專利名稱：一種光子晶體屏蔽效果演示的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明屬于無線電通訊技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用較高折射率矩形玻璃柱制成的、可以屏蔽手機信號的三維光子晶體演示工藝，特別是一種光子晶體屏蔽效果演示的方法。
背景技術(shù)：
:在現(xiàn)有的通訊技術(shù)中，將手機放在密封在金屬盒子里后由于屏蔽作用，手機無法收到信號并發(fā)出聲響，對收音機的接收也有相同情形；將手機放在一小堆玻璃柱或玻璃球里，手機仍可以收到信號發(fā)出聲音；如果將玻璃柱或玻璃球規(guī)則排列，有可能像金屬一樣，屏蔽有關(guān)的電磁信號，這就需要從光子晶體和禁帶說起。光子晶體是近二十幾年來出現(xiàn)的一種新型材料，它具有周期性結(jié)構(gòu)和傳輸禁帶等特點，可以提供不同于以前的電磁波傳播和控制方法，它的出現(xiàn)成為國內(nèi)外物理、化學(xué)、材料和通信等領(lǐng)域研究的熱點。光子晶體的結(jié)構(gòu)特征是周期排列和散射元:周期排列可以用布拉維格來概括，如四方形和六邊形等；散射元則是指組成光子晶體元胞的幾何和物理結(jié)構(gòu)，周期性排列和散射元的大小和形狀等因素會影響光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)。光子晶體的典型結(jié)構(gòu)是折射率(或者說介電常數(shù))周期變化，這種周期性的變化要求傳輸?shù)碾姶挪úㄩL數(shù)量級相當(dāng)，當(dāng)相對折射率變化較大時，會出現(xiàn)類似于晶體中的能帶和帶隙，這種具有光子能帶和帶隙的材料被稱為光子晶體，光子晶體的最大特點是具有光子禁帶，某些頻率的電磁波在結(jié)構(gòu)中不能傳播，這時的材料為結(jié)構(gòu)的相對折射率較大的金屬、半導(dǎo)體、氧化物和聚合物等，如玻璃通過摻雜稀土材料(如Nd2O3),其折射率可達到2.2，甚至更高；同時，按電磁波的頻率光子晶體可分為微波光子晶體、紅外波光子晶體、可見光子晶體等；按其用途光子晶體可分為光子晶體微腔、光子晶體波導(dǎo)、光子晶體光線和光子晶體天線等，手機屬于厘米級的微波通信，所以采用的光子晶體結(jié)構(gòu)的禁帶也處于厘米級；按照光子晶體的折射率周期性變化的空間維度，可以將其分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體。只有三維光子晶體是由兩種介質(zhì)在空間三個維度上交替排列而成的空間周期性結(jié)構(gòu)，在三維空間各方向上都具有光子禁帶，即折射率在空間三維均呈周期性排列，光子禁帶將出現(xiàn)在各個方向上，可以達到完全屏蔽手機信號的目的，屏蔽手機信號采用結(jié)構(gòu)簡單的微波頻域的三維光子晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在各方向上都具有光子禁帶與手機的接收頻率相同，這一頻率的信號就不會到達手機，非金屬材料通過周期性排列，也可以屏蔽電磁信號，從而改變?nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)認識，激發(fā)人們對材料新結(jié)構(gòu)、新功能研究興趣，具有重要的理論和現(xiàn)實意義
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求設(shè)計一種較高折射率矩形玻璃柱組成的三層有序結(jié)構(gòu)的光子晶體屏蔽效果演示的方法，搭建的光子晶體演示堆積結(jié)構(gòu)具有屏蔽手機電磁信號的功能。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將較高折射率的矩形玻璃柱按照木堆積(woodpiles)結(jié)構(gòu)的要求，縱橫搭建規(guī)則排列組成堆積結(jié)構(gòu)，在堆積結(jié)構(gòu)的中央去掉部分矩形玻璃柱形成腔體，便于放置手機，腔體四周矩形玻璃柱為規(guī)則排列；其具體工藝步驟為:(I)、參數(shù)設(shè)置:采用平面波展開法計算設(shè)置所用矩形玻璃柱的玻璃材料的折射率、矩形玻璃柱的大小和排列參數(shù)；先將電磁波和周期性分布的介電常數(shù)展開成一系列平面波的疊加，再代入通用的Maxwell方程組將其化成一個本征方程，求解該本征方程的本征值得光子的帶隙分布值；(2)、矩形玻璃柱尺寸和間距的確定:通過給定工作波長、介質(zhì)折射率、晶格常數(shù)和結(jié)構(gòu)禁帶，進一步調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，明確矩形玻璃柱的尺寸和間距；設(shè)定矩形玻璃柱的高和寬都為a，手機接收頻率為fMHz，波長為λ cm，通過稀土摻雜的矩形玻璃柱玻璃的折射率η=2.5，通過計算得矩形玻璃柱的高和寬a為0.492 λ，矩形玻璃柱相互間距為2a，兩側(cè)的邊距分別取O和1.5a，使手機的頻率處在禁帶的中央位置；(3)、堆積結(jié)構(gòu)搭建:選取若干根相同尺寸的矩形玻璃柱，其高和寬為a=0.492 