CN102956949B - 基于超材料的定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频和微波信号传输领域，提供一种基于超材料的定向耦合器，所述定向耦合器包括输入端、输出端、耦合端、耦合模块以及匹配模块，所述输入端与所述匹配模块的一端相连；所述耦合模块分别与输出端和耦合端相连接；所述匹配模块的另一端与所述耦合模块相连。本发明基于超材料的定向耦合器采用超材料技术，通过改变超材料内部的折射率分布，使得定向耦合器具有方向性高、耦合平坦度好、承载功率大、还可以实现多向耦合、且体积小便于安装使用的特点。

Description

基于超材料的定向耦合器

技术领域

本发明涉及射频和微波信号传输技术领域，更具体地说，涉及一种基于超材料的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种通用的微波或者毫米波部件，可以用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。高性能的定向耦合器要求体积小、对传输信号的损耗小、耦合信号的平坦度和方向性要好、耦合度和驻波比也要比较好并且要有足够的功率容量。

现有的定向耦合器大多为微带耦合器，由于微带定向耦合器靠主辅微带线的窄边耦合，耦合很弱，耦合段长度小时无法实现较强的耦合。耦合带线的长度一般为工作频率波长的10％～25％之间。在HF和VHF频段，定向耦合器工作波长为米量级，按照10％波长计算，耦合段长度也在分米量级，因而定向耦合器的尺寸大损耗大。尤其当定向耦合器的耦合度要求比较弱时(如40dB)，微带定向耦合器的方向性很难达到使用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中耦合器的耦合度依赖于耦合段的长度、方向性不好、插入损耗大等缺陷，提供一种基于超材料的定向耦合器，所述耦合器具有方向性高、耦合平坦度好、承载功率大、还可以实现多向耦合、且体积小便于安装使用的特点。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种基于超材料的定向耦合器，所述定向耦合器包括输入端、输出端以及耦合端，所述定向耦合器还包括一耦合模块和一匹配模块，其中，所述输入端与所述匹配模块的一端相连；所述耦合模块分别与输出端和耦合端相连接；所述匹配模块的另一端与所述耦合模块相连，所述耦合模块由多个具有相同折射率分布的超材料面板堆叠而成，所述每一超材料面板由多个超材料片层组成，所述每一超材料片层由多个超材料单元组成，所述超材料单元包括设置有一个或多个小孔的单元基材。

进一步地，所述匹配模块包括多个超材料渐变层，所述每一超材料渐变层均包括片状的基板层、片状的填充层以及设置在所述基板层和填充层之间的空气层，所述填充层内填充的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

进一步地，所述每一超材料面板内的各个超材料片层的折射率分布情况为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层的折射率是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层的折射率也逐渐增加。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积也逐渐增加。

进一步地，所述小孔内填充的介质为空气。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积是最大的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积也逐渐减小。

进一步地，所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量是最多的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量也逐渐增多。

进一步地，所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量是最少的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量也逐渐减少。

进一步地，所述多个超材料面板的折射率随着纵坐标y的变化的分布情况为：以堆叠在一起的多个超材料面板建立坐标系，最低层坐标y＝0，

$n\left(y\right)=n_{\min }+\frac{n_{\max }-n_{\min }}{p}[y-(a-1)*p];$

其中，n_min表示每一超材料面板内最底层超材料片层的折射率值；n_max表示每一超材料面板内最上层超材料片层的折射率值；p表示每一超材料面板的高度；a表示超材料面板的层数，随着超材料面板的层数增加，a依次取1、2、3、4、……其中，a＝1表示最底层超材料面板；n(y)表示纵坐标为y时的折射率。

进一步地，所述匹配模块的每一超材料渐变层内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述耦合模块内的最小折射率值，n_max表示所述耦合模块内的最大折射率值，其中第m层渐变层与耦合模块靠近，随着m值的变小逐渐远离耦合模块，第一层渐变层与所述输入端相连。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、通过调节耦合模块内部超材料的折射率分布情况，有效地调节定向耦合器的耦合度、提高其方向性。

2、待传输信号通过本发明所述的耦合模块后，由于耦合模块的超材料内部的物理参数，即介电常数和磁导率可以根据具体的需要任意调节，从而使待传输信号将一部分信号准确的耦合到耦合端进行分离传输。

