CN102571022B - 一种单负美特材料制成的阻抗匹配器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单负美特材料制成的阻抗匹配器及其应用，该阻抗匹配器包括磁单负材料部分和电单负材料部分，所述的磁单负材料部分包括第一介质板、设置在第一介质板底面的第一铜箔层、设置在第一介质板正面的第一块状铜箔层、第一电容、第二电容、第一电感，所述的电单负材料部分包括第二介质板、设置在第二介质板底面的第二铜箔层、设置在第二介质板正面的第二块状铜箔层、第三电容、第四电容、第二电感；该应用为将阻抗匹配器的两端与需要匹配的媒介连接，阻抗匹配器根据一定的条件进行设置。与现有技术相比，本发明具有结构尺寸与波长无关从而可小型化、可做到无损衔接，且工艺简单、成本低廉等优点。

Description

一种单负美特材料制成的阻抗匹配器及其应用

技术领域

本发明涉及一种阻抗匹配器，尤其是涉及一种单负美特材料制成的阻抗匹配器及其应用。

背景技术

反射是一种很常见的光学现象。当电磁波从一种媒介入射到另一种媒介中时，入射界面两边媒介阻抗相差越大，反射越强烈。为了降低两个不同媒介界面的反射，在微波领域，采用四分之一波长的传输线来降低反射。当界面两边的阻抗严重失配时，为了达到较好的匹配效果，常常采用比波长长很多的渐变线来进行阻抗匹配。而很长的渐变线对工艺等方面的苛刻要求导致制作复杂高效小型的器件受到了限制。因此，设计一个与波长无关，制作过称简单的阻抗的匹配器尤为重要。

近年来，一类新型人工电磁波材料——美特材料（特异材料，超常材料，超颖材料）在物理学、材料科学以及微波工程领域引起了人们越来越多的关注。这种材料根据介电常数和磁导率的符号不同，可以分为双负美特材料（介电常数和磁导率都为负）和单负美特材料（磁导率和介电常数只有一个为负）。其中单负美特材料又分为磁单负美特材料（磁导率为负，MNG）和电单负美特材料（介电常数为负，ENG）。因为单负美特材料的折射率是纯虚数（无损耗时），电磁波只能以迅衰场的形式存，因此单负美特材料是不透明的。但是，令人惊奇的是，当把不透明的磁单负材料和不透明电单负材料排列在一起，组成复合结构时，整个结构却变得透明了。单负美特材料可以通过在微带线上加载分布/集总的电容和电感来实现，这与目前微波平面工艺兼容。目前传输线美特材料已经被应用于新型的滤波器、耦合器、功分器、谐振器等微波器件。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构尺寸与波长无关从而可小型化、可做到无损衔接，且工艺简单、成本低廉的单负美特材料制成的阻抗匹配器及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单负美特材料制成的阻抗匹配器，其特征在于，该阻抗匹配器包括磁单负材料部分和电单负材料部分；

所述的磁单负材料部分包括第一介质板、设置在第一介质板底面的第一铜箔层、设置在第一介质板正面的第一块状铜箔层、第一电容、第二电容、第一电感，所述的第一块状铜箔层的中心设有一个孔，该孔穿过第一介质板到达第一介质板底面的第一铜箔层，所述的第一块状铜箔层的孔内设有第一电感，该第一电感的两端分别与第一块状铜箔层和第一介质板底面的第一铜箔层连接，所述的第一块状铜箔层的两端设有第一电容、第二电容；

所述的电单负材料部分包括第二介质板、设置在第二介质板底面的第二铜箔层、设置在第二介质板正面的第二块状铜箔层、第三电容、第四电容、第二电感，所述的第二块状铜箔层的中心设有一个孔，该孔穿过第二介质板到达第二介质板底面的第二铜箔层，所述的第二块状铜箔层的孔内设有第二电感，该第二电感的两端分别与第二块状铜箔层和第二介质板底面的第二铜箔层连接，所述的第二块状铜箔层的两端设有第三电容、第四电容，所述的第二电容与第三电容连接。

所述的第一和第二介质板均为环氧树脂复合玻璃纤维制成的介质板。

所述的第一电容、第二电容的电容值相同。

所述的第三电容、第四电容的电容值相同。

一种单负美特材料制成的阻抗匹配器的应用，其特征在于，该应用为将阻抗匹配器的两端与需要匹配的媒介连接，阻抗匹配器根据磁单负材料的阻抗与电单负的阻抗的乘积等于两边需要匹配媒介的阻抗的乘积，磁单负材料与电单负材料虚阻抗匹配进行设置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用由磁单负材料和电单负材料组成的双层结构设计阻抗匹配器，器件结构尺寸与波长无关，因此可以做得很小。

2、可用于无损地衔接具有高阻抗对比的波导、传输线系统，从而大大提高微波通讯器件的性能。

3、本发明工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明实施时的连接结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为图1的左视图；

