【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及单向波导(one-way waveguide)与电磁特异介质(meta-materials)超表面结合的，尤其涉及一种基于单向电磁模式的的漏波超构表面及方法。
技术介绍
1、表面等离子激元(surface plasmon polaritons，spps)和相关单向波导，为控制设备的微型化和集成化发展带来崭新的机遇。spps是一种光子和电子的耦合激发态，它同时具有电子的尺度和光子的速度，因此可以突破光学衍射极限。单向波导以其非互易传输电磁波或者光信息的能力著称，所谓“非互易性”，即对同一器件，同一信号从相反方向输入，表现出不一样的输出特性的性质，这种性质在隐形传感、隐形斗篷及噪声屏蔽通信等方面有非常重要的应用。单向波导的关键特性是磁光效应，外加磁场突破了系统中的时间反演对称性。单向波导不但能在亚波长空间内调控电磁波或者光信息，还具有单向传输光电信息的能力。与传统波导相比，单向波导往往具有更加高效的信息传输能力，并且由于非互易性，能在很大程度上保证信息传递的安全性。结合表面等离子激元和单向波导，还可以进一步的减小相关器件或设备的尺寸，实现亚波长工业控制器件。这种不但能在亚波长空间内调控电磁波或者光信息，还能单向传输信息的单向波导，在控制器件的微型化和集成化方面有着无与伦比的优势。因此，这种独特的波导系统在多个领域都得到了广泛应用，包括工业控制设备中的核心成分传感(耦合)器技术、通信系统中的光信息存储与处理、以及武器系统中的雷达天线等方面。然而，传统类型的单向波导主要集中在实现对波导内部电磁波的调控，如实现谐振腔、光电信
2、电磁特异介质的思想就是通过精心设计某种人工的“分子和原子”(meta-atom)，通常称之为特异介质单元，将其以某种排列形式组合成(二维或者三维)阵列，构建自然界原本不存在的特定电磁参数，便能得到特定电磁波调制功能的“表面”或者“晶体”，从而实现负折射、电磁隐身等奇异光学现象。电磁特异介质大大扩展人们调控电磁波的自由度，具有广泛的应用前景，其中，电磁特异介质表面(meta-surface)的厚度远小于工作波长，因此可以将其视为表面结构，由于其损耗小、易于制备、调控手段丰富等优异特性而备受关注。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于设计一种基于单向波导的漏波超构表面器件，可实现单向传输电磁模式到具有任意波前的电磁模式的调控，极大的增加单向波导的应用前景。本专利技术以定向辐射、点聚焦、涡旋波束激发为例，设计了三个单向波导漏波超表面器件，在单向电磁模式驱动下分别实现了定向辐射、点聚焦、涡旋波束等功能。
2、本专利技术的第一个方面提供一种基于单向波导的漏波超构表面，所述漏波超构表面由单向波导结构沿轴，轴两个方向进行周期延拓得到，将轴方向称为横向行，轴方向称为纵向；所述单向波导结构包括从上至下依次设置的金属片结构层、空气层和剩磁材料层；其中：
3、沿轴方向延拓的一段单向波导结构中，金属片结构层包括沿轴方向间隔设置的多个金属片，金属片呈水平设置的矩形片状，将两个相邻的金属片之间的间隙称为漏孔单元；多个金属片距离剩磁材料层的高度各不相同，多个金属片的底部两侧各支撑有一个横向金属隔板，两个横向金属与多个金属片围合成横向通道ⅰ；多段沿轴方向延拓的单向波导结构沿轴方向间隔排列，每段沿轴方向延拓的单向波导结构之间连接有一个横向金属顶板，横向金属顶板和其两侧的横向金属隔板围合成横向通道ⅱ；所述金属片与剩磁材料层之间形成空气层，所述剩磁材料层由剩磁材料制成，剩磁材料是磁导率为张量形式的旋磁材料，剩磁方向为方向；
4、所述单向波导结构沿轴，轴两个方向周期延拓方式具体为：沿轴方向延拓的波导结构为具有不同空气层厚度的一段单向波导，延拓尺寸为3-20个波长，即对第i行，第一段单向波导中空气层厚度为di1，第二段单向波导中空气层厚度为di2，…，第j段单向波导中空气层厚度为dij；沿轴方向为具有不同空气层厚度的一段单向波导，延拓尺寸为3-20个波长，即对第j列，第一段单向波导中空气层厚度为d1j，第二段单向波导中空气层厚度为d2j，…，第i段单向波导中空气层厚度为dij；
5、所述漏波超构表面支持单向电磁模式，即磁表面等离子激元；随着磁表面等离子激元的传播，电磁波从金属片之间的空隙漏出，并实现对漏出电磁波的定向辐射、点聚焦、涡旋波束和任意波前调控。
