CN107565222A - 用于tm极化波大角度传输的enz超材料波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导，主要解决现有TM极化入射波在ENZ超材料呈现为入射角度带阻特性的问题。其包括不连续性平行平板波导(1)和ENZ超材料基板(2)，该平行平板波导由上金属平板(11)和下金属平板(12)平行放置组成，其中，上、下金属平板中间部分开有向内凹陷的矩形槽(3)，在上、下金属平板的内表面形成矩形波结构；矩形波的每个波峰处放置有介电常数趋近于零的超材料基板形成三明治结构。本发明能实现TM极化电磁波在ENZ超材料中的0°～80°入射角度的大角度透波，且结构简单，可用于TM极化波在ENZ超材料中有角度高效传输。

Description

用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导

技术领域

本发明属于微波器件技术领域，涉及一种ENZ传输导波，可用于TM极化波在ENZ超材料中有角度高效传输。

技术背景

介电常数趋于零(ENZ)超材料是一种新型人工电磁材料，具有低折射率，高相速度，近零相移的电磁特性。基于ENZ超材料的电磁特性，能够设计出许多新型电磁器件，如ENZ超材料极化滤波器的设计等，在满足特殊频段滤波特性的同时，还能满足对不同极化类型电磁波的透波选择。

然而，ENZ超材料对于横磁TM极化入射波的透波选择特性又限制它的应用。这是因为TM极化电磁波即使很小的入射角进入ENZ超材料，也会完全反射，呈现为角度带阻现象。为了实现TM极化电磁波在ENZ超材料中的高效传输，国内外学者对此进行了广泛的研究。目前的解决方法有：在ENZ超材料内部引入介质缺陷，如2014年，苏州大学徐亚东的博士论文“用超材料控制波导中电磁波的传播”说明通过调控ENZ超材料内部介质缺陷的尺寸和介电常数来控制电磁波在波导中的传播，可以实现TM极化入射波的全透或者全反射。又如2015年，苏州大学王婷婷的博士学位论文“零折射率超材料中电磁波的传播”说明ENZ超材料中引入任意形状的介电缺陷时，其对于TM模式的电磁波入射可以呈现出等效的完美磁导体效果，此时在波导中TM极化入射波完全反射。

但是这些情况都只考虑了TM极化入射波是垂直入射的情况，没有涉及入射波有入射角度时候的情况。事实上，如2009年，云南大学吴中元的硕士论文“近零材料的应用分析”中将一个无限长和宽的ENZ材料平板放置于自由空间中，激励源为TM平面波，该研究表明除非入射角度在零度，否则将没有任何透射穿过ENZ超材料平板，此时ENZ超材料呈现TM波入射角度带阻特性。

但是，实际中往往需要TM极化电磁波大角度入射ENZ超材料时能够实现高效传输，而现阶段的研究表明TM极化波只能在接近于垂直入射ENZ超材料时才会高效透射，所以使TM极化波在ENZ超材料中呈现大角度透波特性成为目前的所需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导，以有效克服TM极化波在ENZ超材料呈现为入射角度带阻特性的技术问题，实现TM极化电磁波在ENZ超材料中0°～80°大角度入射时高效传输。

为实现上述目的，本发明包括：不连续性的平行平板波导和ENZ超材料基板，该平行平板波导由上金属平板和下金属平板平行放置组成，其特征在于：上、下金属平板的中间部分开有向内凹陷的矩形槽，在上、下金属平板的内表面形成矩形波结构；矩形波的每个波峰处放置有ENZ超材料基板形成三明治结构；用于实现TM极化电磁波在ENZ超材料中的0°～80°入射角度的大角度透波。

进一步，矩形槽的深度h＝2mm，宽度w＝10mm；长度L通过公式f＝cN/(2L)确定，其中c为光速，N＝1，f为TM极化波的传输频率。

进一步，上金属平板和下金属平板的厚度是0.01mm～0.1mm，两者之间的间距b＝5mm。

进一步，ENZ超材料基板为倒放的长方体型，其长度w＝10mm，高度b＝5mm，厚度t为1mm～3mm，材料介电常数为0.005～0.1，损耗角正切为0～0.05。

进一步，ENZ超材料基板与矩形槽的距离d为1mm～4mm

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.结构简单，更易于实现。

本发明通过将不连续性的平行平板波导与ENZ超材料基板形成三明治结构，实现TM极化波大角度传输，与现有技术中通过调控ENZ超材料内部介质缺陷的尺寸和介电常数的结构相比，避免了使用大量的尝试介质缺陷的尺寸和介电常数，结构简单，更加易于实现。

2.能实现TM极化波0°～80°的连续大角度的高效透波。

本发明利用不连续性的平行平板波导与ENZ超材料基板形成的三明治结构，实现TM极化波在ENZ超材料中0°～80°的连续大范围入射角度内的高效透波，且传输系数都在95％以上。而现有技术只适用于TM极化电磁波接近于垂直入射情形。

附图说明

图1是本发明整体结构的立体图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的主视图；

图4是TM极化电磁波在ENZ超材料中不同入射角度的传输曲线；

图5是本发明中TM极化电磁波在实施例一中不同入射角度的传输曲线。

图6是本发明中TM极化电磁波在实施例二中不同入射角度的传输曲线。

图7是本发明中TM极化电磁波在实施例三中不同入射角度的传输曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，以下结合附图和具体实施例作进一步的描述。

