TE极化、超宽带、角度可调的电磁波角度选择透明结构的制作方法

本发明涉及电磁波空间角度选择的一种结构，尤其是涉及一种te极化任意角度的超宽带电磁波角度选择透明结构。

背景技术：

电磁波的选择技术一直是科学界一项很热门的技术，可以通过单频率平面电磁波的三个最基本的属性：频率，极化方向，和传播方向来选择电磁波。目前，电磁波的极化选择和频率选择技术都已经实现了巨大的发展和进步，相比而言，电磁波的方向或者说角度选择技术，才刚刚开始发展。

很多科学家利用人工电磁超材料和光子晶体实现了角度选择透明，但是由于他们内在的谐振特性，只能实现频段较窄的角度选择，而在很多实际应用当中，往往需要频段较宽的角度选择。

目前，麻省理工的科研小组实现了te极化和tm极化独立的宽频段角度选择透明结构。其基本原理是一维光子晶体对tm极化波具有禁带效应以及半波片可以把te极化波转化为tm极化波。首先该科研小组利用排列一种各向同性自然媒质和一种各向异性人工媒质得到布儒斯特角为0°的一维光子晶体，当tm极化波以0°角入射时，在两种媒质的交界面具有布儒斯特完美匹配投射特性，当以其他角度入射时，由于光子晶体的禁带效应，tm极化波会被全反射。然后，通过调节光子晶体的排列周期，使禁带能够覆盖到整个可见光频段。最后，该科研小组又在设计的角度选择系统中加入了半波片，使得te极化波能全部转化为tm极化波，最终实现了全极化的角度选择。但是该设计存在的缺陷就是，对te波的角度选择只能固定在0°，而且电磁波经过该选择系统后，只能得到tm波而得不到te波。

综上所述，目前对于te极化波的角度选择存在的技术瓶颈就是仍然受限于0°，而无法实现任意角度超宽带的角度选择，其原因在于很难在自然界中找到两种介质具有te极化布儒斯特全透射效应，即使自然界中存在这样的媒质，也很难实现可变的te极化波全透射效应。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于构造一种te极化、角度可调、超宽带的电磁波角度选择透明结构，找到两种介质实现了te极化布儒斯特全透射效应，实现了可变的te极化波全透射，能有效推进电磁波角度选择透明结构的实际工程应用。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明主要由m层具有不同厚度的周期平板堆栈而成，每层周期平板均由位于上方的等效电磁媒质a和位于下方的等效电磁媒质b紧密层叠构成；单个周期平板中，等效电磁媒质a和等效电磁媒质b的厚度相同，厚度为pi/2，i为周期平板的层序数，pi表示第i层周期平板的厚度；各层周期平板的厚度p1、p2、…pn互不相等，且从角度选择透明结构的接收面到出射面按照等比数列依次递减，从而实现宽频段的角度选择透明结构。

所述的等效电磁媒质a是人工构造的电各项异性的人工材料，等效电磁媒质b是人工构造的电、磁均各项异性的人工材料。

所述的等效电磁媒质a是由结构、形状、尺寸均相同的多层上下紧密层叠的第一周期单元构成，每层第一周期单元是由第一基底材料和布置在第一基底材料上的钛酸锶圆形片构成，其中第一基底材料为聚四氟乙烯的方形板，钛酸锶圆形片等间隔周期阵列布置在第一基底材料上；

等效电磁媒质a的电磁参数满足：

其中，ε^a表示等效电磁媒质a的介电常数，μ^a表示等效电磁媒质a的磁导率；分别表示等效电磁媒质a的介电常数在y轴和z轴的分量，z轴为周期平板堆栈方向，x轴和y轴为垂直于周期平板堆栈方向的平面上的两个相互垂直方向，等效电磁媒质a的介电常数在x轴和y轴的分量相等；

所述的等效电磁媒质b是由结构、形状、尺寸均相同的多层上下紧密层叠的第二周期单元构成，每层第二周期单元是由第二基底材料和布置在第二基底材料上的金属环构成；第二基底材料包括多个聚四氟乙烯的圆环板，圆环板等间隔阵列均布，相邻行或列的圆环板之间通过聚四氟乙烯的条形板固接，形成网状结构；每个圆环板上布置金属环，金属环和圆环板的形状和尺寸相同；

