CN102479999B - 阻抗匹配元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻抗匹配元件，设置于两介质之间，元件由多个均匀的超材料片层沿垂直于片层表面方向堆叠成为一体，超材料片层包括基材和多个附着在基材上的人造微结构，首位片层和末尾片层的阻抗分别与第一介质和第二介质的阻抗相同，首位片层附着有多个具有第一图形的人造微结构，末尾片层附着有多个具有第二图形的人造微结构，中间若干片层所附着的人造微结构的图形为第一图形和第二图形的组合，沿片层堆叠方向第一图形连续减小且第二图形连续增大。本发明的阻抗匹配元件采用多个超材料片层堆叠形成阻抗渐变层，该阻抗匹配元件可消除两介质间的阻抗突变，进而解决了电磁波在经过两介质分界面时发生反射而导致电磁波能量损耗的问题。

Description

阻抗匹配元件
技术领域
本发明涉及电磁通讯领域，更具体地说，涉及一种利用超材料制成的阻抗匹配元件。
背景技术
随着科学技术的不断发展，电磁波技术逐渐深入到我们生活的各个方面。电磁波的一个重要的特性是它可以在任何的介质或真空中传播。在电磁波从发射端传播至接收端过程中，能量的损耗直接影响电磁信号传播的距离以及传输信号的质量。
当电磁波经过同一介质时，基本没有能量的损失；而当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。
研究阻抗匹配就是为了减少电磁波在经过不同介质边界时的信号发射问题。但目前关于电磁波传输过程中的阻抗匹配问题的研究还仅限于电路中，对于空间传播时的阻抗匹配问题还没有较成熟的技术。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种阻抗匹配元件，可减少电磁波在经过不同介质边界时能量的损耗。
为解决上述技术问题，提供了一种阻抗匹配元件，设置于第一介质与第二介质之间，所述元件由多个相互平行的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成，所述超材料片层包括片状的基材和多个附着在所述基材上的人造微结构，首位片层和末尾片层的阻抗分别与第一介质和第二介质的阻抗相同，首位片层附着有多个具有第一图形的人造微结构，末尾片层附着有多个具有第二图形的人造微结构，中间若干片层所附着的人造微结构的图形为第一图形和第二图形的组合，沿片层堆叠方向第一图形连续减小且第二图形连续增大。
进一步地，所述第一介质和第二介质都为均匀介质，所述元件由多个阻抗均匀分布的超材料片层构成。
进一步地，所述人造微结构为附着在基材上的具有特定图形的金属线，所述金属线为铜线或银线。
进一步地，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。
进一步地，所述基材由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F46复合材料制得。
进一步地，所述首位和/或末尾超材料片层的人造微结构为轴对称结构。
进一步地，所述第一图形为正立的“工”字形、“H”形或“王”字形，所述第二图形相应地为“工”字形、“H”形或“王”字形经90度旋转后的图形。
上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明实施例的阻抗匹配元件的多个超材料片层堆叠形成阻抗渐变层，将此阻抗匹配元件设置于两介质间将消除两介质的阻抗突变，进而解决了电磁波在经过两介质分界面时发生反射而导致电磁波能量损耗的问题。
附图说明
图1是本发明的阻抗匹配元件一实施例的结构示意图。
图2是图1所示的阻抗匹配元件的主视图。
图3是图1所示的阻抗匹配元件的侧视图。
图4是图3所示的阻抗匹配元件的A-A剖视图。
图5是本发明实施例的阻抗匹配元件的应用示意图。
具体实施方式
当电磁波在同一介质传播时，基本没有能量的损失；而当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。本发明涉及一种采用超材料制成的阻抗匹配元件，用以解决电磁波在空间传播过程中经过不同介质分界面时发生部分反射而导致电磁波能量损耗的问题。
超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括由具有一定图形的金属丝构成的人造微结构2和供人造微结构附着的基材1。多个人造微结构2在基材1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基材1所占部分即为一个晶格。基材1可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个晶格产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了晶格的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图形所具有的拓扑特征和其几何尺寸。
根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构2的图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置，由于阻抗与
