CN102956984B - 一种阻抗匹配元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阻抗匹配元件，其用于超材料功能层，所述阻抗匹配元件包括第一至第M层均匀阻抗匹配层以及第一至第N层渐变阻抗匹配层；所述第一至第M层均匀阻抗匹配层包括相对的两片基材以及与所述两片基材构成密封腔且对电磁波无响应的填充物，所述第一至第N层渐变阻抗匹配层包括相对的两片基材以及由周期附着于所述两片基材之间的多个人造微结构构成的金属层；所述第一均匀阻抗匹配层折射率等于空气折射率，所述第M层均匀阻抗匹配层折射率等于所述超材料功能层折射率最小值。本发明阻抗匹配元件能有效减少电磁波的反射现象，具有结构简单、便于规模化生产的有益效果。

Description

一种阻抗匹配元件

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种用于减小超材料对电磁波反射的阻抗匹配元件。

背景技术

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

然而超材料改变的是进入其内部的电磁波的电磁响应，对入射到超材料表面的电磁波仍然会因为折射率的突变造成电磁波被反射，使得最终超材料响应电磁波的效果降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种结构简单、依附于超材料功能层上、能使得电磁波入射到超材料功能层上时产生的反射电磁波减少的阻抗匹配元件。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种阻抗匹配元件，用于超材料功能层，所述阻抗匹配元件包括第一至第M层均匀阻抗匹配层以及第一至第N层渐变阻抗匹配层；所述第一至第M层均匀阻抗匹配层包括相对的两片基材以及与所述两片基材构成密封腔且对电磁波无响应的填充物，所述第一至第N层渐变阻抗匹配层包括相对的两片基材以及由周期附着于所述两片基材之间的多个人造金属微结构构成的金属层；所述第一均匀阻抗匹配层折射率等于空气折射率，所述第M层均匀阻抗匹配层折射率等于所述超材料功能层折射率最小值。

进一步地，所述超材料功能层以中心点为圆心，半径r处的折射率为n(r)，所述第一至第N层渐变阻抗匹配层以各自的中心点为圆心，半径r处的折射率为：

n(r)_j＝n_min+(j/(N+1))*(n(r)-n_min)

其中，j代表第一至第N渐变阻抗匹配层的序号数值，第N渐变阻抗匹配层紧贴超材料功能层，n_min为超材料功能层所具有的最小折射率值。

进一步地，所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的厚度变化规律为等比变化，所述第一层均匀阻抗匹配层的厚度最大，所述第M层均匀阻抗匹配层的厚度最小。

进一步地，所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的厚度变化规律为等差变化，所述第一层均匀阻抗匹配层的厚度最大，所述第M层均匀阻抗匹配层的厚度最小。

进一步地，所述第一至第M层均匀阻抗匹配层、所述第一至第N层渐变阻抗匹配层以及所述超材料功能层的厚度满足规律：

n₀*d₁+n₁*d₂+······+n_(m-1)d_(m-1)+n_min*d_m+

n(r)₁*D+n(r)₂*D+······n(r)_N*D+n(r)*A*D＝K/2λ

其中，n₀为空气折射率值，d₁至d_m为第一至第M均匀阻抗匹配层各层厚度，n₁至n_(m-1)为第二至第(M-1)均匀阻抗匹配层的等效折射率值，n_min为超材料功能层的最小折射率值，D为第一至第N渐变阻抗匹配层以及超材料功能层中每层所具有的相同厚度，n(r)₁至n(r)_N为第一至第N渐变阻抗匹配层的折射率分布值，A为超材料功能层的层数，K为正整数，λ为入射电磁波波长。

进一步地，所述填充物为泡沫。

进一步地，所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

进一步地，所述第一至第N层渐变阻抗匹配层的基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

进一步地，所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的总厚度为所响应电磁波波长的十分之一至五分之一。

进一步地，所述人造金属微结构的材质为银或者铜。

本发明通过构建两类阻抗匹配层，使得电磁波入射到超材料功能层时先通过该两类阻抗匹配层，从而减小阻抗的突变，进而减小电磁波发生的反射现象。本发明各层阻抗匹配层结构简单、且各类阻抗匹配层采用相类似的结构设计、便于规模化生产。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明一种阻抗匹配元件立体结构示意图；

图3为本发明阻抗匹配元件中均匀阻抗匹配层的剖视图；

图4为本发明阻抗匹配元件中渐变阻抗匹配层的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。图1中，超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

