CN102769163A - 超材料过渡波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料过渡波导，所述超材料过渡波导连接在两个阻抗不相同的第一波导及第二波导之间，所述第一波导的阻抗小于第二波导，所述超材料过渡波导包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状的基材和设置在基材上的多个人造孔结构，每一片层的阻抗均匀分布，且所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，与第一波导相接触的片层其阻抗与第一波导相同，与第二波导相接触的片层其阻抗与第二波导相同。根据本发明的超材料过渡波导，加工、设计容易，成本低。

Description

超材料过渡波导

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种超材料过渡波导。

背景技术

目前，需要相互连接的两个标准波导的阻抗往往存在着不小的差异，一般采用过渡波导(即阻抗变换器)实现阻抗匹配。在实际应用中，对过渡波导设计的基本要求包括：频带足够宽，至少应覆盖高频系统的冷带宽；传输系数接近1，而且驻波比要足够低；长度尽可能短；结构简单，便于加工。

现有技术的过渡波导一般分为3种：直渐变波导、双曲圆弧渐变波导与阶梯过渡波导。

直渐变波导结构简单，容易加工，缺点是是要得到较低的反射，长度相对较长，损耗较大且带内反射有波动，结构上会使得整管横向尺寸增大，且容易受损；将波导窄边顶部高度逐渐降低，底部保持不变，宽边的左右两边同时收缩。

双曲圆弧渐变波导结构的宽边为直线渐变，俯视图与直波导相同，窄边为两端等径的相切圆弧，圆弧的另一端分别与两端波导窄边相切，这种结构由于窄边是连续变化的，因而特性阻抗不存在突变，带内的反射系数波动较小，随频率的升高驻波系数呈指数递减，避免了由加工误差带来的性能突变，缺点是加工比较复杂。

阶梯波导是一种阻抗变换装置，常用的两种变换为二项式变换与切比雪夫变换，其中后一种可以在最短的长度上实现较低的反射系数，广泛应用于耦合腔行波管中，缺点是加工比较复杂，存在带内的反射系数波动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种易于设计、加工的超材料过渡波导。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料过渡波导，所述超材料过渡波导连接在两个阻抗不相同的第一波导及第二波导之间，所述第一波导的阻抗小于第二波导，所述超材料过渡波导包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状的基材和设置在基材上的多个人造孔结构，每一片层的阻抗均匀分布，且所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，与第一波导相接触的片层其阻抗与第一波导相同，与第二波导相接触的片层其阻抗与第二波导相同。

进一步地，所述基材分成多个相同的基材单元，每一基材单元与其上的人造孔结构构成一个超材料单元，每一基材单元的长、宽及高的尺寸均不大于入射电磁波波长的五分之一。

进一步地，所述每一基材单元为一立方体。

进一步地，所述每一基材单元的边长为入射电磁波波长的十分之一。

进一步地，同一片层上的所有人造孔结构具有相同的体积，且沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导，所述人造孔结构的体积依次增大，所有人造孔结构填充有相同的介质，所述介质的阻抗大于基材阻抗。

进一步地，同一片层上的所有人造孔结构具有相同的体积，且沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导，所述人造孔结构的体积依次减小，所有人造孔结构填充有相同的介质，所述介质的阻抗小于基材阻抗。

进一步地，所有片层上的所有人造孔结构的体积均相等，每一片层中的人造孔结构填充有不同的介质，且每一片层填充的介质的阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大。

进一步地，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

进一步地，所述人造孔结构通过注塑、冲压或数控打孔的方式形成在基材上。

进一步地，所述人造孔结构为圆柱孔、圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔。

实施本发明的超材料过渡波导，相比于现有技术，具有以下有益效果：

1.体积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对阻抗加以影响，不依赖设备的种类及形状。

附图说明

图1是本发明一种形式的超材料过渡波导与第一波导与第二波导的连接示意图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的结构示意图；

图3是本发明超材料过渡波导第一实施例的分解结构示意图；

图4是本发明超材料过渡波导第二实施例的分解结构示意图；

图5是本发明超材料过渡波导第三实施例的分解结构示意图；

图6是本发明另一种形式的超材料过渡波导与第一波导与第二波导的连接示意图；

图7是本发明再一种形式的超材料过渡波导与第一波导与第二波导的连接示意图。

具体实施方式

如图1至2所示，本发明提供了一种超材料过渡波导10，所述超材料过渡波导10连接在两个阻抗不相同的第一波导20及第二波导30之间，所述第一波导20的阻抗小于第二波导30。第一波导20与第二波导30为标准波导，其阻抗值均一。所述超材料过渡波导10包括多个相互平行的片层1，每一片层1包括片状的基材11和设置在基材11上的多个人造孔结构12，每一片层1的阻抗均匀分布，且所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导20向第二波导30依次增大，与第一波导20相接触的片层1其阻抗与第一波导20相同，与第二波导30相接触的片层1其阻抗与第二波导30相同。所述每一基材11分成多个相同的基材单元V，每一基材单元V与其上的人造孔结构12构成一个超材料单元D。每一基材单元D可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一基材单元V的长、宽、高尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一(通常为入射电磁波波长的十分之一)，以使得整个超材料对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。优选情况下，所述基材单元V为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。

