专利摘要
本实用新型公开了一种基于电回旋介质材料的电磁波单向器，它包括有10个层叠的介质层，所述10个层叠的介质层分为5组，从左往右依次为3组A、B层叠的介质层，2组D、C层叠的介质层，所述A介质层和C介质层分别为二氧化硅材料和硅材料，所述B介质层和D介质层均为电回旋材料。本实用新型运用外入射电磁波在介质层和电回旋介质材料组成的两种多层结构的界面上形成具有单向传播性质的Tamm状态的表面波，从而实现电磁波的单向传播；而且利用电回旋材料与外加磁场的特殊关系从而实现电磁波的非互易性，以及可通过调节该结构单元厚度和入射角度的变化来改变单向传播的频率和特性。
权利要求
1.一种基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征在于它包括有10个层叠的介质层，所述10个层叠的介质层分为5组，从左往右依次为3组层叠的A介质层和B介质层以及2组层叠的D介质层和C介质层，所述A介质层和C介质层分别为二氧化硅材料和硅材料，所述B介质层和D介质层均为电回旋材料。
2.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述A介质层的厚度为3-10mm，B介质层的厚度为2-8mm，C介质层的厚度为10-40mm以及D介质层的厚度为20-25mm。
3.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述A介质层和C介质层的介电常数分别为2.56和11.5。
4.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述A介质层和C介质层的相对磁导率均为1。
5.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述B介质层和D介质层的相对磁导率均为1。
6.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述B介质层和D介质层的相对介电常数张量形式为：
7.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述10个层叠的介质层置于空气环境中。
8.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述B介质层处于方向垂直纸面往外的静态磁场中。
9.根据权利要求1所述的基于电回旋介质材料的电磁波单向器，其特征是所述D介质层处于方向垂直纸面往里的静态磁场中。
说明书
技术领域
本实用新型属于电磁技术领域，具体的说是一种基于电回旋介质材料的电磁波单向器。
背景技术
随着电磁波在通讯、光学和其他科学技术中的广泛应用，电磁波的传播现已发展成为一门内容丰富的交叉学科。而回旋介质是各向异性介质的一种，其本构参数中存在厄米张量，使其具有非互易性，在外场作用下，回旋介质有两种典型的介质——旋电介质和旋磁介质。
当特定频率的电磁波入射到两种不同旋电介质构成的多层介质上时，在两种多层结构的分界面上，可以形成具有非互易性色散的光学Tamm状态。在Tamm状态的频率上，可以实现单向的电磁波隧道效应。Tamm的非互异性打破了电磁波在介质中传播时的时间和空间上的对称性。因此构建由各向异性电回旋材料组成的多层结构，在不同角度、频率的入射波形成会有不同的界面光学Tamm状态，从而形成电磁波的单向传播性，形成单向器。电磁波在该结构中的单向传输，不同于常规的单向器，而是通过外部磁场的变化、介质层的厚度和入射角度从而改变可通过的电磁波的频率。该电磁波单向传输理论为光通信器件、光传感器等的研究提供一定理论基础。
中国专利申请号2011102323367公开了一种利用有源人工介质单元构成的无需外加磁场的回旋介质。在相互平行的前后介质板上分别设置成正方形排列的四组正交的偶极子；前后介质板相同位置的左上和右下两组偶极子分别通过放大器按顺时针旋转90度对应相接，放大器方向以前介质板偶极子为输入，以后介质板偶极子为输出，构成单向左旋结构；而前后介质板相同位置的右上和左下的两组偶极子分别通过放大器按顺时针旋转90度对应相接，放大器方向以后介质板偶极子为输入，以前介质板偶极子为输出，构成单向右旋结构；将上述结构向外周期延拓，整体组成具有非互易传输特性的回旋介质。上述发明借助放大器的单向传输特性实现任意线极化电磁波非互易传输，只需提供直流电即可工作，但是上述发明结构复杂，还需要依靠直流电才可达到电磁波非互易传输，能源消耗严重，不环保。
