基于蜂窝状磁光光子晶体平板单向边界态的微波拓扑天线

1.本发明属于微波光学、拓扑光子学、磁光光子晶体领域，特别涉及基于蜂窝状磁光光子晶体平板单向边界态的微波拓扑天线。


背景技术：

2.许多光子的实际应用需要某种形式的能量提取，这意味着损失(和增益)是系统的重要组成部分。在涉及天线的波-物质相互作用的一个截然不同的领域，天线阵列技术在过去几十年里取得了惊人的发展。尽管如此，天线的阻抗匹配是天线设计的关键环节和重要挑战，也就是说，确保发射天线的输入阻抗尽可能接近连接信号源的管道(如传输线、波导等)的特性阻抗，从而减少反射信号。当实现这种阻抗匹配时，保证了能量从源到天线的最佳无反射转移(或通过接收天线将捕获的能量互易转移到传输线)。使这种阻抗匹配具有挑战性的是来自天线的反射信号的存在，在相位天线阵列的设计中，也会在信号相位中引入干扰，这是在相邻天线单元之间选择适当的分离的一个重要因素，多年来，各种复杂的技术已经提供了这样的天线阻抗匹配和相控阵设计。然而，如果人们不必处理这些独立于天线输入阻抗的反射信号，天线的设计将变得简单得多。
3.时间反转对称在不同拓扑绝缘子的分类中起着至关重要的作用。当这种对称性被打破，真正的单向边缘状态出现，允许光在一个方向传播，并禁止任何类型的缺陷的后向散射。在这种独特的情况下，光向前传播，即使在碰撞缺陷或在无序介质中传播，甚至在任意角度急转弯。当保持时间反转对称时，每个正向传播的边缘状态都必须伴随着反向传播的边缘状态。一种产生拓扑单向边态的可行方法是将旋磁光子晶体置于外部静态磁场中，以打破时间反转对称性。当这种对称性被打破时，真正的拓扑边缘状态就出现了，使得电磁波和光在撞击缺陷或在无序介质中传播时能够平稳地向前传播，甚至能以任意角度急转弯。


技术实现要素：

4.为了克服现有天线阵列技术的缺点与不足，本发明的目的是在于提供一种新型的基于磁光光子晶体平板的实现微波拓扑天线的方法，避免来自天线的反射信号的干扰，完全克服背反射问题，简化漏波天线的设计。
5.在本发明中，展示了如何使用磁光光子晶体平板的拓扑边缘状态作为线馈给天线，为能量传递到天线提供了显著的改进和简化。利用拓扑边缘状态的单向无反射特性来避免向天线馈能时的各种匹配问题。这种方式与传统的线馈几何(如传输线)形成鲜明对比，在传统的线馈几何中，能量从天线反射回源，影响耦合效率。由于在这些拓扑边界态线路馈线中没有反射，天线阵列相邻元素之间的部分驻波(当反射存在时发生)被禁止，这在常规情况下通常是一项艰巨的任务。研究结果尤其适用于一般微波工程工具无法直接应用于纳米光子系统中的纳米天线的设计。相比之下，在常规的平凡漏波天线中，从输出口反向散射的能量通量将反射回之前的传输通道，甚至传输回线源，从而影响整个天线系统的能量传输和辐射效率。因此，边界态的单向特性可以完全克服背反射问题，简化漏波天线的设
计。
6.本发明采用以磁光光子晶体平板为基础结构，与传统的微波天线相比，解决了阻抗匹配问题，抗干扰能力大大增强；采用三层平板结构，具有更强的拓扑性，与传统的光子晶体结构相比，光子晶体平板在操作上更为便捷，更容易对窗口进行调控，可以实现任意方向的能量泄露。
7.本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
8.基于蜂窝状磁光光子晶体平板单向边界态的微波拓扑天线，以磁光材料为背景，利用空气柱构建蜂窝晶格磁光光子晶体平板结构，沿空气柱方向施加直流磁场，在外加磁场的作用下，蜂窝状磁光光子晶体的锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发拓扑边界态；
9.蜂窝晶格磁光光子晶体平板结构由上至下包括第一金属板、光子晶体平板和第二金属板；
10.磁光光子晶体平板夹在第一金属板和第二金属板之间，用于防止能量泄露，通过在其中第一金属板或第二金属板上开窗口来实现微波拓扑天线，对能量的泄露进行调控。
11.进一步地，与传统的光子晶体结构不同，所述磁光光子晶体平板采用光子晶体平板结构，即与传统光子晶体互补的结构；以磁光材料介质为背景，在光子晶体平板中构造多行组成蜂窝状晶格结构的空气孔，磁光光子晶体平板中的蜂窝状晶格结构具有锯齿状边缘和扶手椅边缘两种边缘结构，蜂窝晶格结构天然拥有这两种边界类型，在图1中，沿x方向的边界类型称为锯齿状边缘，沿y方向的边界类型称为扶手椅边缘，蜂窝状晶格结构即六角蜂窝晶格，蜂窝状磁光光子晶体是具有蜂窝状晶格结构的光子晶体。
