一种基于电磁超材料的大功率波导负载的制作方法

本发明涉及一种波导负载，具体涉及一种基于电磁超材料的大功率波导负载。

背景技术：

波导负载是微波领域中经常用到的微波元件，匹配负载是其中最常用的元件之一，它是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件，一般是由一段波导和能够吸收微波功率的材料组合而成，它在实现系统某一部分呈现行波状态的同时，并可吸收无用的信号。在通信系统和微波测量系统中，经常需要匹配负载建立系统的行波状态。还有一种与匹配负载结构相似的失配负载，只是尺寸略微改变一下，其既能吸收一部分微波功率又能反射一部分微波功率，使之和原传输系统失配，该元件也主要用于微波测量。

这两种波导负载一般采用铁氧体、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等作为吸波材料吸收微波能量。然而这些材料有密度高、吸收带宽窄、吸收率低的缺点，影响了设备的性能。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于电磁超材料的大功率波导负载，该负载采用人造电磁超材料作为吸收材料，具有吸收强、频带宽、质量轻、成本低且加工方便的优点。

本发明采取如下技术方案：

一种基于电磁超材料的大功率波导负载，包括用于传输微波信号的波导和位于波导内的吸收体，所述波导一端设有开口、一端封闭，设有开口的一端安装有法兰盘，所述波导内具有v形腔，所述v形腔的两侧面分别从所述开口的两对边向波导另一端延伸并相交于波导另一端的端面上；所述吸收体位于v形腔的内壁上。

进一步的，所述v形腔的夹角为θ，0°＜θ≤30°。

进一步的，所述吸收体是由介质层和附着于所述介质层上呈周期性排列的多个人工微结构组成的超材料片层。

进一步的，所述人工微结构是由金属构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构。

进一步的，所述人工微结构为圆形、矩形、正方形、六角形、十字形、s形、螺旋形等形状。

进一步的，所述介质层采用钎焊工艺附着于波导的v形腔内壁上。

进一步的，所述人工微结构通过光刻法、化学蚀刻法或印刷工艺形成。

进一步的，所述波导由金属材料制成。

进一步的，所述介质层由fr4或陶瓷制成。

进一步的，所述波导外还设置有用于散热的散热层，所述散热层为片状结构或水冷散热形式。

本发明通过在波导内设置v形腔，并在v形腔内壁钎焊超材料作为吸收材料，一方面减小了波导负载的体积，另一方面使波导中传播的电磁能量与电磁超材料充分耦合、吸收，减小了能量反射。采用电磁超材料作为吸收材料，与传统吸收材料相比，具有吸收强、频带宽、质量轻、成本低且加工方便的优点。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于电磁超材料的大功率波导负载的结构示意图；

图2为图1所示的波导负载中波导的内部结构图；

图3为本发明的波导负载在不同频段时的反射系数图；

图4为本发明另一实施例的基于电磁超材料的大功率波导负载的外部散热层的结构示意图。

附图标记说明：1—波导；11—上波导体；12—下波导体；2—法兰盘；3—v形腔；4—介质层；5—人工微结构；6—散热层。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和2所示，一种基于电磁超材料的大功率波导负载，包括用于传输微波信号的波导1和位于波导1内的吸收体，所述波导1一端设有开口、一端封闭，所述开口为长方形开口，设有开口的一端安装有法兰盘2，法兰盘2与波导1焊接在一起，所述波导1内具有v形腔3，所述v形腔3的两侧面分别从所述开口的两宽边向波导1另一端延伸并相交于波导1另一端的端面上，设所述v形腔3的夹角为θ，0°＜θ≤30°；所述吸收体位于v形腔3的内壁上。具体的，所述波导1由上波导体11和上波导体12组合而成，所述上波导体11的下表面具有一斜面，所述上波导体12的上表面具有一斜面，所述上波导体11和上波导体12扣合并通过位于边缘的螺丝固定连接形成波导1，扣合后所述上波导体11的下表面和所述上波导体12的上表面形成波导1内的v形腔3，两个斜面构成v形腔3的两侧面，并使波导1的一端具有开口，另一端封闭。设两斜面构成的v形腔3的夹角为θ，0°＜θ≤30°，θ的大小根据吸收负载的带宽和性能要求决定，带宽越宽、吸收能力越强，要求斜面的长度越长，θ越小。所述v形腔3位于波导1的正中，所述上波导体11和上波导体12为形状对称结构。所述波导1开口的一端设有法兰盘2，方便与其他微波元件相对接。所述波导1由金属构成，具体可以为铜、铝、铝镀银或铜镀金，也可以为其他金属。在本实施例中，波导1的制备材料选用铜。所述v形腔3的内壁上，即上波导下表面的斜面上以及下波导上表面的斜面上钎焊有吸收体。

所述吸收体是由介质层4和附着于所述介质层4上呈周期性排列的多个人工微结构5组成的超材料片层。具体的，超材料是一种在介质基板上周期性排列具有一定几何形状的人工微结构5如金属微结构来形成的人工复合材料，我们可以利用人工微结构5的几何形状和尺寸以及排布方式来改变超材料空间各点的相对介电常数和/或相对磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播。所述介质层4为fr4、陶瓷材料、或其他高分子聚合物材料制成，所述介质层4采用钎焊工艺附着于波导1的v形腔3内壁上。

所述人工微结构5是由金属构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，并通过光刻、蚀刻或印刷工艺附着在介质层4上，所述人工微结构5也采用金、银、铜或其他金属构成，在本实施例中，人工微结构5的材料选用铜。所述人工微结构5的形状为圆形、矩形、正方形、六角形、十字形、s形、螺旋形等形状，优选圆形，因为圆形结构简单、便于加工和仿真设计，而且圆形结构对称，对电磁波的极化方向和入射角不敏感，换句话说，电磁波可以为任何极化方向，入射角比较宽。

所述人工微结构5的尺寸可决定吸收频率，尺寸变小，频率升高；频率越低，介质的厚度越大。

构成超材料的介质层4和人工微结构5采用的材料不同，介电常数和损耗角正切值不同，吸收性能就不同，吸收负载的尺寸应该相应变化，比如介质层4采用氧化铝陶瓷，人工微结构5采用金，吸收带宽窄，要求的圆盘个数多，波导1尺寸大。

本发明通过在波导1内设置v形腔3，并在v形腔3内壁钎焊超材料作为吸收材料，一方面减小了波导负载的体积，另一方面使波导1中传播的电磁能量与电磁超材料充分耦合、吸收，减小了能量反射。采用电磁超材料作为吸收材料，与传统吸收材料相比，具有吸收强、频带宽、质量轻、成本低且加工方便的优点。本发明的波导负载经实际测试，如图3所示，在ku波段16-18ghz范围内，反射系数s11值小于-20db，即输入端驻波系数小于1.2。值得一提的是，由于人造电磁超材料具有可调控的电磁效应，因此该形式负载还可以满足其他频段的需求。

在另一实施例中，如图4所示，所述波导1外还设置有用于散热的散热层6，所述散热层6为片状结构或水冷散热形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。