3、耦合模块的长度可以根据实际需要进行调节，不再受到电磁波波长的限制，使得耦合器的体积减小，节约成本。

4、本发明基于超材料的定向耦合器可以同时耦合多路信号，实现多路多向定向耦合器的功能。

附图说明

图1是本发明一种基于超材料的定向耦合器的结构示意图；

图2是本发明所述多个超材料面板堆叠示意图；

图3是本发明所述多个超材料面板的折射率分布示意图；

图4是本发明所述一个超材料面板的结构示意图；

图5是本发明所述超材料单元的结构示意图；

图6是本发明所述超材料渐变层堆叠示意图；

图7是本发明所述超材料渐变层结构示意图；

图8是本发明实施例示意图；

图9是本发明实施例示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于超材料的定向耦合器，所述定向耦合器包括输入端10、输出端30、耦合端20、匹配模块50以及一耦合模块40，其中，所述输入端10与所述匹配模块50的一端相连；所述耦合模块40分别与输出端30和耦合端20相连接；所述匹配模块50的另一端与所述耦合模块40相连，外围的电磁波信号从所述输入端10输入进入所述匹配模块50后再进入所述耦合模块40，一部分电磁波信号直接从所述输出端30输出，另一部分电磁波信号通过所述耦合模块40耦合至所述耦合端20后输出。

如图2所示，所述耦合模块40包括多个超材料面板401，且这多个超材料面板401是完全相同的，具有相同的折射率分布规律，即当电磁波信号通过耦合模块40后，会发生相同的偏折方向，达到定向耦合器的定向功能。

如图4所示，所述每一超材料面板401包括多个超材料片层411，每一超材料片层411包括多个超材料单元60，但是这多个超材料片层411的折射率分布规律不一样，本发明较佳的实施例中，在每一超材料面板401内的多个超材料片层411中，其中最上层超材料片层的折射率最大，然后往下折射率逐渐减小，即当电磁波信号通过本超材料面板401后，电磁波信号会朝着折射率较大的方向传输。

例如：假设一频率为15GHz(波长为2cm)的电磁波信号通过一超材料面板401，所述超材料面板401包括4层超材料片层411，其中每一超材料片层的厚度为1.3mm，4层超材料片层411的折射率变化为从5.2变化到1.2。这样我们可以得到此超材料面板401对电磁波信号偏折的角度为arcsin[(5.2-1.2)/1.3*4],大约31度，所以此定向耦合器能对15GHz的电磁波信号朝着31度方向进行耦合传输。

本发明超材料定向耦合器之所以能够定向传输电磁波信号是通过改变超材料面板内部的折射率分布规律，本实施例中，如图2和3所示，每一超材料面板401内的折射率分布从其内最上层超材料片层411的折射率n_max逐渐减小到最底层超材料片层411的折射率n_min，其中图2和3给出了所述耦合模块40包括3个超材料面板401，每一超材料面板401包括5个超材料片层411，但是具体实施过程中并局限于此，可以根据实际需要自行设定。

如图5所示，所述超材料单元60包括设置有一个或多个小孔602的单元基材601，通过对小孔602的密度，大小以及其在单元基材601上分布的设计，使每一超材料面板401的折射率分布规律满足如图3所示，给出n_max～n_min的折射率变化图，但应知本发明的折射率变化并不以此为限。本发明设计目的为：使电磁波经过各超材料面板401时，电磁波偏折角度被逐渐改变。通过公式Sinθ＝q·Δn，其中θ为所需偏折电磁波的角度、Δn为前后折射率变化差值，q为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即可确定所需参数值并达到本发明设计目的。

为使超材料面板401的超材料片层411实现图3所示折射率的变化，经过理论和实际证明，可对所述小孔602的密度、大小以及其在单元基材601上分布的设计，单元基材601采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。每一个超材料单元50都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个超材料单元50的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中的超材料单元50所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在单元基材601的选定的情况下，通过调整小孔602的密度、大小及其在单元基材601上的空间分布可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。

小孔602内可填充介质，本较佳实施方式中，小孔602内填充的介质均为空气，而空气折射率必然小于单元基材601的折射率，当小孔602体积越大时，小孔602所在的超材料单元50的折射率则越小。设置在超材料单元50内的小孔602的体积在每一超材料面板401内的的各个超材料片层411排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层411中，底层的超材料片层411在所述超材料单元50上形成的小孔602体积是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层411在所述超材料单元50上形成的小孔602体积也逐渐增加。可以想象地，当小孔602内填充有折射率大于单元基材601的同种介质时，则此时小孔602体积越大，小孔602所占据的超材料单元的折射率亦越大，因此此时设置在超材料单元50内的小孔602的体积在每一超材料面板401内的的各个超材料片层411排布规律将与小孔602内填充空气的排布规律完全相反。

