【技术领域】

本发明涉及电磁通讯领域， 更具体地说， 涉及一种利用超材料制成的阻抗 匹配元件。

【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。

研究阻抗匹配就是为了减少电磁波在经过不同 介质边界时的信号发射问 题。 但目前关于电磁波传输过程中的阻抗匹配问题 的研究还仅限于电路中， 对 于空间传播时的阻抗匹配问题还没有较成熟的 技术。

【发明内容】

本发明实施例所要解决的技术问题在于， 提供一种阻抗匹配元件， 可减少 电磁波在经过不同介质边界时能量的损耗。

为解决上述技术问题， 本发明提供了一种阻抗匹配元件， 设置于第一介质 与第二介质之间， 所述元件由多个相互平行的超材料片层沿垂直 于所述片层表 面方向堆叠形成， 所述超材料片层包括片状的基材和多个附着在 所述基材上的 人造微结构， 首位片层和末尾片层的阻抗分别与第一介质和 第二介质的阻抗相 同， 首位片层附着有多个具有第一图形的人造微结 构， 末尾片层附着有多个具 有第二图形的人造微结构， 中间若干片层所附着的人造微结构的图形为第 一图 形和第二图形的组合， 沿片层堆叠方向第一图形连续减小且第二图形 连续增大。

其中， 所述第一介质和第二介质都为均勾介质， 所述元件由多个阻抗均匀 分布的超材料片层构成。

其中， 所述人造微结构为附着在基材上的具有特定图 形的金属线， 所述金 属线为铜线或银线。

其中， 所述金属线通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法 附着在基材上。

其中， 所述基材由陶瓷材料、环氧树脂、 聚四氟乙烯、 FR-4复合材料或 F46 复合材料制得。 其中， 所述第一图形为正立的 "工" 字形、 "H" 形或 "王" 字形， 所述第 二图形相应地为 "工" 字形、 "H" 形或 "王" 字形经 90度旋转后的图形。

为解决上述技术问题， 本发明还提供了一种阻抗匹配元件， 设置于第一介 质与第二介质之间， 该元件由多个相互平行的超材料片层沿垂直于 片层表面方 向堆叠形成， 超材料片层包括片状的基材和多个附着在基材 上的人造微结构， 人造微结构为附着在基材上的具有特定图形的 金属线， 首位片层和末尾片层的 阻抗分别与第一介质和第二介质的阻抗相同， 首位片层附着有多个具有第一图 形的人造微结构， 末尾片层附着有多个具有第二图形的人造微结 构， 中间若干 片层所附着的人造微结构的图形为第一图形和 第二图形的组合， 沿片层堆叠方 向第一图形连续减小且第二图形连续增大。

其中， 金属线为铜线或银线。

其中， 第一介质和第二介质都为均匀介质， 元件由多个阻抗均匀分布的超 材料片层构成。

其中， 基材由陶瓷材料、 环氧树脂、 聚四氟乙烯、 FR-4复合材料或 F46复 合材料制得。 其中， 金属线通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着 在基材上。

其中， 基材由陶瓷材料、 环氧树脂、 聚四氟乙烯、 FR-4复合材料或 F46复 合材料制得。 其中， 第一图形为正立的 "工" 字形、 "H" 形或 "王" 字形， 第二图形相 应地为 "工" 字形、 "H" 形或 "王" 字形经 90度旋转后的图形。

上述技术方案至少具有如下有益效果： 本发明实施例的阻抗匹配元件的多 个超材料片层堆叠形成阻抗渐变层， 将此阻抗匹配元件设置于两介质间将消除 两介质的阻抗突变， 进而解决了电磁波在经过两介质分界面时发生 反射而导致 电磁波能量损耗的问题。

【附图说明】

图 1是本发明的阻抗匹配元件一实施例的结构示� �图。

图 2是图 1所示的阻抗匹配元件的主视图。

图 3是图 1所示的阻抗匹配元件的侧视图。

图 4是图 3所示的阻抗匹配元件的 A-A剖视图。

图 5是本发明实施例的阻抗匹配元件的应用示意� �。

【具体实施方式】

当电磁波在同一介质传播时， 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。 本 发明涉及一种釆用超材料制成的阻抗匹配元件 ， 用以解决电磁波在空间传播过 程中经过不同介质分界面时发生部分反射而导 致电磁波能量损耗的问题。