参照图1至图3，本发明给出如下三种实施例，

实施例一，ENZ超材料基板介电常数为0.01的TM极化波角度传输波导。

本实例包括：平行平板波导1和ENZ超材料基板2，该平行平板波导由上金属平板11和下金属平板12平行放置组成，该上金属平板11与下金属平板12厚度c是0.1mm，两者之间的间距b＝5mm，且这两个平板的中间部分开有向内凹陷的矩形槽3，矩形槽3的长度L决定TM极化波穿透ENZ超材料的传输频率，长度L通过公式f＝cN/(2L)确定，其中c为光速，N＝1，f为TM极化波的传输频率。取L＝10mm，深度h＝2mm，宽度w＝10mm。这些矩形槽分别在上、下金属平板的内表面形成矩形波结构；矩形波的每个波峰处放置有ENZ超材料基板2，该ENZ超材料基板2长度w＝10mm，高度b＝5mm，厚度t为2mm，材料介电常数为0.01，损耗角正切为0；该ENZ超材料基板2与矩形槽的距离d为2mm。该超材料基板2的厚度t、及其与矩形槽的距离d影响TM极化波在ENZ超材料中的传输频率与带宽。

实施例二，ENZ超材料基板介电常数为0.1的TM极化波角度传输波导。

本实例的结构与实例一的结构相同，且上金属平板11与下金属平板12的厚度c，及两者之间的间距b，矩形槽3的长度L，深度h，宽度w，这些参数保持不变，仅对如下参数进行了改变：

ENZ超材料基板2的厚度t为1mm，损耗角正切为0.02；

ENZ超材料基板2与矩形槽的距离d为1mm。

实施例三，ENZ超材料基板介电常数为0.005的TM极化波角度传输波导。

本实例的结构与实例一的结构相同，且上金属平板11与下金属平板12两者之间的间距b，矩形槽3的长度L，深度h，宽度w，这些参数保持不变，仅对如下参数进行了改变：

超材料基板2的厚度t为3mm，损耗角正切为0.05，

超材料基板2与矩形槽的距离d为4mm，

上金属平板11与下金属平板12的厚度c＝0.01。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1.仿真条件：

本发明采用CST Microwave Studio电磁仿真软件，对ENZ超材料基板以及本发明下的TM极化电磁波的传输系数与入射角度的关系进行全波仿真，

2.仿真内容：

仿真1，对TM极化电磁波在现有ENZ超材料中传输特性进行仿真，结果如图4所示。

仿真2，对实施例一TM极化电磁波在角度传输波导中的传输特性进行仿真，结果如图5所示。

仿真3，对实施例二TM极化电磁波在角度传输波导中的传输特性进行仿真，结果如图6所示。

仿真4，对实施例三TM极化电磁波在角度传输波导中的传输特性进行仿真，结果如图7所示。

3.仿真结果

从图4可以看出，当电磁波以垂直入射至ENZ超材料基板时，其电磁波的透波率达到90％以上，而当电磁波斜入射至ENZ超材料基板时，TM极化电磁波在入射角度增大时候透波特性下降很快，在入射角度20°时就已经近乎全反射了。

从图5仿真结果可以看出，本发明提出的用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导，实现TM极化波在ENZ超材料中0°～80°的连续大范围入射角度内的全透波。

从图6仿真结果可以看出，本发明提出的用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导，实现TM极化波在ENZ超材料中0°～60°的连续大范围入射角度内的全透波，当入射角度为80°时，其传输效率也在90％以上。

从图7仿真结果可以看出，本发明提出的用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导，实现TM极化波在ENZ超材料中0°～60°的连续大范围入射角度内的高效透波，且传输系数都在90％以上，当入射角度为80°时，其传输效率也在80％以上。

以上所述的仅是本发明的几个优选实施方式，但并不构成对本发明的任何限制，显然，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于TM极化波大角度传输的ENZ超材料波导，包括具有不连续性的平行平板波导(1)和ENZ超材料基板(2)，该平行平板波导由上金属平板(11)和下金属平板(12)平行放置组成，其特征在于：上、下金属平板中间部分开有向内凹陷的矩形槽(3)，在上、下金属平板的内表面形成矩形波结构；矩形波的每个波峰处放置有ENZ超材料基板形成三明治结构；用于实现TM极化电磁波在ENZ超材料中的0°～80°入射角度的大角度透波。

2.根据权利要求1所述的波导，其特征在于：矩形槽(3)的深度h＝2mm，宽度w＝10mm，长度L通过公式f＝cN/(2L)确定，其中c为光速，N＝1，f为TM极化波的传输频率。

3.根据权利要求1所述的波导，其特征在于：上金属平板(11)和下金属平板(12)的厚度是0.01mm～0.1mm，两者之间的间距b＝5mm。

4.根据权利要求1所述的波导，其特征在于：超材料基板(2)为倒放的长方体型，其长度w＝10mm，高度b＝5mm，厚度t为1mm～3mm，材料介电常数为0.005～0.1，损耗角正切为0～0.05。

5.根据权利要求1所述的波导，其特征在于：超材料基板(2)与矩形槽(3)的距离d为1mm～4mm。