CN111628264A - 一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法 - Google Patents

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    • H01P11/001—Manufacturing waveguides or transmission lines of the waveguide type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type

Abstract

本发明涉及一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，包括步骤：设置一矩形波导，内部填充近零折射率材料；对初始的近零折射率结构进行保角变换以提高折射率；变换后，近零折射率结构的形状发生变化，内部填充的近零折射率材料变为折射率大于1的介质；近零折射率结构的开口端外面的空气介质变换为折射率远大于1的介质。本发明有效的解决了传统近零折射率材料实际实现后的带宽窄和损耗高的问题，应用在多种具有近零折射率传统器件的场合，改善器件的带宽和损耗问题；使用的材料为普通的电介质，由介质粉末、电路板刻蚀结构、高折射率材料上挖孔等办法来实现，加工制作容易。

Description

一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法
技术领域
本发明涉及人工电磁介质技术领域，更具体地说，涉及一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法。
背景技术
近零折射率材料是一种具有极端参数的人工电磁介质，它的介电系数或者磁导率之一或者两者都接近零，因此具有许多普通材料不具有的电磁特性，比如电场和磁场的去耦合、波长扩展、相速度发散、群速度趋于零、电场增强等。这些独特的性质使得近零折射率材料在控制电磁波上展现出一些不同寻常的现象，比如光隧穿、定向辐射、非线性效应、光捕获等。然而近零折射率材料也有一些固有的不足，比如损耗大、带宽窄等，这都是因为其电磁参数接近零而导致的。本发明中将使用普通的电介质，即介电系数大于1的材料来实现近零折射率材料的功能和特性。
发明内容
针对现有采集方法的不足，提出用普通电介质来实现近零折射率材料功能与特性，弥补现有近零折射率材料在损耗和带宽上的不足，将对近零折射率特性材料的实现与在其他器件中的实际应用起到推动作用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，在波导中实现的方法包括以下步骤：
构建初始的近零折射率结构，设置一矩形波导，内部填充近零折射率材料；
对初始的近零折射率结构进行保角变换以提高折射率；变换后，近零折射率结构的形状发生变化，内部填充的近零折射率材料变为折射率大于1的介质；
近零折射率结构的开口端外面的空气介质变换为折射率远大于1的介质。
其中，矩形波导的上下面构成材料为完美电导体，左右面构成材料为完美电导体或者磁导体，前后面为波导通道，内部介质为空气。
其中，初始的近零折射率结构形状变化后变换为类似状梯形。
其中，保角变换使用Zhukovski变换，将空气变为如下公式描述的折射率：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中， w和z分别为变换前后空间复数坐标；a为圆形支割线的半径。
区别于现有技术，本发明提供了一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，包括步骤：构建初始的近零折射率结构，即设置一矩形波导，内部填充近零折射率材料；对初始的近零折射率结构进行保角变换以提高折射率；变换后，近零折射率结构的形状发生变化，内部填充的近零折射率材料变为折射率大于1的介质；近零折射率结构的开口端的空气介质变换为折射率远大于1的介质。本发明有效的解决了传统近零折射率材料实际实现后的带宽窄和损耗高的问题，可以应用在多种具有近零折射率传统器件的场合，改善器件的带宽和损耗问题；使用的材料为普通的电介质，可以由介质粉末、电路板刻蚀结构、高折射率材料上挖孔等办法来实现，加工制作容易。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法的初始的近零折射率结构的结构示意图。
图2是本发明提供的一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法中初始的近零折射率结构经过保角变换的结构示意图。
图3是本发明提供的一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法中初始的近零折射率结构的实物示意图。