等效电磁媒质b的电磁参数满足：

其中，ε^b表示等效电磁媒质b的介电常数，分别表示等效电磁媒质b的介电常数在y轴和z轴的分量，等效电磁媒质b的介电常数在x轴和y轴的分量相等；μ^b表示等效电磁媒质b的磁导率，分别表示等效电磁媒质b的磁导率在y轴和z轴的分量，等效电磁媒质b的磁导率在x轴和y轴的分量相等。

所述的等效电磁媒质a的介电常数随温度变化，等效电磁媒质a的磁导率以及等效电磁媒质b的介电常数和磁导率均不随温度变化而变化。

当环境温度为250k(k为热力学温度单位：开尔文)，等效电磁媒质a和等效电磁媒质b的介电常数满足此时只有在te极化电磁波垂直入射角度选择透明结构的条件下，才能由角度选择透明结构实现完美匹配透射；当增大入射角度时，由于a、b两种媒质的纵向电磁参数不同，te极化电磁波会因周期结构所形成的一维光子晶体禁带效应发生全反射；

当环境温度不为250k时，等效电磁媒质a和等效电磁媒质b的介电常数满足此时，在te极化电磁波垂直入射角度选择透明结构的条件下不能由角度选择透明结构实现完美匹配透射，，只有入射角度等于等效电磁媒质a和等效电磁媒质b构成的角度选择透明结构的布儒斯特角度时，te极化电磁波以入射角度入射才能由角度选择透明结构实现完美匹配透射，角度选择透明结构的布儒斯特角度根据以下公式确定：

等效电磁媒质a和等效电磁媒质b构成的角度选择透明结构实质也是光子晶体。

本发明进行人工电磁媒质构造，设计实现了一种电各向异性的超宽带非色散等效电磁媒质和一种电、磁均各向异性的超宽带非色散等效电磁媒质，这两种媒质层叠在一起具有随温度变化的te极化的布儒斯特全透射效应。

将这两种等效电磁媒质构成的平板与周期排列构成一维光子晶体，该结构可以在对应频带内实现窄带的te极化电磁波随温度变化的角度选择透明；将多个不同周期的一维光子晶体结构紧密堆栈，可直接实现超宽带角度选择透明。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

本发明实现了te极化的超宽带可调的角度选择透明，能实现任意角度超宽带的角度选择，能实现可变的te极化波全透射，已完全符合实际应用中的要求，且国际上尚未有报道。

本发明突破了现有研究的瓶颈，将原来仅能实现固定角度的te极化角度选择透明的传统设计拓展到了te极化任意角度的选择透明，推进了电磁波角度选择透明结构的实际工程应用。

附图说明

图1是本发明设计的整体结构图；

图2是本发明设计实施例中的等效磁媒质a的具体单元结构尺寸以及电磁参数图；

图2(a)是本发明设计实施例中的等效磁媒质a的第一周期单元结构的俯视图；

图2(b)是本发明设计实施例中的等效磁媒质a的第一周期单元结构的侧视图；

图2(c)是本发明设计实施例中的等效磁媒质a的介电常数以及磁导率图；

图3是本发明设计实施例中的等效电磁媒质a的单层结构图；

图3(a)是本发明设计实施例中的由等效电磁媒质a的第一周期单元结构构成的等效电磁媒质a的单层结构的俯视图；

图3(b)是本发明设计实施例中的由等效电磁媒质a的第一周期单元结构构成的等效电磁媒质a的单层结构的侧视图；

图4是本发明设计实施例中的等效磁媒质b的具体单元结构尺寸以及电磁参数图；

图4(a)是本发明设计实施例中的等效磁媒质b的第二周期单元结构的俯视图；

图4(b)是本发明设计实施例中的等效磁媒质b的第二周期单元结构的侧视图；

图4(c)是本发明设计实施例中的等效磁媒质b的介电常数以及磁导率图；

图5是本发明设计实施例中的等效电磁媒质b的单层结构图；

图5(a)是本发明设计实施例中的由等效电磁媒质b的第二周期单元结构构成的等效电磁媒质b的单层结构的俯视图；

图5(b)是本发明设计实施例中的由等效电磁媒质b的第二周期单元结构构成的等效电磁媒质b的单层结构的侧视图；

图6是本发明设计实施例中的多个周期平板结构的超宽带角度选择特性仿真结果图。

图6(a)是当温度t＝250k时本发明设计实施例中的多个周期平板结构的超宽带角度选择特性仿真结果图；

图6(b)是当温度t＝450k时本发明设计实施例中的多个周期平板结构的超宽带角度选择特性仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例子和具体实施测试情况如下：

