CN114335950A - 融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，该导波结构包括第一传输层和第二传输层，两层结构为上下两层，每个传输层支持不同传输频率的电磁波导行，且上下层的电磁场传输尽管具有空间重叠，但极易实现频率信号分离，具有低串扰的特点。所述第一、第二两个传输层均由多层超构材料单元层叠结构构成，所述超构材料单元层叠结构由多个具备双各向异性特性的超构材料元胞按照一定空间取向并沿着电磁波导行路径进行周期性的阵列排列构成，所述双各向异性超构材料元胞由空气层、介质基板以及不同尺寸参数的人工金属微结构组成。本发明传导不同频率电磁波的空间占位小，易集成。

Description

融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构

技术领域

本发明属于新型电磁器件领域，具体涉及一种融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构。

背景技术

如果电磁材料具有拓扑非平庸特性，则其表面支持受拓扑保护的边界传态，具有抵抗某些特定电磁反射的潜力。与传统的波导器件相比，拓扑保护边界传态具有物理通道狭小、色散可控、较难被反射等多方面优势。通常情况下，拓扑保护边界传态通过构造拓扑非平庸光子晶体，通过该光子晶体的界面态来控制光的传输，这方面已有很多前期理论与实验研究工作。

在微波领域，随着元器件和系统的小型化，在一些对体积和重量要求苛刻的场景下会采用微带线的方式传输电磁波，但是这种导波方式是非封闭的，在密集布线的情况下，有着极易造成不同线路之间的信号串扰，引起系统噪声大、电路Q值低、功率容量小等缺陷。拓扑保护的边界传态，其物理上是狭缝波导，且具有拓扑保护，不易被反射，对于不同拓扑特性的导态也不会形成串扰，非常适合高度集成的场合应用。

然而，当前拓扑保护边界态依赖于光子拓扑绝缘体的体块上的拓扑跃迁，其普遍实现难度较大，不利于实际大规模应用。本发明基于自旋电磁材料的边界态理论，运用人工电磁超构材料实现灵活的边界传态，并实现独特的频率信号分离导波结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有微波导波技术中导波结构体积大、传输线导波易泄露易串扰的缺陷，结合横向自旋体系人工电磁媒质，提供一种新型的基于非拓扑电磁超构材料实现拓扑保护性导波的电磁能量传输结构，该结构能够有效抑制电磁能量泄露，实现不同频率电磁波的空间分离，并同时避免电磁导波结构尺寸大难以集成、传统波导间电磁信号串扰强的一系列问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

电磁频率信号分离的导波结构基于光子横向自旋媒质，包括上下两个传输电磁波的第一传输层和第二传输层，所述两个传输层分别置于整个复合导波结构的上下两侧；第一传输层和第二传输层传输的电磁波频率不同。

作为优选，所述第一传输层由多层第一种人造超构材料单元层叠组合构成。

作为优选，所述第二传输层由多层第二种人造超构材料单元层叠组合构成。

作为优选，第一种人造超构材料单元和第二种人造超构材料单元由多个磁电耦合特性超构材料元胞构造的周期性阵列构成；第一种人造超构材料单元和第二种人造超构材料单元中超构材料元胞以光传输通道为界，以背靠背方式放置，即光传输通道两侧的超构材料元胞开口方向相反。

作为优选，第一种超材料单元和第二种超材料单元所采用的超构材料元胞具有不同的结构尺寸和不同的周期尺寸；每个超材料单元内所有的超构材料元结构尺寸相同。

作为优选，所述超构材料元胞由介质基板层、空气层以及附着在介质基板上的人造金属微结构共同组成；所述的空气层设置在介质基板层的上下两侧。

作为优选，所述具有双各向异性响应的人造超构材料元胞为开口环谐振结构。

作为优选，所述的人造金属微结构为由金属薄层组成的对电磁场具有双各向异性响应的平面结构或者立体结构。

作为优选，所述介质基板为Rogers5880板材。

作为优选，所述的金属薄层由铜构成。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明基于光子拓扑边界态原理的电磁频率分离导波结构，方法新颖，其传导不同频率电磁波的空间占位小，易集成。

所述第一种超构材料单元和第二种超构材料单元，其工作频率可通过调节各自超构材料元胞的尺寸，方位取向等进行操控，具有可根据不同传输频带要求进行适应性调整、易于加工制作、成本低等优点

