CN102810748A - 阻抗匹配元件和超材料面板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阻抗匹配元件和超材料面板，阻抗匹配元件设置于功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。本发明通过设计每一阻抗匹配层的折射率分布使其满足相应的规律，来进一步地减少反射干扰和损耗，从而使得电磁波进入功能介质层时能量消耗减少，有利于电磁波的进一步传输。

Description

阻抗匹配元件和超材料面板

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术，更具体地说，涉及一种阻抗匹配元件和超材料面板。

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。

为了避免折射率的变化使得在电磁波传播时产生反射，减少反射干扰与损耗，通常会在功能介质板上添加阻抗匹配层来减小反射的损耗。目前解决电磁波传输过程中的阻抗匹配问题主要采用等差设计，阻抗匹配层的折射率分布满足如下规律：

其中i为阻抗匹配层的编号，n_g(r)为功能介质板的折射率分布函数。n_min为功能介质板的最小折射率。满足上述规律的阻抗匹配层虽然能够减少一定的反射干扰，但是效果不是很明显，因此需要一种改进的阻抗匹配技术来减少反射干扰与损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的反射干扰与损耗较大的缺陷，提供一种阻抗匹配元件和超材料面板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种阻抗匹配元件，设置于功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。

在本发明所述的阻抗匹配元件中，所述阻抗匹配元件还包括紧密贴合于所述功能介质板第二侧表面上且与所述第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，所述第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在所述第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

在本发明所述的阻抗匹配元件中，所述功能介质板包括多个超材料片层，每一超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

在本发明所述的阻抗匹配元件中，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

在本发明所述的阻抗匹配元件中，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。

在本发明所述的阻抗匹配元件中，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

在本发明所述的阻抗匹配元件中，所述功能介质板用于汇聚电磁波；每一超材料片层的折射率分布均相同，每一超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同。

本发明还提供一种超材料面板，包括功能介质板和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件设置于所述功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。

在本发明所述的超材料面板中，所述阻抗匹配元件还包括紧密贴合于所述功能介质板第二侧表面上且与所述第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，所述第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在所述第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

在本发明所述的超材料面板中，所述功能介质板包括多个超材料片层，每一超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构；和/或，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过设计每一阻抗匹配层的折射率分布，使其满足相应的规律，来进一步地减少反射干扰和损耗，从而使得电磁波进入功能介质层时能量消耗减少，有利于电磁波的进一步传输。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件与功能介质板的立体图；

图2是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件的结构示意图；

图3是依据本发明另一实施例的阻抗匹配元件的结构示意图；

图4是依据本发明一实施例的功能介质板的结构示意图；

图5是图4所示的功能介质板的超材料片层的折射率随半径变化的示意图；

图6是图4所示的功能介质板的超材料片层在yz平面上的折射率分布图。

具体实施方式

图1是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件与功能介质板的立体图。阻抗匹配元件101设置于功能介质板100第一侧表面上且与功能介质板100的该第一侧表面紧密贴合。功能介质板可以是任何功能的介质板，例如汇聚、发散、偏折等等。只要是为了减少或避免电磁波在两种不同介质之间传播时的反射干扰和损耗，均可采用本发明的阻抗匹配元件来实现。

其中，阻抗匹配元件101包括第一多个阻抗匹配层且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近功能介质板100则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示功能介质板100的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。

依据上述公式，第1、2、3层的折射率分布分别表示如下：

第1层： $n_1\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{1}{c+1}};$

第2层： $n_2\left(r\right){=n}_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{2}{c+1}};$

第3层： $n_3\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{3}{c+1}};$

……

依次类推。只要功能介质板的折射率分布已知，则所需的阻抗匹配元件的每一阻抗匹配层就可依据上述公式计算得知。

如图2所示，阻抗匹配元件101包括3层阻抗匹配层(编号分别为1、2、3)，这里的阻抗匹配层的层数仅为示例，并不作为对本发明的限制。其中第3层阻抗匹配层(编号为3)紧贴功能介质层。

在本发明另一实施例中，还可以在功能介质板100的另一侧也设置多个阻抗匹配层。也就是说，阻抗匹配元件101还包括紧密贴合于功能介质板100第二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。如图3所示，在功能介质板100的另一侧也设置有3个阻抗匹配层，这里的阻抗匹配层的层数仅为示例，并不作为对本发明的限制。其中第3层阻抗匹配层(编号为3’)紧贴功能介质层。功能介质板100两侧的阻抗匹配层对称分布。以图3所示的3层阻抗匹配层为例，左侧编号为1的阻抗匹配层与右侧编号为1’的阻抗匹配层相同，其折射率分布均为

左侧编号为2的阻抗匹配层与右侧编号为2’的阻抗匹配层相同，其折射率分布均为

左侧编号为3的阻抗匹配层与右侧编号为3’的阻抗匹配层相同，其折射率分布均为 $n_3\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{3}{c+1}}.$

