CN102480000A - 阻抗匹配元件 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种阻抗匹配元件，设置于第一介质与第二介质之间，该元件由多个超材料片层沿垂直于片层表面方向堆叠形成，超材料片层包括基材和多个附着在基材上的人造微结构。基材分成若干晶格，人造微结构置于晶格中，每一晶格与其上的人造微结构构成一个单元格。该元件的单元格的阻抗沿片层堆叠方向连续变化，组成首位片层及末尾片层的各单元格的阻抗分别与首位片层及末尾片层各自相接触的第一介质或第二介质对应位置的阻抗相同。本发明实施例的阻抗匹配元件采用多个超材料片层堆叠形成一阻抗渐变层，该阻抗匹配元件设置于两介质间可消除介质分界面的阻抗突变，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
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，所述元件由多个超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠成为一体，所述超材料片层包括基材和多个附着在所述基材上的人造微结构，所述基材分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述元件的若干晶格的阻抗沿片层堆叠方向呈连续变化，组成首位片层\末尾片层的各晶格的阻抗与片层相接触的第一介质\第二介质对应位置的阻抗相同。
进一步地，当所述第一介质和第二介质都为均匀介质时所述元件由多个均匀的超材料片层构成，每个超材料片层包括基材和阵列在所述基材上的多个相同的人造微结构，各片层所附着的人造微结构具有相同的几何形状且各片层的人造微结构的尺寸沿片层的堆叠方向连续变化。
进一步地，所述人造微结构呈“工”形，包括第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。
进一步地，所述人造微结构还包括分别连接在所述第二金属丝两端且垂直于所述第二金属丝的第三金属丝、分别连接在所述第三金属丝两端且垂直于所述第三金属丝的第四金属丝，依此类推。
进一步地，所述第二金属丝的长度小于第一金属丝，所述第三金属丝的长度小于第二金属丝，所述第四金属丝的长度小于第三金属丝，依此类推。
进一步地，每个所述人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝、分别连接在每个第二金属丝两端且垂直于第二金属丝的第三金属丝，依此类推。
进一步地，每个所述人造微结构包括在三维空间内两两垂直且共一交点的三个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝、分别连接在每个第二金属丝两端且垂直于第二金属丝的第三金属丝，依此类推。
进一步地，所述人造微结构为非轴对称结构。
进一步地，所述人造微结构为不等腰三角形、平行四边形或不规则闭合曲线。
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由多个超材料片层堆叠成为一体，超材料片层分成若干晶格，人造微结构置于所述晶格中，通过设计晶格上的人造微结构的图案和尺寸，可实现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部分反射现象以及电磁波能量损耗问题。
附图说明
图1是本发明的由多个非均匀的超材料片层堆叠而成的阻抗匹配元件一实施例的结构示意图。
图2a是本发明的由多个均匀的超材料片层堆叠而成的阻抗匹配元件一实施例的结构示意图。
图2b是图2a所示的阻抗匹配元件的主视图，其人造微结构为“工”字形。
图2c是图2a所示的阻抗匹配元件的侧视图。
图2d是图2c所示的阻抗匹配元件的A-A剖视图，各超材料片层的阻抗沿堆叠方向平稳增加或减小。
图3a是由图2b所示人造微结构衍生的第二实施例的示意图。
图3b是由图3a所示人造微结构衍生的第三实施例的示意图。
图4a是本发明的阻抗匹配元件的第四实施例的剖视图。
图4b是由图4a所示人造微结构衍生的第五实施例的示意图。
图4c是由图4b所示人造微结构衍生的第六实施例的示意图。
图5是本发明的阻抗匹配元件第七实施例的主视图。
图6是本发明的阻抗匹配元件第八实施例的主视图。
图7是本发明的阻抗匹配元件第九实施例的主视图。
图8是人造微结构为三维结构的超材料片层的结构示意图。
图9是本发明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，包括由具有一定图案形状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，基材1分成若干晶格，每个人造微结构2以及其所附着的晶格即为一个单元格。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单元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单元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案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的图案和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置，由于阻抗与
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。实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数成正比，通过合理设计人造微结构2的图案和不同尺寸的人造微结构2在超材料片层上的排布，就可以使用超材料形成一个阻抗渐变层，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所示实施例为用于两非均匀介质间的阻抗匹配元件的结构示意图。本实施例中的阻抗匹配元件10由多个相互平行的超材料片层3沿垂直于其表面方向堆叠形成，每个超材料片层3分为若干单元格，沿超材料片层3的堆叠方向单元格的阻抗呈连续变化，组成首\末两片超材料片层3的各单元格的阻抗与其相接触的第一介质\第二介质对应位置的阻抗相同。本发明的阻抗匹配元件10应用于非均匀介质阻抗匹配时，首\末两片超材料片层3呈非均匀性，通过设计组成首\末两超材料片层3中各单元格上的人造微结构2的图案和尺寸，中间各超材料片层3的单元格的阻抗连续变化即可消除第一介质和第二介质间的阻抗突变，实现阻抗匹配。具体实施时可根据第一介质\第二介质对应位置的阻抗设计组成首\末两片超材料片层3的各单元格所附着的人造微结构2的图案和尺寸，可采用图1中的“工”字形结构、三角形结构以及任何满足阻抗要求的人造微结构2。
下面为本发明的阻抗匹配元件应用于两均匀介质的具体实施例。
图2a～图2d分别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由多个阻抗均匀分布的超材料片层3构成，每个超材料片层3包括片状的基材1和附着在基材1上的多个人造微结构2。多个超材料片层3沿垂直于超材料片层3表面方向堆叠成为一体且各超材料片层3的阻抗沿片层的堆叠方向逐渐增大或减小，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，这里的均匀是指构成超材料片层3的每个单元格具有相同的电磁参数。
本实施例中的阻抗匹配元件由多个超材料片层3堆叠而成，同一超材料片层3的基材1上的阵列设置有多个相同的人造微结构2。不同超材料片层3所附着的人造微结构2具有相同的几何形状且人造微结构2的尺寸沿超材料片层3的堆叠方向逐渐增大或减小，具体实施时可根据第一介质和第二介质的阻抗设计阻抗匹配元件10两侧的超材料片层3的电磁参数，中间的超材料片层3的阻抗连续变化，进而形成一个阻抗渐变层。
