一种基于一维多层人工电磁结构的TM与TE波分离器的制作方法

本实用新型属于电磁技术领域，具体地说，涉及一种基于一维多层人工电磁结构的tm与te波分离器。

背景技术：

虽然40多年前veselago提出负折射率概念，但由于自然界中不存在负折射材料，直到1996年，pendry提出了实现负折射材料方法，smith于2002年首次通过实验的方法实现负折射率后，人工电磁材料的研究受到越来越多的重视。由于人工电磁材料电磁参数的可变性，如可实现负电磁参数材料，单负介电常数材料(ε＜0，μ＞0)、单负磁导率材料(ε＞0，μ＜0)、渐变电磁参数材料等，电磁波在人工光介质中的性质得到了发现和研究，如人们在理论在研究了人工电磁材料的新颖特性和潜在应用，如用负折射率材料可以制作成超级透镜实现电光源的完美成像、超级波导、电磁波的旋转、电磁波的分裂、电磁隐身等。

虽然电磁波在人工材料的特性有很多潜在应用，但这些特性的讨论和研究绝大多数是基于理想的各向同性的电磁参数，而实际的人工电磁材料是通过周期性的或非周期性的结构组成，由于结构的不对称性，在制作中获得各向同性的电磁参数非常困难，且电磁波在各向异性的电磁材料的传播与各向同性的介质的传播有着不同的规律，因此研究各向异性的电磁人工材料特性有重要的实际意义。

公开日为2018年9月4日的中国专利201810259495.8公开了一种偏振分束元件和装置，所述偏振分束元件包括周期性交替叠加的电介质薄膜和金属薄膜，一层电介质薄膜和一层金属薄膜构成一个周期性重复单元，当光线以平行于偏振分束元件界面入射时，光线中的横电波(te波)与横磁波(tm波)由于在偏振分束元件中的色散关系不同从而可以实现分离。但该发明主要应用于光波段电磁波tm和te波的分离，不能用于微波段tm和te波的分离。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于一维多层人工电磁结构的tm与te波分离器，用各向异性的人工材料和金属构成的一维结构，实现微波段tm和te波的完全分离。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种基于一维多层人工电磁结构的tm与te波分离器，包括集成基片，所述集成基片上设有一维多层电磁结构，所述一维多层电磁结构为(ab)ⁿ型，a介质层为负介电常数材料层，b介质层为双轴各向异性人工电磁材料层，n为大于1的自然数。

进一步地，a介质层的介电常数为其中ωpe是电等离子体的振荡频率，ω为入射电磁波的频率；b介质层的介电常数为其中εrx、εry、εrz为分别是主对角线上的相对介电常数。

进一步地，n为10。

进一步地，a介质层和b介质层的相对磁导率为1。

进一步地，a介质层的介电常数为其中ωpe＝1.424×10¹²hz，ω为入射电磁波的频率；b介质层的相对介电常数为εrx＝2.91，εry＝1.0，εrz＝2.57。

进一步地，a介质层的厚度为4×10^-4～7×10^-4m，b介质层的厚度为1.5×10^-3～3.0×10^-3m。

更进一步地，a介质层的厚度为6×10^-4m，b介质层的厚度为2×10^-3m。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的tm与te波分离器是由负介电常数材料和各向异性的人工电磁材料构成的多层结构，可以构成特殊的谐振结构，实现特定频率的电磁波的完全透射。

(2)本实用新型的tm与te波分离器利用te和tm波在介质层的传播模式不同，实现te波和tm波的分离。

(3)本实用新型的tm与te波分离器中的各向异性人工电磁介质层的厚度是影响特殊谐振结构的频率的重要因数，通过改变其厚度实现不同频率的te和tm电磁波在介质层中的传播和分离。

附图说明

图1为本实用新型的tm与te波分离器的结构示意图；

图中：ai：负介电常数材料介质层，bi：双轴各向异性人工电磁材料介质层，i为依次排序的周期性重复单元的序号。

图2为不同入射角情况下，电磁波反射系数随着频率变化的场分布图(实线为te波，虚线为tm波)；

图中：2-a的入射角θ＝0°，2-b的入射角θ＝30°，2-c的入射角θ＝45°，2-d的入射角θ＝60°。

图3为不同的单负介电常数人工电磁材料厚度情况下，电磁波反射系数随着频率变化的场分布图(实线为te波，虚线为tm波)；

图中：3-a中a介质层的厚度为4×10^-4m，b介质层的厚度为2×10^-3m；3-b中a介质层的厚度为5×10^-4m，b介质层的厚度为2×10^-3m；3-a中a介质层的厚度为6×10^-4m，b介质层的厚度为2×10^-3m；3-a中a介质层的厚度为7×10^-4m，b介质层的厚度为2×10^-3m。

