一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法与流程

本发明涉及人工电磁介质技术领域，更具体地说，涉及一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法。

背景技术：

对于电磁波能量的集中和增强在多方面具有重要应用，比如能量回收利用、弱信号增强和探测等。电磁波能量集中器是一种能够有效聚集和增强背景电磁波能量的一种特殊装置。最初的电磁波能量集中装置通常是一个接收天线，配合后续的整流电路来对电磁能进行收集，然而这只是一种功能受限的集中器，即用能量转化的方式将较高频率的电磁能转化成电流，并没有将同样频率的电磁能集中在一个小区域。随着变换光学的提出，人们设计了一些圆形的电磁波集中器，使用高度各向异性介质来实现电磁能的聚集和增强，这种介质的材料参数是非常复杂而难以实现的（有近零的和趋于无穷大的介电常数），之后人们用改进的方法，即金属片和介质来实现，虽然实现方法简化了许多，然而能量集中的区域是一个高折射率的介质，并不方便我们在其中进行探测。随着零折射率材料的进一步研究，人们发现其也可以作为电磁波能量集中器，由于其形状结构的灵活性和超强的集中能力，成为了非常有潜力的电磁波能量集中装置。然而零折射率材料固有的窄带和高损耗特性大大限制了其实际应用。并且能量集中区域位于零折射率材料中，不方便在其中进行测量和进一步处理。

技术实现要素：

针对现有采集方法的不足，提出将电磁波聚集在亚波长的空气区域，而不使用复杂材料，通过二次压缩的方法可以将电磁波能量增强几个数量级。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法，包括：

构建电磁波压缩器部分，设置前置波导来获得特定的电磁波模式，取边界形状和折射率渐变的波导作为电磁波压缩器来对前置的特定模式的电磁波进行压缩；

构建电磁波集中器部分，设置填充空气的波导作为电磁波集中器，连接至电磁波压缩器的末端，通过降低电磁波集中器的高度，消除电磁波压缩器与电磁波集中器之间折射率差值引起的阻抗失配；

减小电磁波集中器的波导的中部宽度，进行电磁波能量的二次压缩，进一步提高电磁波能量密度。

其中，电磁波集中器部分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磁导体，前后面为波导通道，内部介质为空气。

其中，电磁波压缩器所用的材料为渐变的高折射率介质，连接前置波导的入射端的折射率为1，连接集中器的出射端的折射率远高于入射端。

区别于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明可以将电磁波能量压缩到一个亚波长区域，使得电磁能密度提高至10⁵倍；所设波导填充的是空气，可以在其中很方便得放置其他探测装置；本发明中所用材料都是普通的电介质，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渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法的整体结构示意图。

图2是本发明提供的一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法中电磁波能量集中器部分的结构示意图。

图3是本发明提供的一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法中电磁能量密度沿着器件中心线的变化的示意图。

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。

参阅图1，本发明提供了一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法，包括：

构建电磁波压缩器部分，设置前置波导来获得特定的电磁波模式，取边界形状和折射率渐变的波导作为电磁波压缩器来对前置的特定模式的电磁波进行压缩；

构建电磁波集中器部分，设置填充空气的波导作为电磁波集中器，连接至电磁波压缩器的末端，通过降低电磁波集中器的高度，消除电磁波压缩器与电磁波集中器之间折射率差值引起的阻抗失配；

减小电磁波集中器的波导的中部宽度，进行电磁波能量的二次压缩，进一步提高电磁波能量密度。

其中，电磁波集中器部分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磁导体，前后面为波导通道，内部介质为空气。

其中，电磁波压缩器所用的材料为渐变的高折射率介质，连接前置波导的入射端的折射率为1，连接集中器的出射端的折射率远高于入射端。

如图2顶视图所示，区域1为一个前置波导，该部分为电磁波集中器提供一个接入口，可以提供特定的输入模式（比如te模式）；区域2为电磁波压缩器部分，该部分由边界形状和折射率渐变的波导构成，目的是将电磁波无反射压缩到一个体积很小的高折射率区域，即区域2很小的末端。

区域2的电磁波压缩器可以将电磁能量压缩到一个高折射率的小区域，区域3则是一个填充空气的波导，用来连接区域2，将电磁波引导进来。为了解决区域2和区域3之间很大的折射率差值引来的阻抗失配，将区域3的高度降低到合适的数值，这样电磁波可以隧穿进来而没有显著反射。然后在区域3后设计吸波材料或者波导将电磁波吸收或者引导出去。

区域3可以为一个矩形波导，我们可以修改其边界，比如图3中将其中一段变窄，这样可以二次压缩电磁波的能量。由于亚波长区域3是对边界形状不敏感的，因此这样二次压缩并不会引起显著反射。

具体的，设置图1区域2的高度为0.02m，弯曲的侧边界由2米宽逐渐缩小到0.02米宽的区域，区域3为一个长0.1m宽0.02米高0.0002米的长方体区域，其中挖掉了两个半圆形区域进行了二次能量压缩。区域2中的介质的折射率沿着z方向均匀，在x-y平面中由以下公式给出：

（1）

在微波段，介质分布可以由不同介电常数的粉末实现。介质外边为完美电导体或者磁导体边界，即所有介质都位于波导中。

图3给出了沿着区域2到区域3中的电磁场能量密度的变化（对数形式）。可见区域2部分的压缩器可以将电磁能密度提高1000多倍，而经过二次压缩，电磁能密度总共可以提高10⁵倍。

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。

技术特征：

1.一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法，其特征在于，包括步骤：

构建电磁波压缩器部分，设置前置波导来获得特定的电磁波模式，取边界形状和折射率渐变的波导作为电磁波压缩器来对前置的特定模式的电磁波进行压缩；

构建电磁波集中器部分，设置填充空气的波导作为电磁波集中器，连接至电磁波压缩器的末端，通过降低电磁波集中器的高度，消除电磁波压缩器与电磁波集中器之间折射率差值引起的阻抗失配；

减小电磁波集中器的波导的中部宽度，进行电磁波能量的二次压缩，进一步提高电磁波能量密度。

2.根据权利要求1所述的用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法，其特征在于，电磁波集中器部分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所述的用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法，其特征在于，电磁波压缩器所用的材料为渐变的高折射率介质，连接前置波导的入射端的折射率为1，连接集中器的出射端的折射率远高于入射端。

技术总结
本发明涉及一种用渐变折射率材料构造电磁波能量集中器的方法，构造的电磁波能量集中器包括压缩器部分和集中器部分，压缩器部分为类喇叭状波导结构，将电磁波从较大的区域压缩至一个较小的区域。集中器部分可以为任意形状，一般为矩形的波导，所有电磁波能量将被集中在该区域。通过本发明，能够将电磁波能量压缩到一个亚波长区域，使得电磁能密度提高至105倍；所设波导填充的是空气，可以在其中很方便得放置其他探测装置；所用材料都是普通的电介质，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。

技术研发人员：刘一超;孙非;杨毅彪
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2020.06.05
技术公布日：2020.09.25