本发明属于微波光学、拓扑光子学、侧向辐射领域，特别涉及基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射与接收实现方法。
背景技术：
1、微波技术是一种利用波长在1毫米到1米之间(频率在300mhz到300ghz范围内)的电磁波进行信息传输和处理的技术，自20世纪初德国科学家赫兹验证电磁波存在以来，微波技术得到了极大的发展。随着通信技术的进步，微波技术在无线通信、卫星通信、遥感探测、医学成像、材料加工等领域发挥着重要作用。现代通信网络依赖于微波技术实现数据传输，5g网络的推出进一步扩展了微波技术的应用，特别是在毫米波频段。此外，微波技术也在智能天线系统、量子信息处理等新兴领域展现出巨大潜力。随着科技的不断进步，微波技术将继续在多个重要科技领域内发挥关键作用，推动社会的发展。
2、漏波辐射是一种由于电磁波在波导结构中的非正常模式传播而产生的现象。在理想的波导中，电磁波主要以传输模式沿轴线方向传播，而不会辐射到外部空间。然而，当波导中存在特定的缺陷或不连续结构，例如波导的弯曲、开口、尺寸变化或其他周期性结构时，波导中的辐射模将会被激发，导致电磁波能量部分地辐射到外部空间。漏波辐射具有方向性强、频率选择性高等特点，因此在天线设计、传感器和光学器件中有广泛的应用。例如，漏波天线是行波天线的一种，当电磁波沿着导波结构传播时，不断向外辐射功率，由于这种天线带宽较宽且具有高指向性和频率扫描的能力，因此得到了人们的广泛关注。此外，漏波辐射的原理也被应用于光学器件中，用于实现特定波长的信号处理，如滤波、调制和多波长复用。漏波辐射作为一种电磁波辐射机制，其独特的物理特性和广泛的应用前景使其成为现代电磁学和光子学领域的一个热门研究方向。
3、侧向辐射和端射辐射是两种不同的电磁波辐射机制，它们在天线设计和无线通信领域中具有重要应用。侧向辐射可以实现高方向性的信号发射，适用于需要精确定向传输的场景，如雷达系统和定向无线链路。侧向辐射天线的设计通常涉及对天线的横向尺寸和形状的优化，以实现期望的辐射特性和半功率波束宽度(half power beam width,hpbw)。端射辐射则是从天线的轴线方向或馈电点直接辐射电磁波的方式，这种辐射机制常见于各种类型的标准天线，如偶极子天线、微带天线和喇叭天线。在实际应用中，侧向辐射和端射辐射可以根据具体的通信需求和系统要求进行选择和优化，以达到最佳的性能。例如，侧向辐射天线适合于需要高增益和窄半功率波束宽度的应用，而端射辐射天线则适用于对辐射效率和带宽有特定要求的场景。尽管辐射天线技术在过去几十年中取得了巨大的发展，天线设计中仍然存在一个重要挑战，即阻抗匹配。为了减少反射信号，人们需要确保发射天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗尽可能接近，许多研究者针对天线阻抗匹配和相位阵列设计提供了各种复杂的技术。如果不必处理与天线的输入阻抗无关的反射信号，天线设计将变得更加简化。
4、近年来，光子晶体(photonic crystal,pc)的理论和实验研究蓬勃发展，各种以光子晶体为材料制备的光学器件开始被广泛研究。光子晶体是一种具有周期性介电常数变化的人工材料，能够对电磁波的传播路径产生控制，特别是在微波和光波频率范围内。它们通常展现出独特的光学特性，如光子带隙，即某些频率的电磁波无法在其中传播。光子晶体的特性使其在漏波辐射应用中非常有前景，尤其是在设计高性能天线和传感器方面。通过在光子晶体中引入缺陷或结构不连续性即可激发漏波模式，实现特定方向的辐射。这种结构的漏波天线能够提供高方向性的信号辐射，增强无线通信的质量和安全性。此外，光子晶体的漏波辐射特性还可以用于精确的电磁参数测量，为传感技术带来创新。由于制造技术的进步，光子晶体在漏波辐射领域的应用前景将变得更加广阔。然而传统的光子晶体结构通常通过波导端口与波导侧面的泄露模式实现漏波辐射，波导的反射信号导致的阻抗不匹配一直是影响辐射系统性能的一个重要因素，使用常规的介电材料也会导致波导结构往往在制成后便无法对其各项特性进行调制。