图4为图1的仰视图；

图5为本发明的单负材料的等效电路图；

图6为传统的直接连接两媒质的结构示意图；

图7为本发明实验测得的样品反射图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～4所示，一种单负美特材料制成的阻抗匹配器，该阻抗匹配器两端连接需要匹配的媒介1、4，阻抗匹配器包括磁单负材料部分2和电单负材料部分3。磁单负材料部分2包括第一介质板5、设置在第一介质板5底面的第一铜箔层13、设置在第一介质板5正面的第一块状铜箔层6、第一电容7、第二电容9、第一电感8。第一块状铜箔层6的中心设有一个孔，该孔穿过第一介质板5到达第一介质板5底面的第一铜箔层13，第一块状铜箔层6的孔内设有第一电感8，该第一电感8的两端分别与第一块状铜箔层6和第一介质板5底面的第一铜箔层13连接，第一块状铜箔层6的两端设有第一电容7、第二电容9。电单负材料部分3包括第二介质板14、设置在第二介质板14底面的第二铜箔层、设置在第二介质板14正面的第二块状铜箔层15、第三电容10、第四电容12、第二电感11，第二块状铜箔层15的中心设有一个孔，该孔穿过第二介质板14到达第二介质板14底面的第二铜箔层，第二块状铜箔层15的孔内设有第二电感11，该第二电感11的两端分别与第二块状铜箔层15和第二介质板14底面的第二铜箔层连接，第二块状铜箔层15的两端设有第三电容10、第四电容12，第二电容9与第三电容10连接。第一和第二介质板5、14均为环氧树脂复合玻璃纤维制成的介质板。第一电容7、第二电容9的电容值相同。第三电容10、第四电容12的电容值相同。磁单负材料部分2和电单负材料部分3由印刷电路板制成，第一介质板5、第二介质板14为一整体，设置在第一介质板5底面的第一铜箔13与设置在第二介质板14底面的第二铜箔层也为一整体。

在微带线上加载分布电容和电感可以实现单负美特材料，图5所示。阻抗匹配器的磁单负材料部分2和电单负材料部分3均通过这种方法实现。因此可计算出磁单负材料部分2和电单负材料部分3的阻抗。该阻抗匹配器应用时，先将阻抗匹配器的两端与需要匹配的媒介连接，阻抗匹配器根据磁单负材料的阻抗与电单负的阻抗的乘积等于两边需要匹配媒介的阻抗的乘积，磁单负材料与电单负材料虚阻抗匹配进行设置，从而可达到无损衔接。

当介质板的介电常数为4.75，板厚1.6mm，下表面敷0.035mm的铜，块状铜箔层厚度也为0.035mm的铜，匹配器长度为40mm。第一块状铜箔层6和第二块状铜箔层15长度各为20mm，第一电感8和第二电感11的电感值为1.8nH，第一电容7、第二电容9的电容值为15pF，第三电容7、第四电容9的电容值为56pF。没采用本发明的连接图如图6所示，采用本发明测得的反射率如附图7所示，在频率0.56GHz（对应波长536mm），反射减小了10dB。

Claims (5)

1.一种单负美特材料制成的阻抗匹配器，其特征在于，该阻抗匹配器包括磁单负材料部分和电单负材料部分；

所述的磁单负材料部分包括第一介质板、设置在第一介质板底面的第一铜箔层、设置在第一介质板正面的第一块状铜箔层、第一电容、第二电容、第一电感，所述的第一块状铜箔层的中心设有一个孔，该孔穿过第一介质板到达第一介质板底面的第一铜箔层，所述的第一块状铜箔层的孔内设有第一电感，该第一电感的两端分别与第一块状铜箔层和第一介质板底面的第一铜箔层连接，所述的第一块状铜箔层的两端设有第一电容、第二电容；

所述的电单负材料部分包括第二介质板、设置在第二介质板底面的第二铜箔层、设置在第二介质板正面的第二块状铜箔层、第三电容、第四电容、第二电感，所述的第二块状铜箔层的中心设有一个孔，该孔穿过第二介质板到达第二介质板底面的第二铜箔层，所述的第二块状铜箔层的孔内设有第二电感，该第二电感的两端分别与第二块状铜箔层和第二介质板底面的第二铜箔层连接，所述的第二块状铜箔层的两端设有第三电容、第四电容，所述的第二电容与第三电容连接。

2.根据权利要求1所述的一种单负美特材料制成的阻抗匹配器，其特征在于，所述的第一和第二介质板均为环氧树脂复合玻璃纤维制成的介质板。

3.根据权利要求1所述的一种单负美特材料制成的阻抗匹配器，其特征在于，所述的第一电容、第二电容的电容值相同。

4.根据权利要求1所述的一种单负美特材料制成的阻抗匹配器，其特征在于，所述的第三电容、第四电容的电容值相同。

5.一种如权利要求1所述的单负美特材料制成的阻抗匹配器的应用，其特征在于，该应用为将阻抗匹配器的两端与需要匹配的媒介连接，阻抗匹配器根据磁单负材料的阻抗与电单负的阻抗的乘积等于两边需要匹配媒介的阻抗的乘积，磁单负材料与电单负材料虚阻抗匹配进行设置。