一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法
技术领域
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介质构建宽带亚波长波导连接器的方法。
背景技术
弯曲波导连接器主要用于重定向在不同波导内部传播的电磁波，而电磁波通常在某种程度上会受到反射和模式失真的影响（在尖角附近更为严重）。研究者们已经提出了几种减少反射和模式失真的方法来提高波导弯曲的透射率，包括微棱镜连接器，光子晶体连接器，等离激元连接器，几何光学连接器，近零折射率材料连接器，变换光学连接器等。 其中近零折射率材料连接器由于其透射率接近100%以及灵活的结构（形状任意且对其中的缺陷不敏感）而备受关注。然而近零折射率连接器也有其本身的缺点，比如窄带、损耗等。
发明内容
针对现有采集方法的不足，提出用渐变折射率材料来实现和近零折射率材料连接器同样的功能，即具有完美透射且对连接器中的缺陷不敏感，同时拥有宽带和低损耗的特性。
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介质构建宽带亚波长波导连接器的方法，包括：
构建初始的近零折射率材料波导连接器，即在两个矩形波导之间通过近零折射率材料通道来连接实现；
对初始的亚波长波导连接器进行保角变换以提高折射率；变换后，初始波导连接器中端部的矩形波导保持不变；中部的矩形波导转换为高折射率渐变介质，形成波导适配器；零折射率材料转换为介电常数为1的均匀材料，形成波导连接器；
通过调整波导连接器的高度，进行波导适配器和波导连接器的阻抗匹配，获得具有最高透射率的亚波长波导连接器组件；
将两个亚波长波导连接器组件的波导连接器镜像连接，得到电磁波在其中无损传播的宽带亚波长波导连接器。
其中，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，波导连接器的端口与波导适配器的连接端口一致，其余部分结构形状任意。
其中，保角变换使用Zhukovski变换，将空气变为如下公式描述的折射率：
（x,y）为变换之后的亚波长波导连接器上各点在Zhukovski变换构建的坐标系中的坐标值；a为圆形支割线的半径。
区别于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明有效的解决了传统近零折射率材料实现的波导连接器出现的窄带和较高损耗问题；将波导连接器的透射率提高到接近1；本发明中的连接器部分对于内部的杂质缺陷不敏感，而且形状可以任意改变，这一点和零折射率连接器相似；本发明中的波导连接器可以连接任意两个夹角的波导，包括180度这种传统实现方法很难实现的情况；本发明中的连接器部分和波导适配器部分的材料均为普通的介质，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介质构建宽带亚波长波导连接器的方法的初始的近零折射率波导连接器的结构示意图。
图2是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中初始的亚波长波导连接器经过保角变换的结构示意图。
图3是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中调整波导连接器高度的示意图。
图4是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中得到的宽带亚波长波导连接器一种实施方式的结构示意图。
图5是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中得到的宽带亚波长波导连接器另一种实施方式的结构示意图。
图6是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中宽带亚波长波导连接器的仿真传输示意图。
图7是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中宽带亚波长波导连接器的放大示意图。
图8是本发明提供的一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法中带有缺陷的宽带亚波长波导连接器的放大示意图。
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。
本发明提供了一种用渐变折射率介质构建宽带亚波长波导连接器的方法，包括：
构建初始的近零折射率材料波导连接器，即在两个矩形波导之间通过近零折射率材料通道来连接实现；
对初始的亚波长波导连接器进行保角变换以提高折射率；变换后，初始波导连接器中端部的矩形波导保持不变；中部的矩形波导转换为高折射率渐变介质，形成波导适配器；零折射率材料转换为介电常数为1的均匀材料，形成波导连接器；
通过调整波导连接器的高度，进行波导适配器和波导连接器的阻抗匹配，获得具有最高透射率的亚波长波导连接器组件；
将两个亚波长波导连接器组件的波导连接器镜像连接，得到电磁波在其中无损传播的宽带亚波长波导连接器。
其中，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，波导连接器的端口与波导适配器的连接端口一致，其余部分结构形状任意。
其中，保角变换使用Zhukovski变换，将空气变为如下公式描述的折射率：
（x,y）为变换之后的亚波长波导连接器上各点在Zhukovski变换构建的坐标系中的坐标值；a为圆形支割线的半径。
如图1顶视图所示，图1为初始的近零折射率波导连接器的示意图，其中，区域1采用普通的矩形波导，填充其中的为空气（n=1）；区域3为近零折射率材料部分（n=e=m=d»0），除了两端和波导端口一致外其他部分的形状任意；区域2为连接矩形波导和零折射率材料的部分，它和区域1材料一样（空气n=1）。
通过保角变换（比如Zhukovski变换）将1、2、3区域的材料折射率提高至M(r)n，其中M(r)为和位置r=(x,y)相关的放大因子，n为变换之前原来的折射率。通过合适的变换，如图2顶视图所示，区域1保持不变（仍为空气），区域2转化为区域4中的高折射率渐变介质（波导适配器），区域3转化为区域5中的介电常数接近1的均匀材料（波导连接器）。
图2中区域5的磁导率仍近零：m=d»0，如果将其提高到1，即非磁性材料，则会导致阻抗失配，通过改变区域5的高度（改变之后为区域6）来将区域4和区域6（非磁性材料）进行阻抗匹配，从而获得最高透射率。修改高度后的侧视图如图3所示。磁性材料（区域5）变为高度缩小的非磁性材料（区域6）。通过仿真软件执行上述步骤，得到区域4和区域5，通过改变区域5的高度，得到最高透射率。通过仿真，确定最高透射率对应的区域5的高度，并在实际结构中改变区域5的高度，使其与仿真得到的区域5高度相同，作为区域6。
具体的，将任意形状的零折射率材料（e=m=0.01）放置在合理的区域，保证连接器区域内材料通过公式（1）变换之后折射率大于1。零折射率材料端口为2m*0.02m，保持和波导端口一致。变换之后为了使用更简单的非磁性材料来实现连接器部分，将其变换前的参数修改为（e=0.0001,m=1），同时将其高度调节至0.0002m来实现阻抗匹配。得到的宽带亚波长波导连接器的结构如图4和图5所示。
在区域6右端连接另外的一个波导（右端区域1）和适配器（右端区域4）即可实现电磁波在两个波导之间无损传播。箭头方向代表电磁波传播方向。
对该实施例的仿真的结果如图6所示，实现了TE模式的电磁波60度偏转，黑白条纹代表了波峰和波谷，可见透射电磁波波前没有改变。图7为放大后的连接器部分，是一个条状的介质板，折射率略大于1。图8展示了连接器对于其中的缺陷不敏感的特性，其中加入了3个大小不同的孔洞，其未对电磁波的透射特性产生影响。
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。
