用旋转的一维异向介质构成电磁波束分离器及分离方法

摘要

本发明公开了一种用旋转的一维异向介质构成电磁波束分离器及分离方法。电磁波束分离器是一个平板，该平板由多层用磁导率只有在一个主轴上为负且介电常数只有在另一个主轴上为负的一维异向介质构成的矩形状单元错开排列而成。本发明根据TE(TM)入射电磁波束工作频率可以选择负磁导率(负介电常数)主轴的旋转角度和负磁导率(负介电常数)的色散特性，使得工作在一维异向介质负通带范围的两个不同频率的电磁波束可以被分离成两束单频率的透射电磁波束，其出射点位于法线的两侧，具有空间分离的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过用旋转的一维异向介质构成电磁波束分离器及分离方法。

背景技术

前苏联科学家V.G.Veselago在1968年指出：当介质的介电常数ε与磁导率μ同时为负数时，其折射率将变为负值。这种ε和μ同时为负的介质的英文名称为Left-handed Material。美国麻省理工学院J.A.Kong教授命名其中文名称为“异向介质”。2001年，美国加州大学San Diego分校的D.R.Smith等人根据英国帝国理工学院J.B.Pendry的研究结果，首次构造出ε与μ同时为负的人工介质，其方法是采用细金属导线阵列构造等效介电常数为负值的介质，采用金属开路环形谐振器阵列构造等效磁导率为负值的介质，然后通过将这两种阵列混合放置在一起，从而构成一种等效的人工电磁异向介质。现在实验室中可以实现的异向介质包括二维以及一维异向介质，其不同在于，前者的电磁色散特性为闭合的圆型或者椭圆型，而后者为双曲线型。对于一维异向介质，由于其独特的电磁色散特性，已经有一些不同于其他各向异性材料的电磁特性表现出来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过用旋转的一维异向介质构成的电磁波束分离器及分离方法，可以根据要分离的波束的频率和偏振来选择一维异向介质的色散特性以及介质主轴的旋转角度，使得不同频率的波束的出射点位于法线的两侧，达到空间分离的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、一种通过用旋转的一维异向介质构成电磁波束分离器：

电磁波束分离器是一个平板，该平板由多层用磁导率只有在一个主轴上为负且介电常数只有在另一个主轴上为负的一维异向介质构成的矩形状单元组合而成，每个矩形状单元是由多片刻有产生负介电常数和负磁导率的周期排列的金属图案的印刷电路板和没有任何金属图案的空印刷电路板间隔排列粘制而成的，相邻矩形状单元之间是错开一个周期金属图案距离σ，使相邻矩形状单元共同部分的金属图案仍然能够重叠起来。

2、一种用旋转的一维异向介质分离电磁波束的方法：

1)若分离器平板是用于电场垂直于入射平面的TE入射电磁波束，则介电常数为负的主轴e₂垂直于入射平面，磁导率为负的主轴e₁在入射平面内与平板的一个边界形成一个θ角，该θ角为锐角；当TE入射电磁波束从在入射平面的磁导率为正的主轴e₃所穿过的象限入射时，即从穿过入射点对应的法线与平板边界形成的包含主轴e₃的区域入射，并且入射波束的频率在一维异向介质的介电常数和磁导率同时为负的频带内，即负通带内，利用一维异向介质特有的双曲线型色散关系与负介电常数和负磁导率随频率变化的特性，在平板另一个边界的波束的出射点会根据入射波束的频率而处于法线的不同侧，从而使具有两个不同频率的同入射方向同入射点的电磁波束在通过该平板时，被分离成两束单频率透射电磁波束，并且分列与法线的两侧，达到了空间分离。

2)根据电磁场的对偶性质，对于磁场垂直于入射平面的TM入射波束，亦能实现波束分离。

3)该电磁波束分离器是基于一维异向介质特有的双曲线型的电磁色散特性，因此对于在任何电磁波段，只要该波段内的一维异向介质可以实现，则根据1)所述的方法，能实现该波段内的电磁波束的分离。

4)对于具有一维异向介质相似的双曲线型的电磁色散特性的介质，亦能用1)所述的方法实现该电磁波束分离。

本发明具有的有益的效果是：根据TE(TM)入射电磁波束的工作频率可以选择负磁导率(负介电常数)主轴的旋转角度和负磁导率(负介电常数)的色散特性，使得工作在一维异向介质负通带范围的两个不同频率的同入射方向、同入射点的电磁波束可以被分离成两束单频率的透射电磁波束，其出射点位于法线的两侧，具有空间分离的效果。

附图说明

图1是电磁波束分离器的结构俯视图。

图2为图1中A向的构成一维异向介质平板的一个矩形状单元的视图。

图中：1、为TE入射电磁波束，2、为入射点对应的法线，3、为透射电磁波束，4、平板，5、矩形状单元。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的电磁波束分离器是一个平板4。图1是电磁波束分离器的结构俯视图。如图中所示，平板4边界在x方向，法线在z方向。入射平面为x-z平面，或者e₁-e₃平面。e₁，e₂和e₃为一维异向介质的三个主轴。e₁轴为磁导率为负的在入射平面内的主轴，e₂为介电常数为负的垂直于入射平面的主轴，以及e₃为磁导率为正的在入射平面内的主轴。θ为e₁轴与界面所形成的角度。整个平板4由多层矩形状单元5组成，每个矩形状单元5的厚度为δ。每个矩形状单元5是由多片刻有产生负介电常数和负磁导率的周期排列的金属图形(图2为一种S型，也可以为其他一维异向介质的图形，如Ω型等)的印刷电路板和没有任何金属图案的空印刷电路板间隔排列粘制而成的，厚度δ由印刷电路板的片数决定。当用这些矩形状单元5构成平板4的时候，相邻矩形状单元5之间是错开一个周期图案距离σ的，这使得相邻矩形状单元5共同部分的金属图案仍然能够重叠起来。

对于TE入射电磁波束1，波束从e₃轴所穿过的象限入射，平板4根据波束的频率而使波束具有不同的出射点，如在法线的上方(实线所表示的波束)，或者在法线下方(虚线所表示的波束)。上述的结构可以使频率在一维异向介质负通带内的电磁波束具有不同的折射行为。若负磁导率为正常色散的，即是其实部随频率而增加，则整个负通带可以被分成两个部分。当电磁波束的频率在低频部分，波束在介质内则可以感受到负的折射，出射出介质时则可以观察到波束具有负的偏移；对于在高频部分的电磁波束，则得到正的偏移。从而使得具有两个不同频率的同方向，同入射点的TE入射电磁波束1被分离成两束单频率的波束，并且两束单频率的透射电磁波束3位于法线不同侧，达到了空间分离波束的目的。该频率分界点由负磁导率主轴与介质边界角度以及介质负磁导率的色散特性决定。根据电磁理论的对偶性质，对于TM入射电磁波束，则决定频率分界点的为负介电常数及其主轴与界面的角度。