一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法。

背景技术

零折射率材料是近年来电磁学、物理学的研究热点。这种材料由于具有近零折射率，因此具有许多独特的电磁特性，譬如高增益、隧穿效应、波前裁剪等等。除了上述特性外，零折射率材料还具有光子掺杂效应。具体来讲，光子掺杂类似于半导体掺杂的概念，指在零折射率材料中放入经过设计的电介质块作为掺杂物，通过掺杂物内部的场分布显著地影响、改变零折射率材料的宏观特性。但是，零折射率材料的掺杂物通常都是固定尺寸的，不具有可调节的能力；另一方面，如何实现三维的零折射率材料也是目前的一大难点。基于此，对矩形波导内的可调空腔掺杂研究应运而生。矩形波导可以通过工作在截止频率使得电磁波在传播方向上的波长接近无穷大，同时设计的TE10模使得波在波导高度向上的波长也趋于无穷大，因此在XoY二维平面内，波导等效于一块二维各向同性的近零介电常数材料，这使得矩形波导具备光子掺杂的条件，以此为基础设计可调掺杂空腔，通过空腔内的金属板移动改变腔内场分布，空腔整体等效于一块性质可变的掺杂电介质，从而使得波导的透射特性随着金属板移动得到调节。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法，通过利用掺杂空腔内置可移动金属棒的方法设计了一种透射性可调的矩形波导，可以在工作频率下实现波导的全透射和全反射，解决目前零折射率材料掺杂不可调的的问题。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法，包括以下步骤：

步骤1：选择矩形波导工作的截止频率I和传输模式；

步骤2：确定波导整体结构尺寸以及波导端口填充的电介质；

步骤3：依据光子掺杂理论，确定嵌入波导内的掺杂介质的介电常数和磁导率以及介质整体尺寸；

步骤4：通过全波仿真软件仿真波导的散射参数确定嵌入波导内并与波导相接的掺杂介质能使波导的透射系数接近于1；

步骤5：确定嵌入波导中的可调掺杂空腔的介电常数和磁导率，可调掺杂空腔由电介质块和嵌入电介质块中的金属板组成，通过推导腔体中的金属板与电介质块耦合的电磁场模式以及x、y、z方向波数分量的关系确定腔体整体尺寸，确定位于空腔中的金属板的尺寸；

步骤6：通过全波仿真软件模拟移动金属板调节波导的透射特性，移动金属板可以使得波导从全透射变为全反射，通过等效参数提取算法计算出金属棒移动过程中波导的等效磁导率，提取出的磁导率曲线是一个磁谐振。

进一步的，在步骤1中，所述波导的工作频率在微波波段，且波导传输模式为TE10模，工作频率为TE10模的截止频率。

进一步的，在步骤2中，所述波导整体结构包括入射端口、传输部分、出射端口的金属结构的几何参数和金属材料以及入射、出射端口填充的电介质材料。

进一步的，所述金属材料为铜或铝，填充的电介质为非磁性的微波材料，介电常数为2-10之间，磁导率为1。

进一步的，在步骤3中，所述光子掺杂理论为横磁波入射近零介电常数材料时的等效磁导率公式：

其中，μ

进一步的，在步骤3中，所述掺杂介质为非磁性的微波材料，介电常数为20-50之间，磁导率为1。

进一步的，在步骤4中，所述全波仿真软件采用COMSOL软件。

进一步的，在步骤5中，所述可调掺杂空腔的尺寸由x、y、z波数关系式确定，关系式为：

其中，λ

进一步的，在步骤6中，所述移动金属板是指在可调空腔中沿着TE波传播方向前后移动，从空腔的一端移动到另一端。

进一步的，在步骤6中，所述磁谐振指磁导率在某一段位置区间内，磁导率将从负的极大值变化到正的极大值或从正的极大值变化到负的极大值，中间某一区间过零点。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明的矩形波导利用可调掺杂介质空腔，具有透射特性可调的优点；

2、本发明的矩形波导工作在截止频率具有零折射率材料的性质，制作成弯曲波导、不连续波导依然具有可调功能；

3、本发明的矩形波导可以通过调节金属板位置实现两个填充不同介质端口间的匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导整体结构示意图；

图2是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导内部结构透射图；

图3是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导正视图；

图4是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导侧视图；

图5是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导俯视图；

图6是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的掺入掺杂介质后波导透射性接近1的仿真图；

图7是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的掺入掺杂介质后波导y方向电场分量的空间幅度分布图；

图8是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导内可调掺杂空腔的示意图；

图9是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导内可调掺杂空腔中磁场各分量Matlab示意图；

图10是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导内可调掺杂空腔中磁场各分量COMSOL仿真图；