5、随着拓扑材料的概念延伸到光子晶体体系，来自拓扑光子态的辐射成为了一个潜在的研究课题。将磁光光子晶体与天线设计相结合能够提供一个新的解决方法，因为拓扑边界态可以单向传输，并且传播过程中不受散射和反射的影响，因此可以设计基于拓扑光子态馈电的天线阵列。此外由于拓扑保护的特性，在设计上可以减少结构复杂性并降低潜在的制造错误对器件的影响，拓扑光子晶体天线的设计可能有着更进一步发展的潜力。目前已有部分研究人员提出了针对拓扑光子态实现端射辐射、侧向辐射的研究，拓扑光子态的单向性能够有效抑制了反射信号与结构缺陷的影响，磁光材料的特性也使得调控辐射模式的手段得到了增加(z.x.xu,m.wang,et al.,"broadside radiation from chernphotonic topological insulators,"ieee transactions on antennas andpropagation 70(3),2358-2363(2022))。但是已有的成果主要针对波导结构对辐射性能的影响，用于实现辐射的波导的结构较为复杂，并且忽略了波导同样具有耦合外部辐射波束的能力。到目前为止光子晶体侧向辐射相关工作中还没有将电磁波辐射与接收功能结合起来的研究工作。
技术实现思路
1、为了克服上述现有光子晶体波导侧向辐射技术的缺点与不足，本发明的目的之一是在于提供一种基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射与接收实现方法，使辐射波束既能随着调整馈源振荡频率、也能通过改变磁场大小影响波束角度，实现的侧向辐射波束具有较窄的半功率波束宽度。
2、除了能够用简单的结构实现侧向辐射，本发明所设计的磁光光子晶体波导还具有耦合外部电磁波进入波导内传输的功能，基于同一结构同时实现针对电磁波的发射与接收。该磁光光子晶体波导为研究电磁波辐射与接收提供了一个新的平台，其丰富的特性将在高定向性天线、雷达系统、光传感器与光通信技术等应用领域中发挥作用。
3、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
4、一种磁光光子晶体波导的构建方法，包括以下步骤：
5、s1、构建单元为钇铁石榴石(yttrium iron garnet,yig)柱的磁光光子晶体阵列；
6、s2、以磁光光子晶体阵列中磁光光子晶体周期排列的平面为坐标的xoy面，在z方向上对磁光光子晶体阵列施加磁场；
7、s3、施加磁场的磁光光子晶体阵列上方放置有作为覆盖层组成单元的氧化铝柱，构建位于磁光光子晶体阵列和覆盖层之间的线缺陷磁光光子晶体波导；
8、线缺陷磁光光子晶体波导内产生单向传输的泄露边界态，覆盖层限制电磁波在线缺陷磁光光子晶体波导内传输的同时允许部分电磁波进入空气中。
9、进一步地，步骤s1中，磁光光子晶体阵列中包括多个半径为r1＝0.14a1的钇铁石榴石(yttriumiron garnet,yig)柱；
10、多个钇铁石榴石柱按正方晶格排列，构建多个晶格常数为a1＝20mm的正方晶格磁光光子晶体。
11、进一步地，步骤s3中，覆盖层中包括多个半径为r2＝0.25a1的氧化铝柱；
12、多个氧化铝柱排成多行，构建多个晶格常数为a2＝a1/sqrt(2)的正方晶格；
13、线缺陷磁光光子晶体波导的宽度，即磁光光子晶体阵列和覆盖层之间的距离设置为wd＝0.9a1。
14、进一步地，磁光光子晶体阵列和覆盖层背景介质为空气。
15、进一步地，步骤s3中，构建得到的线缺陷磁光光子晶体波导投影带隙的频率范围处于微波频段内。
16、进一步地，步骤s3中，为了使线缺陷磁光光子晶体波导内的单向边界态能够穿过覆盖层进入空气中，覆盖层中的氧化铝柱的行数被设置为3行。
17、基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射实现方法，所述磁光光子晶体波导通过一种磁光光子晶体波导的构建方法构建得到，包括通过振荡频率调控辐射波束角度以及通过磁场调控辐射波束角度。
18、通过公式sinθ＝kx/kv可知，边界态的波矢与辐射波束的角度密切相关，其中θ为辐射波束角度，kx为投影能带中边界态的波矢，kv＝2πf/c，c为真空中的光速，f为点源振荡频率；