12.进一步地，空气柱的半径大小为r，磁光光子晶体平板的厚度为0.1a，a为晶格常数。
13.进一步地，所述磁光材料采用钇铁石榴石铁氧体(yig)，其介电常数为15.26，磁化饱和强度为1884g。
14.进一步地，磁光光子晶体平板中至少包括七行蜂窝状晶格结构，以防止边界态的泄露，并将能量局域在边界处，宽度太小能量不能够局域在边界处。
15.进一步地，磁光光子晶体平板的工作频率范围为5.52～6.21(ghz)。
16.进一步地，改变泄露能量的大小是通过改变第一金属板或第二金属板的窗口大小和数量来实现的；
17.根据需要泄露的能量的大小，设置窗口的大小，在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处挖空形成窗口，实现调控能量的泄露，挖空窗口的面积越大，泄露的能量越多。
18.进一步地，在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处，通过挖空一个窗口来调控能量的泄露，形成微波拓扑天线结构。
19.进一步地，在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处，通过挖空多个窗口来泄露所有能量；
20.通过缩小窗口尺寸，增加窗口数量，将窗口构建为周期性窗口阵列，调控能量的泄露，形成微波拓扑天线结构。
21.进一步地，在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处的不同位置开多个窗口，将窗口级联，使其之间距离保持一致形成周期性窗口阵列。
22.本发明的原理如下：本发明中磁光光子晶体平板可以被认为是在以磁光材料钇铁石榴石铁氧体为背景下周期性打空气孔所形成的结构，该磁光光子晶体平板由两个金属板夹住以防止能量泄露，通过沿空气柱方向施加直流磁场，在外加磁场的作用下，蜂窝状磁光光子晶体的锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发拓扑边界态，由于这种拓扑边界态具有单向传播、抗后向散射的特点，在天线设计时能避免复杂的阻抗匹配问题，避免能量从天线反射回源，影响耦合效率。通过在夹在磁光光子晶体平板上方的金属板开窗口来实现能量的泄露，对窗口的尺寸、大小、位置进行调节可以有效调控能量的泄露。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点和优异效果：
24.(1)解决阻抗匹配问题：现有的实现微波天线的技术需要解决阻抗匹配问题，存在反射信号较强的问题，影响信号的传播。本发明利用磁光光子晶体中存在的拓扑边界态产生拓扑天线，拓扑边界态具有抗背向散射的特性，可以避免信号回源。
25.(2)可实施性强：现有产生拓扑边界态所用到的光子晶体大多是以空气为背景，磁光材料为介质柱子，本发明采用以磁光材料为背景，在此背景下开空气孔的结构，相比前者更利于操作，为实际设计所涉及到的结构制备、加工工艺等提供便利。
26.(3)拓扑保护：与普通光子晶体相比，本发明使用的是磁光材料，外加磁场使得其工作频率落在带隙中，从而实现波导的抗背向散射，免疫缺陷传输等拓扑特性。
27.(4)泄露能量可控：而本发明中可以通过改变夹在磁光平板上方的金属板开口的位置和大小，有针对性地释放某个区域的能量的大小，可以实现捕获、存储、以及释放等操作。
28.(5)结构简单：现有的天线结构往往是需要通过设计复杂的工艺结构来解决阻抗匹配问题，而本发明中由于是利用磁光光子晶体中的拓扑边界态来实现，因此无需设计复杂的波导结构，这为实际设计所涉及到的结构制备、加工工艺等提供便利。
附图说明
29.图1为本发明的实现微波拓扑天线的磁光光子晶体平板结构示意图，其中，平板上下两侧需要放置的金属板省略；
