CN103296448A - 一种阻抗匹配元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阻抗匹配元件，应用于超材料功能层，所述阻抗匹配元件包括第一至第M层匹配超材料片层，每一匹配超材料片层包括基材以及周期排布于所述基材上的人造微结构，所述第一至第M层匹配超材料片层中第i层匹配超材料片层上，以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

其中，n_min为第一至第M层匹配超材料片层所具有的相同的最小折射率值，n_main(r)为所述超材料功能层的折射率分布。本发明利用超材料原理设置多层匹配超材料片层，使得超材料在沿着电磁波入射方向的折射率渐变，减小折射率突变，从而减小电磁波被反射带来的增益损失。

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折射率分布不相同的第一至第M层匹配超材料片层，每一匹配超材料片层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个人造微结构；所述第一至第M层匹配超材料片层中第i层匹配超材料片层上，以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }^{i/M}*n_{\mathrm{main}}^{1-\frac{i}{M}}\left(r\right)$

其中，n_min为第一至第M层匹配超材料片层所具有的相同的最小折射率值，n_main(r)为所述超材料功能层的折射率分布。

进一步地，所述每一匹配超材料片层还包括覆盖于所述人造微结构上的覆盖层。

进一步地，所述每一匹配超材料片层还包括密封所述片层的密封物，所述密封物对电磁波无响应。

进一步地，所述密封物为泡沫。

进一步地，所述覆盖层与所述基材的材质和厚度均相同。

进一步地，所述覆盖层与所述基材的材质为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

进一步地，所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着于所述基材表面。

进一步地，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

本发明利用超材料原理设置多层匹配超材料片层，使得超材料在沿着电磁波入射方向的折射率渐变，减小折射率突变，从而减小电磁波被反射带来的增益损失。

附图说明

图1为本发明中构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明中一层匹配超材料片层的剖视图；

图3为平面雪花状的金属微结构的示意图；

图4为图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图5为图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图6为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；

图7为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段。

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。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。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。本发明中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成本发明超材料的基本单元。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小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。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，从而超材料功能层上的折射率分布可确定为n_main(r)，本发明中，n_main(r)为r的函数，即以超材料功能层中心点为圆心，超材料功能层上半径为r处的折射率相同。n_main(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。当自由空间直接入射到超材料功能层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。

本发明为解决上述问题，沿着电磁波的入射方向依次排布有第一至第M层匹配超材料片层。每层匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的人造金属微结构，优选地，为封装人造金属微结构，还在人造金属微结构上覆盖有覆盖层，所述覆盖层的材质和厚度均与所述基材的材质和厚度相同。

如图2所示，图2为本发明其中一层匹配超材料片层的剖视图。图2中，匹配超材料片层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，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两基材相对表面的任一表面构成。匹配超材料片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_main(r)的超材料功能层，第一至第M层匹配超材料片层中第i层匹配超材料片层的折射率分布为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }^{i/M}*n_{\mathrm{main}}^{1-\frac{i}{M}}\left(r\right)$

其中，n_min为第一至第M层匹配超材料片层所具有的相同的最小折射率值，n_main(r)为所述超材料功能层的折射率分布。第一至第M层匹配超材料片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M匹配超材料片层以及超材料功能层具有相同的厚度D，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。各片层总厚度D为0.818毫米。

确定各匹配超材料片层的折射率分布后，需要在各超材料片层虚拟划分的超材料基本单元中排布人造金属微结构以改变超材料基本单元的折射率，各个超材料基本单元中的人造金属微结构的尺寸以及拓扑图案均会影响到超材料基本单元的折射率值。各层上的人造金属微结构以及不同层上的人造金属微结构的拓扑图案可以相同也可以不同，只要该人造金属微结构使得其附着的超材料单元的折射率符合超材料片层的折射率分布即可。人造金属微结构拓扑图案和尺寸的选取可通过计算机仿真实现，也可通过在建立的人造金属微结构数据库中选取。各超材料片层可根据自身的折射率分布要求选择所需要的人造金属微结构拓扑图案和尺寸。下面论述几种能改变超材料基本单元折射率的人造金属微结构的拓扑图案。

如图3所示，图3为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。

图3所示为平面雪花状的金属微结构的示意图，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图4是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图5是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图5所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

确定金属微结构形状和折射率分布后，下面详细描述通过各个超材料单元上的人造金属微结构形状和尺寸的演变获得整个超材料折射率分布的过程，该过程可通过计算机仿真得到，具体步骤如下：

(1)确定金属微结构的附着基材。本明中，所述基材和覆盖层采用相同的FR-4复合材料制成，所述的FR-4复合材料制成具有一个预定的介电常数，例如介电常数为3.3的FR-4复合材料。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸的尺寸由各超材料片层所需响应的电磁波的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，所述超材料单元D为如图1所示的长CD与宽KD均为2.5mm、厚度HD为0.818mm的方形小板。

(3)确定金属微结构的材料及拓扑结构。本发明中，金属微结构的材料为铜，金属微结构的拓扑结构为图3所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。

(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图3所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图3所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。本发明中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.5mm，厚度为0.818mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状的通过如图6至图7所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如15GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图3所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)，即2.5-0.1mm，则a的最大值为2.4mm。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图6所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1，在最大的“十”字形拓扑形状JD1中，第一金属线J1与第二金属线J2长度均为2.4mm，宽度W均为0.3mm。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大((对应天线一特定频率)，并可得超材料单元的折射率的最小值n_min。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm(线宽W)，b的最大值为(CD-WL-2W)，即2.5-0.1-2*0.3mm，则b的最大值为1.8mm。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图7所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交，b的最大值为1.8mm。此时，第一金属线与第二金属线长度均为2.4mm，宽度均为0.3mm，第一金属分支及第二金属分支的长度均为1.8mm，宽度为0.3mm。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)，因此可得一超材料单元的折射率的最大值n_max。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围(n_min-n_max)满足设计需要。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。

本发明中，所述基材和覆盖层由陶瓷材料、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F4B复合材料、FR-4复合材料等。优选地，本发明中，所述基材和覆盖层采用相同的FR-4复合材料。人造金属微结构的材质可选用铜或银，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着于基材表面上。

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，应用于超材料功能层，其特征在于：所述阻抗匹配元件包括第一至第M层匹配超材料片层，每一匹配超材料片层包括基材以及周期排布于所述基材上的人造微结构，所述第一至第M层匹配超材料片层中第i层匹配超材料片层上，以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }^{i/M}*n_{\mathrm{main}}^{1-\frac{i}{M}}\left(r\right);$

其中，n_min为第一至第M层匹配超材料片层所具有的相同的最小折射率值，n_main(r)为所述超材料功能层的折射率分布。

2.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述每一匹配超材料片层还包括覆盖于所述人造微结构上的覆盖层。

3.如权利要求2所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述每一匹配超材料片层还包括密封所述片层的密封物，所述密封物对电磁波无响应。

4.如权利要求3所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述密封物为泡沫。

5.如权利要求2所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述覆盖层与所述基材的材质和厚度均相同。

6.如权利要求5所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述覆盖层与所述基材的材质为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

7.如权利要求1所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着于所述基材表面。

8.如权利要求7所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

9.如权利要求8所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

10.如权利要求7所述的阻抗匹配元件，其特征在于：所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

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