基于变换光学的波导耦合器设计

Transformation optics (TO) concept, well known for its huge possibility in patterning the path of electromagnetic waves, is a suitable tool for the design of complex electromagnetic structures. The idea of exploiting transformation optics to design waveguide couplers was first brought up in the year of 2010. It has drawn great interest of many researchers all around the world ever since. Due to the complexity of the permittivity and permeability tensors of the designed materials, none of the experimental validations was reported. This project is intended to propose two designs of waveguide couplers which can lead to two possible prototypes, based on two different kinds of transformation optics. One of such manipulations is achieved through the use of Quasi-conformal Transformation Optics (QCTO). An all-dielectric prototype will be realized through three dimensional (3D) polyjet printing and presents an isotropic graded refractive index (GRIN). The other one is achieved through the use of spatial coordinate transformation. After a feasible parameter reduction, the permittivity and permeability tensors will be simplified and the values will be achievable. Common metamaterials are designed to realize the values and distributions of the parameters. These prototypes will be the first and only ones of waveguide couplers designed by transformation optics in microwaves.

波导耦合器不仅可以连接两个尺寸不同的波导，同时也可用作传播模式选择器或能量集中器等多种用途。2010年，利用变换光学方法设计波导耦合器的想法被首次提出，它传输损耗小和用途广泛的特点引起了国内外诸多学者的兴趣。但受限于耦合倍数低和设计材料参数过于复杂等原因，至今并无任何实验验证结果。本课题拟以两种变换光学方法为理论基础，分别提出一套可行性设计和实验方案，并至少实现两个实验性样品。一方面运用拟共形变换方法提出超宽频耦合器的设计方案，将不含谐振单元的电介质材料结构等效成梯度折射率材料，并利用3D打印技术实现。另一方面，运用坐标变换方法提出超高耦合倍数的设计方案，通过可行的参数削减办法，使设计材料的特征参数简化并保持在可实现范围内，最终设计含有谐振单元的超材料实现介电常数和磁导率的不同取值和排列。这两个样品中的任何一个，都将成为目前世界上在微波领域第一个利用变换光学方法设计并制作的实验性样品。

波导耦合器不仅可以连接两个尺寸不同的波导，同时也可用作传播模式选择器或能量集中器等多种用途。2010年，利用变换光学方法设计波导耦合器的想法被首次提出，它传输损耗小和用途广泛的特点引起了国内外诸多学者的兴趣。但受限于耦合倍数低和设计材料参数过于复杂等原因，并无任何实验验证结果。本课题以两种变换光学方法为理论基础，分别提出一套可行性设计和实验方案，并实现两个实验性样品。一方面运用拟共形变换方法提出超宽频耦合器的设计方案，将不含谐振单元的电介质材料结构等效成梯度折射率材料，并利用3D打印技术实现。另一方面，运用坐标变换方法提出超高耦合倍数的设计方案，通过可行的参数削减办法，使设计材料的特征参数简化并保持在可实现范围内，最终设计含有谐振单元的超材料实现介电常数和磁导率的不同取值和排列。这两个样品中的任何一个，都将成为目前世界上在微波领域第一个利用变换光学方法设计并制作的实验性样品。