一种基于零折射超材料的高回波损耗、大动态范围的可调衰减器的制作方法

本发明涉及微波无源器件领域，尤其涉及在通信行业及电子设备和仪器测量中的一种新型衰减器及其制作方法。

背景技术：

衰减器是一种广泛应用于微波系统的元件，用作对信号功率的衰减，是微波电子设备中必不可少的关键元件，对系统输出功率起到控制和调节作用，而不会引起信号发生显著畸变的无源网络。一般以引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。另外，任何一个网络对电磁波的损耗作用都包含两部分：一是插入材料吸收和耗散的能量，称插入损耗；另一部分是被它反射的能量，称回波损耗。本发明即公开了一种通过插入零折射率超材料和引入转动棒来实现高回波损耗、高动态范围的衰减器及其制作方法。

衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种，有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。本发明研究的即无源可调同轴衰减器，相比固定衰减器，调节范围大，实用性更强，适用性更高。常见的可变衰减器通常有两种，一种是采用t或π型拓扑结构，通过开关控制电阻元件的大小来产生希望的衰减量，第二种是利用pin二极管实现可变电阻元件，其电阻与偏置电流成反比，利用每个pin二极管消耗能量产生预期的衰减量。这些衰减器目前存在的一个突出的问题是：在高频12ghz以上，衰减状态的回波损耗太小，制约了高精密微波电子设备的发展。

在雷达、通信、导航等系统中，都要考虑功率在传输中的损耗问题和接收信号的灵敏度问题，回波损耗越高，衰减器精度越高，动态范围越高，灵敏度也越高。高回波损耗、高灵敏度的衰减器在高精密仪器中应用广泛，如矢量网络分析仪、频谱仪、阻抗分析仪等。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是克服现有衰减器技术中，回波损耗低，精度无法满足需求、模式单一等不足之处，提供一种具有高回波损耗、大动态范围的可调衰减器。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于零折射超材料的高回波损耗、大动态范围的可调衰减器，其特征在于，包括具有三端口的t型同轴空气线；空气线的内导体在与匹配负载端口相对的端口处断裂，断裂处设置有转动棒，转动棒一端与内导体可转动机械连接，另外一端在内导体与外导体之间任意角度转动，在空气线t型交界处的内外导体之间填充零折射率超材料，且使其覆盖转动棒，转动棒的转动区域预留为空气槽。

转动棒与内导体连接处，转动棒与内导体分别为半个圆柱，平面相对，通过机械连接。

所述外导体半径3.5mm，内导体半径1.5mm。

所述的零折射率超材料，其折射率实部为零或接近于零，虚部不大于实部的31.25倍。

折射率由实部和虚部组成，即，，，且，。

与现有技术相比较，本发明方法具有以下有益效果：发明了新结构，随着转动棒以不同角度转动，通过内外导体的连接和断开的不同角度变化，决定内外导体的短路、断路和耦合，从而控制衰减量的大小，提供较大的动态调节范围；采用新型材料，插入的超材料，折射率为零，使入射信号的回波损耗增大，可以有效降低反射率，防止对输入口前端电路产生干扰，有效提高衰减器性能。

附图说明

图1为本发明转动棒与内导体夹角为0度时正视图；

图2为本发明转动棒与内导体夹角为0度时俯视图；

图3为本发明转动棒与内导体夹角为45度时正视图；

图4为本发明转动棒与内导体夹角为90度时正视图；

图5为本发明转动棒与内导体连接及转动方式；

其中：1外导体，2内导体，3零折射率超材料，4转动棒，5空气槽。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：

该衰减器内部填充有用于提高回波损耗的超材料，以及调节衰减范围的转动棒。如图1,4所示，该装置包括具有三端口的t型同轴空气线，空气线由同轴的外导体1和内导体2组成，外导体1为具有三端口的t型圆柱金属外壳，其中一端口用于入射信号，二端口连接匹配负载（匹配负载是现成的，根据不同要求外接即可），二端口用于出射信号；内导体2，内导体2为与外导体1形状相似、同为t型的同轴金属线；内导体2在三端口附近断裂，断裂处设置有转动棒4，转动棒4的一侧与内导体通过机械方式可转动连接，另外一侧可在内导体与外导体之间以不同角度转动，用于调节衰减范围；在t型交界处、内外导体之间填充有零折射率超材料3，且使其覆盖转动棒4，使入射信号先通过零折射率超材料，用以提高衰减器的回波损耗；但值得注意的是，转动棒转动区域预留为空气槽5，空气槽中是空气而非零折射率超材料。

制作该衰减器时，选取一t型同轴线，在t型交叉处，内外导体之间填入零折射率超材料3，填入的面积需覆盖转动棒4，且需预留内导体2的空间；内导体2在与接匹配负载相对的端口附近，截取一段，制为转动棒4，转动棒4一侧与内导体截断为相叠半圆柱体，用机械手段固定，可旋转；另一侧制为半圆状，与内导体连接处曲率契合。

实施例1

为进一步说明本器件结构的效果，我们以选取外半径3.5mm、内半径1.5mm的同轴线，制作转动棒与内导体相连的衰减器为例。将选取的同轴线内导体截取一段，将截断的转动棒及与内导体连接处加工为如图5要求的形状，通过机械手段固定。然后在同轴线t型交叉处，内外导体之间填充零折射率超材料，如图1所示，填充范围需覆盖t型交叉处及转动棒区域，但需将转动棒的转动区域预留为空气槽。

根据本发明提出的新型衰减器及制作方法，利用电磁环境相关知识仿真设计得到实例1，转动棒与内导体夹角为0度时，在12~18ghz的工作频率下，对应的衰减值为-5.145db，回波损耗为-19.601db，驻波比为1.23。

实施例2

为进一步说明本器件结构的效果，作为比较，我们以制作转动棒与内导体夹角为45度的衰减器为例，该衰减器除转动棒位置外，其他结构、尺寸和材料与实例1完全相同。经仿真测试得到对应的衰减值为-22.984db，回波损耗为-32.101db，驻波比为1.05。

实施例3

为进一步说明本器件结构的效果，作为比较，我们以制作转动棒与外导体相连、即与内导体夹角为90度的衰减器为例，该衰减器除转动棒位置外，其他结构、尺寸和材料与实例1完全相同。经仿真测试得到对应的衰减值为-72.253db,回波损耗为-53.084db，驻波比为1.00。

通过以上三个实例，能够说明本发明，当衰减值在-5.145~-22.984db范围内,电压驻波比（vswr）小于1.23，当衰减值在-22.984~-72.253db范围内，电压驻波比（vswr）小于1.05。