λ，長度大于20a，將矩形玻璃柱規(guī)則堆積并四層一個循環(huán)；其中，第I層，橫向排放，兩側(cè)離側(cè)邊1.5a，中間每相鄰的兩根矩形玻璃柱相距2a的空隙；第2層，縱向排放，兩側(cè)離側(cè)邊1.5a，中間每相鄰的兩根矩形玻璃柱相距2a的空隙；第3層，橫向排放，靠邊一側(cè)矩形玻璃柱不留空隙，其余有2a的空隙；第4層，縱向排放，靠邊一側(cè)矩形玻璃柱不留空隙，其余有2a的空隙；5-8層重復(fù)1-4層的循環(huán)，并每個四層一個循環(huán)，總層數(shù)為4的倍數(shù)，搭建成供光子晶體演示的堆積結(jié)構(gòu)；(4)堆積結(jié)構(gòu)粘合和腔體設(shè)置:從堆積結(jié)構(gòu)的中間對稱分為上、下部分，分別將上、下部分的外側(cè)面用強力膠粘合形成一體結(jié)構(gòu)，在下部分的中央處將最上層的玻璃柱去掉na, η等于1_6中的任意值,形成5aXnaX a的腔體,用以放置手機；(5)實驗演示:把沒有關(guān)閉的手機放入腔體，并對合式蓋上上部分矩形玻璃柱，測得手機接受不到電磁信號；再把手機接通于通話狀態(tài)后放入腔體，蓋上上部分矩形玻璃柱，手機信號中斷，屏蔽效 果明顯。本發(fā)明涉及的光子晶體中介電常數(shù)的分布周期性的計算方法為:ε{Τ) = ε (r+R )(I)其中，犮=ZWp1+OT2A+/W3A為格矢Π 2、53是光子晶體基矢。為任意整數(shù)。介電常數(shù)的倒數(shù)也是周期性的，可以將表示為一系列平面波的疊加:
權(quán)利要求
1.一種光子晶體屏蔽效果演示的方法，其特征在于將較高折射率的矩形玻璃柱按照木堆積(woodpiles)結(jié)構(gòu)的要求，縱橫搭建規(guī)則排列組成堆積結(jié)構(gòu)，在堆積結(jié)構(gòu)的中央去掉部分矩形玻璃柱形成腔體，便于放置手機，腔體四周矩形玻璃柱為規(guī)則排列；其具體工藝步驟為: (1)、參數(shù)設(shè)置:采用平面波展開法計算設(shè)置所用矩形玻璃柱的玻璃材料的折射率、矩形玻璃柱的大小和排列參數(shù)；先將電磁波和周期性分布的介電常數(shù)展開成一系列平面波的疊加，再代入通用的Maxwell方程組將其化成一個本征方程，求解該本征方程的本征值得光子的帶隙分布值； (2)、矩形玻璃柱尺寸和間距的確定:通過給定工作波長、介質(zhì)折射率、晶格常數(shù)和結(jié)構(gòu)禁帶，進一步調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，明確矩形玻璃柱的尺寸和間距；設(shè)定矩形玻璃柱的高和寬都為a，手機接收頻率為fMHz，波長為λ cm，通過稀土摻雜的矩形玻璃柱玻璃的折射率η=2.5，通過計算得矩形玻璃柱的高和寬a為0.492 λ，矩形玻璃柱相互間距為2a，兩側(cè)的邊距分別取O和1.5a，使手機的頻率處在禁帶的中央位置； (3)、堆積結(jié)構(gòu)搭建:選取若干根相同尺寸的矩形玻璃柱，其高和寬為a=0.492λ，長度大于20a，將矩形玻璃柱規(guī)則堆積并四層一個循環(huán)；其中，第I層，橫向排放，兩側(cè)離側(cè)邊1.5a，中間每相鄰的兩根矩形玻璃柱相距2a的空隙；第2層，縱向排放，兩側(cè)離側(cè)邊1.5a，中間每相鄰的兩根矩形玻璃柱相距2a的空隙；第3層，橫向排放，靠邊一側(cè)矩形玻璃柱不留空隙，其余有2a的空隙；第4層，縱向排放，靠邊一側(cè)矩形玻璃柱不留空隙，其余有2a的空隙；5_8層重復(fù)1-4層的循環(huán)，并每個四層一個循環(huán)，總層數(shù)為4的倍數(shù)，搭建成供光子晶體演示的堆積結(jié)構(gòu)； (4)堆積結(jié)構(gòu)粘合和腔體設(shè)置:從堆積結(jié)構(gòu)的中間對稱分為上、下部分，分別將上、下部分的外側(cè)面用強力膠粘合形成一體結(jié)構(gòu)，在下部分的中央處將最上層的玻璃柱去掉na，n等于1-6中的任意值,形成5aXnaX a的腔體,用以放置手機； (5)實驗演示:把沒有關(guān)閉的手機放入腔體，并對合式蓋上上部分矩形玻璃柱，測得手機接受不到電磁信號；再把手機接通于通話狀態(tài)后放入腔體，蓋上上部分矩形玻璃柱，手機信號中斷，屏蔽效果明顯。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線電通訊技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光子晶體屏蔽效果演示的方法，將較高折射率的矩形玻璃柱按照木堆積結(jié)構(gòu)的要求，縱橫搭建規(guī)則排列組成堆積結(jié)構(gòu)，在堆積結(jié)構(gòu)的中央去掉部分矩形玻璃柱形成腔體，便于放置手機，腔體四周矩形玻璃柱為規(guī)則排列；把沒有關(guān)閉的手機放入腔體，并對合式蓋上上部分矩形玻璃柱，測得手機接受不到電磁信號；再把手機接通于通話狀態(tài)后放入腔體，蓋上上部分矩形玻璃柱，手機信號中斷，屏蔽效果明顯；其堆積工藝方法簡單，演示成本低，實驗穩(wěn)定性高，操作簡便，屏蔽效果明顯，是一種新型屏蔽手機電磁信號的堆積結(jié)構(gòu)。
文檔編號G09B23/18GK103150954SQ201310123418
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者萬勇, 戈升波, 劉培晨, 郭月, 賈明輝 申請人:青島大學(xué)