发明内容
本实用新型的目的就是为解决上述技术问题，在电磁技术领域，其目的是利用在材料本身的对光的各向异性以及电磁波入射到两种不同多层复合介质的边界上时的非互异性色散，使电磁波在传输时具有单向特性。通过改变入射角度或外加磁场大小，可以筛选可通过的结构频率，并增强光的单向传播的强度，从而降低结构成本。
本实用新型采用的技术方案如下：一种基于电回旋介质材料的电磁波单向器，它包括有10个层叠的介质层，所述10个层叠的介质层分为5组，从左往右依次为3组A、B层叠的介质层，2组D、C层叠的介质层，所述A介质层和C介质层分别为二氧化硅材料和硅材料，所述B介质层和D介质层均为电回旋材料。
所述A介质层的厚度为3-10mm，B介质层的厚度为2-8mm，C介质层的厚度为10-40mm以及D介质层的厚度为20-25mm。
所述A介质层和C介质层的相对介电常数分别为2.56和11.5。
所述A介质层和C介质层的相对磁导率均为1。
所述B介质层和D介质层的相对磁导率均为1。
所述B介质层和D介质层的相对介电常数张量形式为：
所述10个层叠的介质层置于空气环境中。
所述B介质层处于方向垂直纸面往外的静态磁场中。
所述D介质层处于方向垂直纸面往里的静态磁场中。
具体来说，本实用新型有益效果为：
1)相比传统结构，本结构简单，易于实现，而且能达到很好的效果；
2)运用外入射电磁波在介质层和电回旋介质材料层之间的界面上形成Tamm状态，从而实现电磁波的单向传播；
3)该结构可通过电磁波损耗低，透射率接近1；
4)利用电回旋材料与外加磁场的特殊关系从而实现电磁波的非互易性，即可通过改变磁场大小调节该结构单向传播电磁波频率的大小。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是在外加磁场大小为0.02T，B介质层的厚度为5mm，C介质层的厚度为20mm，D介质层厚度为22mm以及入射角为30°时，透射峰随着A介质层的厚度的变化所变化的情况，A介质层的厚度分别取6mm，6.5mm，7mm和7.5mm。图中黑色实线表示向前传播的电磁波的透射系数随频率的变化，黑色虚线表示反向传播的电磁波的透射系数随频率的变化。
图3是在外加磁场大小为0.02T时，A介质层厚度为6.5mm，B介质层的厚度为5mm，C介质层的厚度为20mm，D介质层厚度为22mm以及入射角为30°时，入射波频率分别是f＝0.4275GHz和f＝0.4285GHz电场Ex分量的空间分布。
图4是在外加磁场大小为0.02T，A介质层的厚度为6.5mm，B介质层的厚度为5mm，D介质层厚度为22mm以及入射角为30°时，透射峰随着C介质层的厚度的变化的关系，C介质层的厚度分别取20mm，25mm，30mm和35mm。图中黑色实线表示向前传播的电磁波的透射系数随频率的变化，黑色虚线表示反向传播的电磁波的透射系数随频率的变化。
图5是A介质层的厚度为6.5mm，B介质层的厚度为5mm，C介质层的厚度为20mm，D介质层厚度为22mm以及入射角为30°时，透射峰随着外加磁场的变化所变化的关系，磁场的大小分别取0.016T，0018T，002T和0.022T。图中黑色实线表示向前传播的电磁波的透射系数随频率的变化，黑色虚线表示反向传播的电磁波的透射系数随频率的变化。
图6是在外加磁场大小为0.02T，A介质层的厚度为6.5mm，B介质层的厚度为5mm，C介质层的厚度为20mm，D介质层厚度为22mm以及入射角为30°时，透射峰随着电磁波入射角度的变化所变化关系，入射角的大小分别取π/7,π/6,π/5和π/4。图中黑色实线表示向前传播的电磁波的透射系数随频率的变化，黑色虚线表示反向传播的电磁波的透射系数随频率的变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地说明：