在本实施例中人造微结构2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。
图3a所示实施例是图2b所示实施例的衍生，其人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。
图3b所示实施例则是图3a的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图3a的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的对电场响应的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。
其中，每个第一金属丝201只与第二金属丝202相连接，不与其他任何金属丝相交；任意第N金属丝只与第(N-1)金属丝和第(N+1)金属丝相交连接，不予其他任何金属丝相交，这里N大于等于2。
图4a所示实施例中每个人造微结构2的金属丝包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝201、分别连接在每个第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。同一超材料片层3中阵列设置有多个相同的人造微结构2；不同超材料片层3所附着的人造微结构2具有相同的几何形状且人造微结构2的尺寸沿超材料片层3的堆叠方向逐渐增大或减小。
图4b和图4c是图4a的人造微结构2的衍生。图4b所示的金属丝除具有图4a所示的第一金属丝201和第二金属丝202外，还包括分别连接在每个第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。图4c所示的金属丝除具有图4b所示的第一金属丝201、第二金属丝202以及第三金属丝203外，还包括分别连接在每个第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。本发明的人造微结构2还可包括分别连接在每个第四金属丝204两端且垂直于第四金属丝204的第五金属丝，依此类推。
图5～图7所示的实施例中阻抗匹配元件10的人造微结构2为不等腰三角形、平行四边形以及不规则闭合曲线。同样也可采用其他图案为轴对称或非轴对称结构的人造微结构2。除了人造微结构2的几何形状与上述实施例不同之外，其他均与之相同。只要满足构成阻抗匹配元件10的各个超材料层3形成一个阻抗渐变层，即可消除不同介质间阻抗突变进而消除电磁波经过不同介质分界面时所产生的能量损耗。
图8所示的超材料片层3的人造微结构2采用三维结构。每个三维的人造微结构2均匀、平行地阵列排布在片状基材1内部。在设计人造微结构2时，可通过设计各金属丝之间的长度关系，从而可实现调节阻抗匹配元件10的阻抗渐变性的目的。
本实施例的人造微结构2包括两两垂直且共一交点的三个第一金属丝201和分别接在每个第一金属丝201两端且与该第一金属丝201垂直的六根第二金属丝202，依此类推。
本发明的阻抗匹配元件根据人造微结构的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸影响超材料的电磁参数的原理，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置，由于阻抗与
成正比关系，所以可通过合理的设置超材料中每一点的电磁特性使用超材料制成一阻抗渐变的阻抗匹配元件以解决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9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量不同介质间，可根据第一介质和第二介质的电磁参数设计阻抗匹配元件与其相接触的超材料片层的人造微结构的图案和尺寸。当两介质都为均匀介质时为了便于理解和描述相应实施例中构成阻抗匹配元件的同一超材料片层上附着有多个相同的人造微结构；不同超材料片层所附着的人造微结构具有相同的几何形状且人造微结构的尺寸沿超材料片层的堆叠方向逐渐增大或减小，具体设计时不同超材料片层也可采用不同图案的人造微结构，只要各片层的阻抗沿片层堆叠方向逐渐增大或逐渐减小以形成阻抗渐变层即可实现均匀介质阻抗匹配的目的，均属于本发明的保护之内。
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 (10)
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的方向堆叠形成，所述超材料片层包括基材和多个附着在所述基材上的人造微结构，所述基材分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，每一晶格与其上的人造微结构构成一个单元格，所述元件的单元格的阻抗沿片层堆叠方向呈连续变化，组成首位片层及末尾片层的各单元格的阻抗分别与首位片层及末尾片层各自相接触的第一介质或第二介质对应位置的阻抗相同。
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2所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述元件所有超材料片层的人造微结构具有相同的图案，各片层的人造微结构的尺寸沿片层的堆叠方向连续变化。
4.如权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述人造微结构呈“工”形，包括第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。
5.如权利要求4所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述人造微结构还包括分别连接在所述第二金属丝两端且垂直于所述第二金属丝的第三金属丝、分别连接在所述第三金属丝两端且垂直于所述第三金属丝的第四金属丝，依此类推。
6.如权利要求5所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述第二金属丝的长度小于第一金属丝，所述第三金属丝的长度小于第二金属丝，所述第四金属丝的长度小于第三金属丝，依此类推。
7.如权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于，每个所述人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝、分别连接在每个第二金属丝两端且垂直于第二金属丝的第三金属丝，依此类推。
8.如权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于，每个所述人造微结构包括在三维空间内两两垂直且共一交点的三个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝、分别连接在每个第二金属丝两端且垂直于第二金属丝的第三金属丝，依此类推。
9.如权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述人造微结构为非轴对称结构。
10.如权利要求9所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述人造微结构为不等腰三角形、平行四边形或不规则闭合曲线。
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