图1为本发明设计的结构示意图，该结构有由m个周期平板结构紧密排列而成，每个周期平板结构均是由相同厚度的等效电磁媒质a和等效电磁媒质b构成的一维光子晶体结构；各个周期平板结构中等效电磁媒质a和等效电磁媒质b的排列周期的厚度不同，对应实现不同频段的角度选择透明特性，每个周期平板对应一个频率，实现一个宽度较窄频段的角度选择特性，在该频段内入射到周期平板的te极化电磁波可完美匹配透射。然后将工作在不同频率的m个周期平板紧密排列堆栈，能使得整个角度选择透明结构覆盖频率范围更大，能将角度选择透明结构的工作频带拓展到任意宽度。

具体地如图1所示，主要由m层具有不同厚度的周期平板堆栈而成，每层周期平板均由位于上方的等效电磁媒质a和位于下方的等效电磁媒质b紧密层叠构成，周期数为n；单个周期平板中，等效电磁媒质a和等效电磁媒质b的厚度相同，厚度为pi/2，i为周期平板的层序数，pi表示第i层周期平板的厚度；各层周期平板的厚度p1、p2、…pn互不相等，且从角度选择透明结构的接收面到出射面按照公比接近于1的等比数列依次递减，例如公比为0.98的等比数列，从而实现宽频段的角度选择透明结构。

各层周期平板的厚度p1、p2、…pn决定了工作频率f，每层周期平板的厚度pi对应角度选择透明结构的工作频率的1/4波长，也即使得从角度选择透明结构的各层周期平板的工作频率从接收面到出射面依次递减。

每个周期平板对应一个频率，实现一个宽度较窄频段的角度选择特性，在该频段内入射到周期平板的te极化电磁波可完美匹配透射。然后将工作在不同频率的m个周期平板紧密排列堆栈，能使得整个角度选择透明结构覆盖频率范围更大，能将角度选择透明结构的工作频带拓展到任意宽度。

要求的工作频段带宽越宽，则周期平板个数m越大；每个周期平板结构内a和b的排列周期数n由所需的选择角度宽度调整，要求选择角度的宽度越小，周期个数n越大。

等效电磁媒质a是人工构造的电各项异性的人工材料，等效电磁媒质a是由结构、形状、尺寸均相同的多层上下紧密层叠的第一周期单元构成，具体实施采用10层，每层第一周期单元是由第一基底材料和布置在第一基底材料上的钛酸锶圆形片构成，其中第一基底材料为低介电低损耗的聚四氟乙烯的方形板，钛酸锶圆形片等间隔周期阵列布置在第一基底材料上；

等效电磁媒质a的电磁参数满足：

其中，ε^a表示等效电磁媒质a的介电常数，μ^a表示等效电磁媒质a的磁导率；分别表示等效电磁媒质a的介电常数在y轴和z轴的分量，z轴为周期平板堆栈方向，x轴和y轴为垂直于周期平板堆栈方向的平面上的两个相互垂直方向，等效电磁媒质a的介电常数在x轴和y轴的分量相等；

等效电磁媒质b是人工构造的电、磁均各项异性的人工材料，等效电磁媒质b是由结构、形状、尺寸均相同的多层上下紧密层叠的第二周期单元构成，具体实施采用10层，每层第二周期单元是由第二基底材料和布置在第二基底材料上的金属环构成；第二基底材料包括多个聚四氟乙烯的圆环板，圆环板等间隔阵列均布，相邻行或列的圆环板之间通过聚四氟乙烯的条形板固接，形成网状结构；每个圆环板上布置金属环，金属环和圆环板的形状和尺寸相同，金属环可采用金；

等效电磁媒质b的电磁参数满足：

其中，ε^b表示等效电磁媒质b的介电常数，分别表示等效电磁媒质b的介电常数在y轴和z轴的分量，等效电磁媒质b的介电常数在x轴和y轴的分量相等；μ^b表示等效电磁媒质b的磁导率，分别表示等效电磁媒质b的磁导率在y轴和z轴的分量，等效电磁媒质b的磁导率在x轴和y轴的分量相等。