超材料是一种以人造微结构 2 为基本单元并以特定方式进行空间排布、 具 有特殊电磁响应的新型材料，包括由具有一定 图形的金属丝构成的人造微结构 2 和供人造微结构附着的基材 1。 多个人造微结构 2在基材 1上阵列排布， 每个人 造微结构 2以及其所附着的基材 1所占部分即为一个晶格。 基材 1可为任何与 人造微结构 2 不同的材料， 这两种材料的叠加使每个晶格产生一个等效介 电常 数与磁导率， 这两个物理参数分别对应了晶格的电场响应与 磁场响应。 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。 超材料对电磁响应的特 征是由人造微结构 2的特征所决定， 而人造微结构 2的电磁响应很大程度上取 决于其金属丝的图形所具有的拓朴特征和其几 何尺寸。

根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人 造微结构 2 的图形和几何尺 寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设 置， 由于阻抗与^ ^成正比关系， 所以只要改变介电常数与磁导率中的至少一个 ， 就可以改变阻抗。 进而使用超 材料制成一个阻抗渐变的阻抗匹配元件， 使其一侧的阻抗与第一介质的阻抗相 同， 另一侧的阻抗与第二介质的阻抗相同， 中间连续变化消除第一介质和第二 介质间的阻抗突变， 进而消除电磁波经过不同介质分界面时的反射 现象以及电 磁波能量损耗问题。

图 1〜图 4分别为是本发明的阻抗匹配元件 10—实施例的结构示意图、主视 图、 侧视图以及 A-A剖视图。 本实施例中第一介质和第二介质都为均匀介质 ， 阻抗匹配元件 10 由多个均勾的超材料片层 3 沿垂直于其表面方向堆叠成为一 体， 超材料片层 3包括片状的基材 1和多个附着在基材 1上的人造微结构 2, 首 位的超材料片层 3和末尾的超材料片层 3的阻抗分别与第一介质和第二介质的 阻抗相同， 首位的超材料片层 3附着有多个具有第一图形的人造微结构 2 , 末尾 的超材料片层 3附着有多个具有第二图形的人造微结构 2,中间若干片超材料片 层 3所附着的人造微结构 2的图形为第一图形和第二图形的组合， 沿片层堆叠 方向第一图形连续减小且第二图形连续增大。

人造微结构 2为附着在基材 1上的具有特定图形的金属线， 金属线通过蚀 刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或粒子刻等多种方法附着在基材 1 上。 其中蚀 刻是较优的制造工艺， 其步骤是在设计好合适的人造微结构 2 的平面图案后， 先将一张金属箔片整体地附着在基材 1 上， 然后通过蚀刻设备， 利用溶剂与金 属的化学反应去除掉人造微结构 2预设图案以外的箔片部分， 余下的即可得到 阵列排布的人造微结构 2。 上述金属箔片的材质可以是铜、 银等金属。 基材 1由 陶瓷材料、 环氧树脂、 聚四氟乙烯、 FR-4复合材料或 F46复合材料制得。

在本实施例中首位的超材料片层 3的人造微结构 2呈 "工" 字形， 包括竖 直的第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端 且垂直于第一金属丝的第二金属 丝。 末尾的超材料片层 3的人造微结构 2呈 'Ή" 形， 包括水平的第三金属丝和 分别连接于第一金属丝两端且垂直于第一金属 丝的第四金属丝。 中间的若干超 材料片层 3的人造微结构 2的图形为 "工" 字形和 "Η" 形的组合， 沿超材料片 层 3的堆叠方向各中间超材料片层 3的人造微结构 2的 "工" 字图形连续减小 且' Ή"图形连续增大，进而形成中间渐变层。具体 实施时第一图形为正立的 "工" 字形、 "Η"形或 "王"字形， 所述第二图形相应地为 "工"字形、 "Η"形或 "王" 字形经 90度旋转后的图形。 当然首位和末尾片层的人造微结构 2也可釆用非轴 对称结构的图形， 如 "J" 形、 "C" 形或 "卜" 字形等。

图 5 所示为本发明的阻抗匹配元件的应用示意图， 将本发明的阻抗匹配元 件设置于两不同介质间， 根据第一介质和第二介质分别设计首位超材料 片层 3 所附着的人造微结构 2的第一图形和末尾超材料片层 3所附着的人造微结构 2 的第二图形， 中间若干超材料片层 3所附着的人造微结构 2的图形为第一图形 和第二图形的组合， 沿着超材料片层 3堆叠方向个片层的人造微结构 2的第一 图形连续减小且第二图形连续增大， 即可形成一个阻抗渐变层进而实现两不同 介质的阻抗匹配。

以上所述是本发明的具体实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技 术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这 些改进和润饰也视为本发明的保护范围。