CN102800912B - 一种波导功分器 - Google Patents

Abstract

本发明波导功分器包括：一输入波导、两输出波导和位于输入波导与输出波导之间的由至少一个超材料片层构成的超材料板。每个超材料片层包括片状的非金属的基材、附着在基材上的多个人造微结构；人造微结构包括处于一垂直于片状基材平面即分界面两侧的第一人造微结构和第二人造微结构；第一人造微结构和第二人造微结构有多个，具有相同的且非寻常光光轴相互平行的折射率椭球；每个第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度，且位于分界面法线的同一侧。本发明波导功分器结构简单，进入输入波导的电磁波只需通过超材料板即实现电磁波分裂成两束并由两输出波导同向输出。

Description

一种波导功分器

技术领域

本发明属于电磁波通讯领域，涉及一种波导功分器，具体涉及一种应用超材料的波导功分器。

背景技术

在电磁波通讯领域，波导功分器是一种常用的器件，与微带线功分器相比，具有损耗小的优点。一种典型的波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口的方向相反，在某些应用场合需要得到同方向的输出，要想实现该目的就需要使用拐弯波导，这样做无疑会增加系统的复杂性和电磁波的损失。

超材料是一种新型材料，是由非金属材料制成的基材和附着在基材表面上或嵌入在基材内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是组成一定几何图形的圆柱形或扁平状金属丝，例如组成圆环形、I形的金属丝等。每个人造微结构及其附着或占据的部分基材构成一个单元，整个超材料即是由数十万、百万甚至上亿的这样的单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的，每个晶格相当于上述的人造微结构及部分基材构成的单元。

由于人造微结构的存在，每个上述单元整体具有不同于基材本身的等效介电常数和等效磁导率，因此所有的单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；同时，对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可改变其单元的等效介电常数和等效磁导率，进而改变整个超材料的响应特性。

将超材料技术应用到波导功分器中，改变了传统的功分器的设计理念，而关于这方面的应用研究在目前还未见披露。

发明内容

为了解决现有技术中的波导功分器在实现同向输出时结构复杂的技术问题，本发明提供了一种波导功分器，通过应用超材料技术可以很容易的实现电磁波功分同向输出，为了实现上述发明目的，采用以下技术方案：

一种波导功分器，包括：一输入波导；两输出波导，处于同一平面且与所述输入波导的开口方向相同；以及，位于所述输入波导与输出波导之间的由至少一个超材料片层构成的超材料板，所述超材料片层包括片状的非金属的基材及附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括处于一垂直于所述片状基材的平面即分界面两侧的第一人造微结构和第二人造微结构，所述第一人造微结构和第二人造微结构有多个，且其各自具有相同的折射率椭球，同时其各自的折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；

每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度。

进一步地，所述输入波导为圆波导、方波导或椭圆波导；所述输出波导为圆波导、方波导或椭圆波导。

进一步地，所述第一人造微结构和第二人造微结构具有其各自相同的几何形状且相互平行地均匀排布。

进一步地，所述第一人造微结构和第二人造微结构以所述分界面为对称面对称。

进一步地，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向一致。

进一步地，所述超材料板包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面的方向堆叠为一体结构。

进一步地，所述人造微结构为轴对称结构，其对称轴不垂直且不平行于所述分界面。

进一步地，所述人造微结构为“工”字形、  “十”字形或者椭圆形。

进一步地，所述人造微结构为任意非对称结构。

本发明波导功分器结构简单，使用的超材料板是根据人造微观结构对电磁场的响应与其结构有关的原理，使射入的电磁波分成两束与入射方向相同的电磁波射出，使得进入输入波导的电磁波只需通过超材料即实现电磁波分裂成两束并由两输出波导同向输出。