图4是本发明提供的一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法中初始的近零折射率结构经过保角变换的实物示意图。
图5是本发明提供的一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法中得到的近零折射率材料的定向辐射效果示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，包括：
构建初始的近零折射率结构，即设置一矩形波导，内部填充近零折射率材料；
对初始的近零折射率结构进行保角变换以提高折射率；变换后，近零折射率结构的形状发生变化，内部填充的近零折射率材料变为折射率大于1的介质；
近零折射率结构的开口端外面的空气介质变换为折射率远大于1的介质。
其中，矩形波导的上、下、左、右、后五面构成材料为完美电导体，前面为波导通道，内部介质为近零折射率材料。
其中，初始的近零折射率结构形状变化后变换为类梯形的结构。
其中，保角变换使用Zhukovski变换，将空气变为如下公式描述的折射率：
Figure 611669DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中， w和z分别为变换前后空间复数坐标；a为圆形支割线的半径。
本发明提出了一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，首先合理选择坐标变换，图1给出了设计的示意图，其中的圆形区域1和3为空气区域，其中矩形区域2填充了近零折射率材料（n
Figure 882244DEST_PATH_IMAGE002
0）。通过合理的坐标变换，（a）中3个区域变为图2中的区域。
该变换满足的条件有：
变换前后只有区域1之内的区域收到影响，即区域1之外的区域3变换后仍为原来的介质（通常为空气）。
变换后区域1之内区域2之外的区域由空气变为了折射率渐变的介质，其折射率通常较高。
变换后区域2改变了形状（比如图2中的梯形），且其中的近零折射率变为了大于且接近1的介质。
变换后的材料仍为各向同性的材料，方便由普通的介质来实现。
设计一个由近零折射率材料组成的器件，可以将其放置于区域1中，通过坐标变换去掉折射率小于1的部分。虽然引入了高折射率材料，通常比近零折射率材料容易实现，特别是微波段，有多种高折射率介质材料可以选择。
图3中矩形6为一个矩形金属波导，只有上端口开放，其中嵌入近零折射率材料，比如n = 0.1。通过保角变换可以将其和上面的空气区域转换为图4中的两个区域，区域5为区域6变换过来的，其折射率提高到每处都大于1。区域4为空气区域变换过来的，其折射率远大于1。图5为仿真结果图，可以看到，嵌入区域5的点源可以转化为定向辐射的波束。
区别于现有技术，本发明提供了一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，在实现定向辐射的器件中的步骤包括：构建初始的近零折射率结构，即设置一矩形波导，内部填充近零折射率材料；对初始的近零折射率结构进行保角变换以提高折射率；变换后，近零折射率结构的形状发生变化，内部填充的近零折射率材料变为折射率大于1的介质；近零折射率结构的开口端外面的空气介质变换为折射率远大于1的介质。本发明有效的解决了传统近零折射率材料实际实现后的带宽窄和损耗高的问题，可以应用在多种具有近零折射率传统器件的场合，改善器件的带宽和损耗问题；使用的材料为普通的电介质，可以由介质粉末、电路板刻蚀结构、高折射率材料上挖孔等办法来实现，加工制作容易。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种用普通电介质构建近零折射率材料的方法，其特征在于，包括步骤：
构建初始的近零折射率结构，设置一矩形波导，内部填充近零折射率材料；
对初始的近零折射率结构进行保角变换以提高折射率；变换后，近零折射率结构的形状发生变化，内部填充的近零折射率材料变为折射率大于1的介质；
近零折射率结构的开口端外面的空气介质变换为折射率远大于1的介质。
2.根据权利要求1所述的用普通电介质构建近零折射率材料的方法，其特征在于，矩形波导的上下面构成材料为完美电导体，左右面构成材料为完美电导体或者磁导体，前后面为波导通道，内部介质为空气。
3.根据权利要求1所述的用普通电介质构建近零折射率材料的方法，其特征在于，初始的近零折射率结构形状变化后变换为梯形状结构。
4.根据权利要求1所述的用普通电介质构建近零折射率材料的方法， 其特征在于，保角变换使用Zhukovski变换，将空气变为如下公式描述的折射率：
Figure 112510DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中， w和z分别为变换前后空间复数坐标；a为圆形支割线的半径。
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