本发明的功能介质板的材质不加限制，例如可以是超材料制作而成。下面以能够汇聚电磁波的介质板为例进行描述。如图4所示，功能介质板100包括多个超材料片层，这各个超材料片层之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。每一超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。人造微结构为由金属丝组成的平面结构或立体结构。金属丝为铜丝或银丝，可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。每个人造微结构402以及其所附着的基板401所占部分即为一个超材料单元。具体实施时，超材料片层的数目可依据需求来进行设计。每个超材料片层由多个超材料单元阵列形成，整个功能介质板100可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。通过对人造微结构402的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板401上分布的设计，使折射率分布满足如下规律：每一层的折射率分布均相同，每一层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同。

功能介质板的超材料片层的折射率随半径变化的示意图如图5所示。作为示例，每一层包括三个区域，第一区域为圆形区域，其半径长度为L1；第二区域为环形区域，环形宽度从L1变化为L2；第三区域为环形区域，环形宽度从L2变化为L3，三个区域沿半径增大方向折射率依次从n_p(即n_max)减小为n₀(即nmin)，n_p＞n₀。每一超材料片层的折射率分布均相同。在实际应用中，最大折射率、最小折射率、超材料片层的层数等等都可以根据需要更改。

满足上述折射率变化关系的功能介质板，以折射率为n_p的超材料单元为圆心，随着半径的增大在yz平面上的折射率变化量逐渐增大，随着半径的增大入射的电磁波出射时偏折角度大，越靠近圆心所在的超材料单元入射的电磁波其出射偏折角越小。通过一定的设计和计算，使得这些偏折角依次满足一定的规律，即可实现球面电磁波平行出射。类似于凸透镜，只要知道各个表面点对光的偏折角度和材料的折射率，即可设计出相应的表面曲率特征使从透镜焦点入射发散光线平行出射。同理本发明的基于超材料的天线通过设计各个超材料单元的人造微结构，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ，进而对功能介质板的折射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的折射率的变化能实现电磁波特定的偏折角度，即可实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

为了更直观的表示超材料片层在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的每一超材料片层的折射率分布如图6所示，最大折射率为n_p，最小折射率为n₀。

在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构402的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构402在超材料片层上的排布，就可以调整功能介质板的折射率分布，进而实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

这里的阻抗匹配层可以是任何能够满足上述折射率分布规律的材料制成，本发明不加以限制。在本发明一实施例中，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在基板上的多个人造微结构。通过设计人造微结构在基板上的排布来达到上述折射率分布规律。

为了更清楚地体现本发明所设计的阻抗匹配元件改善反射损耗的效果，分别对采用传统等差设计的阻抗匹配元件、以及依据本发明设计的阻抗匹配元件进行远场分析以及能量分布分析。传统等差设计的阻抗匹配元件的阻抗匹配层的折射率公式为：

本发明设计的阻抗匹配元件的阻抗匹配层的折射率公式为：

n_g(r)为功能介质板的折射率分布函数，两种阻抗匹配元件所辅助的功能介质板相同，例如均采用图4所示的功能介质板，因此n_g(r)相同。

经过实验可得，传统等差设计的阻抗匹配元件的能量分布图与本发明设计的阻抗匹配元件的能量分布图相比，要模糊很多。而反射越大，能量分布图就会越模糊，因此传统设计的阻抗匹配元件反射较大，损耗较多。对于采用相同功能介质板且相同匹配层数的前提下，经过传统等差设计的阻抗匹配元件后的能量为4443mw，而经过本发明提供的阻抗匹配元件后的能量为5251mw。经过试验所得的远场分析结果可知，传统设计的阻抗匹配元件的反射比本发明提供的阻抗匹配元件较大。因此，采用本发明的改进的折射率分布设计起到了进一步减少反射干扰和损耗的作用。

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)

1.一种阻抗匹配元件，其特征在于，设置于功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述阻抗匹配元件还包括紧密贴合于所述功能介质板第二侧表面上且与所述第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，所述第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在所述第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

3.根据权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述功能介质板包括多个超材料片层，每一超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

4.根据权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

5.根据权利要求3或4所述的阻抗匹配元件，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

7.根据权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于，所述功能介质板用于汇聚电磁波；每一超材料片层的折射率分布均相同，每一超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同。

8.一种超材料面板，其特征在于，包括功能介质板和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件设置于所述功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。

9.根据权利要求8所述的超材料面板，其特征在于，所述阻抗匹配元件还包括紧密贴合于所述功能介质板第二侧表面上且与所述第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，所述第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在所述第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

10.根据权利要求8所述的超材料面板，其特征在于，所述功能介质板包括多个超材料片层，每一超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构；和/或，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

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