附图说明

图1是本发明波导功分器第一实施例的结构示意图；

图2是本发明波导功分器第二实施例的结构示意图；

图3是本发明波导功分器中超材料板的一种结构示意图；

图4是图3中第一、第二人造微结构中电磁波传播线路示意图；

图5是本发明波导功分器中超材料板另一种人造微结构的结构示意图；

图6是本发明波导功分器中超材料板第三种人造微结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明波导功分器的第一实施例，该波导功分器包括输入波导1、超材料板2和两输出波导3、4，从输入波导1射入的电磁波经过超材料板2，超材料板2通过其上设置的对电磁波具有不同响应的两种人造微结构的排布设计，实现电磁波分裂成两束电磁波经输出波导3、4射出。输入波导1和输出波导3、4一般采用矩形波导和圆波导，也可以是椭圆波导或者截面为其他形状的波导，本实施例中，输入波导1为圆波导，输出波导3、4采用了矩形波导，输入波导1设置在超材料板2的一侧，两输出波导3、4的处于同一平面，它们的开口朝向与输入波导1相同，设置于超材料板的另一侧。

图2所示为本发明波导功分器的第二实施例，该实施例中波导功分器与第一实施例相比只在输出波导设置上存在差异，在第二实施例中，输出波导3、4同输入波导1一样采用了圆波导方式，能够覆盖更宽的频段，并且衰减减少。

图3所示为本发明波导功分器中超材料板的结构示意图，超材料板2由一个或多个厚度相同的超材料片层构成，图3所示超材料板2由七片超材料片层构成。每个超材料片层包括等厚片状的基材21，还包括附着在基材21前表面上或者嵌入在基材21内部中间的多个人造微结构22，人造微结构22包括第一人造微结构221和第二人造微结构222。

利用一垂直于基材21的平面即分界面23将基材21分成两部分，在第一部分上具有第一人造微结构221，在第二部分上具有第二人造微结构222，且第一人造微结构221和第二人造微结构222以该平面为分界面23对称分布。第一人造微结构221有多个，且具有完全相同的几何形状，并相互平行地均匀分布在基材21的第一部分表面上。第二人造微结构222也具有多个，数量与第一人造微结构221相同，并相互平行地均匀分布在基材21的第二部分表面上，且分别与各个第一人造微结构221一一对应地相对于分界面23对称。

这里的均匀分布是指，任一人造微结构22与其周围几个人造微结构22之间的间隔距离，和其他人造微结构22与其周围几个人造微结构22之间的间隔距离都是相同的，换句话说，也就是每个人造微结构22所占据的基材21部分是相同的。这里的相互平行是指，每个人造微结构22上任意两点的连线，与另一人造微结构22上相应两点的连线平行，或者说，每个人造微结构22通过在基材21上水平和竖直移动可最终与任意另一人造微结构22重合。

每个人造微结构22是由细而薄的金属丝组成的，这些金属丝在基材21前表面上或基材21内部组成一定的几何形状，与所附着占据的基材21部分一起构成一个超材料单元24，这个超材料单元24具有一个不同于附着基材21自身的等效介电常数和等效磁导率，可对电磁场产生不同的响应。因此，超材料片层也可看做是由多个这样的完全相同的超材料单元24无缝结合起来的，通过所有超材料单元24的共同响应，使超材料板2实现对电磁波的分裂。

要使电磁波分裂，即使得两束电磁波均向远离分界面23的位置平移最终分裂，如图4所示。因此，对于分界面23任一侧的超材料板都必须具备使电磁波平移的条件。

出射电磁波相对于入射电磁波平移，需要具备两个条件，其一是分界面23任一侧的超材料板对电磁波呈各向异性。由于该超材料板是由规则排布的超材料片层组成的，片层的分布是均匀且平行的，而每个片层上的人造微结构22的分布也是均匀且平行的，因此，只要每个人造微结构22自身的结构为各向异性，则该超材料板就会呈现各向异性的特征；若人造微结构22为各向同性结构，则该超材料板体现出各向同性的特征。

对于平面结构的人造微结构22，这里的各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构22在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于三维结构的人造微结构22，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构22在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构22为90度旋转对称结构时，人造微结构22即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。因此，要实现各向异性，则本发明的人造微结构22不能为90度旋转对称结构，即只能为非90度旋转对称结构。

电磁波平移的另一必要条件是分界面23任一侧的超材料板的光学主轴必然不垂直且不平行于分界面23。本实施例中，如图3、图4所示，电磁波平行于基材21前表面地入射到超材料片层的一侧边缘，多个超材料片层沿垂直于超材料板前表面的方向堆叠粘合，使得多个侧边缘合并构成入射电磁波的入射表面。