本文所说的阻抗指的是波阻抗，其可由公式阻抗

求得，因此，只要改变磁导率与介电常数的比值，就可以改变阻抗。因此，通过设计超材料内部空间中每一点的介电常数与磁导率(统称电磁参数)，就可以设计出超材料空间中每一点的波阻抗，得到我们想要的超材料过渡波导，实现第一波导与第二波导的完善过渡。

如图3所示，为本发明所提供的超材料过渡波导第一实施例的分解分解结构示意图，本实施例中，每一超材料单元D的结构如图2所示，图2所示人造孔结构为圆柱孔，同一片层1上的所有人造孔结构12具有相同的体积，且沿垂直于片层的方向从第一波导20向第二波导30，所述人造孔结构12的体积依次增大，另外，在本实施例中，所有人造孔结构12填充有相同的介质40，所述介质40的阻抗大于基材11阻抗。其中，片层111的阻抗与第一波导20相同，片层112的阻抗与第二波导30相同。由于填充的介质的阻抗大于基材的阻抗，因此，每一超材料单元D其人造孔结构的体积越大则填充介质的体积越大，相应的每一超材料单元D的等效阻抗越大，以实现所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，实现从第一波导到第二波导的阻抗匹配过渡。图3中人造孔结构中的剖面线表示填充的介质。图3中只是分解示意图(为了更直观的表达)，实际上，每一片层是紧密贴合在一起的，既可以是粘接在一起，也可以是一体注塑。

如图4所示，为本发明所提供的超材料过渡波导第二实施例的分解结构示意图，本实施例中，每一超材料单元D的结构如图2所示，图2所示人造孔结构为圆柱孔，同一片层1上的所有人造孔结构12具有相同的体积，且沿垂直于片层的方向从第一波导20向第二波导30，所述人造孔结构12的体积依次减小，另外，在本实施例中，所有人造孔结构12填充有相同的介质50，所述介质50的阻抗小于基材11阻抗。其中，片层113的阻抗与第一波导20相同，片层114的阻抗与第二波导30相同。由于填充的介质的阻抗小于基材的阻抗，因此，每一超材料单元D其人造孔结构的体积越大则填充介质的体积越大，而每一超材料单元D的等效阻抗反而越小，以实现所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，实现从第一波导到第二波导的阻抗匹配过渡。图4中人造孔结构中的剖面线表示填充的介质。图4中只是分解示意图(为了更直观的表达)，实际上，每一片层是紧密贴合在一起的，既可以是粘接在一起，也可以是一体注塑。

如图5所示，为本发明所提供的超材料过渡波导第三实施例的分解结构示意图，本实施例中，每一超材料单元D的结构如图2所示，图2所示人造孔结构为圆柱孔，所有片层11上的所有人造孔结构12的体积均相等，每一片层11中的人造孔结构12填充有不同的介质60，且每一片层11填充的介质的阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大。其中，片层115的阻抗与第一波导20相同，片层116的阻抗与第二波导30相同。由于所有片层上的人造微结构12的体积相同，每一片层填充的介质的阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，因此，在人造孔结构的体积不变的情况下，每一超材料单元D其人造孔结构12中填充的介质的阻抗越大，则每一超材料单元D的等效阻抗也越大，以实现所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，实现从第一波导到第二波导的阻抗匹配过渡。图5中人造孔结构中的剖面线表示填充的介质，剖面线的疏密表示介质阻抗的大小，剖面线越密表示填充的介质的阻抗越大。图中，介质的阻抗由小到大依次为介质601、介质602、介质603。图5中只是分解示意图(为了更直观的表达)，实际上，每一片层是紧密贴合在一起的，既可以是粘接在一起，也可以是一体注塑。