Figure BDA0000050988490000031
成正比关系，所以只要改变介电常数与磁导率中的至少一个，就可以改变阻抗。进而使用超材料制成一个阻抗渐变的阻抗匹配元件，使其一侧的阻抗与第一介质的阻抗相同，另一侧的阻抗与第二介质的阻抗相同，中间连续变化消除第一介质和第二介质间的阻抗突变，进而消除电磁波经过不同介质分界面时的反射现象以及电磁波能量损耗问题。
图1～图4分别为是本发明的阻抗匹配元件10一实施例的结构示意图、主视图、侧视图以及A-A剖视图。本实施例中第一介质和第二介质都为均匀介质，阻抗匹配元件10由多个均匀的超材料片层3沿垂直于其表面方向堆叠成为一体，超材料片层3包括片状的基材1和多个附着在基材1上的人造微结构2，首位的超材料片层3和末尾的超材料片层3的阻抗分别与第一介质和第二介质的阻抗相同，首位的超材料片层3附着有多个具有第一图形的人造微结构2，末尾的超材料片层3附着有多个具有第二图形的人造微结构2，中间若干片超材料片层3所附着的人造微结构2的图形为第一图形和第二图形的组合，沿片层堆叠方向第一图形连续减小且第二图形连续增大。
人造微结构2为附着在基材1上的具有特定图形的金属线，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻等多种方法附着在基材1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。上述金属箔片的材质可以是铜、银等金属。基材1由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F46复合材料制得。
在本实施例中首位的超材料片层3的人造微结构2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝。末尾的超材料片层3的人造微结构2呈“H”形，包括水平的第三金属丝和分别连接于第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第四金属丝。中间的若干超材料片层3的人造微结构2的图形为“工”字形和“H”形的组合，沿超材料片层3的堆叠方向各中间超材料片层3的人造微结构2的“工”字图形连续减小且“H”图形连续增大，进而形成中间渐变层。具体实施时第一图形为正立的“工”字形、“H”形或“王”字形，所述第二图形相应地为“工”字形、“H”形或“王”字形经90度旋转后的图形。当然首位和末尾片层的人造微结构2也可采用非轴对称结构的图形，如“J”形、“C”形或“卜”字形等。
图5所示为本发明的阻抗匹配元件的应用示意图，将本发明的阻抗匹配元件设置于两不同介质间，根据第一介质和第二介质分别设计首位超材料片层3所附着的人造微结构2的第一图形和末尾超材料片层3所附着的人造微结构2的第二图形，中间若干超材料片层3所附着的人造微结构2的图形为第一图形和第二图形的组合，沿着超材料片层3堆叠方向个片层的人造微结构2的第一图形连续减小且第二图形连续增大，即可形成一个阻抗渐变层进而实现两不同介质的阻抗匹配。
以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种阻抗匹配元件，设置于第一介质与第二介质之间，其特征在于，所述元件由多个相互平行的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成，所述超材料片层包括片状的基材和多个附着在所述基材上的人造微结构，首位片层和末尾片层的阻抗分别与第一介质和第二介质的阻抗相同，首位片层附着有多个具有第一图形的人造微结构，末尾片层附着有多个具有第二图形的人造微结构，中间若干片层所附着的人造微结构的图形为第一图形和第二图形的组合，沿片层堆叠方向第一图形连续减小且第二图形连续增大。
2.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述第一介质和第二介质都为均匀介质，所述元件由多个阻抗均匀分布的超材料片层构成。
3.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述人造微结构为附着在基材上的具有特定图形的金属线，所述金属线为铜线或银线。
4.如权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。
5.如权利要求1或2所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F46复合材料制得。
6.如权利要求1或2所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述首位和/或末尾超材料片层的人造微结构为轴对称结构。
7.如权利要求6所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述第一图形为正立的“工”字形、“H”形或“王”字形，所述第二图形相应地为“工”字形、“H”形或“王”字形经90度旋转后的图形。
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