CN102769203A

CN102769203A - 超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线***

Info

Publication number: CN102769203A
Application number: CN2012102261721A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 张岭
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN102769203B

Abstract

本发明涉及一种超材料频选表面，其包括一超材料片层，所述超材料片层包括介质基板和附着于所述介质基板的结构层，所述结构层包括多个第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一、第二金属微结构各自呈长方形阵列排布，且每一第一金属微结构的中心为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，每一第一、第二金属微结构均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一金属线段和垂直地连接于所述两第一金属线段的两相对端之间的第二金属线段，每一子结构的两第一金属线段分别与另两子结构的相邻第一金属线段相连接，而具有频选特性。本发明还涉及一种由此超材料频选表面制成的超材料频选天线罩和天线***。

Description

超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线***

技术领域

本发明涉及超材料及由其制成的超材料天线罩和天线***，更具体地说，涉及一种设计新颖的超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线***。

背景技术

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。当前，人们在基板上周期性地排列具有一定几何形状的人工微结构来形成超材料。由于可以利用人工微结构的几何形状和尺寸以及排布来改变超材料空间各点的介电常数和/或磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播，故而，在多个领域具有广泛的应用前景，成为各国科研人员争相研究的热点领域之一。特别是可将超材料制作成具有良好透波性能的透波材料，并用来制作天线罩方面已有相当研究。

传统上，制造天线罩时多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物。尽管这种天线罩不仅可使天线免受外界恶劣环境的影响，而且对天线的发送和/或接收的电磁波的损耗较小，但由于其波阻抗与空气的波阻抗不同，电磁波在空气与天线罩之间传播时会发生反射，从而降低了天线的辐射效率和增益，严重影响天线的电磁性能。此外，有时需要天线罩具有频率选择（简称为“频选”）特性，而传统材料在制作上较复杂，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种既具有良好的电磁性能又具有频选特性的超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料频选表面，其包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括结合在一起的介质基板和结构层，所述结构层包括附着于所述介质基板的表面的多个第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构和第二金属微结构各自呈长方形阵列排布，且每一第一金属微结构的中心为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一金属微结构的几何形状和尺寸分别与所述第二金属微结构的几何形状和尺寸相同，每一第一金属微结构和第二金属微结构均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一金属线段和垂直地连接于所述两第一金属线段的两相对端之间的第二金属线段，每一子结构的两第一金属线段分别与另两子结构的相邻第一金属线段相连接；每一第一金属微结构和第二金属微结构还均包括三条自各自中心分别向所述三个子结构的第二金属线段延伸形成且与相应子结构的两第一金属线段平行的第三金属线段。

优选地，每两相邻子结构的两相互连接的第一金属线段之间的夹角为120°。

优选地，所述第二金属线段的外侧到相应金属微结构的中心的距离均相等，均等于8.95~9.05mm。

优选地，所述第二金属线段的长度均相等，均等于1.95~2.05mm。

优选地，所述第一金属线段和第二金属线段的宽度均相等，均等于0.2~0.3mm。

优选地，所述第三金属线段的长度均相等、宽度均相等，分别等于8.45~8.55mm、0.25~0.35mm。

优选地，所述介质基板的厚度为0.35~0.45mm。

优选地，由连接最靠近的四个第一金属微结构或第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为39.5~40.5mm、短边为23~24mm。

优选地，所述介质基板的厚度为0.4mm，所述结构层的厚度为0.018mm，所述第一金属线段和第二金属线段的宽度均为0.25mm，所述第二金属线段的长度均为2mm，所述第二金属线段的外侧到相应金属微结构的中心的距离均为9mm，所述第三金属线段的长度均为8.5mm、宽度均为0.3mm，由连接最靠近的四个第一金属微结构或第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为40mm、短边为23.5mm。

一种超材料频选天线罩，其包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括结合在一起的介质基板和结构层，所述结构层包括附着于所述介质基板的表面的多个第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构和第二金属微结构各自呈长方形阵列排布，且每一第一金属微结构的中心为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一金属微结构的几何形状和尺寸分别与所述第二金属微结构的几何形状和尺寸相同，每一第一金属微结构和第二金属微结构均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一金属线段和垂直地连接于所述两第一金属线段的两相对端之间的第二金属线段，每一子结构的两第一金属线段分别与另两子结构的相邻第一金属线段相连接；每一第一金属微结构和第二金属微结构还均包括三条自各自中心分别向所述三个子结构的第二金属线段延伸形成且与相应子结构的两第一金属线段平行的第三金属线段。