等效电磁媒质a的介电常数随温度变化，即和会随着环境温度的变化而变化，其他的等效电磁媒质a的磁导率以及等效电磁媒质b的介电常数和磁导率均不随温度变化而变化。

图2为本发明中等效电磁媒质a的第一周期单元结构以及电磁参数。其中图2(a)为等效电磁媒质a第一周期单元结构的俯视图，图2(b)为侧视图。该等效电磁媒质由半径为19μm厚度为0.2μm钛酸锶圆形片和厚度为20.8μm边长为50μm的菱形的第一基地材料聚四氟乙烯组成。其中第一单元结构的聚四氟乙烯基底的菱形的角度为∠α＝60°，∠β＝120°。本发明中等效电磁媒质a第一周期单元结构的设计利用了钛酸锶的介电常数可以随温度变化而变化的特性，所以可以从图2(c)中看到，反算得到的等效电磁媒质a的介电常数在y轴的分量在t＝250k时等于3.1而在t＝450k时等于2.76。

图3是本发明设计中等效电磁媒质a的单层结构示意图，其中图3(a)表示单层的等效电磁媒质a在x方向和y方向是由多个图2(a)中的单元结构组成，具体数值可以根据所实际工程中需要的结构的尺寸来确定；图3(b)为等效电磁媒质a的单层结构的侧视图。其中图1中每层等效电磁媒质a都由10层图3中所示的等效电磁媒质a的单层结构组成。

图4(a)和图4(b)为本发明设计中等效电磁媒质b的第二周期单元结构俯视图和侧视图，该单元结构由第二基底材料和布置在第二基底材料上的金属环构成，第二基底材料包括多个聚四氟乙烯的圆环板，圆环板等间隔阵列均布，相邻行或列的圆环板之间通过聚四氟乙烯的条形板固接，形成网状结构；每个圆环板上布置金属环，金属环和圆环板的形状和尺寸相同；在等效电磁媒质b的设计中金属环的材料为金，第二基底材料为聚四氟乙烯，其中金属环和环状基底的内半径为8μm，外半径为17.5μm，菱形周期单元长度a为50μm；聚四氟乙烯的条形板在x方向的分支宽度w2为在y方向的分支宽度w1为7μm；金属环的厚度h1为0.2μm，第二基底的厚度为h3为10.8μm；聚四氟乙烯的条形板与菱形的四条边的夹角α为60°；图4(c)为反算的等效电磁媒质b的参数，由图可以看出等效电磁媒质b的介电常数在y轴的分量为3.1，磁导率在z轴的分量为0.58，磁导率在x轴的分量为1。

图5是本发明设计中等效电磁媒质b的单层结构示意图，其中图5(a)表示单层的等效电磁媒质b在x方向和y方向是由多个图4(a)中的第二单元结构组成，具体数值可以根据所实际工程中需要的结构的尺寸来确定；图5(b)为等效电磁媒质b的单层结构的侧视图。其中图1中每层等效电磁媒质b都由20层图5中所示的等效电磁媒质b的单层结构组成。

当环境温度为250k时，由上面所述的等效电磁媒质a和b的电磁参数可知，此时，在te极化电磁波垂直入射条件下，能在该结构中完美匹配透射，当增大入射角度时，由于a、b两种媒质的纵向电磁参数不同，te极化电磁波会因周期结构所形成的一维光子晶体禁带效应发生全反射；当环境温度升高时，此时，te极化电磁波在垂直入射时不能完美匹配透射，此时，当且仅当入射角度等于a、b两种人工媒质构成的光子晶体的布儒斯特角度时，te极化电磁波才能完美匹配透射。其中，a、b两种人工媒质构成的光子晶体的布儒斯特角度满足式(1)所示的关系，由上文章反算的电磁参数，可以得到a、b两种人工媒质构成的光子晶体的布儒斯特角度，进而实现了te极化电磁波可调的角度选择。

为了验证上述设计的可行性，用cst对该结构进行了全波仿真。设计了30个平板周期结构，每个周期平板结构由50层等效电磁媒质a和b排列组成；每层等效电磁媒质a由10层图3中所示的结构组成，每层等效电磁媒质b由20层图5中所示的结构组成；首个平板周期结构等效电磁媒质a和b的厚度分别为220μm，其余29层厚度为公比为0.98的等比数列各项对应的值，将这些周期平板紧密排列，得到的透射曲线如图6所示；其中图6(a)为温度t＝250k时的透射曲线，图6(b)为温度t＝450k时的透射曲线。可以发现，该结构在0.25thz-0.35thz范围内实现了te极化、超宽带、角度可调的电磁波角度选择透明，完全证明了本设计的可行性。需要进一步强调的是，若要减少选择角度的宽度，只需增加每个周期平板结构中的周期个数；若要增加工作带宽，只需增加周期平板结构的个数。

以上所述，仅是根据本发明设计的一个工作在thz波段的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。