1.本发明涉及一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，属于微波技术领域。
背景技术：2.微波处理如微波消菌杀毒、微波杀虫、微波加热、微波干燥等具有高效、快速、节能以及整体处理等众多优点，已被广泛应用于工业、农业、医疗和食品加工等领域。
3.为了防范微波泄露带来的电磁污染和电磁干扰，微波处理通常在金属腔内进行。由于微波腔内电磁场谐振模式的电磁功率空间分布不均，经常导致有些物料已经过处理(如过热)，有些物料还欠处理(如未热起来),从而大大限制了微波处理在更多领域的推广和应用。如何有效地改善微波处理均匀性已成为微波能应用推广的重要课题。
4.四川大学黄卡玛课题组通过移动矩形波导金属壁调节腔内电磁场的空间相位，移动矩形波导内驻波场的波节点和波腹点，大大改善了矩形波导内物料的加热均匀性。然而，为了防止微波泄露，金属壁通常与矩形波导紧密贴合，这就使得金属壁在矩形波导内移动时难免形成非常小的缝隙，从而在高功率微波激励下放电、打火，影响设备的安全运行。。
5.工作于光子禁带的光子晶体是一种常见的电介质全反射器。具有全向禁带的二维和三维光子晶体结构复杂，加工较困难。而且，二维和三维光子晶体的全向禁带通常发生在归一化频率(a/λ，其中a为晶格常数，λ为真空波长)比较高的频段(如0.3《a/λ《0.6),这意味着这种光子晶体并不适用于常见的工作于主模的矩形波导或圆柱波导——因为单模传输的矩形波导和圆柱波导的横向尺寸与光子晶体的晶格常数a差不多，也就是说波导横向尺寸只有光子晶体的一个周期甚至不到一个周期。这样，光子晶体禁带所依赖的周期性被破坏，光子禁带特性也就难以维持。相比之下，一维光子晶体是一种只在一个空间维度周期性堆垛的层状结构，也可以实现光子禁带，且没有上述横向尺寸问题。但是，为了实现全反射，基于光子晶体禁带的电介质全反射器的厚度通常都比较大(一般都大于半个工作波长)，如工作于2.45ghz的光子晶体全反射器的厚度一般都不会小于6cm。
技术实现要素：6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法。本发明解决了传统金属腔壁移动容易放电打火、基于光子禁带的二维和三维光子晶体失效及一维光子晶体过厚等问题。
7.本发明所采用的技术方案是：一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，包括以下步骤：
8.步骤1：根据单模金属波导的工作频率及尺寸，确定波导主模和各阶高阶模式的电磁场横向分布；
9.步骤2：选取电介质材料作为制备电磁超材料的原材料；
10.步骤3：设计基于电介质的电磁超材料，使其能对单模金属波导基模电磁场的偏
振、相位或振幅分布进行调制，且调制后的电磁场仅能激发单模波导的高阶模。
11.一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，包括以下步骤：
12.步骤1：根据单模金属波导的工作频率及尺寸，确定波导主模和各阶高阶模式的电磁场横向分布；
13.步骤2：选取电介质材料作为制备电磁超材料的原材料；
14.步骤3：利用变换光学原理，设计输入为金属波导基膜电磁场而输出为某高阶模电磁场的电介质电磁超材料。
15.本发明的技术效果在于：本发明利用全电介质超材料将单模金属波导中的基模电磁场转换成仅能激发该波导某一高阶模的电磁场，由于该高阶模不能在单模金属波导中传播而实现对入射基模电磁波的全反射。本发明的电介质超材料全反射器,不含金属部件，可以在单模金属波导中安全移动，可解决传统金属腔壁移动容易放电打火、基于光子禁带的二维和三维光子晶体失效以及一维光子晶体过厚等技术问题，本发明对于调节波导内电磁场空间相位、改善波导内物料加热均匀性具有重要应用价值。
附图说明
16.图1是本发明实施例的三维结构示意图；
17.图2是本发明中电介质全反射器置于单模金属波导时波导内电磁场分布图；
18.图3是本发明中电介质全反射器移动到不同位置时矩形波导内电磁场的分布图。
