一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法技术

本发明专利技术公开了一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法，属于时间光子晶体技术领域。本发明专利技术所述方法在微带传输线的两侧以差分馈电的形式加载变容二极管，构造了一种能够对微带传输线的相对介电常数进行动态调制的时间光子晶体结构；本发明专利技术所述方法采用差分调制的结构，能够隔绝调制信号对主路传输信号的影响，直接观测到了时间光子晶体k带隙内的指数放大特性和时间维度拓扑边界态，实现了对时间光子晶体的时域响应特性的观测。了对时间光子晶体的时域响应特性的观测。了对时间光子晶体的时域响应特性的观测。

【技术实现步骤摘要】
一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法


[0001]本专利技术属于时间光子晶体
，具体涉及一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法。

技术介绍

[0002]众所周知，电磁周期性结构可在某些频段内形成禁带，即频率带隙，电磁波在这些禁带中不能传播。近年来，人们开始关注将时间维度作为额外的自由度对电磁波进行调控。当空间均匀介质的电磁本构参数例如介电常数、磁导率等随时间呈现周期性变化时，介质中正向传播的波和因时间变化产生的时间反射波发生相互干涉，从而出现在特定波数k范围内的带隙即k带隙。类比传统的电磁周期性结构，这类结构可称为时间周期性结构，即时间光子晶体。
[0003]随着对时间光子晶体的研究不断深入，现有技术公开了一系列时间光子晶体对电磁信号时域响应的特性，其中具有代表性是发生在k带隙内的两种现象：（1）时间光子晶体k带隙内的时间频率为复数，其虚部对应电磁波的指数衰减或增长。由于电磁波中指数衰减的成分即倏逝波成分随时间迅速消失，故具有k带隙波数的电磁波在时间光子晶体内传输时，主要体现为随时间指数放大的场。
[0004]（2）电磁波在两段具有公共k带隙的两段时间光子晶体中内传播时，若这两段时间光子晶体在该k带隙上具有相反的反射系数相位，则电磁波在两段时间光子晶体的时间边界附近将出现拓扑边界态：在时间边界上出现电场振幅的局部峰值，并在远离该时刻的两个方向上电场振幅随时间呈指数衰减。
[0005]目前为止，上述两种电磁现象的研究仅停留在理论分析的层面，迫切需要构建一种实际的时间光子晶体，观测和验证上述现象，并探索基于此类特性的潜在应用。
[0006]现有技术“Electromagnetic Wave Propagation in an Externally Modulated Low
‑
Pass Transmission Line，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 64.11 (2016): 3449
‑
3459. Web.（《外部调制低通传输线中的电磁波传播》，《电气和电子工程师协会微波理论与技术会刊》2016年64卷11期3449
‑
3459页）”基于电磁波的场路等效原理，公开了一种基于动态调制微带传输线的时间光子晶体，并通过“背对背”测试方案获取了该时间光子晶体的色散曲线。但是，上述技术方案未能隔绝变容二极管调制信号对电路传输信号的干扰，导致在输出端口探测到的输出信号几乎完全被调制信号淹没，因而无法直接获取该时间光子晶体对输入信号的时域响应。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法，基于变容二极管对微带传输线分布参数的动态调制原理，人工构造出一种可以直接观测时域响应的时间光子晶体，并基于此结构提出了该时间光子晶体的时间维度拓扑边界态实验上的获取方法。
[0008]本专利技术所提出的技术问题是这样解决的：一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法，包括以下步骤：步骤1. 设计一段微带传输线，工作频率带宽包括设定的时间光子晶体的工作频率；步骤2. 沿微带传输线的传输方向将微带传输线均匀划分为N段，N为正整数，每段微带传输线加载一个调制单元；调制单元包括两个变容二极管、两个电感和两个偏置电阻；每段微带传输线的一侧连接第一变容二极管的正极，第一变容二极管的负极通过第一偏置电阻接地；每段微带传输线的另一侧连接第二变容二极管的负极，第二变容二极管的正极通过第二偏置电阻接地；每一段微带传输线的两端分别串联第一电感和第二电感；在第一变容二极管的负极和第二变容二极管的正极分别施加方向相反的调制电压源；在微带传输线的两端分别串联一段微带线作为输入端和输出端，完成时间光子晶体的结构构建；步骤3. 调制电压源的电压值为V=DC +ACsin（Ωt+φ），其中，DC 为直流电压幅度，AC为交流电压幅度，Ω为时间光子晶体的工作角频率，t表示时间，φ为初始相位；令AC=0且DC≠0，调制电压源的电压值为静态电压值，变容二极管处于静态偏置的工作状态，时间光子晶体结构等效为静态偏置电路，依据静态偏置电路的第一布里渊区色散曲线选定电感值和偏置电阻值；保持DC不变，令AC≠0，微带传输线引入动态调制，时间光子晶体结构等效为动态传输线，求解动态传输线的色散曲线理论解；步骤4. 利用背对背测试方法获取时间光子晶体的第一布里渊区的色散曲线全波仿真解；步骤5. 对色散曲线理论解和色散曲线全波仿真解进行对比，进行吻合判决，若吻合，则判定时间光子晶体构造成功；步骤6. 令AC=0，将角频率为Ω/2的单频连续正弦波信号输入到时间光子晶体结构中；在连续正弦波充满电路的时刻t0时，保持DC不变，令AC≠0，检测时间光子晶体的输出电压波形，观测时间光子晶体k带隙内的放大特性；步骤7. 令AC=0，将角频率为Ω/2的单频连续正弦波信号输入到时间光子晶体结构中；在连续正弦波充满电路的时刻t0时，保持DC不变，令AC≠0，在时刻t0后的时刻t1，反转调制电压源的相位，检测时间光子晶体的输出电压波形，观测时间光子晶体的时间维度拓扑边界态。