所述电磁频率信号分离导波结构具有一定的电磁波传输频率禁带，各个传输层之间针对某些特定频率具有滤波效应，实现电磁波泄露少，多信号间低串扰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的整体结构和电磁波在第一传输层的传播轨迹；

图3为电磁波在第一传输层中的传播轨迹；

图4为电磁波在第二传输层中的传播轨迹；

图5为第一种超构材料单元层叠机构的俯视图；

图6为第一种超构材料单元层叠机构的正视图；

图7为超构材料元胞结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于人造电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，所述导波传输结构包括第一传输层10和第二光传输层20。电磁波在第一传输层的传播轨迹正如图2中粗实线箭头轨迹所指示。

如图3和图4，是将图1完整的几何结构剖分为上下两个传输层进行展示，电磁波在第一传输层中的传播轨迹如图3粗实线箭头轨迹所示，电磁波在第二传输层中的传播轨迹如图4粗实线箭头轨迹所示。所述第一传输层由4层第一种超构材料单元层叠结构101构成。同理所述第二传输层由4层第二种超构材料单元层叠结构构成。

如图5和图6，是第一种超构材料单元层叠机构的俯视图和正视图，所述第一种超构材料单元层叠结构101由多个双各向异性超构材料元胞1011周期阵列排布构成，其中在电磁波传输轨迹(图3粗实线)的一侧，超构材料元胞开口朝外，而在电磁波传输轨迹的另一侧，超构材料元胞开口反向放置。

如图7所示，所述双各向异性超构材料元胞1011由空气层10111、介质基板10112以及附着在介质基板上的人造金属微结构10113组成，在本实例中使用不对称开口环谐振器(U型SRR)结构。

所述超构材料层叠结构101，其对入射的电磁波具有磁电耦合响应，支持电磁波复合自旋极化，在两个开口相互反向放置的相邻超构材料元胞1011之间则是支持线性极化边界态，并激发出一定电磁波传输通带。

所述第二种超构材料单元层叠结构和第一种超构材料单元层叠结构形状相似，但是第二种超构材料元胞的具体尺寸参数不同于第一种超构材料元胞的尺寸，因此其能够产生的电磁频率通带和第一种超构材料层叠结构将不相同。

所述第一传输层和所述第二传输层层叠放置，其在电磁导波区域在空间上具有位置偏移，但是其馈电结构为单一传统馈电端口。

在本发明中，馈电方式为馈电波导激发，亦可为其他支持TM波的馈电结构。

在本发明中，所述介质基板材料为Rogers 5880，亦可为其他任意低损耗微波板材。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：包括上下两个传输电磁波的第一传输层和第二传输层，所述两个传输层分别置于整个复合导波结构的上下两侧；第一传输层和第二传输层传输的电磁波频率不同。

2.根据权利要求1所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述第一传输层由多层第一种人造超构材料单元层叠组合构成。

3.根据权利要求1所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述第二传输层由多层第二种人造超构材料单元层叠组合构成。

4.根据权利要求1所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：第一种人造超构材料单元和第二种人造超构材料单元由多个磁电耦合特性超构材料元胞构造的周期性阵列构成；第一种人造超构材料单元和第二种人造超构材料单元中超构材料元胞以光传输通道为界，以背靠背方式放置，即光传输通道两侧的超构材料元胞开口方向相反。

5.根据权利要求1所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：第一种超材料单元和第二种超材料单元所采用的超构材料元胞具有不同的结构尺寸和不同的周期尺寸；每个超材料单元内所有的超构材料元结构尺寸相同。

6.根据权利要求4或5所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述超构材料元胞由介质基板层、空气层以及附着在介质基板上的人造金属微结构共同组成；所述的空气层设置在介质基板层的上下两侧。

7.根据权利要求4或5所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述具有双各向异性响应的人造超构材料元胞为开口环谐振结构。

8.根据权利要求6所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述的人造金属微结构为由金属薄层组成的对电磁场具有双各向异性响应的平面结构或者立体结构。

9.根据权利要求6所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述介质基板为Rogers5880板材。

10.根据权利要求8所述的融合人工电磁超构材料的电磁频率信号分离导波结构，其特征在于：所述的金属薄层由铜构成。

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