我们知道，常规的能汇聚电磁波的凸透镜或者能发散电磁波的凹透镜均是由其不均匀的厚度达到所要的效果，其对加工和制造工艺要求很高且占用体积大。然而通过超材料的原理，我们可以在任意的平板形状的基材上周期排布人造微结构而改变基材每点的折射率从而达到和凸透镜或者凹透镜同样甚至更优的效果，但是其厚度更薄、形状可控且成本低廉、加工制造要求不高。利用上述原理制成的超材料功能层由于厚度是均匀的，因此超材料功能层上各区域的折射率值必然不相同，以超材料功能层得中心点为圆心，半径为r处的折射率为n(r)。n(r)函数因超材料功能层的功能和制造工艺不同而不同但都必然存在一个最大的折射率值n_max和一个最小的折射率值n_min，由于技术的限制，n_max很难达到无限大，n_min也很难达到无限接近于空气，即数值为1的最小折射率。因此，当从自由空间直接入射到超材料表面的电磁波会由于折射率的突变而发生反射，造成一部分能量损失。

如图2所示，图2为本发明为解决上述技术问题而提出的一种阻抗匹配元件，应用于超材料功能层30上。图2中，阻抗匹配元件包括第一至第M层均匀阻抗匹配层10以及第一至第N层渐变阻抗匹配层20，且图2中仅示出4层均匀阻抗匹配层10以及3层渐变阻抗片层20，功能层30包括2层折射率分布相同的功能层30。如图3所示，图3为均匀阻抗匹配层10的剖视图。从图3可知，每一均匀阻抗匹配层10均包括相对的两块材质相同的基材101，基材边侧被对电磁波无响应的其他物质，例如泡沫材料等密封。密封的基材形成一内部空腔102，内部空腔内的空气与基材使得均匀阻抗匹配层具有一个折射率值。由于第一至第M层均匀阻抗匹配层的基材均相同，不同之处在于其内部空腔的大小，因此可用各均匀阻抗匹配层的厚度变化来描述各均匀阻抗匹配层的折射率变化。厚度越厚时，内部空腔越大，对应的阻抗匹配层的折射率值越小。第一至第M层均匀阻抗匹配层厚度的变化规律可为等比变化，即与空气接触的第一层均匀阻抗匹配层的厚度为d₁，其折射率等于空气折射率，第二层均匀阻抗匹配层的厚度为d₂，d₂＝(1/2)*d₁，第三层均匀阻抗匹配层的厚度为d₃，d₃＝(1/4)*d₁······以此类推，最后一层即第M层均匀阻抗匹配层的厚度为d_m，d_m＝(1/2^m-1)*d₁，且第M层均匀阻抗匹配层的折射率值等于超材料功能层上的最小值n_min。可以想象地，在满足第一均匀阻抗匹配层折射率等于空气折射率，第M层均匀阻抗匹配层折射率等于超材料功能层上的最小值n_min的条件下，中间各层均匀阻抗匹配层的厚度变化亦可采用其他方式，例如等差方式，即d₁＝(1/2)*d₂＝(1/3)*d₃＝······(1/m)*d_m。

同时，由于第一至第M层均匀阻抗匹配层仍然是整个超材料的构成部分，因此第一至第M层均匀阻抗匹配层的总厚度仍然需要保证为入射电磁波波长的五分之一至十分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一，以使得第一至第M层均匀阻抗匹配层对入射电磁波的响应与超材料其他部分对入射电磁波的响应构成连续的电磁响应。

如图4所示，图4为渐变阻抗匹配层20的剖视图。图4中，渐变阻抗匹配层20包括相对的两块相同材质的基材201，基材边侧被对电磁波无响应的其他物质，例如泡沫材料等密封，与均匀阻抗匹配层不同的是，两基材之间设置有金属层202。金属层202由多个人造金属微结构周期排布于一基材表面构成。均匀的阻抗匹配层虽然解决了由空气折射率到超材料功能层最小折射率的突变问题，但是超材料功能层上其他折射率的突变问题没有解决。渐变阻抗匹配层通过采用和超材料功能层相同的结构构造但是不同的折射率梯度变化，使折射率由空气渐变到超材料功能层上各区域折射率的变化梯度逐渐减少以减少折射率突变造成的电磁波反射。对应折射率分布规律为n(r)的超材料功能层，第一至第N层渐变阻抗匹配层以各自的中心点为圆心，半径r处的折射率为：

n(r)_j＝n_min+(j/(N+1))*(n(r)-n_min)