具体实施方式
19.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不需要作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，包括以下步骤：
21.步骤1：根据单模金属波导的工作频率及尺寸，确定波导主模和各阶高阶模式的电磁场横向分布；
22.步骤2：根据实际工作需求选取合适的电介质材料作为制备电磁超材料的原材料，以不吸波的陶瓷材料(耐高温)或塑料(易于加工)为佳；
23.步骤3：设计基于电介质的电磁超材料，使其能对单模金属波导基模电磁场的偏振、相位或振幅分布进行调制，且调制后的电磁场仅能激发单模波导的高阶模，或利用变换光学原理，设计根据输入(即金属波导基膜电磁场)和输出(即某高阶模电磁场)来设计基于电介质的电磁超材料。由于高阶模式不能在单模金属波导中传播，因此波导中的基模经电磁超材料调制后被全反射。
24.具体实施例：
25.以工作于bj26矩形波导的电介质全反射器为例。一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，包括以下步骤：
26.步骤1：bj26矩形波导的单模工作频率范围为2.17ghz～3.3ghz，横截面尺寸为a
×
b＝86.4mm
×
43.2mm，以f＝2.45ghz作为工作频率。bj26矩形波导te模的数学表达式为：
[0027][0028]
tm模为：
[0029][0030]
其中hm为与激励源功率相关的参数，a、b、μ、ε、ω＝2πf分别为波导横向的长边和宽边、波导中填充介质的介电常数和磁导率及波导工作角频率；m和n分别为波导长边和短边的模指数；为为波导中电磁波的相位常数。bj26的主模为te
10
模(m＝1,n＝0)，其截止波数为kc＝π/a,其场分量为：
[0031][0032]
步骤2：以不吸波的高纯三氧化二铝陶瓷和聚丙烯为电磁超材料的原材料，二者的介电常数分别为9.8和1.8；
[0033]
步骤3：由(3)式可见，bj26的主模为te
10
模电场强度只有沿着短边b方向(y方向)的
分量。对比(1)式和(3)可以发现，如果将te
10
模的电场偏振方向绕传播方向(z方向)旋转90
°
即由原来沿着短边b方向(y方向)偏振变为沿着长边a方向偏振(x方向)，该方向偏振的电磁波为该波导的te
0n
模(n≥1)，而te
0n
模均为截止模，不能传输即基模将被全反射。因此，我们只要设计能将入射电磁波的偏振方向由y方向旋转到x方向的电介质超材料即可。如图1所示的多层电磁超材料是一种常见的各向异性电磁超材料(传统材料在微波段的各向异性比较微弱)，可将入射的te
10
模的电场偏振方向旋转90
°
，偏振旋转后的电磁波不能在bj26波导内传输而被全反射如图2所示。图1所示的多层电磁超材料由三氧化二铝陶瓷1和聚丙烯2一层层堆积而成，每层三氧化二铝陶瓷1和聚丙烯2的厚度均为e＝5mm。将该电介质超材料按bj26矩形波导横向尺寸切成如图1所示长方体，长边为a＝86.4mm，短边为b＝43.2mm，三氧化二铝陶瓷1和聚丙烯1与长方体的长、宽夹角为θ＝45
°
。这种多层电磁超材料是一种典型的人工各向异性材料，将bj26矩形波导te
10
模的电场强度(沿长方体窄边b方向偏振)分解成沿着层叠面方向和层叠面法向两个方向，这两个偏振的电磁波经过该多层电磁超材料后位相差为料后位相差为其中k0为真空波数，d为层状介质在传播方向上的厚度。n
||
和n
⊥
分别为层状介质对于层叠面方向和层叠面法向两个偏振波的折射率：
[0034][0035][0036]
因此，通过调整电磁波在该多层电磁超材料的传输距离d就可以实现对出射电磁波偏振方向的控制，从而实现全反射。对于如图1所示的电磁超材料，当d＝14.2mm时即可在bj26波导中实现全反射如图2所示，该厚度约为工作波长的十分之一。此外，我们还将该电介质全反射器在bj26波导中以20mm为步长移动，波导腔内场强分布随之移动如图3所示。