图4为不同各向异性人工电磁材料厚度情况下，电磁波反射系数随着频率变化的场分布图(实线为te波，虚线为tm波)；

图中：4-a中a介质层的厚度为6×10^-4m，b介质层的厚度为1.5×10^-3m；4-b中a介质层的厚度为6×10^-4m，b介质层的厚度为2.0×10^-3m；4-c中a介质层的厚度为6×10^-4m，b介质层的厚度为2.5×10^-3m；4-d中a介质层的厚度为6×10^-4m，b介质层的厚度为3.0×10^-3m。

图5为n＝10，入射角θ＝0°时，f＝1.104×10¹¹hz的te波沿z轴传播时电场ey的分布图，图中的虚线表示不同的介质层；

图6为n＝10，入射角θ＝0°时，f＝1.131×10¹¹hz的tm波沿z轴传播时电场ey的分布图，图中的虚线表示不同的介质层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。

本实用新型的tm与te波分离器包括集成基片，集成基片上设有周期性重复单元，每个周期性重复单元由一层单负介电常数材料和一层各向异性的人工电磁材料组成，即将单负介电常数材料和各向异性的人工电磁材料交叉地周期性排列在一起，形成一种一维人工电磁结构。

如图1所示，由a、b两种介质层组成(ab)ⁿ型一维多层电磁结构，a介质层为负介电常数材料层，b介质层为双轴各向异性人工电磁材料层，n为大于1的自然数，介质层的上方和下方为空气，在图示的三维坐标系中，a、b介质层沿z轴方向依次排列，电磁波是从xy平面的垂直方向进入并沿z轴反方向传播。ai表示负介电常数材料介质层，厚度为d1，其介电常数为(ωpe是电等离子体的振荡频率，ω为入射电磁波的频率，当入射波的频率小于等离子的振荡频率时，那么εrb＜0)，相对磁导率μr0＝1.0；bi表示双轴各向异性人工电磁材料介质层，厚度为d2，其介电常数为相对磁导率μr0＝1.0，i为依次排序的周期性重复单元的序号。

为了计算电磁波多层介质中的传播特性，首先计算电磁场在半空间传播和反射特性。假设te入射波(其中kiz和kix分别为沿z和x方向的波矢)入射到电磁参数为双轴各向异性和各项同性的两半空间，根据经典的电磁场理论，则入射空间的场有入射场和反射场：

在透射空间透射波可表示为：

其中r^te为两半空间反射波系数，t^te为两半空间的透射系数，(i＝1,2分别表示两半空间)。由电磁场在边界连续条件可得：

对于tm波，电磁波在两层各向异性的半空间传播时，z方向的波矢为(i＝1,2分别表示两半空间)，同样可得其反射系数r^tm和透射系数t^tm为：

对多层介质，入射电磁波在介质层中传播时存在多次反射，相邻两层的广义反射系数可以写为：

其中kiz是i层z方向的波矢(i＝1,2,3……)，r^i,i+1是多层介质中两相邻介质作为半空间时的te和tm波的反射系数，是多层介质存在时，在i和i+1层界面的广义反射系数，zi+1-zi是第i层的厚度。

在以下实施例中，周期数n为10，a介质层的ωpe＝1.424×10¹²hz；b介质层为相对介电常数为εrx＝2.91，εry＝1.0，εrz＝2.57的双轴各向异性材料。

实施例1

参照图2，在本实施例中，a介质层的厚度d1＝6×10^-4m，b介质层的厚度d2＝2×10^-3m，入射角θ分别取0°、30°、45°和60°。从图2-a可以看出，在入射角为0°时，te波在1.0×10¹¹hz～2.2×10¹¹hz频率出现了3个不同尖锐的峰即完全透射频率，分别为f＝1.104×10¹¹hz，f＝1.484×10¹¹hz，f＝1.868×10¹¹hz。而对te波而言，相同的频率区间出现了与te波不同的2个尖锐的峰，即完全透射频率，分别为f＝1.031×10¹¹hz，f＝1.651×10¹¹hz。可见tm和te波的在介质层中有不同的传播规律，能够实现tm和te波的分离。当入射角变化时，电磁在介质层的传播规律发生变化，入射角增大，完全透射频率整体呈现右移趋势(图2-b，2-c，2-d)。同时随着入射角的增大，带隙频段变宽，tm波随着入射角增大，透射频率的变化比te波明显。当角度大于45度时，te波仍存在两个完全透射频率，但tm波已无法在介质层中传播，两种模式透射频率完全分开。

