用旋轉的一維異向介質構成電磁波束分離器及分離方法技術

本發明專利技術公開了一種用旋轉的一維異向介質構成電磁波束分離器及分離方法。電磁波束分離器是一個平板，該平板由多層用磁導率只有在一個主軸上為負且介電常數只有在另一個主軸上為負的一維異向介質構成的矩形狀單元錯開排列而成。本發明專利技術根據ＴＥ（ＴＭ）入射電磁波束工作頻率可以選擇負磁導率（負介電常數）主軸的旋轉角度和負磁導率（負介電常數）的色散特性，使得工作在一維異向介質負通帶范圍的兩個不同頻率的電磁波束可以被分離成兩束單頻率的透射電磁波束，其出射點位于法線的兩側，具有空間分離的效果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種通過。
技術介紹
前蘇聯科學家V.G.Veselago在1968年指出當介質的介電常數ε與磁導率μ同時為負數時，其折射率將變為負值。這種ε和μ同時為負的介質的英文名稱為Left-handed Material。美國麻省理工學院J.A.Kong教授命名其中文名稱為“異向介質”。2001年，美國加州大學San Diego分校的D.R.Smith等人根據英國帝國理工學院J.B.Pendry的研究結果，首次構造出ε與μ同時為負的人工介質，其方法是采用細金屬導線陣列構造等效介電常數為負值的介質，采用金屬開路環形諧振器陣列構造等效磁導率為負值的介質，然后通過將這兩種陣列混合放置在一起，從而構成一種等效的人工電磁異向介質。現在實驗室中可以實現的異向介質包括二維以及一維異向介質，其不同在于，前者的電磁色散特性為閉合的圓型或者橢圓型，而后者為雙曲線型。對于一維異向介質，由于其獨特的電磁色散特性，已經有一些不同于其他各向異性材料的電磁特性表現出來。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種通過用旋轉的一維異向介質構成的電磁波束分離器及分離方法，可以根據要分離的波束的頻率和偏振來選擇一維異向介質的色散特性以及介質主軸的旋轉角度，使得不同頻率的波束的出射點位于法線的兩側，達到空間分離的目的。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是1、一種通過用旋轉的一維異向介質構成電磁波束分離器電磁波束分離器是一個平板，該平板由多層用磁導率只有在一個主軸上為負且介電常數只有在另一個主軸上為負的一維異向介質構成的矩形狀單元組合而成，每個矩形狀單元是由多片刻有產生負介電常數和負磁導率的周期排列的金屬圖案的印刷電路板和沒有任何金屬圖案的空印刷電路板間隔排列粘制而成的，相鄰矩形狀單元之間是錯開一個周期金屬圖案距離σ，使相鄰矩形狀單元共同部分的金屬圖案仍然能夠重疊起來。2、一種用旋轉的一維異向介質分離電磁波束的方法1)若分離器平板是用于電場垂直于入射平面的TE入射電磁波束，則介電常數為負的主軸e2垂直于入射平面，磁導率為負的主軸e1在入射平面內與平板的一個邊界形成一個θ角，該θ角為銳角；當TE入射電磁波束從在入射平面的磁導率為正的主軸e3所穿過的象限入射時，即從穿過入射點對應的法線與平板邊界形成的包含主軸e3的區域入射，并且入射波束的頻率在一維異向介質的介電常數和磁導率同時為負的頻帶內，即負通帶內，利用一維異向介質特有的雙曲線型色散關系與負介電常數和負磁導率隨頻率變化的特性，在平板另一個邊界的波束的出射點會根據入射波束的頻率而處于法線的不同側，從而使具有兩個不同頻率的同入射方向同入射點的電磁波束在通過該平板時，被分離成兩束單頻率透射電磁波束，并且分列與法線的兩側，達到了空間分離。2)根據電磁場的對偶性質，對于磁場垂直于入射平面的TM入射波束，亦能實現波束分離。3)該電磁波束分離器是基于一維異向介質特有的雙曲線型的電磁色散特性，因此對于在任何電磁波段，只要該波段內的一維異向介質可以實現，則根據1)所述的方法，能實現該波段內的電磁波束的分離。4)對于具有一維異向介質相似的雙曲線型的電磁色散特性的介質，亦能用1)所述的方法實現該電磁波束分離。本專利技術具有的有益的效果是根據TE(TM)入射電磁波束的工作頻率可以選擇負磁導率(負介電常數)主軸的旋轉角度和負磁導率(負介電常數)的色散特性，使得工作在一維異向介質負通帶范圍的兩個不同頻率的同入射方向、同入射點的電磁波束可以被分離成兩束單頻率的透射電磁波束，其出射點位于法線的兩側，具有空間分離的效果。附圖說明圖1是電磁波束分離器的結構俯視圖。圖2為圖1中A向的構成一維異向介質平板的一個矩形狀單元的視圖。