[0037]
当然，还可以将(3)式所示电磁波作为输入，(1)式和(2)式所表示的高阶模为输出，利用变换光学原理来设计全反射器。
[0038]
本发明提供一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，利用全电介质超材料将单模金属波导中的基模电磁场转换成仅能激发该波导某一高阶模的电磁场，由于该高阶模不能在单模金属波导中传播而实现对入射基模电磁波的全反射。本发明的电介质超材料全反射器,不含金属部件，可以在单模金属波导中安全移动，可解决传统金属腔壁移动容易放电打火、基于光子禁带的二维和三维光子晶体失效及一维光子晶体过厚等问题。
[0039]
当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
技术特征：1.一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据单模金属波导的工作频率及尺寸，确定波导主模和各阶高阶模式的电磁场横向分布；步骤2：选取电介质材料作为制备电磁超材料的原材料；步骤3：设计基于电介质的电磁超材料，使其能对单模金属波导基模电磁场的偏振、相位或振幅分布进行调制，且调制后的电磁场仅能激发单模波导的高阶模。2.根据权利要求1所述的应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，其特征在于，所述步骤2中的电介质采用不吸波、耐高温的陶瓷材料或塑料。3.根据权利要求1所述的应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，其特征在于，所述步骤1中选用bj26矩形波导，单模工作频率f＝2.45ghz为工作频率，横截面尺寸为a
×
b＝86.4mm
×
43.2mm，bj26矩形波导te模的数学表达式为：tm模为：其中h
m
为与激励源功率相关的参数，a、b分别为波导横向的长边和宽边，μ为波导中填充介质的介电常数，ε为磁导率，ω＝2πf为波导工作角频率；m和n分别为波导长边和短边的模指数；为为波导中电磁波的相位常数，bj26的主模
为te
10
模，m＝1,n＝0，其截止波数为k
c
＝π/a,其场分量为：以不吸波的高纯三氧化二铝陶瓷和聚丙烯为电磁超材料的原材料，二者的介电常数分别为9.8和1.8；多层电磁超材料由三氧化二铝陶瓷和聚丙烯一层层堆积而成，每层三氧化二铝陶瓷和聚丙烯的厚度均为e＝5mm，将该电介质超材料按bj26矩形波导横向尺寸切成长方体，长边为a＝86.4mm，短边为b＝43.2mm，三氧化二铝陶瓷和聚丙烯与长方体的长、宽夹角为θ＝45
°
。4.一种应用于单模金属波导的电介质全反射器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据单模金属波导的工作频率及尺寸，确定波导主模和各阶高阶模式的电磁场横向分布；步骤2：选取电介质材料作为制备电磁超材料的原材料；步骤3：利用变换光学原理，设计输入为金属波导基膜电磁场而输出为某高阶模电磁场的电介质电磁超材料。
技术总结本发明公开了一种基于电磁超材料的电介质全反射器设计方法。其步骤为：根据单模金属波导的工作频率及尺寸，确定波导主模和各阶高阶模式的电磁场横向分布；选取电介质材料作为制备电磁超材料的原材料；设计基于电介质的电磁超材料，使其能对单模金属波导基模电磁场的偏振、相位或振幅分布进行调制，且调制后的电磁场仅能激发单模波导的高阶模，或利用变换光学原理，设计根据输入为金属波导基膜电磁场和输出为某高阶模电磁场的基于电介质的电磁超材料。本发明对于调节波导内电磁场空间相位、改善波导内物料加热均匀性具有重要应用价值。改善波导内物料加热均匀性具有重要应用价值。改善波导内物料加热均匀性具有重要应用价值。
技术研发人员：贾秀波
受保护的技术使用者：湖南理工职业技术学院
技术研发日：2022.04.01
技术公布日：2022/7/5