一种天线***，包括天线和设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料频选天线罩，所述超材料频选天线罩包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括结合在一起的介质基板和结构层，所述结构层包括附着于所述介质基板的表面的多个第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构和第二金属微结构各自呈长方形阵列排布，且每一第一金属微结构的中心为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一金属微结构的几何形状和尺寸分别与所述第二金属微结构的几何形状和尺寸相同，每一第一金属微结构和第二金属微结构均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一金属线段和垂直地连接于所述两第一金属线段的两相对端之间的第二金属线段，每一子结构的两第一金属线段分别与另两子结构的相邻第一金属线段相连接；每一第一金属微结构和第二金属微结构还均包括三条自各自中心分别向所述三个子结构的第二金属线段延伸形成且与相应子结构的两第一金属线段平行的第三金属线段。

优选地，所述天线是双频天线。

本发明的超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线***具有以下有益效果：由于其超材料片层上具有各自呈长方形阵列排布的多个第一金属微结构和第二金属微结构，可让两个频段的电磁波高效通过，且反射小，而具有良好的电磁性能，且可同时过滤掉这两个频段外的杂波，亦具有良好的频选特性，减小了杂波干扰，让这两个频段的电磁波可独立工作。

附图说明

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明超材料频选表面的一个超材料片层的结构示意图；

图2是图1中所述超材料片层的结构层的平面示意图；

图3是用于构成图2中所述结构层的一个金属微结构的放大示意图；

图4是图1中一个长方形区域的单元结构样品的透射系数S2随电磁波的频率变化的响应曲线图；

图5是图1中一个长方形区域的单元结构样品的η值随电磁波的频率变化的曲线图；

图6是本发明超材料频选天线罩和天线***的示意图。

图中各标号对应的名称为：

10超材料结构、12介质基板、14结构层、16第一金属微结构、162子结构、164第一金属线段、166第二金属线段、168第二金属线段、18第二金属微结构、19单元结构、20天线***、22天线、24超材料频选天线罩

具体实施方式

如图1所示，本发明超材料频选表面包括至少一超材料片层10，所述超材料片层10包括结合在一起的介质基板12和结构层14。所述介质基板12由聚合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制成，如环氧树脂玻璃纤维布层压板（简称FR4层压板）、聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板（简称F4B层压板）、高密度聚乙烯玻璃纤维布层压板（简称HDPE层压板）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物玻璃纤维布层压板（简称ABS层压板）等，其厚度为0.35~0.45mm。

请参考图2，所述结构层14包括附着于所述介质基板12的表面的多个第一金属微结构16和第二金属微结构18。所述多个第一金属微结构16和第二金属微结构18既可附着于所述介质基板12的任一表面，也可同时附着于所述介质基板12的两个表面，本实施方式中为附着于所述介质基板12的一个表面。

所述第一金属微结构16的几何形状和尺寸分别与所述第二金属微结构18的几何形状和尺寸完全相同，故以下以一个第一金属微结构16为例进行说明。如图3所示，每一第一金属微结构16包括三个大致呈n形的子结构162，每一子结构162包括两相互平行的第一金属线段164和垂直地连接于所述两第一金属线段164的两相对端之间的第二金属线段166，每一子结构162的两第一金属线段164分别与另两子结构162的相邻第一金属线段164相连接，且每两相邻子结构162的两相互连接的第一金属线段164之间的夹角为120°。从而，所述三个子结构162的第二金属线段166的垂直平分线的交点即为相应第一金属微结构16的中心。每一第一金属微结构16还包括三条自其中心分别向所述三个子结构162的第二金属线段166延伸形成且与相应子结构162的两第一金属线段164平行的第三金属线段168。每一子结构162的第二金属线段166的外侧到所述第一金属微结构16的中心的距离均等于L1，L1为8.95~9.05mm。所述三个子结构162的第二金属线段166的长度均等于W1，W1为1.95~2.05mm、第一金属线段164和第二金属线段166的宽度均等于W2，W2为0.2~0.3mm。所述三条第三金属线段168的长度L2均相等、宽度D均相等，分别等于8.45~8.55mm、0.25~0.35mm。由此可知，所述三个子结构162的宽度（即第二金属线段166的长度）均等于W1。