30.图2为本发明的原理依据之一与原理图：图2中的a图为蜂窝状磁光光子晶体平板锯齿边缘的投影能带图；图2中的b图为a图中能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图2中的c图为蜂窝状磁光光子晶体上下锯齿边缘的手性场传输示意图；图2中的d图为蜂窝状磁光光子晶体平板扶手型边缘的投影能带图；图2中的e图为d图中能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图2中的f图为蜂窝状磁光光子晶体上下扶手边缘的手性场传输示意图；
31.图3为本发明的原理依据之一与原理图：图3中的a1图为在蜂窝状磁光光子晶体平板上方的金属板开一个窗口的示意图及其局部细节图；图3中的a2图为开一个窗口之后平板中的电场传输情况示意图；图3中的a3图为开一个窗口之后电场沿锯齿边界上边界的振幅分布示意图；图3中的b1图为在蜂窝状磁光光子晶体平板上方的金属板开四个窗口的示意图及其局部细节图；图3中的b2图为开四个窗口之后平板中的电场传输情况示意图；图3中的b3图为开四个窗口之后电场沿锯齿边界上边界的振幅分布示意图。
32.图4为本发明的具体实现微波拓扑天线的结构示意图，图4中的a图为在上层金属板开一个窗口时的示意图，图4中的b图为在上层金属板开多个窗口时的示意图。
33.图5为本发明实施例1的原理依据之一与原理图，图5中的a图为开一个窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，b图为开周期窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图。
34.图6为本发明实施例1的原理依据之一与原理图，图6中的a图为图5a中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图，图6中的b图为图5b中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图。
35.图7为本发明实施例2的原理依据之一与原理图，图7中的a图为开一个窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，b图为开周期窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，与实施例一相比，改变了开周期窗口的数量。
36.图8为本发明实施例2的原理依据之一与原理图，图8中的a图为图7a中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图，图8中的b图为图7b中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图，与实施例一相比，改变了开周期窗口的数量。
37.图9为本发明实施例3的原理依据之一与原理图，图9中的a图为开一个窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，b图为开周期窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，与实施例一相比，改变了蜂窝结构的周期数。
38.图10为本发明实施例3的原理依据之一与原理图，图10中的a图为图9a中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图，图10中的b图为图9b中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图，与实施例一相比，改变了蜂窝结构的周期数。
具体实施方式
39.下面结合附图以及实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施范围不限于此。
40.本发明所述的一种实现微波拓扑天线的方法，是在蜂窝状光子晶体平板中实现的，通过沿磁光光子晶体平板中的空气孔方向施加磁场来产生单向拓扑边界态，磁光光子晶体平板上下两侧需要放置金属板以防止能量泄露，本发明通过在磁光光子晶体平板上下两侧所放置的金属板上开窗口来有效实现能量的泄露，从而进一步形成一种实现微波拓扑天线的方法。
41.实施例1：