同样，由于超材料片层均匀规则排布，每个人造微结构22也均匀且平行排列，因此，要使分界面23任一侧超材料板的光学主轴不垂直且不平行于分界面23，也即每个超材料单元24的折射率椭球25的非寻常光光轴n_e(简称n_e轴)不垂直且不平行于所述入射表面。由于超材料单元24的基材选用的是普通非金属的天然材料，通常为各向同性的均质材料，因此，其折射率特征为圆球，对超材料单元24的折射率特征没有影响，故而只要人造微结构22的折射率椭球25的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述入射表面即可。当基材不是普通的各向同性且均质的材料，则折射率椭球均指人造微结构22和所附着的基材部分的折射率特性二者叠加所对应的折射率椭球，也即超材料单元24的折射率椭球25。

折射率椭球用来表示折射率特性，对于任一给定的超材料单元24，可通过现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出来，例如参考文献Electromagneticparameter retrieval from inhomogeneous metamaterials，D.R.Smith，D.C.Vier，T.Koschny，C.M.Soukoulis，Physical Review E 71，036617(2005)。

对于图3所示实施例中的超材料单元24，其折射率椭球25的寻常光光轴n_e、非寻常光光轴n_o(简称n_o轴)如图4中所示。假定坐标原点在折射率椭球25的中心上，且以n_o轴为x轴，n_e轴为y轴，折射率椭球25上的任意一点用n_x，n_y表示，则当如图4所示的电磁波经过超材料单元24时，其用k_x，k_y表示的对应于此折射率椭球25的波传播椭球250有以下关系，即k_y＝n_xω/c，k_x＝n_yω/c，其中，ω为电磁波的角频率，c为光速，波传播椭球250与折射率椭球25共中心点，k_x，k_y是波传播椭球250上的点坐标。由公式可知，波传播椭球250与折射率椭球25为相似图形，且其长轴方向为折射率椭球25的短轴方向，而短轴方向为折射率椭球25的长轴方向。

电磁波经过超材料单元24后的偏折方向可通过波传播椭球250画出来。如图4所示，对于如图中所示方向入射的电磁波，与要出射的传播椭球250的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球250的切线，自相交点做的切线的法线方向即为电磁波的能量传播方向，因此电磁波在超材料板内部沿此方向传播。当电磁波离开超材料板时，所述法线延伸至与电磁波分裂超材料板的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出射，此出射方向为电磁波相位传播方向。

由于分界面23两侧的第一人造微结构221和第二人造微结构222对称分布，因此，如图4所示，二者的折射率椭球25的非寻常光光轴分别相对于分界面23对称并成一定夹角，夹角由其中任意两个对称的第一人造微结构221和第二人造微结构222二者的非寻常光光轴分别延伸至分界面上构成。该夹角不为零或180度，且所述夹角自两非寻常光光轴相交的点向开口延伸的开口方向与入射电磁波的传播方向一致。

实现上述两个必备条件的人造微结构22有很多种可实现方式，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称。图4、图5示出了其中两种轴对称的人造微结构22，图6是非轴对称的人造微结构22的示意图。

如图4所示，人造微结构22为“工”字形。在本实施例中，“工”字形人造微结构22由两根相互平行且长度相等的第一金属丝260、两端分别连接两第一金属丝260且垂直平分第一金属丝260的第二金属丝261构成。第一人造微结构221的第二金属丝261相对于水平方向成135度，第二人造微结构222的第二金属丝261相对于水平方向成45度。每个人造微结构22的折射率椭球25如图4所示，其非寻常光光轴n_e与第二金属丝261的方向平行，整个超材料板的分界面23两侧部分的光学主轴相对分界面23对称并呈90度夹角。

图5示出的是另一种人造微结构22的结构示意图，在该图人造微结构22为倾斜的“十”字形，包括垂直相交的水平金属丝270和竖直金属丝27 1，其中竖直金属丝271长度大于水平金属丝270，各个人造微结构22所处的超材料单元24的折射率椭球25如图5所示，其椭球的长轴也即非寻常光光轴n_e分别与分界面23成一定夹角，分界面23两侧的各非寻常光光轴n_e也即两部分超材料板的光学主轴的方向。