[0009]进一步的，选定的电感值和偏置电阻值使得时间光子晶体的工作角频率位于静态偏置电路的第一布里渊区色散曲线的ω带隙以下的正向传播的线性区域。
[0010]进一步的，步骤3中，求解动态传输线的色散曲线理论解的具体实现过程为：基于基尔霍夫定律获取动态传输线中微带传输线的电压的波动方程，基于麦克斯韦方程组获取理想时变介质中电场的波动方程，两个波动方程的数学形式相同，根据场路等效原理获取动态传输线的参数与理想时变介质的本构参数之间的关系，进而提取动态传输线的相对介电常数随时间变化的函数；对电场和相对介电常数随时间变化的函数进行傅里叶展开，并代入电场的波动方程，得到特征方程；将特征方程写为矩阵形式，对傅里叶展开级数做截断处理，得到齐次线性方程组；令齐次线性方程组的系数矩阵的行列式为零，得到若干个解并从小到大排列，依次表示色散曲线上与角频率对应的若干个通带上的波数；
遍历第一布里渊区内所有角频率，重复上述过程，得到第一布里渊区内的色散曲线理论解。
[0011]进一步的，步骤4的具体过程为：步骤4
‑
1. 提取静态偏置电路的第一布里渊区色散曲线，得到当前角频率对应的波数k1；步骤4
‑
2. 分别将单频连续正弦波信号输入到静态偏置电路和动态传输线中，采集输出信号V1(t)和V2(t)；步骤4
‑
3. 将输出信号V1(t)和V2(t)分别通过相同的带通滤波器，带通滤波器的中心频率为当前角频率，获取两个输出信号之间的相位差
△
φ；步骤4
‑
4. 根据
△
φ求解动态传输线的波数与静态偏置电路的波数差值
△
k，计算动态传输线中当前角频率对应的相位传播常数k2=本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1. 设计一段微带传输线，工作频率带宽包括设定的时间光子晶体的工作频率；步骤2. 沿微带传输线的传输方向将微带传输线均匀划分为N段，N为正整数，每段微带传输线加载一个调制单元；调制单元包括两个变容二极管、两个电感和两个偏置电阻；每段微带传输线的一侧连接第一变容二极管的正极，第一变容二极管的负极通过第一偏置电阻接地；每段微带传输线的另一侧连接第二变容二极管的负极，第二变容二极管的正极通过第二偏置电阻接地；每一段微带传输线的两端分别串联第一电感和第二电感；在第一变容二极管的负极和第二变容二极管的正极分别施加方向相反的调制电压源；在微带传输线的两端分别串联一段微带线作为输入端和输出端，完成时间光子晶体的结构构建；步骤3. 调制电压源的电压值为V=DC + ACsin（Ωt+φ），其中，DC为直流电压幅度，AC为交流电压幅度，Ω为时间光子晶体的工作角频率，t表示时间，φ为初始相位；令AC=0且DC≠0，调制电压源的电压值为静态电压值，变容二极管处于静态偏置的工作状态，时间光子晶体结构等效为静态偏置电路，依据静态偏置电路的第一布里渊区色散曲线选定电感值和偏置电阻值；保持DC不变，令AC≠0，微带传输线引入动态调制，时间光子晶体结构等效为动态传输线，求解动态传输线的色散曲线理论解；步骤4. 利用背对背测试方法获取时间光子晶体的第一布里渊区的色散曲线全波仿真解；步骤5. 对色散曲线理论解和色散曲线全波仿真解进行对比，进行吻合判决，若吻合，则判定时间光子晶体构造成功；步骤6. 令AC=0，将角频率为Ω/2的单频连续正弦波信号输入到时间光子晶体结构中；在连续正弦波充满电路的时刻t0时，保持DC不变，令AC≠0，检测时间光子晶体的输出电压波形，观测时间光子晶体k带隙内的放大特性；步骤7. 令AC=0，将角频率为Ω/2的单频连续正弦波信号输入到时间光子晶体结构中；在连续正弦波充满电路的时刻t0时，保持DC不变，令AC≠0，在时刻t0后的时刻t1，反转调制电压源的相位，检测时间光子晶体的输出电压波形，观测时间光子晶体的时间维度拓扑边界态。2.根据权利要求1所述的微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法，其特征在于，选定的电感值和偏置电阻值使得时间光子晶体的工作角频率位于静态偏置电路的第一布里渊区色散曲线的ω带隙以下的正向传播的线性区域。3.根据权利要求1所述的微波段时间光子晶体的时间维度拓扑边界态观测方法，其特征在于，步骤3中，求解动态传输线的色散曲线理论解的具体实现过程为：基于基尔霍夫定律获取动态传输线中微带传输线的电压的波动方程，基于麦克斯韦方程组获取理想时变介质中电场的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭东，曹伟，侯浩楠，熊江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：