如图1-6所示，本实用新型它包括有10个层叠的介质层，该10个层叠的介质层置于空气环境中，可实现不同波长及频率的单向传播。所述10个层叠的介质层分为5组，从左往右依次为3组A、B层叠的介质层，2组D、C层叠的介质层，所述A介质层和C介质层分别为二氧化硅材料和硅材料，所述B介质层和D介质层均为电回旋材料，所述A介质层的厚度为3-10mm，B介质层的厚度为2-8mm，C介质层的厚度为10-40mm以及D介质层的厚度为20-25mm。
所述A介质层和C介质层的相对介电常数分别为2.56和11.5，相对磁导率均为1，所述B介质层和D介质层的相对磁导率均为1。
所述B介质层处于方向垂直纸面往外的静态磁场中。
所述D介质层处于方向垂直纸面往里的静态磁场中，与上述B介质层的静态磁场的方向虽相反，但大小相同。
所述B介质层和D介质层的相对介电常数张量形式为：
其中 这里ωle为回旋频率，ωep为等离子体频率，ω为外加磁场的角频率。并运用麦克斯韦方程组、传输矩阵理论和电磁边界条件相结合，推导出电磁波从空气入射到有电回旋介质组成的多层结构的传输特性，进而推导出该结构可以单向传播的电磁波的频率。在该结构中，数值分析方法采用的是传输矩阵法，同时利用Fortran语言编译仿真来进行验证。
对于入射的电场而言，其电磁波具有以下表达形式：
其中 (即(2)式和(3)式)分别表示是左侧空气中入射到介质中的电场与磁场的形式， 分别表示x,y,z三个方向上的波矢量。(4)式和(5)式是根据麦克斯韦方程组以及电磁场边界性条件得出x,z方向的电场分量与磁场y分量的关系。
由(4)和(5)带入麦克斯韦方程可得磁场分量满足的方程，获得z方向的传播矢量kz磁场分量在介质层的形式：
根据(4)和(5)将电场Ex分量在介质层中用磁场分量Hy表示出：
其中 其中(6)式是由麦克斯韦方程组得出的y方向上的磁场分量所满足的波动方程。根据电磁场场分量的关系，可用Tj矩阵的形式j介质层的电场和磁场横向分量的关系：
(10)式分别表示第j层界面电场和磁场的关系矩阵的逆形式。由电磁场分量在边界的连续条件，可得相邻的第j层和i层中电磁场的横向分量的关系矩阵：
同理可得空气层(Air)和第一层介质(Dielectric)以及最后一层(dielectric)与空气层(Air)的T矩阵关系TAD和TDA：
在任意厚度为lD的介质层从前到后的相位变化关系为：
由此可获得从空气到介质，以及在在介质中传播和从介质到空气传播的复合传播矩阵：
以此可得出入射波，反射波和透射波满足如下关系：
从(16)式的传播关系中可获得电磁波通过多层结构的透射系数t和反射系数r：
通过透射系数和反射系数的变化规律就可直观反应电磁波在多层介质中的传播规律。
实施例1：
如图2所示，对材料A介质层的厚度变化进行探讨入射电磁波的峰值偏移。在该结构中，B介质层的特性：厚度选取为5mm，相对介电常数由公式(1)决定，其中ωle＝0.176·B,ωep＝0.5e11，相对磁导率为1。C介质层的特性：厚度选取为20mm，相对磁导率为1，介电常数为11.5。D介质层的特性：厚度选取为22mm，相对磁导率为1，取入射角为30°。同时是结构左侧(即B介质层)处于垂直纸面向外的静态磁场中，磁场大小0.02T，结构右侧(即C介质层)处于垂直纸面向里的静态磁场中，磁场大小与左侧一致。
此时，A介质层为二氧化硅材料介质层，介电常数为2.56，相对磁导率为1。对A介质层厚度的变化，分别取值6mm，6.5mm，7mm和7.5mm，分别对应图2中的(a)，(b)，(c)和(d)图，会发现正向传播(黑色实线的峰值)和反向传播(黑色虚线的峰值)的频率会随着A介质层厚度的增加而发生左移，且峰距稳定。
实施例2：
如图3所示，与实施例1中图2(b)的条件相同，即A，B，C和D介质层的厚度分别取6.5mm，5mm，20mm和22mm；B和D介质层均为电回旋材料，相对磁导率为1，相对介电常数由公式(1)决定，其中ωle＝0.176·B,ωep＝0.5e11，分别加向外和向内的B＝0.02T的静磁场，A和C是非磁性介质层分别是二氧化硅和硅，相对磁导率为1，相对介电常数分别是2.56和11.5。