6、进一步，所述单向波导结构中的波矢k由空气层厚度d决定，进而经过不同空气层厚度d的单元结构所积累的相位不同；通过设计每个单元结构空气层厚度d便可实现对每个局域位置漏出电磁波的相位进行调控，实现对漏出电磁波波前的任意调控。
7、进一步，所述单元结构中，原胞大小36mm，即p＝36mm，原胞是由金属片和漏孔单元组成；金属片的长度a＝18mm，宽度b＝18mm，厚度c＝2mm，剩磁材料的厚度h＝10～50mm，介电常数ε＝15，磁导率为其中ωr＝2π×3.587×109rad/s；工作中心频率2.69ghz。
8、本专利技术的第二个方面提供一种基于单向波导的漏波超构表面的设计方法，包括以下步骤：
9、步骤1，改变空气层厚度d的大小，通过模拟计算轴方向第一列漏波单元漏出电磁波的相位与第一列空气层厚度d的关系；通过模拟计算轴方向相邻漏波单元漏出电磁波的相位差与中间金属片d的关系；
10、步骤2，根据需要实现的波前调控进行设计，实现电磁波的定向辐射、聚焦、涡旋波束功能，设计漏出电磁波相位分布分别满足：
11、
12、式中，l代表涡旋波束的拓扑荷数，k0代表波矢，f代表点聚焦焦距，为方位角；由此反推出每第一个漏波单元所需的初始相位和沿轴方向相邻漏波单元漏出电磁波的相位差并根据和与d的关系得到每一局域位置所需的空气层厚度d；
13、步骤3，把这些具有不同高度的金属片排列起来，并用金属片把每一行隔开防止串扰，完成单向波导的漏波超构表面器件的设计。
14、本专利技术的设计思路是：本专利技术首先计算图7(a)所示“金属片结构/空气/剩磁材料”波导结构的单向频率区间，通过公式推导该结构的色散关系并画出其色散曲线，如图7(b)所示，在2.69ghz，改变空气层厚度，该结构都具有单向传输特性，并且可以通过改变空气层厚度，调控其波矢k，图7(c)验证了其单向传输特性。
15、然后，考虑图8所示的均匀漏波天线结构，即在“金属片结构/空气/剩磁材料”三层波导结构上均匀周期打孔构成的结构，根据前面的介绍，该结构支持单向电磁模式，单向电磁模式在传输过程中由于模式不匹配会逐步漏出一部分电磁波；对第一个漏波单元漏出电磁波的初始相位相邻单元漏出电磁波相位差进行计算，改变空气层厚度d，得到和d以及和d的关系，分别如图9和10所示，显然，和的范围超过2π。
16、随后，需要对漏出电磁波本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单向电磁模式的漏波超构表面，其特征在于：所述漏波超构表面由单向波导结构沿轴，轴两个方向进行周期延拓得到，将轴方向称为横向行，轴方向称为纵向；所述单向波导结构包括从上至下依次设置的金属片结构层、空气层和剩磁材料层；其中：
2.如权利要求1所述的一种基于单向电磁模式的漏波超构表面，其特征在于：所述单向波导结构中的波矢k由空气层厚度d决定，进而经过不同空气层厚度d的单元结构所积累的相位不同；通过设计每个单元结构空气层厚度d便可实现对每个局域位置漏出电磁波的相位进行调控，实现对漏出电磁波波前的任意调控。
3.如权利要求2所述的一种基于单向电磁模式的漏波超构表面，其特征在于：所述单元结构中，原胞大小36mm，即p＝36mm，原胞是由金属片和漏孔单元组成；金属片的长度a＝18mm，宽度b＝18mm，厚度c＝2mm，剩磁材料的厚度h＝10～50mm，介电常数ε＝15，磁导率为其中ωr＝2π×3.587×109rad/s；工作中心频率2.69GHz。
4.基于权利要求1所述的一种基于单向电磁模式的漏波超构表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：<...
【技术特征摘要】
1.一种基于单向电磁模式的漏波超构表面，其特征在于：所述漏波超构表面由单向波导结构沿轴，轴两个方向进行周期延拓得到，将轴方向称为横向行，轴方向称为纵向；所述单向波导结构包括从上至下依次设置的金属片结构层、空气层和剩磁材料层；其中：
2.如权利要求1所述的一种基于单向电磁模式的漏波超构表面，其特征在于：所述单向波导结构中的波矢k由空气层厚度d决定，进而经过不同空气层厚度d的单元结构所积累的相位不同；通过设计每个单元结构空气层厚度d便可实现对每个局域位置漏出电磁波的相位进行调控，实现...
【专利技术属性】
技术研发人员：李士青，陈立星，涂威浦，康闽，严金华，张航，沈林放，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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