19、进一步地，通过振荡频率调控辐射波束角度，具体如下：
20、计算当前条件下的磁光光子晶体波导投影能带结构图，确定带隙范围，利用带隙中单向边界态的波矢x分量计算波束辐射角度的范围；将振荡频率可调的点源放置在磁光光子晶体波导一侧确保点源能够激发传输方向正确的边界态，保持磁场的强度不变，随后通过连续调整点源的振荡频率大小来改变磁光光子晶体波导内边界态的波矢，最终形成具有不同角度的侧向辐射波束，实现通过频率操纵辐射波束的角度。
21、进一步地，通过磁场调控辐射波束角度，具体如下：
22、计算不同磁场强度条件下的投影能带结构；由于磁光材料的磁导率张量会因为磁场强度的改变而改变，不同磁场强度条件计算出的边界态曲线是不相同的；当点源的振荡频率被设置为一个固定值时，磁光光子晶体波导内被激发的边界态的波矢将会被磁场影响；利用带隙中单向边界态的波矢x分量计算波束辐射角度的范围；将振荡频率固定的点源放置在磁光光子晶体波导一侧确保点源能够激发传输方向正确的边界态，通过控制施加在磁光光子晶体阵列上的磁场强度的大小，形成具有不同角度的侧向辐射波束，实现利用磁场操纵辐射波束角度。
23、基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射与接收实现方法，所述磁光光子晶体波导通过一种磁光光子晶体波导的构建方法构建得到，当入射到磁光光子晶体波导的外部电磁波束的波矢在x方向上的分量与磁光光子晶体波导内边界态的波矢相匹配时，磁光光子晶体波导能够耦合外部电磁波并激发相应的边界态，从而实现磁光光子晶体波导对外部电磁波的接收；由于不同磁场强度条件下磁光光子晶体波导的投影能带结构不同，当外部电磁波的波矢保持不变时，磁场强度的改变会使磁光光子晶体波导的最大接收效率对应的频率发生改变；
24、设置入射到磁光光子晶体波导的外部电磁波束的波矢，使其在x方向上的分量与磁光光子晶体波导内边界态的波矢相匹配，通过控制施加在磁光光子晶体阵列上的磁场强度的大小，使磁光光子晶体波导的最大接收效率对应的频率发生改变，实现对接收电磁波频率的调控。
25、本发明的原理如下：本发明用磁光光子晶体波导实现侧向辐射，该波导由一个施加了外部单向磁场的磁光光子晶体与顶部三层氧化铝柱相互靠近而构成。对磁光光子晶体施加磁场可以打破时间反转对称性产生非零陈数带隙，在非零陈数带隙内产生具有单向传输性质的边界态，且磁场方向能够控制边界态的传输方向。由于波导内的边界态对应的波矢与频率在能带结构中均位于光锥内，该边界态将能够辐射到空气中。侧向辐射的工作原理即为被激发的边界态在波导内单向传输的同时，三层氧化铝可以允许电磁波的部分能量穿过覆盖层。通过计算发现，波导内模式的波矢会影响辐射波束在空气中的波束角度，并且能够用边界态的波矢与频率计算出这一角度，正是基于这一特性，可以通过调整不同的带隙内振荡频率来实现具有不同角度的波束。另外，磁场强度也会影响波导的投影能带，也能够通过调节磁场强度实现对波束角度的调控，来自频率与磁场的可控性让该波导为实现可调侧向辐射提供了一个十分有潜力的平台。泄露边界态在覆盖层与磁光光子晶体构成的波导内传输并向外辐射。根据波导的超胞计算投影能带，在带隙内找出有着波矢x分量等于零的边界态对应的频率f0，而其他带隙内频率则对应着大于零或者小于零的波矢x分量。相应的本征场能流分布可以验证该频率电磁波的能量除了有在波导内传输的部分，还存在向空气中辐射的部分，最终形成高方向性的侧向辐射。需要注意的是，相同的磁场条件下带隙内不同振荡频率激发的边界态的功率泄露率不同，其中泄露率较低的频率将无法形成有效的侧向辐射波束，最终应当剔除这部分频率。综上所述，改变振荡频率或磁场强度，侧向辐射波束的角度将会同时改变，从而能够实现辐射角度可调的侧向辐射。此外，基于波矢匹配的原理，当存在频率为f0或者接近f0的以-y方向入射外部电磁波束时，磁光光子晶体波导也能够将其耦合到波导内传输，进而实现该波导对外部辐射信号的接收功能。
26、与现有技术相比，本发明具有以下优点和优异效果：
27、(1)发明原理：已有的漏波辐射技术研究大多数集中在如何通过修改波导结构或者设计超表面来实现预期的波束，而本发明所运用的是施加有磁场的磁光光子晶体与氧化铝覆盖层构成的波导内的单向泄露边界态来产生侧向辐射，这是一种新颖的实现漏波辐射的机理。