当然本发明并不局限于以上三个实施例，以上只是举例说明，并不能解释为对本发明的限制。

另外，如图6所示，所述的超材料过渡波导10也可以是由多个片层构成的梯形状结构。以使得超材料过渡波导10完全覆盖第一波导20及第二波导30，以引导电磁从第一波导20传向第二波导30。梯形状结构的超材料过渡波导10每一片层的结构与上述三个实施例中的片层没什么不同，只是尺寸不同罢了，即靠近第一波导的片层的尺寸最大且完全覆盖住第一波导的一侧面，从第一波导向第二波导片层的尺寸连续减小，靠近第一波导的片层的尺寸最小且完全覆盖住第二波导的一侧面。

另外，如图7所示，所述的超材料过渡波导10也可以是由多个片层构成的阶梯状结构。以使得超材料过渡波导10完全覆盖第一波导20及第二波导30，以引导电磁从第一波导20传向第二波导30。梯形状结构的超材料过渡波导10每一片层的结构与上述三个实施例中的片层没什么不同，只是尺寸不同罢了，即靠近第一波导的片层的尺寸最大且完全覆盖住第一波导的一侧面，且此处的超材料过渡波导10分成两个部分(101，102)，每个部分其片层尺寸相同。

本发明中，所述基材11由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、Fr-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。

本发明中，所述人造孔结构12可以通过高温烧结、注塑、冲压或数控打孔的方式形成在基材上。当然对于不同材料的基材11，人造孔结构的生成方式也会有所不同，例如，当选用陶瓷材料作为基材时，优选采用高温烧结的形式在基材上生成人造孔结构。当选用高分子材料作为基材时，例如聚四氟乙烯、环氧树脂，则优选采用注塑或冲压的形式在基材上生成人造孔结构。

上述三个实施例中均采用了如图2所述的超材料单元D，其中人造孔结构12为圆柱孔。当然，本发明的所述人造孔结构还可以是圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔一种或组合。当然也可以是其它形式的孔。每一超材料单元D上的人造孔结构的形状根据不同的需要，可以相同，也可以不同。当然，为了更加容易加工制造，整个过渡波导，优选情况下，采用同一种形状的孔。如图2所示的圆柱孔。

另外，图2所示的人造孔结构是贯穿超材料单元D的相对两个表面的，因此有利于填充介质材料。

在基材的材料以及填充介质的材料选定的情况下，可以通过设计人造孔结构的形状、设计尺寸和/或人造孔结构在基材上的排布获得超材料内部的电磁参数分布。超材料内部的电磁参数分布，例如，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先根据第一波导与第二波导的阻抗，计算出超材料过渡波导内部每一点(每一超材料单元)的电磁参数分布(介电常数与磁导率)，根据这每一点的电磁参数分布来选择相应的人造孔结构的形状、设计尺寸(计算机中事先存放有多种人造孔结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定形状的人造孔结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了人造孔结构的设计参数选择；若没找到，则换一种形状的人造孔结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的人造孔结构，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种超材料过渡波导，所述超材料过渡波导连接在两个阻抗不相同的第一波导及第二波导之间，所述第一波导的阻抗小于第二波导，其特征在于，所述超材料过渡波导包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状的基材和设置在基材上的多个人造孔结构，每一片层的阻抗均匀分布，且所有片层其阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大，与第一波导相接触的片层其阻抗与第一波导相同，与第二波导相接触的片层其阻抗与第二波导相同。

2.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，所述基材分成多个相同的基材单元，每一基材单元与其上的人造孔结构构成一个超材料单元，每一基材单元的长、宽及高的尺寸均不大于入射电磁波波长的五分之一。

3.根据权利要求2所述的超材料过渡波导，其特征在于，所述每一基材单元为一立方体。

4.根据权利要求3所述的超材料过渡波导，其特征在于，所述每一基材单元的边长为入射电磁波波长的十分之一。

5.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，同一片层上的所有人造孔结构具有相同的体积，且沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导，所述人造孔结构的体积依次增大，所有人造孔结构填充有相同的介质，所述介质的阻抗大于基材阻抗。

6.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，同一片层上的所有人造孔结构具有相同的体积，且沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导，所述人造孔结构的体积依次减小，所有人造孔结构填充有相同的介质，所述介质的阻抗小于基材阻抗。

7.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，所有片层上的所有人造孔结构的体积均相等，每一片层中的人造孔结构填充有不同的介质，且每一片层填充的介质的阻抗沿垂直于片层的方向从第一波导向第二波导依次增大。

8.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

9.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，所述人造孔结构通过注塑、冲压或数控打孔的方式形成在基材上。

10.根据权利要求1所述的超材料过渡波导，其特征在于，所述人造孔结构为圆柱孔、圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔。

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