同上，每一第二金属微结构18亦包括三个大致呈n形的子结构，每一子结构包括两相互平行的第一金属线段和垂直地连接于所述两第一金属线段的两相对端之间的第二金属线段，每一子结构的两第一金属线段分别与另两子结构的相邻第一金属线段相连接，且每两相邻子结构的两相互连接的第一金属线段之间的夹角为120°。从而，所述三个子结构的第二金属线段的垂直平分线的交点即为相应第二金属微结构18的中心。每一第二金属微结构18还包括三条自其中心分别向所述三个子结构的第二金属线段延伸形成且与相应子结构的两第一金属线段平行的第三金属线段。每一子结构的第二金属线段的外侧到所述第二金属微结构的中心的距离均相等，且等于所述第一金属微结构16的每一子结构162的第二金属线段166的外侧到其中心的距离L1（即为8.95~9.05mm）。所述三个子结构的第二金属线段的长度（即子结构的宽度）均相等、第一金属线段和第二金属线段的宽度均相等，且其长度和宽度分别等于所述第一金属微结构16的三个子结构162的第二金属线段166的长度W1（即为1.95~2.05mm）及第一金属线段164和第二金属线段166的宽度W2（即为0.2~0.3mm）。所述三条第三金属线段的长度均相等、宽度均相等，分别等于所述第一金属微结构16的三条第三金属线段168的长度L2和宽度D。所述第一金属微结构16和第二金属微结构18均由如铜、银等任何金属导电材料制成。

再请参考图2，所述第一金属微结构16和第二金属微结构18各自呈长方形阵列排布，且每一第一金属微结构16的中心为由连接四个最靠近的第二金属微结构18的中心的四条直线段（如图中虚线）所形成的长方形区域的中心，或者每一第二金属微结构18的中心为由连接四个最靠近的第一金属微结构16的中心的四条直线段（图未示）所形成的长方形区域的中心。若所述长方形区域的长边为D1、短边为D2，则由连接四个最靠近的第一金属微结构16或第二金属微结构18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边和短边亦分别为D1、D2。所述第一金属微结构16和第二金属微结构18各自整齐排布，也即，各个第一金属微结构16和第二金属微结构18的三个子结构分别位于三个方向上。本实施方式中，由连接四个最靠近的第一金属微结构16或第二金属微结构18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边D1为39.5~40.5mm、短边D2为23~24mm。

所述超材料片层10中，若我们将由连接最靠近的四个第二金属微结构18的中心的四条直线段形成的长方形区域所在的部分称为一个单元结构19，则所述超材料片层10便可看作是由多个所述单元结构19阵列而成，如图1所示。

实际制作时，我们可选取一表面覆有金属箔的PCB层压板，在其金属箔上通过蚀刻形成所述多个第一金属微结构16和第二金属微结构18，从而在此PCB层压板的表面上形成所述结构层14，即可制得所述超材料片层10。另外，所述多个第一金属微结构16和第二金属微结构18也可采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成。

为了验证所述超材料片层10的响应特性，以下我们以一个单元结构19为例来进行仿真测试。在所述单元结构19中，其长边为40mm、短边为23.5mm，也即，由连接四个最靠近的第一金属微结构16或第二金属微结构18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边D1为40mm、短边D2为23.5mm。所述介质基板12是FR4层压板，其相对介电常数ε_r为4.3、损耗角正切tanδ为0.025，其厚度为0.4mm。所述结构层14由铜制成，厚度为0.018mm，也即，每一第一金属微结构16和第二金属微结构18的金属线段由铜制成，其厚度均为0.018mm；而每一第一金属微结构16和第二金属微结构18的第二金属线段的外侧到其中心的距离L1为9mm、第二金属线段的长度W1为2mm以及第一金属线段和第二金属线段的宽度W2为0.25mm、第三金属线段的长度L2为8.5mm、宽度D为0.3mm。经仿真获得所述单元结构19的透射系数S2随电磁波的频率变化的响应曲线图如图4所示。由图可知，大致在0~4GHz、10~15GHz两个频段，不仅所述单元结构19样品的透射系数S2均非常小，也即对电磁波的损耗小、透波率高，且两个透波频段均较宽，而在透波频段外则有三个谐振点而形成带外电磁波抑制（即多阻带），可有效地过滤掉杂波，而具有良好的频选特性，即可让两个频段的电磁波独立工作，互不干扰。由此可见，本发明超材料频选表面不仅在两个超宽频段内对电磁波的反射小、透波率高，而具有良好的电磁性能，而且具有多带阻功能，可过滤掉透波频段外的电磁波，从而具有良好的频选特性，可减小干扰。