实施例2

参照图3，在本实施例中，波的入射角为θ＝0°，b介质层的厚度选取为d2＝2×10^-3m，a介质层的厚度从4×10^-4m依次递增至7×10^-4m。从图3可以看出，虽然负介电常数材料a层厚度发生小的变化，但由于b介质层的厚度没有变化，电磁波在介质层中的传播的模式没有发生变化，te和tm波的透射波的中心频率没有变化。对te波而言，存在3个透射频率，tm波存在两个透射频率，与图2(a)类似。因此入射角为θ＝0°，在a层厚度不大情况下，同样实现特定频率tm和te的电磁波在多层介质中的传输和分离。当入射角较大时，情形与图2相似。

虽然电磁波在负介电常数介质层a中是衰减传播，当其厚度足够小(小于传播波的波长)，电磁波可以传播到传输到b层，通过ab介质层的特殊的谐振结构，实现电磁波能量的传输。但当介质层a厚度较大时(大于传播波长)，则电磁波无法实现穿透a层到达b层，实现电磁波在介质层的传播。

实施例3

如图4所示，在本实施例中，入射角θ为0°，负介电常数介质层a厚度为d1＝6.0×10^-4m，b介质层厚度分别为d2＝1.5×10^-3m(4-a)，d2＝2.0×10^-3m(4-b)，d2＝2.5×10^-3m(4-c)，d2＝3.0×10^-3m(4-d)。由图4可以看出，当入射角θ为0°时，不同厚度的各向异性介质层b，仍然存在特定频率的tm和te电磁波可以在介质层中传播，同时由于厚度的变化，tm和te波透射频率随之发生变化。

由于电磁波在介质层中传播是通过介质层的谐振模式进行，当各向异性人工电磁材料b的变化时，a和b介质层所构成的谐振结构不同，导致结构的谐振模式不同。随着b层厚度增加，一方面电磁波在ab结构中的谐振模式频率降低，另一方面能在ab结构中传播的模式更多(图4-d)。因此可通过改变b层结构的厚度，实现不同频率的te和tm波的在介质中的传播和分离。

实施例4

图5和图6分别图2-a时的条件下(即θ＝0°，d1＝6.0×10^-4m，d2＝2.0×10^-3m时)，f＝1.104×10¹¹hz的te波和f＝1.031×10¹¹hz的tm波沿z轴传播时电场ey的分布图，图中的虚线表示不同的介质层。可以看出，10层介质构成了两个aba谐振结构，tm和te波在其中有特定的谐振和传播模式。

原理分析如下：当电磁波入射到多层介质时，由于a介质层填充的负介电常数材料，在z方向的波矢量kz是虚数，电磁波在传播方向不断衰减，无法远距离传输(也称伪传播模式)。但如果a介质层的厚度小于透射波的波长时，电磁波可以穿透a层达到b层。在b介质层，由于两边均为负介电常数材料，可以将aba看成一个类似二维金属板波导的结构单元。当从电磁波入射到单元结构时，如果波的频率满足结构单元的导波或谐振频率时，该频率的波可以在该单元结构中传输，并由于a层厚度小于入射波的波长，电磁波可以穿过多层介质单元结构，形成传播波。

在二维金属板波导中和(k是整数，h是二维金属板的厚度)分别表示te和tm波在二维金属波导中所满足的导波条件。由于负介电常数材料a层不是理想的导体，在aba等效的谐振结构中，电磁波的谐振模式和导播模式与理想的二维波导有些差异，其中h不是各向异性介质层b的厚度，而应该是aba等效的谐振结构的有效厚度。

当电磁波的入射角较大时，由色散关系可看出，tm和te波的导波条件不同，透射波的频率也不同，两种不同模式的波可以分离。当入射角很小，特别是0°时，如果是b层是各向同性介质，tm和te波在介质层中的导波模式相同，无法实现分离。但如果b层是各向异性的人工材料时，由色散关系可看出，各向异性的电磁参数决定了tm和te波不同的kz值，导致tm和te波在介质层中的导波条件不同，从而实现波的分离。