28、(2)高方向性与窄半功率波束宽度：一般的辐射系统中经常存在辐射波束旁瓣功率过高的问题，而本发明中的波束旁瓣在有效可调节的范围内与主瓣相比都处于一个较低的功率水平，同时本发明产生的半功率波束宽度窄，有助于设计具有高抗干扰性、高方向性、适应复杂环境的天线辐射结构。
29、(3)调控波束角度方式丰富：现有的漏波辐射系统往往只能通过振荡频率的改变影响辐射波束的方向，额外的调控方式可能会涉及对结构几何参数的修改。本发明中的辐射波束方向不但受频率变化调控，磁场强度的改变也是一种有效的调控方法，增加了调控的灵活性。
30、(4)结构简单：现有的漏波辐射结构往往需要通过设计复杂的周期结构组成单元以实现辐射现象，此外要实现较窄半功率波束宽度的天线设计可能需要更复杂的结构。而本发明中由于使用了正方晶格磁光光子晶体与倾斜后的正方晶格氧化铝柱构成的覆盖层组成波导，结构相当简单，这为实际设计所涉及到的结构制备、加工工艺等提供了非常巨大的便利。
31、(5)兼具辐射与接收电磁波功能：现有的有关实现侧向辐射的磁光光子晶体波导的研究往往只重视对侧向辐射能力的研究，忽略了波导同时拥有接收外部电磁波的能力。本发明所设计的磁光光子晶体波导除了能够实现可调控的侧向辐射波束外，还能够实现对外部电磁波的耦合，兼具电磁波信号辐射/接收的功能。不仅能够用于高效的信号发射，还能够作为接收器使用，具有更宽广的应用潜力。
1.一种磁光光子晶体波导的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法，其特征在于，步骤s1中，磁光光子晶体阵列中包括多个半径为r1＝0.14a1的钇铁石榴石柱；
3.根据权利要求1所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法，其特征在于，步骤s3中，覆盖层中包括多个半径为r2＝0.25a1的氧化铝柱；
4.根据权利要求1所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法，其特征在于，磁光光子晶体阵列和覆盖层背景介质为空气。
5.根据权利要求1所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法，其特征在于，步骤s3中，构建得到的线缺陷磁光光子晶体波导投影带隙的频率范围处于微波频段内。
6.根据权利要求1所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法，其特征在于，步骤s3中，为了使线缺陷磁光光子晶体波导内的单向边界态能够穿过覆盖层进入空气中，覆盖层中的氧化铝柱的行数被设置为3行。
7.基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射实现方法，所述磁光光子晶体波导通过权利要求1～6任一项所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法构建得到，其特征在于，包括通过振荡频率调控辐射波束角度以及通过磁场调控辐射波束角度。
8.根据权利要求7所述的基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射实现方法，其特征在于，通过振荡频率调控辐射波束角度，具体如下：
9.根据权利要求7所述的基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射实现方法，其特征在于，通过磁场调控辐射波束角度，具体如下：
10.基于磁光光子晶体波导的可控电磁波辐射与接收实现方法，所述磁光光子晶体波导通过权利要求1～6任一项所述的一种磁光光子晶体波导的构建方法构建得到，其特征在于，设置入射到磁光光子晶体波导的外部电磁波束的波矢，使其在x方向上的分量与磁光光子晶体波导内边界态的波矢相匹配，通过控制施加在磁光光子晶体阵列上的磁场强度的大小，使磁光光子晶体波导的最大接收效率对应的频率发生改变，实现对接收电磁波频率的调控。