本发明的另一实施例，与第一较佳实施方式的不同点在于，每一超材料单元中存在多个体积相同的小孔602，这样能简化在单元基材601上设置小孔602的工艺难度。与第一较佳实施方式相同的地方在于，本较佳实施方式中每一超材料单元中所有小孔占超材料单元的体积的分布规律与第一较佳实施方式相同，即分为两种情况：(1)所有小孔602内填充的介质折射率小于单元基材601折射率时，且所有超材料单元内的小孔602都填充相同材料的介质，设置在超材料单元内的小孔数量在每一超材料面板401内的的各个超材料片层411排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量是最多的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量也逐渐增多。本较佳实施方式即为此种情况且所有小孔602内填充介质为空气；(2)所有小孔602内填充的介质折射率大于单元基材601折射率时，且所有超材料单元内的小孔602都填充相同材料的介质，设置在超材料单元内的小孔数量在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量是最少的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量也逐渐减少。

本实施例中所述多个超材料面板401的折射率随着纵坐标y的变化的分布情况为：如图2所示以堆叠在一起的多个超材料面板401建立坐标系，最低层坐标y＝0，

$n\left(y\right)=n_{\min }+\frac{n_{\max }-n_{\min }}{p}[y-(a-1)*p];$

其中，n_min表示每一超材料面板401内最底层超材料片层411的折射率值；n_max表示每一超材料面板401内最上层超材料片层411的折射率值；p表示每一超材料面板401的高度；a表示超材料面板401的层数，随着超材料面板401的层数增加，a依次取1、2、3、4、……其中，a＝1表示最底层超材料面板401；n(y)表示纵坐标为y时的折射率。

如图6和7所示，所述匹配模块50包括多个超材料渐变层501，所述每一超材料渐变层501均包括片状的基板层511、片状的填充层531以及设置在所述基板层511和填充层531之间的空气层521，所述填充层531内填充的介质包括空气以及与所述基板层511相同材料的介质。所述匹配模块50的每一超材料渐变层501内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述耦合模块40内的最小折射率值，n_max表示所述耦合模块40内的最大折射率值，其中第m层渐变层与耦合模块40靠近，随着m值的变小逐渐远离耦合模块40，第一层渐变层与所述输入端10相连。

实施例2

如图8所示，一种超材料定向耦合器包括输入端10’、耦合模块40’、第一耦合端201、第二耦合端202以及输出端30’。电磁波信号从输入端10’进入耦合模块40’后，一部分电磁波直接从所述输出端30’传输，还有一部分电磁波信号通过耦合模块40’耦合后进入所述第一耦合端201和第二耦合端202。本实施例与实施例1区别主要在于耦合模块40’是由两个相同折射率分布的超材料面板相对连在一起，如图9所示，使得电磁波具有朝着两个方向耦合。所述相对连接的超材料面板也可以是折射率不相同，这个根据实际应用而定。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超材料的定向耦合器，所述定向耦合器包括输入端、输出端以及耦合端，其特征在于，所述定向耦合器还包括一耦合模块和一匹配模块，其中，所述输入端与所述匹配模块的一端相连；所述耦合模块分别与输出端和耦合端相连接；所述匹配模块的另一端与所述耦合模块相连，所述耦合模块由多个具有相同折射率分布的超材料面板堆叠而成，所述每一超材料面板由多个超材料片层组成，所述每一超材料片层由多个超材料单元组成，所述超材料单元包括设置有一个或多个小孔的单元基材，所述匹配模块包括多个超材料渐变层，所述每一超材料渐变层均包括片状的基板层、片状的填充层以及设置在所述基板层和填充层之间的空气层，所述填充层内填充的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述每一超材料面板内的各个超材料片层的折射率分布情况为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层的折射率是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层的折射率也逐渐增加。

3.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积也逐渐增加。

4.根据权利要求3所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于：所述小孔内填充的介质为空气。

5.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积是最大的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔体积也逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于：所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量是最多的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量也逐渐增多。

7.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于：所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一超材料面板内的的各个超材料片层排布规律为：堆叠在一起的多个超材料片层中，底层的超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量是最少的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层在所述超材料单元上形成的小孔数量也逐渐减少。

8.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述多个超材料面板的折射率随着纵坐标y的变化的分布情况为：以堆叠在一起的多个超材料面板建立坐标系，最低层坐标y＝0，

$n\left(y\right)=n_{\min }+\frac{n_{\max }-n_{\min }}{p}[y-(a-1)*p];$

其中，n_min表示每一超材料面板内最底层超材料片层的折射率值；n_max表示每一超材料面板内最上层超材料片层的折射率值；p表示每一超材料面板的高度；a表示超材料面板的层数，随着超材料面板的层数增加，a依次取1、2、3、4、……其中，a＝1表示最底层超材料面板；n(y)表示纵坐标为y时的折射率。

9.根据权利要求1所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述匹配模块的每一超材料渐变层内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述耦合模块内的最小折射率值，n_max表示所述耦合模块内的最大折射率值，其中第m层渐变层与耦合模块靠近，随着m值的变小逐渐远离耦合模块，第一层渐变层与所述输入端相连。