由图3(b)中的两个互易的透射峰频率分别是反向透射峰f＝0.4275GHz和正向透射峰f＝0.4285GHz。图3(a)中是f＝0.4275GHz反方向透射峰所对应的Ex分量在YZ平面的分布图，电场能完全透射通过多层结构，而正向入射时，在入射面形成驻波，无法通过多层结构，如图3(b)中所示。当正向透射峰f＝0.4285GHz正向入射波通过多层结构时，电磁波能完全通过，如图3(c)中所示，而当此频率反向通过多层结构时，在入射区形成驻波，无法传播(如图3(d)中所示)。
实施例3：
如图4所示，对材料C介质层的厚度变化进行探讨入射电磁波的峰值偏移。在该结构中，A介质层的特性：厚度选取为6.5mm，介电常数为2.56，磁导率为1。B介质层的特性：厚度选取为5mm，相对介电常数由公式(1)决定，其中ωle＝0.176·B,ωep＝0.5e11，相对磁导率为1。D介质层的特性：厚度选取为22mm，相对磁导率为1，取入射角为30°。同时是结构左侧(即B介质层)处于垂直纸面向外的静态磁场中，磁场大小0.02T，结构右侧(即C介质层)处于垂直纸面向里静态磁场中，磁场大小与左侧一致。
此时，C介质层为硅材料介质层，相对介电常数为11.5，相对磁导率为1。对C介质层厚度的变化进行观察，分别取值20mm，25mm，30mm和35mm，分别对应图2中的(a)，(b)，(c)和(d)图，会发现正向传播(黑色实线的峰值)和反向传播(黑色虚线的峰值)的频率会随着C介质层厚度的增加而发生左移，且峰距稳定。
实施例4：
如图5所示，改变外加磁场的大小，探讨入射电磁波的峰值偏移。在该结构中，A介质层的特性：厚度选取为6.5mm，介相对电常数为2.56，相对磁导率为1。B介质层的特性：厚度选取为5mm，ωle＝0.176·B,ωep＝0.5e11，相对磁导率为1。C介质层的特性：厚度选取为20mm，相对介电常数为11.5，磁导率为1。D介质层的特性：厚度选取为22mm，相对磁导率为1，并取入射角为30°。
此时，对外加磁场大小变化进行观察，取B＝0.016T，B＝0.018T，B＝0.02T和B＝0.022T，分别对应图4中的(a)，(b)，(c)和(d)图。发现随着磁场大小的变化，正向和反向传播峰值发生明显的右移(即黑色实线和和虚线所在位置)，而且峰距越来越大。
实施例5：
如图6所示，改变电磁波入射角度的大小，探讨入射电磁波的峰值偏移。在该结构中，A介质层的特性：厚度选取为6.5mm，相对介电常数为2.56，相对磁导率为1。B介质层的特性：厚度选取为5mm，相对介电常数由公式(1)决定，其中ωle＝0.176·B,ωep＝0.5e11，磁导率为1。C介质层的特性：厚度选取为20mm，相对介电常数为11.5，相对磁导率为1。D介质层的特性：厚度选取为22mm，相对磁导率为1。同时取入射角为30°，外加磁场大小为B＝0.02T。
此时，对入射角度的变化进行观察，取θ＝π/7，θ＝π/6，θ＝π/5和θ＝π/4，分别对应图4中的(a)，(b)，(c)和(d)图。发现随着磁场大小的变化，正向和反向传播的峰值发生明显的右移(即黑色实线和虚线所在位置)，而且峰距越来越大。
通过对上述5个实施案例进行比较得出：
当A和C介质层的厚度增加时，正向和反向传播透射峰会发生左移(即黑色实线和虚线所在位置)，且峰距稳定。
当入射角度θ增大时，正向和反向传播透射峰也会产生右移(即黑色实线和虚线所在位置)，峰距也会明显增大。
当磁场发生变化时，对正向和反向传播透射峰的影响很大，首先是透射峰发生明显的右移(即黑色实线和虚线所在位置)，而且峰距越来越大，因此外部磁场条件的变化是调节结构互易性主要的决定因素之一。
本实用新型涉及的其它未说明部分与现有技术相同。
一种基于电回旋介质材料的电磁波单向器专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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