图11是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导全透射仿真图；

图12是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导全透射时的y方向电场分量的空间幅度分布图；

图13是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导全反射仿真图；

图14是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的波导全反射时的y方向电场分量的空间幅度分布图；

图15是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的可调掺杂空腔内金属板沿x方向移动时对应位置处的S11散射参数；

图16是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的可调掺杂空腔内金属板沿x方向移动时对应位置处的S21散射参数；

图17是本发明一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法工作于5.8GHz时的根据S11、S21参数提取出的等效磁导率。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本实施例公开了一种利用金属背板和介质空腔制作透射性可调波导的方法，包括以下步骤：

步骤1：选择矩形波导工作的截止频率I和传输模式；

步骤2：确定波导整体结构尺寸以及波导端口填充的电介质；

步骤3：依据光子掺杂理论，确定嵌入波导内的掺杂介质的介电常数和磁导率以及介质整体尺寸；

步骤4：通过全波仿真软件仿真波导的散射参数确定嵌入波导内并与波导相接的掺杂介质能使波导的透射系数接近于1；

步骤5：确定嵌入波导中的可调掺杂空腔的介电常数和磁导率，可调掺杂空腔由电介质块和嵌入电介质块中的金属板组成，通过推导腔体中的金属板与电介质块耦合的电磁场模式以及x、y、z方向波数分量的关系确定腔体整体尺寸，确定位于空腔中的金属板的尺寸；

步骤6：通过全波仿真软件模拟移动金属板调节波导的透射特性，移动金属板可以使得波导从全透射(透射系数接近1)变为全反射(透射系数接近0)，通过等效参数提取算法计算出金属棒移动过程中波导的等效磁导率，提取出的磁导率曲线是一个磁谐振。

进一步的，在步骤1中，所述波导的工作频率在微波波段，且波导传输模式为TE10模，工作频率为TE10模的截止频率。

进一步的，在步骤2中，所述波导整体结构包括入射端口、传输部分、出射端口的金属结构的几何参数和金属材料以及入射、出射端口填充的电介质材料。所述掺杂介质的几何参数包括介质的长度、宽度和厚度，介质宽度与波导相同，通过优化波导透射系数(趋近于1)确定介质的长度和厚度。

优选的，所述金属材料为铜或铝，填充的电介质为非磁性的微波材料，介电常数为2-10之间，磁导率为1。

进一步的，在步骤3中，所述光子掺杂理论为横磁波(TM波)入射近零介电常数材料时的等效磁导率公式：

其中，μ

优选的，在步骤3中，所述掺杂介质为非磁性的微波材料，介电常数为20-50之间，磁导率为1。

优选的，在步骤4中，所述全波仿真软件采用COMSOL软件。

进一步的，在步骤5中，所述可调掺杂空腔的尺寸由x、y、z波数关系式确定，关系式为：

其中，λ

进一步的，在步骤6中，所述移动金属板是指在可调空腔中沿着TE波传播方向(x方向)前后移动，从空腔的一端移动到另一端。

进一步的，在步骤6中，所述磁谐振指磁导率在某一段位置区间内，磁导率将从负的极大值变化到正的极大值或从正的极大值变化到负的极大值，中间某一区间过零点。

具体实施步骤：

(1)选择矩形波导的工作频率f＝5.8GHZ。

(2)确定波导整体结构尺寸以及波导端口填充的电介质。如图1-5所示，本实施例包括宽度(z方向)为c/2f＝25.8mm，其中c为真空中光速，高度(y方向)为10mm，入射端口以及出射端口长度(x方向)为103.2mm，传输部分长度(x方向)为80mm，波导自身厚度为5mm，采用金属铜，入射端口和出射端口填充的材料为RT duroid 6002。

(3)确定嵌入波导内的掺杂介质的尺寸，宽度为25.8mm，高度为4.8mm，长度为12mm，材料为介电常数为37的微波介电陶瓷。

(4)如图6和7所示，确定嵌入波导内的掺杂介质的透射系数接近1。

(5)如图8所示，是本发明的一种可调掺杂空腔结构，沿z方向为宽度d

(6)如图9和10所示，是可调掺杂空腔中各磁场分量的Matlab和软件仿真对比图，利用波导方程推导出腔内的电磁场如下：

其中各波数分量为：

(7)如图11-14所示，是移动空腔内金属板使得波导从全透射变为全反射的电磁软件仿真图。如图15-17所示，是金属板移动过程中提取的S参数以及计算得到的等效磁导率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。