42.基于蜂窝状磁光光子晶体平板单向边界态的微波拓扑天线，如图1所示，以磁光材料为背景，利用空气柱构建蜂窝晶格磁光光子晶体平板结构，沿空气柱方向施加直流磁场，在外加磁场的作用下，蜂窝状磁光光子晶体的锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发拓扑边界态；
43.蜂窝晶格磁光光子晶体平板结构由上至下包括第一金属板、光子晶体平板和第二金属板；
44.磁光光子晶体平板夹在第一金属板和第二金属板之间，用于防止能量泄露，通过在其中第一金属板或第二金属板上开窗口来实现微波拓扑天线，对能量的泄露进行调控。
45.本实施例中，磁光光子晶体平板所在平面为xy平面，垂直于磁光光子晶体平板的方向为z方向，微波拓扑天线需要在z方向设置第一金属板和第二金属板以防止能量泄露。
46.与传统的光子晶体结构不同，所述磁光光子晶体平板采用光子晶体平板结构，即与传统光子晶体互补的结构；以磁光材料介质为背景，在光子晶体平板中构造多行组成蜂窝状晶格结构的空气孔，磁光光子晶体平板中的蜂窝状晶格结构具有锯齿状边缘和扶手椅
边缘两种边缘结构，蜂窝晶格结构天然拥有这两种边界类型，在图1中，沿x方向的边界类型称为锯齿状边缘，沿y方向的边界类型称为扶手椅边缘，蜂窝状晶格结构即六角蜂窝晶格，蜂窝状磁光光子晶体是具有蜂窝状晶格结构的光子晶体。
47.本实施例中，空气孔半径为r＝0.8cm，晶格常数a＝3.0cm，平板厚度为h＝0.1a＝0.3cm。
48.本实施例中，所述磁光材料采用钇铁石榴石铁氧体(yig)，其介电常数为15.26，磁化饱和强度为1884g。
49.本实施例中，磁光光子晶体平板中包括七行蜂窝状晶格结构，以防止边界态的泄露，并将能量局域在边界处，宽度太小能量不能够局域在边界处。
50.本实施例中，磁光光子晶体平板的工作频率范围为5.52～6.21(ghz)。
51.改变泄露能量的大小是通过改变第一金属板或第二金属板的窗口大小和数量来实现的；
52.根据需要泄露的能量的大小，设置窗口的大小，在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处挖空形成窗口，实现调控能量的泄露，挖空窗口的面积越大，泄露的能量越多。
53.在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处，通过挖空一个窗口来调控能量的泄露，形成微波拓扑天线结构。
54.本实施例中，在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处，通过挖空多个窗口来泄露所有能量；
55.通过缩小窗口尺寸，增加窗口数量，将窗口构建为周期性窗口阵列，调控能量的泄露，形成微波拓扑天线结构。
56.在第一金属板或第二金属板靠近磁光光子晶体平板边界处的不同位置开多个窗口，将窗口级联，使其之间距离保持一致形成周期性窗口阵列。
57.本实施例中，如图2和图3所示，利用有限元法计算磁光光子晶体平板结构的投影能带结构，并根据投影能带绘制本征场图及激发场图，观察到平板锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发单向拓扑边界态，能够保证拓扑边界态的沿着平板边缘实现完整一圈的场传输并保持低损耗，这种边界态能够防止背向散射，解决传统天线中的反射干扰问题，不用关心处理阻抗匹配问题。
58.图2中的a图为锯齿边界在5.52-6.21ghz频率范围出现的色散曲线即为该能带结构中锯齿边界所支持的拓扑边界态，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到在该频率范围内群速度方向相反，即电磁场传输方向相反，能够产生手性边界态。图2中的b图是图2中的a图中落在带隙里的点1、2对应的本征场，图2中的c图直观地展示了所述磁光光子晶体结构在平行的上下锯齿边缘可以激发出沿相反方向传输的边界态，即手性边边界态。
