[發明專利]一種應用于單模金屬波導的電介質全反射器設計方法

在審

• 申請號: 202210337296.0
• 申請日: 2022-04-01
• 公開（公告）號: CN114710851A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 賈秀波
• 申請（專利權）人: 湖南理工職業技術學院
• 主分類號: H05B6/64
• 分類號: H05B6/64
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發明公開了一種基于電磁超材料的電介質全反射器設計方法。其步驟為：根據單模金屬波導的工作頻率及尺寸，確定波導主模和各階高階模式的電磁場橫向分布；選取電介質材料作為制備電磁超材料的原材料；設計基于電介質的電磁超材料，使其能對單模金屬波導基模電磁場的偏振、相位或振幅分布進行調制，且調制后的電磁場僅能激發單模波導的高階模，或利用變換光學原理，設計根據輸入為金屬波導基膜電磁場和輸出為某高階模電磁場的基于電介質的電磁超材料。本發明對于調節波導內電磁場空間相位、改善波導內物料加熱均勻性具有重要應用價值。

技術領域

本發明涉及一種應用于單模金屬波導的電介質全反射器設計方法，屬于微波技術領域。

背景技術

微波處理如微波消菌殺毒、微波殺蟲、微波加熱、微波干燥等具有高效、快速、節能以及整體處理等眾多優點，已被廣泛應用于工業、農業、醫療和食品加工等領域。

為了防范微波泄露帶來的電磁污染和電磁干擾，微波處理通常在金屬腔內進行。由于微波腔內電磁場諧振模式的電磁功率空間分布不均，經常導致有些物料已經過處理(如過熱)，有些物料還欠處理(如未熱起來),從而大大限制了微波處理在更多領域的推廣和應用。如何有效地改善微波處理均勻性已成為微波能應用推廣的重要課題。

四川大學黃卡瑪課題組通過移動矩形波導金屬壁調節腔內電磁場的空間相位，移動矩形波導內駐波場的波節點和波腹點，大大改善了矩形波導內物料的加熱均勻性。然而，為了防止微波泄露，金屬壁通常與矩形波導緊密貼合，這就使得金屬壁在矩形波導內移動時難免形成非常小的縫隙，從而在高功率微波激勵下放電、打火，影響設備的安全運行。。

工作于光子禁帶的光子晶體是一種常見的電介質全反射器。具有全向禁帶的二維和三維光子晶體結構復雜，加工較困難。而且，二維和三維光子晶體的全向禁帶通常發生在歸一化頻率(a/λ，其中a為晶格常數，λ為真空波長)比較高的頻段(如0.3a/λ0.6),這意味著這種光子晶體并不適用于常見的工作于主模的矩形波導或圓柱波導——因為單模傳輸的矩形波導和圓柱波導的橫向尺寸與光子晶體的晶格常數a差不多，也就是說波導橫向尺寸只有光子晶體的一個周期甚至不到一個周期。這樣，光子晶體禁帶所依賴的周期性被破壞，光子禁帶特性也就難以維持。相比之下，一維光子晶體是一種只在一個空間維度周期性堆垛的層狀結構，也可以實現光子禁帶，且沒有上述橫向尺寸問題。但是，為了實現全反射，基于光子晶體禁帶的電介質全反射器的厚度通常都比較大(一般都大于半個工作波長)，如工作于2.45GHz的光子晶體全反射器的厚度一般都不會小于6cm。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種應用于單模金屬波導的電介質全反射器設計方法。本發明解決了傳統金屬腔壁移動容易放電打火、基于光子禁帶的二維和三維光子晶體失效及一維光子晶體過厚等問題。

本發明所采用的技術方案是：一種應用于單模金屬波導的電介質全反射器設計方法，包括以下步驟：

步驟1：根據單模金屬波導的工作頻率及尺寸，確定波導主模和各階高階模式的電磁場橫向分布；

步驟2：選取電介質材料作為制備電磁超材料的原材料；

步驟3：設計基于電介質的電磁超材料，使其能對單模金屬波導基模電磁場的偏振、相位或振幅分布進行調制，且調制后的電磁場僅能激發單模波導的高階模。

一種應用于單模金屬波導的電介質全反射器設計方法，包括以下步驟：

步驟1：根據單模金屬波導的工作頻率及尺寸，確定波導主模和各階高階模式的電磁場橫向分布；

步驟2：選取電介質材料作為制備電磁超材料的原材料；

步驟3：利用變換光學原理，設計輸入為金屬波導基膜電磁場而輸出為某高階模電磁場的電介質電磁超材料。