一种实现逆多普勒效应的器件的制作方法

本发明属于电磁波器件，涉及到一种可以在自由空间内实现逆多普勒效应的技术，提供一种实现逆多普勒效应的器件。

背景技术：

多普勒效应是描述了波源和观察者之间存在相对运动时，观察者接受到的频率改变。当波源靠近观察者运动时，观察者接受到的频率比两者之间不存在相对运动时的波源辐射的频率高(频率蓝移)；而当波源远离观察者运动时，观察者接收到的频率比两者之间不存在相对运动时的波源辐射的频率低(频率红移)。光波，声波等任何形式的波动都存在多普勒效应。多普勒效应在生活中有很多应用，比如公路上检查机动车速度的雷达测速仪，医学上的彩超检测，宇宙中行星的测速等等。

逆多普勒效应则是近些年来研究的新热点【1-3】。所谓逆多普勒效应，是指当波源靠近观察者运动时，观察者接受到的频率比两者之间不存在相对运动时的波源辐射的频率低(频率红移)；而当波源远离观察者运动时，观察者接收到的频率比两者之间不存在相对运动时的波源辐射的频率高(频率蓝移)。目前逆多普勒效应都是基于负折射率材料来实现的，需要将波源或者探测器放置在负折射率材料的内部。同时由于实现负折射率材料往往需要借助于谐振的超材料单元，因此使其有效的工作频带非常窄。

【1】Kozyrev,A.B.,&van der Weide,D.W.Explanation of the inverse Doppler effect observed in nonlinear transmission lines.Physical review letters,94(20),203902(2005).

【2】Chen,Jiabi,et al.Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical frequencies.Nature Photonics,5(4),239-245(2011).

【3】Lee,S.H.,Park,C.M.,Seo,Y.M.,&Kim,C.K.Reversed Doppler effect in double negative metamaterials.Physical Review B,81(24),241102(2010).

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中结构复杂，难以实验探测，频带受限等问题，本发明提出了一种的实现逆多普勒效应的器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括内套筒和外套筒，内套筒和外套筒的横截面为圆形，半径分别为a和b；内套筒内部空间放置运动的波源，在内套筒和外套筒之间的环形区域填充非均匀的各向异性介质，各向异性介质的参数由器件的几何尺寸决定。

更进一步，外套筒的外部环境和内套筒的内部空间环境都为空气，能够在正常环境下使用，适用范围广。运动的波源位于内套筒的内部空间的空气区域中，观测者或者探测器位于外套筒的外部空气区域中。

更进一步，在内套筒和外套筒之间的环形区域内填充的各向异性介质的相对介电常数和相对磁导率。这里的相对介电常数和磁导率都是二阶张量，在柱坐标系下可以用矩阵描述其各个分量

ε＝[εrr,εrθ,εrz；εθr,εθθ,εθz；εzr,εzθ,εzz],μ＝[μrr,μrθ,μrz；μθr,μθθ,μθz；μzr,μzθ,μzz]。要实现我们的器件，这些参数分量具体要求如下：

εrr＝μrr＝εzz＝μzz＝1,

εrθ＝μrθ＝εθr＝μθr＝rπ/(a-b),

εθθ＝μθθ＝1+r²π²/(b-a)²,

εrz＝μrz＝εzr＝μzr＝εθz＝μθz＝εzθ＝μzθ＝0。

a是内套筒的半径，b为外套筒的半径，r为中心到研究点的距离。

本发明原理如下：

本发明的运动的波源就位于内套筒内部空间。探测器或者观察者位于外套筒的外部区域。注意观察者和波源的位置可以相互调换，不影响器件的性能。当波源位于器件内和外界观察者之间存在一定的相对运动时，观察者接受到的频率表现为逆多普勒效应。也就是说，此时当波源靠近观察者运动时，观察者接收到的信号的频率是比两者不存在相对运动时接收到的频率低(频率红移)；当波源远离观察者运动时，观察者接收到的信号频率比两者不存在相对运动时接收到的频率高(频率蓝移)。

本发明的有益效果。

(1)本器件不需要基于负折射率材料来实现的，更不需要将波源或者探测器放置在负折射率材料的内部。本器件的波源和观察者都是位于空气中即可实现逆多普勒效应。

(2)器件的几何尺寸(a和b)可以人为调节。

(3)本器件实现的逆多普勒效应可以实现宽带工作。

附图说明

图1为器件的结构图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

一种实现逆多普勒效应的器件,包括内套筒(1)和外套筒(2)，内套筒(1)内部空间(1-1)放置运动的波源，在内套筒和外套筒之间的环形区域(1-2)填充非均匀的各向异性介质。内套筒(1)和外套筒(2)的横截面为圆形，半径分别为a和b。外套筒(2)的外部环境和内套筒(1)的内部空间(1)环境都为空气，能够在正常环境下使用，运动的波源位于内套筒的内部空间(1)的空气区域中，观测者或者探测器位于外套筒的外部空气区域中。

实施例1

如图1所示，整个器件由半径为a的圆柱状内套筒(1)和半径为b的圆柱状外套筒(2)组成。在内套筒(1)和外套筒(2)中间的区域填充了和器件的几何尺寸有关的各向异性的非均匀电磁介质，其相对介电常数和磁导率都是二阶张量。在柱坐标系下可以用矩阵描述

ε＝[εrr,εrθ,εrz；εθr,εθθ,εθz；εzr,εzθ,εzz],μ＝[μrr,μrθ,μrz；μθr,μθθ,μθz；μzr,μzθ,μzz]。要实现我们的器件，这些参数分量具体要求如下：：

εrr＝μrr＝εzz＝μzz＝1,

εrθ＝μrθ＝εθr＝μθr＝rπ/(a-b),

εθθ＝μθθ＝1+r²π²/(b-a)²,

εrz＝μrz＝εzr＝μzr＝εθz＝μθz＝εzθ＝μzθ＝0。

其中，a是内套筒(1)的半径，b为外套筒(2)的半径，r为中心到研究点的距离。

内套筒(1)的内部区域为空气，运动的波源就位于该区域内。外套筒(2)的外部区域也是空气，探测器或者观察者位于该区域内。注意观察者和波源的位置可以相互调换，不影响器件的性能。当波源位于器件内和外界观察者之间存在一定的相对运动时，观察者接受到的频率表现为逆多普勒效应。也就是说，此时当波源靠近观察者运动时，观察者接收到的信号的频率是比两者不存在相对运动时接收到的频率低(频率红移)；当波源远离观察者运动时，观察者接收到的信号频率比两者不存在相对运动时接收到的频率高(频率蓝移)。

本发明实现逆多普勒效应器件，可以实现波源和观察者都位于空气中的逆多普勒效应。和借助于负折射率材料实现的逆多普勒效应相比，本技术适用范围更广，工作频带更宽。