圖中1、為TE入射電磁波束，2、為入射點對應的法線，3、為透射電磁波束，4、平板，5、矩形狀單元。具體實施例方式如圖1、2所示，本專利技術的電磁波束分離器是一個平板4。圖1是電磁波束分離器的結構俯視圖。如圖中所示，平板4邊界在x方向，法線在z方向。入射平面為x-z平面，或者e1-e3平面。e1，e2和e3為一維異向介質的三個主軸。e1軸為磁導率為負的在入射平面內的主軸，e2為介電常數為負的垂直于入射平面的主軸，以及e3為磁導率為正的在入射平面內的主軸。θ為e1軸與界面所形成的角度。整個平板4由多層矩形狀單元5組成，每個矩形狀單元5的厚度為δ。每個矩形狀單元5是由多片刻有產生負介電常數和負磁導率的周期排列的金屬圖形(圖2為一種S型，也可以為其他一維異向介質的圖形，如Ω型等)的印刷電路板和沒有任何金屬圖案的空印刷電路板間隔排列粘制而成的，厚度δ由印刷電路板的片數決定。當用這些矩形狀單元5構成平板4的時候，相鄰矩形狀單元5之間是錯開一個周期圖案距離σ的，這使得相鄰矩形狀單元5共同部分的金屬圖案仍然能夠重疊起來。對于TE入射電磁波束1，波束從e3軸所穿過的象限入射，平板4根據波束的頻率而使波束具有不同的出射點，如在法線的上方(實線所表示的波束)，或者在法線下方(虛線所表示的波束)。上述的結構可以使頻率在一維異向介質負通帶內的電磁波束具有不同的折射行為。若負磁導率為正常色散的，即是其實部隨頻率而增加，則整個負通帶可以被分成兩個部分。當電磁波束的頻率在低頻部分，波束在介質內則可以感受到負的折射，出射出介質時則可以觀察到波束具有負的偏移；對于在高頻部分的電磁波束，則得到正的偏移。從而使得具有兩個不同頻率的同方向，同入射點的TE入射電磁波束1被分離成兩束單頻率的波束，并且兩束單頻率的透射電磁波束3位于法線不同側，達到了空間分離波束的目的。該頻率分界點由負磁導率主軸與介質邊界角度以及介質負磁導率的色散特性決定。根據電磁理論的對偶性質，對于TM入射電磁波束，則決定頻率分界點的為負介電常數及其主軸與界面的角度。權利要求1.一種用旋轉的一維異向介質構成電磁波束分離器，其特征在于電磁波束分離器是一個平板(4)，該平板由多層用磁導率只有在一個主軸上為負且介電常數只有在另一個主軸上為負的一維異向介質構成的矩形狀單元(5)組合而成，每個矩形狀單元(5)是由多片刻有產生負介電常數和負磁導率的周期排列的金屬圖案的印刷電路板和沒有任何金屬圖案的空印刷電路板間隔排列粘制而成的，相鄰矩形狀單元(5)之間是錯開一個周期金屬圖案距離σ，使相鄰矩形狀單元共同部分的金屬圖案仍然能夠重疊起來。2.一種用旋轉的一維異向介質分離電磁波束的方法，其特征在于若分離器平板是用于電場垂直于入射平面的TE入射電磁波束(1)，則介電常數為負的主軸e2垂直于入射平面，磁導率為負的主軸e1在入射平面內與平板(4)的一個邊界形成一個θ角，該θ角為銳角；當TE入射電磁波束(1)從在入射平面的磁導率為正的主軸e3所穿過的象限入射時，即從穿過入射點對應的法線(2)與平板(4)邊界形成的包含主軸e3的區域入射，并且入射波束的頻率在一維異向介質的介電常數和磁導率同時為負的頻帶內，即負通帶內，利用一維異向介質特有的雙曲線型色散關系與負介電常數和負磁導率隨頻率變化的特性，在平板(4)另一個邊界的透射電磁波束(3)的出射點會根據TE入射電磁波束(1)的頻率而處于法線的不同側，從而使具有兩個不同頻率的同入射方向同入射點的TE入射電磁波束(1)在通過該平板時，被分離成兩束單頻率透射電磁波束(3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用旋轉的一維導向介質構成電磁波束分離器，其特征在于：電磁波束分離器是一個平板（４），該平板由多層用磁導率只有在一個主軸上為負且介電常數只有在另一個主軸上為負的一維異向介質構成的矩形狀單元（５）組合而成，每個矩形狀單元（５）是由多 片刻有產生負介電常數和負磁導率的周期排列的金屬圖案的印刷電路板和沒有任何金屬圖案的空印刷電路板間隔排列粘制而成的，相鄰矩形狀單元（５）之間是錯開一個周期金屬圖案距離σ，使相鄰矩形狀單元共同部分的金屬圖案仍然能夠重疊起來。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：冉立新，鐘昱，孔金甌，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86[中國|杭州]