其中，j代表第一至第N渐变阻抗匹配层的序号数值，第N渐变阻抗匹配层紧贴超材料功能层，n_min为超材料功能层所具有的最小折射率值。第一至第N层渐变阻抗匹配层的中心点与超材料功能层的中心点在同一轴线上。

本实施例中，第一至第N渐变阻抗匹配层以及超材料功能层具有相同的厚度D，且均由0.4毫米厚度的两块基材及0.018毫米厚度的金属层构成。总厚度D为0.818毫米。

经实验可知，当同时使用第一至第M均匀阻抗匹配层和第一至第N渐变阻抗匹配层时，所有的阻抗匹配层与超材料功能层的总光程为入射电磁波半波长的整数倍时，入射电磁波被反射最小。即

n₀*d₁+n₁*d₂+······+n_(m-1)d_(m-1)+n_min*d_m+

n(r)₁*D+n(r)₂*D+······n(r)_N*D+n(r)*A*D＝K/2λ

其中，n₀为空气折射率值，d₁至d_m为第一至第M均匀阻抗匹配层各层厚度，n₁至n_(m-1)为第二至第(M-1)均匀阻抗匹配层的等效折射率值，n_min为超材料功能层的最小折射率值，D为第一至第N渐变阻抗匹配层以及超材料功能层中每层所具有的相同厚度，n(r)₁至n(r)_N即为上述n(r)j中代入j的数值以后所计算出来的第一至第N渐变阻抗匹配层的折射率分布值，A为超材料功能层的层数，K为正整数，λ为入射电磁波波长。

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 (9)

1.一种阻抗匹配元件，用于超材料功能层，其特征在于：所述阻抗匹配元件包括第一至第M层均匀阻抗匹配层以及第一至第N层渐变阻抗匹配层；所述第一至第M层均匀阻抗匹配层包括相对的两片基材以及与所述两片基材构成密封腔且对电磁波无响应的填充物，所述第一至第N层渐变阻抗匹配层包括相对的两片基材以及由周期附着于所述两片基材之间的多个人造金属微结构构成的金属层；所述第一均匀阻抗匹配层折射率等于空气折射率，所述第M层均匀阻抗匹配层折射率等于所述超材料功能层折射率最小值；所述超材料功能层以中心点为圆心，半径r处的折射率为n(r)，所述第一至第N层渐变阻抗匹配层以各自的中心点为圆心，半径r处的折射率为：

n(r)_j＝n_min+(j/(N+1))*(n(r)-n_min)

其中，j代表第一至第N渐变阻抗匹配层的序号数值，第N渐变阻抗匹配层紧贴超材料功能层，n_min为超材料功能层所具有的最小折射率值。

2.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的厚度变化规律为等比变化，所述第一层均匀阻抗匹配层的厚度最大，所述第M层均匀阻抗匹配层的厚度最小。

3.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的厚度变化规律为等差变化，所述第一层均匀阻抗匹配层的厚度最大，所述第M层均匀阻抗匹配层的厚度最小。

4.如权利要求2或3所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述第一至第M层均匀阻抗匹配层、所述第一至第N层渐变阻抗匹配层以及所述超材料功能层的厚度满足规律：

n₀*d₁+n₁*d₂+······+n_(m-1)d_(m-1)+n_min*d_m+

n(r)₁*D+n(r)₂*D+······n(r)_N*D+n(r)*A*D＝K/2λ

其中，n₀为空气折射率值，d₁至d_m为第一至第M均匀阻抗匹配层各层厚度，n₁至n_(m-1)为第二至第(M-1)均匀阻抗匹配层的等效折射率值，n_min为超材料功能层的最小折射率值，D为第一至第N渐变阻抗匹配层以及超材料功能层中每层所具有的相同厚度，n(r)₁至n(r)_N为第一至第N渐变阻抗匹配层的折射率分布值，A为超材料功能层的层数，K为正整数，λ为入射电磁波波长。

5.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述填充物为泡沫。

6.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

7.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述第一至第N层渐变阻抗匹配层的基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

8.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述第一至第M层均匀阻抗匹配层的总厚度为所响应电磁波波长的十分之一至五分之一。

9.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述人造金属微结构的材质为铜或者银。