CN102683786B - 功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率分配器，包括输入端口、多个输出端口以及置于输入端口与输出端口之间的超材料。超材料由多个均匀的超材料片层构成，每个片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，多个片层沿垂直于片层表面方向堆叠形成且各片层的阻抗沿片层的堆叠方向连续变化，首位片层和末尾片层的阻抗分别与输入端口和多个输出端口的等效阻抗相同。通过在功率分配器的输入端口和输出端口之间设置具有上述特征的超材料可实现输入端口和输出端口间的阻抗匹配。本发明的功率分配器通过采用超材料形成一阻抗渐变层实现阻抗匹配与现有的阻抗匹配网络相比不仅可以节省有限的布线空间，还可以避免阻抗匹配网络设计不当导致的电磁干扰问题。

Description

功率分配器

技术领域

本发明涉及功分器领域，尤其涉及一种基于超材料的功率分配器。

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。

功率分配器是一种将一路电磁波输入信号能量分成两路或多路输出信号的器件，电磁波分为多路后输入端口的阻抗和多个输出端口的等效阻抗存在较大的差距，将导致输入的电磁波发生反射。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。

现有技术通过设计阻抗匹配网络实现输入端口和输出端口之间的阻抗匹配，但这种方法至少存在以下几个缺点：(1)阻抗匹配网络占用较大的布线空间，产品的体积相对较大；(2)设计阻抗匹配网络需要考虑线路间电磁干扰问题和产品的可靠性问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于超材料的功率分配器，可节省布线空间，可提高产品的可靠性。

为解决上述技术问题，提供了一种功率分配器，包括一个输入端口和多个输出端口，所述功率分配器还包括设置于输入端口与输出端口之间的超材料，所述超材料由多个相互平行且阻抗分布均匀的超材料片层构成，每个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，所述多个片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成，利用各片层的人造微结构的尺寸沿片层的堆叠方向连续变化使得所述各片层的阻抗沿片层的堆叠方向连续变化，首位片层和末尾片层的阻抗分别与输入端口和多个输出端口的等效阻抗相同。

进一步地，所述超材料所有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。

进一步地，所述功率分配器的输入端口和输出端口具有相同的阻抗，多个输出端口的等效阻抗等于各个输出端口的阻抗相并联的阻抗值。

进一步地，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。

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。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的功率分配器采用超材料形成一阻抗渐变层实现阻抗匹配，不仅可以节省有限的布线空间，还可以避免阻抗匹配网络设计不当导致的电磁干扰问题。

附图说明

图1是本发明的功率分配器的原理示意图。

图2是本发明的功率分配器第一实施例中所采用的非均匀超材料的结构示意图。

图3是图2所示的非均匀超材料的主视图，其人造微结构为“工”字形。

图4是图2所示的非均匀超材料的侧视图。

图5是图4所示的非均匀超材料的A-A剖视图，各超材料片层的阻抗沿堆叠方向连续增加或减小。

图6是本发明的功率分配器第二实施例中所采用的非均匀超材料的剖视图。

具体实施方式

功率分配器是一种将一路电磁波输入信号能量分成两路或多路输出信号的器件。电磁波分为多路后，输入端口的阻抗和多个输出端口的等效阻抗存在较大的差距，将导致输入的电磁波发生反射。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。

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板1。多个人造微结构2在基板1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个晶格。基板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。将该超材料设置于功率分配器的输入端口与输出端口之间，使其一侧的阻抗与输入端口的阻抗相同，另一侧的阻抗与输出端口的等效阻抗相同，中间连续变化即可实现输入端口和输出端口间的阻抗匹配，减小电磁波反射。

图1所示本发明的功率分配器包括输入端口20、两个输出端口30以及设置于输入端口20与输出端口30之间的非均匀超材料10。非均匀超材料10由多个相互平行且阻抗均匀分布的超材料片层3构成，每个超材料片层3包括片状的基板1和附着在基板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表面方向堆叠形成且各超材料片层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的阻抗分别与输入端口的阻抗和多个输出端口的等效阻抗相同，这里的均匀是指构成同一超材料片层3的每个晶格具有相同的电磁参数。

本实施例中的所采用的非均匀超材料10在同一超材料片层3的基板1上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的几何尺寸沿超材料片层3的堆叠方向逐渐增大或减小，具体实施时可根据输入端口的阻抗和多个输出端口的等效阻抗分别设计非均匀超材料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。

本实施例中功率分配器的输入端口和输出端口具有相同的阻抗，多个输出端口的等效阻抗等于各个输出端口的阻抗相并联的阻抗值。具体实施时，人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。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板1上。基板1由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

图2～图5为本发明的功率分配器所采用的非均匀超材料10一实施例的结构示意图、主视图、侧视图以及A-A剖视图。本实施例中的非均匀超材料10的每个超材料片层3均包括基板1和多个阵列在基板1上的“工”字形的人造微结构2，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。同一超材料片层3中附着的“工”字形的人造微结构2具有相同的几何尺寸，不同超材料片层3所附着的“工”字形的人造微结构2具有不同的几何尺寸且沿超材料片层3的堆叠方向人造微结构2的几何尺寸逐渐增大或减小。

图6所示本发明的功率分配器第二实施例中所采用的非均匀超材料10的剖视图。图6所示实施例中除了人造微结构2的几何形状与图2所示实施例不同之外，人造微结构2的排布规律等均与之相同。本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”字形的两个第三金属丝、分别连接在每个第三金属丝两端且垂直于第三金属丝的第四金属丝。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的几何尺寸沿超材料片层3的堆叠方向逐渐增大或减小。

具体实施时可采用“王”字形、“H”形等轴对称的人造微结构2，也可采用不等边三角形、平行四边形或不规则闭合曲线等其他非轴对称结构的人造微结构2，只要满足构成非均匀超材料10的各个超材料层3形成一个阻抗渐变层，即可实现输入端口和输出端口间的阻抗匹配，进而减小电磁波反射。

根据人造微结构2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，就可通过设计人造微结构2的图案和几何尺寸对超材料中每一点的电磁参数进行设置，进而对超材料中每一点阻抗进行设置，使用超材料形成一个阻抗渐变层。假设功率分配器的输入端口和各个输出端口的阻抗值均为Z1，则设置于输入端口一侧的超材料片层3的阻抗为Z1，设置于输出端口一侧的超材料片层3的阻抗为Z1/n，其中n为输出端口的数量，中间各片层的阻抗值在[Z1～Z1/n]间连续变化，即可实现输入端口和输出端口间的阻抗匹配。

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)

1.一种功率分配器，包括一个输入端口和多个输出端口，其特征在于，所述功率分配器还包括设置于输入端口与输出端口之间的超材料，所述超材料由多个相互平行且阻抗分布均匀的超材料片层构成，每个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，所述多个片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成，利用各片层的人造微结构的尺寸沿片层的堆叠方向连续变化使得所述各片层的阻抗沿片层的堆叠方向连续变化，首位片层和末尾片层的阻抗分别与输入端口和多个输出端口的等效阻抗相同。

2.如权利要求1所述的功率分配器，其特征在于，所述超材料所有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。

3.如权利要求1所述的功率分配器，其特征在于，所述功率分配器的输入端口和输出端口具有相同的阻抗，多个输出端口的等效阻抗等于各个输出端口的阻抗相并联的阻抗值。

4.如权利要求1或2所述的功率分配器，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

5.如权利要求4所述的功率分配器，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

6.如权利要求1或2所述的功率分配器，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。

7.如权利要求1或2所述的功率分配器，其特征在于，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。