另外，一般由于所述超材料频选表面的两侧均为空气，电磁波穿过所述超材料频选表面时会发生反射，亦可造成电磁波的损耗，因此，在制造所述超材料频选表面时还需要考虑与空气阻抗匹配的问题，这就要求制得的所述超材料片层10的阻抗应接近于空气的阻抗。故，我们还以上述单元结构19样品为例并利用CST的Retrieval程序来测试本发明超材料频选表面与空气阻抗的匹配情况。如图5所示，为η值（即单元结构19的阻抗与空气的阻抗的比值）随电磁波的频率变化的曲线图，由其可知，在0~4GHz、10~15GHz两个频段，η值的实部re(η)接近于1，而虚部im(η)几乎为零。即可证明，在这两个频段，本发明超材料频选表面的阻抗与空气的阻抗匹配极佳，可近似为空气，对电磁波的损耗小。

此外，尽管图中所示的超材料片层10由于使用了FR4层压板，使制成的超材料片层10呈平板状，比较硬，不容易弯曲变形，但是为了美观和根据具体情况需做成与天线共形的形状，我们可通过热压平板状超材料片层10或者将多块平板型超材料片层10拼接在一起而形成呈弯曲、球形等各种形状的超材料频选表面。另外，亦可使用软性的PCB层压板来制得所述超材料片层10，以便制造呈任意形状的超材料频选表面。

请参考图6，为本发明超材料频选天线罩和天线***的示意图。所述天线***20包括天线22和用于保护所述天线22的超材料频选天线罩24。所述天线22是双频天线，可以是贴片天线、缝隙天线、微带天线等任意类型的天线，也可以是由上述天线组成的天线阵，其馈电方式可以是同轴线、缝隙耦合、微带线等，图中所示仅为一个电磁波的发射源。所述超材料频选天线罩24位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上。所述超材料频选天线罩24包括至少一个所述超材料片层10，其他同以上对所述超材料片层10的相关描述。而根据实际需要，所述超材料频选天线罩24可包括若干通过机械连接、焊接或粘合的方式叠加在一起的多个所述超材料片层10。此外，为了保护所述超材料频选天线罩24，可在其表面上涂覆防酸、防腐、耐磨损等的保护层。

以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如所述结构层14的第一金属微结构16和第二金属微结构18附着于所述介质基板12的两相对表面，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种超材料频选表面，包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括结合在一起的介质基板和结构层，所述结构层包括附着于所述介质基板的表面的多个第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构和第二金属微结构各自呈长方形阵列排布，且每一第一金属微结构的中心为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一金属微结构的几何形状和尺寸分别与所述第二金属微结构的几何形状和尺寸相同，每一第一金属微结构和第二金属微结构均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一金属线段和垂直地连接于所述两第一金属线段的两相对端之间的第二金属线段，每一子结构的两第一金属线段分别与另两子结构的相邻第一金属线段相连接；每一第一金属微结构和第二金属微结构还均包括三条自各自中心分别向所述三个子结构的第二金属线段延伸形成且与相应子结构的两第一金属线段平行的第三金属线段。

2.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，每两相邻子结构的两相互连接的第一金属线段之间的夹角为120°。

3.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第二金属线段的外侧到相应金属微结构的中心的距离均相等，均等于8.95~9.05mm。

4.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第二金属线段的长度均相等，均等于1.95~2.05mm。

5.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第一金属线段和第二金属线段的宽度均相等，均等于0.2~0.3mm。

6.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第三金属线段的长度均相等、宽度均相等，分别等于8.45~8.55mm、0.25~0.35mm。

7.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.35~0.45mm。

8.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，由连接最靠近的四个第一金属微结构或第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为39.5~40.5mm、短边为23~24mm。

9.根据权利要求2所述的超材料频选表面，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.4mm，所述结构层的厚度为0.018mm，所述第一金属线段和第二金属线段的宽度均为0.25mm，所述第二金属线段的长度均为2mm，所述第二金属线段的外侧到相应金属微结构的中心的距离均为9mm，所述第三金属线段的长度均为8.5mm、宽度均为0.3mm，由连接最靠近的四个第一金属微结构或第二金属微结构的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为40mm、短边为23.5mm。

10.一种超材料频选天线罩，其特征在于，所述超材料频选天线罩由权利要求1-9中所述的超材料频选表面制成。

11.一种天线***，包括天线，其特征在于，所述天线***还包括设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料频选天线罩，所述超材料频选天线罩是权利要求10中所述的超材料频选天线罩。

12.根据权利要求11所述的天线***，其特征在于，所述天线是双频天线。