图6示出的是第三种人造微结构22的结构示意图，该图示出的是一个不规则金属线所构成的人造微结构22，由于其细长的形状，使得具有各向异性，因此所具有的折射率特征也呈椭球形，相应的非寻常光光轴n_e与分界面23成一夹角，同样夹角张开方向与电磁波传播方向相同，使得入射的电磁波一部分向下偏折，另一部分向上偏折，从而实现分裂。

需说明的是，人造微结构22并不仅限于本发明的实施例所列举的平面结构，也可以是三维结构，例如三条相互垂直、相交于一点但长度不相等的金属丝所构成的空间“米”字形等，任意不具有90度旋转对称特征的形状，均可作为本发明的人造微结构22的形状。

上述实施例中，对于第一人造微结构221来说，各个人造微结构22完全相同且平行均匀分布。但需要说明的是，本发明波导功分器中的超材料板要实现电磁波分裂，只需要第一人造微结构221的折射率椭球均完全相同，且各个折射率椭球的非寻常光光轴n_e相互平行即可。也就是说，各个第一人造微结构221可以不相同，只要通过调整和设计，使得其对应的折射率椭球相同且非寻常光光轴n_e相互平行即可。第二人造微结构222也是如此。当然，在设计和制造的过程中，采用相同的人造微结构22，有利于减少设计成本，缩短设计周期，且便于制造。

同时，上述实施例是以分界面23为对称面，第一人造微结构221和第二人造微结构222以分界面23对称，因此二者的非寻常光光轴n_e不为零或180度时必然位于分界面23的法线的同一侧。但是，本发明的超材料板并不限定以分界面23为对称面，第一人造微结构221的n_e轴与分界面23的夹角可以不同于第二人造微结构222的n_e轴与分界面23的夹角。两个n_e轴延伸至与分界面23相交形成两个线段，自它们与分界面23的交点做垂直于分界面23的法线，只要两个线段均位于法线的同一侧，即可实现分裂电磁波的目的。

采用本发明中的超材料板，由于采用完全相同的多个超材料片层叠加而成，每个超材料片层具有相同的人造微结构22，因此加工和设计上非常简便，且通过叠加足够多的片层可制得足够大的尺寸，以满足各种极端应用条件的需求。每个人造微结构22设计成各向异性且其折射率椭球25的非寻常光光轴n_e方向与分界面23不垂直且不平行即可。

还需说明的是，由以上实施例可知，电磁波传播方向与分界面23两侧的非寻常光光轴n_e所形成的夹角的张开方向相同时，电磁波将实现分裂；显然的，若分界面23两侧的非寻常光光轴n_e所形成的夹角其张开方向与电磁波传播方向相反时，两侧的电磁波将分别偏向分界面23，甚至在出射时实现汇聚成一束电磁波。因此，只需改变电磁波的传播方向，即可实现两束电磁波的合并，这种情况也应在本发明保护范围之内。

因此，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)

1.一种波导功分器，包括一输入波导；与所述输入波导处于同一平面的两输出波导；其特征在于，

两输出波导与所述输入波导的开口朝向相同；以及，

位于所述输入波导与输出波导之间的由至少一个超材料片层构成的超材料板，所述超材料片层包括片状的非金属的基材及附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括处于一垂直于所述片状基材的平面即分界面两侧的第一人造微结构和第二人造微结构，所述第一人造微结构和第二人造微结构有多个，且其各自具有相同的折射率椭球，同时其各自的折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度。

2.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述输入波导为圆波导、方波导或椭圆波导。

3.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述输出波导为圆波导、方波导或椭圆波导。

4.根据权利要求1或2或3所述的超材料波导功分器，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构具有其各自相同的几何形状且相互平行地均匀排布。

5.根据权利要求4所述的波导功分器，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构以所述分界面为对称面对称。

6.根据权利要求1或2或3所述的波导功分器，其特征在于，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向一致。

7.根据权利要求1或2或3所述的波导功分器，其特征在于，所述超材料板包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面的方向堆叠为一体结构。

8.根据权利要求1或2或3所述的波导功分器，其特征在于，所述人造微结构为轴对称结构，其对称轴不垂直且不平行于所述分界面。

9.根据权利要求8所述的波导功分器，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或者椭圆形。

10.根据权利要求1或2或3所述的波导功分器，其特征在于，所述人造微结构为任意非对称结构。

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