59.同理，图3中的a图为扶手边界在5.52-6.21ghz频率范围出现的色散曲线即为该能带结构中扶手边界所支持的拓扑边界态，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到在该频率范围内群速度方向相反，即电磁场传输方向相反，能够产生手性边界态。图3中的c图是图3中的b图中落在带隙里的点1、2对应的本征场，图3中的c图直观地展示了所述磁光光子晶体结构在平行的上下锯齿边缘可以激发出沿相反方向传输的边界态，即手性边边界态。该磁光光子晶体平板结构在锯齿边缘和扶手边缘均支持拓扑单向边界态的传输，且工作频率范
围一致，从而允许拓扑边界态在本平板结构中的完整传输，这为本发明的可行性提供了理论依据和实施条件。
60.本实施例中，如图4所示，蜂窝状磁光光子晶体平板中，在x方向上有20个周期的蜂窝状晶格结构，y方向上有7个周期的蜂窝状晶格结构。所述蜂窝状晶格的晶格常数a为3cm，空气柱半径为0.8cm，平板厚度为0.1a。磁光光子晶体平板上下方向设置理想电导体防止能量向空气中泄漏，其余边界设置为散射边界。在平板锯齿下边界放置光源，光源激发频率在5.52-6.21ghz，可以激发出沿锯齿边界和扶手边界传播的单向拓扑边界态，该单向边界态具有抗后向散射和鲁棒性强的特点，从而能有效避免信号的反射回源，解决传统天线结构中存在的阻抗匹配问题。
61.首先在光子晶体平板上方的金属板上开一个大小为9.0
×
6.3cm的窗口观察能量的全部泄露现象，如图4中的a图所示，通过在图5中的a图所示的白色星星处设置激发源来实现拓扑边界态，可以观察到电场的传输情况，在窗口处全部泄露，图6中的a图所示沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图与图5中的a图所吻合。
62.接下来缩小窗口尺寸，设置级联窗口，使得能量得以逐步泄露，如图4中的b图所示，将窗口大小缩小为1.6
×
1.6cm，同时增加窗口数量，设置4个窗口，通过在图5中的b图所示的白色星星处设置激发源来实现拓扑边界态，可以观察到电场的传输情况，在4个窗口处逐步泄露，直到泄露为0，图6中的b图所示沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图与图5中的b图所吻合。窗口的大小、数量和位置可以根据需要来进行调节，以对能量的泄露来进行有效调控，值得注意的是，通过引入具有不规则边缘的任意几何形状，也可以实现几何无关的拓扑漏波天线。
63.实施例2：
64.本实施例中，保持磁光光子晶体长度、宽度、高度与实施例1中一致，改变图4中的a图中单窗口大小为12
×
9.45cm，通过在图7中的a图所示的白色星星处设置激发源来实现拓扑边界态，可以观察到电场的传输情况，在窗口处全部泄露，图8中的a图所示沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图与图7中的a图所吻合。
65.接下来缩小窗口尺寸，设置级联窗口，使得能量得以逐步泄露，如图7中的b图所示，单个窗口大小与实施例1中保持一致，设置3个窗口，通过在图7中的b图所示的白色星星处设置激发源来实现拓扑边界态，可以观察到电场的传输情况，在3个窗口处逐步泄露，图8中的b图所示，沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图与图7中的b图所吻合。窗口的大小、数量和位置可以根据需要来进行调节，以对能量的泄露来进行有效调控，值得注意的是，通过引入具有不规则边缘的任意几何形状，也可以实现几何无关的拓扑漏波天线。
66.实施例3：
67.本实施例中，将实施例1中磁光光子晶体平板中x方向上的周期扩展为22个周期，y方向周期扩展为8个周期，窗口大小与数量与实施例1中保持一致，计算得到的结果如图9和图10所示。图9中的a图为开一个窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，b图为开周期窗口泄露能量时的电场的传输情况示意图，图10中的a图为图9a中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图，图10中的b图为图9b中沿平板锯齿上边界的电场振幅分布图。
68.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。