专利名称：基于超材料的定向耦合器的制作方法
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I禹合器。
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。高性能的定向率禹合器要求体积小、对传输信号的损耗小、稱合信号的平坦度和方向性要好、稱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I禹合器还包括一 I禹合模块，其中，所述I禹合模块分别与所述输入端、输出端以及I禹合端相连接，外围的电磁波信号从所述输入端输入经过所述耦合模块后，一部分电磁波信号直接从所述输出端输出，另一部分电磁波信号通过所述耦合模块耦合至所述耦合端后输出。进一步地，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单元基材以及人造微结构。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均不相同，但每一超材料片层内部的折射率分布是均匀的。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，并随着堆置的闻度逐渐增加，超材料片层的折射率也逐渐增加。进一步地，所述每一超材料面板内的各个超材料片层的人造微结构的尺寸的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人造微结构的尺寸是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层内的人造微结构的尺寸也逐渐增加。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 = O,
tool 2] n(y) = ^mm + ^max ^mm [y—O—I) * 川；
P其中，nmin表不每一超材料面板内最底层超材料片层的折射率值；nmax表不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 = I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，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构。 进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。进一步地，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述单元基材上，所述单元基材由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。进一步地，所述人造微结构为雪花状或雪花状的衍生形任意一种。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果I、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。
图I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是本发明实施例示意图；图7是本发明实施例示意图。
具体实施例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。超材料是一种以人造微结构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，包括周期排布的人造微结构和供人造微结构附着的单元基材。人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁波有响应的平面结构或立体结构，每个人造微结构以及其所附着的单元基材所占部分即为一个超材料单元。单元基材可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元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超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。实施例I如图I所不,一种基于超材料的定向f禹合器,所述定向f禹合器包括输入端10、输出端30、耦合端20以及一耦合模块40，其中，所述耦合模块40分别与所述输入端10、输出端 30以及耦合端20相连接，外围的电磁波信号从所述输入端10输入经过所述耦合模块40后，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稱合至所述I禹合端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I禹合器的定向功能。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50，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I. 3mm，4层超材料片层411的折射率变化为从5. 2变化到I. 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I禹合器能对15GHz的电磁波信号朝着31度方向进行稱合传输。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nmax逐渐减小到最底层超材料片层411的折射率nmin，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50包括金属微结构502以及供金属微结构502附着的单元基材501，通过对人造微结构502的拓扑图案、几何尺寸以及其在单元基材501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nmax nmin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Sin Θ = q · Δη,其中Θ为所需偏折电磁波的角度、An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，可对所述人造微结构502的拓扑结构、几何尺寸以及其在单元基材501上分布的设计，单元基材501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。人造微结构502为以一定的几何形状附着在单元基材501上能够对电磁波有响应的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，一般采用铜，因为铜丝相对比较便宜，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基板上，每一超材料单元50都具有一个人造微结构，每一个超材料单元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，否则空间中包含人造微结构502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501的选定的情况下，通过调整人造微结构502的形状、尺寸及其在单 元基材501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。当人造微结构502采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数越大，折射率也越大。本实施例采用的人造微结构502的图案为工字形的衍生图案，人造微结构502的图案可以是二维、也可以是三维结构，不限于该实施例中使用的“工”字形，可以为“工”字形的衍生结构，可以是在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构502可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。本实施例中所述多个超材料面板401的折射率随着纵坐标I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 = O,n(y) = wmm + ^max ^mm [y -(α- )*ρ]·,
P其中，Iiniin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；η_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；ρ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 = I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。实施例2如图6所不，一种超材料定向f禹合器包括输入端10’、|禹合模块40’、第一f禹合端201、第二f禹合端202以及输出端30’。电磁波信号从输入端10’进入I禹合模块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稱合模块40’稱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I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7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。
权利要求
1.一种基于超材料的定向I禹合器，所述定向I禹合器包括输入端(10)、输出端(30)以及耦合端(20)，其特征在于，所述定向耦合器还包括一耦合模块(40)，其中，所述耦合模块(40)分别与所述输入端(10)、输出端(30)以及耦合端(20)相连接，外围的电磁波信号从所述输入端(10)输入经过所述稱合模块(40)后,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。
2.根据权利要求I所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述耦合模块(40)由多个具有相同折射率分布的超材料面板(401)堆叠而成，所述每一超材料面板(401)由多个超材料片层(411)组成，所述每一超材料片层(411)由多个超材料单元(50)组成，所述超材料单元(50)包括单元基材(501)以及人造微结构(502)。
3.根据权利要求2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(401)内的各个超材料片层(411)的折射率均不相同，但每一超材料片层(411)内部的折射率分布是均匀的。
4.根据权利要求2或者3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(401)内的各个超材料片层(411)的折射率分布情况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)的折射率是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增力口，超材料片层(411)的折射率也逐渐增加。
5.根据权利要求2或者3所述的一种基于超材料的定向稱合器,其特征在于，所述每一超材料面板(401)内的各个超材料片层(411)的人造微结构(502)的尺寸的分布情况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)的人造微结构(502)的尺寸是最小的，并随着堆叠的高度逐渐增加，超材料片层(411)内的人造微结构(502)的尺寸也逐渐增加。
6.根据权利要求2 5任意一项所述的一种基于超材料的定向I禹合器,其特征在于，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 = O,
7.根据权利要求2所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述人造微结构(502)为由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
9.根据权利要求8所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述单元基材(501)上，所述单元基材(501)由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。
10.根据权利要求7所述的一种基于超材料的定向耦合器，其特征在于，所述人造微结构(502)为雪花状或雪花状的衍生形任 意一种。
全文摘要
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、输出端以及耦合端，所述定向耦合器还包括一耦合模块，其中，所述耦合模块分别与所述输入端、输出端以及耦合端相连接，外围的电磁波信号从所述输入端输入经过所述耦合模块后，一部分电磁波信号直接从所述输出端输出，另一部分电磁波信号通过所述耦合模块耦合至所述耦合端后输出。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。
文档编号H01P5/18GK102956951SQ20111025458
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 黄沣 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司