摘要：文章提出一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器,在该滤波器的光子晶体环形腔内部引入一个正方形介质柱,四周各引入一个散射介质柱,基底材料采用折射率n=3.4的硅,晶格常数A为30μm。应用基于FDTD(时域有限差分法)的Rsoft软件进行仿真分析,结果表明,当介质柱半径为5.157 5μm,内部正方形介质柱边长为92μm且其旋转角为6°,散射介质柱半径为5μm时,94.053μm波长的透射率为0.985 56。