超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種超材料，其包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層包括一第一介質(zhì)基板和陣列排布于所述第一介質(zhì)基板上的多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)包括四條從同一點(diǎn)延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點(diǎn)為中心點(diǎn)的順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏希蝺上噜徶本€段相互垂直；每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段分別與四個(gè)相鄰人工微結(jié)構(gòu)的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。這種超材料可讓較寬頻段內(nèi)的電磁波高效穿過(guò)，損耗較小，具有良好的透波性能，而且透波性能不受電磁波入射角度的影響，可以自由旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明還提供了一種由這種超材料制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及一種由全新設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，人們?cè)诮橘|(zhì)基板上周期性地排列具有一定幾何形狀的人工微結(jié)構(gòu)來(lái)形成超材料。由于可以利用人工微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸以及排布來(lái)改變超材料空間各點(diǎn)的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，使其產(chǎn)生預(yù)期的電磁響應(yīng)，以控制電磁波的傳播，故而，在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為各國(guó)科研人員爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。人們發(fā)現(xiàn)，用這種新型超材料來(lái)構(gòu)建的透波天線罩具有良好的透波性能，對(duì)電磁波的損耗較小，從而日益為研究人員所關(guān)注。
[0003]傳統(tǒng)上，制造透波天線罩時(shí)多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機(jī)械強(qiáng)度高的材料，如玻璃鋼、環(huán)氧樹(shù)脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物。盡管這種天線罩不僅可使天線免受外界惡劣環(huán)境的影響，而且對(duì)天線的發(fā)送和/或接收的電磁波的損耗較小，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)天線罩的透波效率提出了更高的要求，且要求反射更少，以盡可能地減少對(duì)天線電性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種具有良好透波性能的超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種超材料，包括至少一超材料片層，每個(gè)超材料片層包括一 第一介質(zhì)基板和陣列排布于所述第一介質(zhì)基板上的多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)包括四條從同一點(diǎn)延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點(diǎn)為中心點(diǎn)的順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏?，任兩相鄰直線段相互垂直；每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段分別與四個(gè)相鄰人工微結(jié)構(gòu)的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
[0006]優(yōu)選地，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的長(zhǎng)度為3~4mm。
[0007]優(yōu)選地，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的長(zhǎng)度為3.5mm。
[0008]優(yōu)選地，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的寬度為0.05^0.15_。
[0009]優(yōu)選地，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的寬度為0.1mm。
[0010]優(yōu)選地，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段是金屬線。
[0011]優(yōu)選地，每個(gè)超材料片層還包括覆蓋于所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)上的第二介質(zhì)基板。
[0012]優(yōu)選地，所述兩介質(zhì)基板均由聚四氟乙烯(F4B)制成；所述人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段是銅線。
[0013]優(yōu)選地，每個(gè)超材料片層包括多個(gè)陣列排布在一起的超材料單元，每個(gè)超材料單元上具有一個(gè)所述人工微結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段延伸至所在超材料單元的邊界。[0015]一種超材料天線罩，包括至少一超材料片層，每個(gè)超材料片層包括一第一介質(zhì)基板和陣列排布于所述第一介質(zhì)基板上的多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)包括四條從同一點(diǎn)延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點(diǎn)為中心點(diǎn)的順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏?，任兩相鄰直線段相互垂直；每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段分別與四個(gè)相鄰人工微結(jié)構(gòu)的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
[0016]一種天線系統(tǒng)，包括天線和設(shè)置于所述天線接收和/或發(fā)射的電磁波的傳播方向上的超材料天線罩，所述超材料天線罩包括至少一超材料片層，每個(gè)超材料片層包括一第一介質(zhì)基板和陣列排布于所述第一介質(zhì)基板上的多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)包括四條從同一點(diǎn)延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點(diǎn)為中心點(diǎn)的順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏?，任兩相鄰直線段相互垂直；每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段分別與四個(gè)相鄰人工微結(jié)構(gòu)的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
[0017]本發(fā)明超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)具有以下有益效果:由所述具有一定形狀的人工微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超材料可讓較寬頻段內(nèi)的電磁波高效穿過(guò)，且損耗較小，因此，所述超材料在較寬頻段內(nèi)具有良好的透波性能，而且透波性能不受電磁波入射角度的影響，可以自由旋轉(zhuǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]下面將結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]圖1是本發(fā)明超材料的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是圖1中的結(jié)構(gòu)層的平面示意圖；
[0021]圖3是圖2中的一個(gè)超材料單元的放大示意圖；
[0022]圖4是圖1中的一個(gè)樣品的透射系數(shù)S2隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖；
[0023]圖5是具有與圖4中的樣品相同尺寸的純F4B單元塊的S參數(shù)隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖；
[0024]圖6是圖4中的樣品與圖5中的純F4B單元塊的透射系數(shù)S2在某一頻段內(nèi)變化的比較圖；
[0025]圖7是本發(fā)明超材料天線罩和天線系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中各標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)為:
[0027]10超材料片層、12、14介質(zhì)基板、16結(jié)構(gòu)層、18人工微結(jié)構(gòu)、182直線段、19超材料
單元、20天線系統(tǒng)、22天線、24超材料天線罩
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明的超材料包括至少一超材料片層10，如圖1所示。每個(gè)超材料片層10包括貼合在一起的兩介質(zhì)基板12、14和置于所述兩介質(zhì)基板12、14之間而由所述兩介質(zhì)基板12、14覆蓋的結(jié)構(gòu)層16。所述兩介質(zhì)基板12、14也可由聚合物材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等材料制成，且所述兩介質(zhì)基板12、14的厚度既可相等、也可不相等。
[0029]請(qǐng)繼續(xù)參考圖2所示，所述結(jié)構(gòu)層16包括多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18，如圖中由虛線分隔形成的圖案。我們將每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18及其所在的兩介質(zhì)基板12、14部分稱(chēng)為超材料單元19，如圖所示。一般，每個(gè)超材料單元19的幾何尺寸與穿過(guò)所述超材料的電磁波波長(zhǎng)有關(guān)，如其幾何尺寸是電磁波波長(zhǎng)的十分之一。每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18是由一定尺寸的線段構(gòu)成的具有一定幾何形狀的平面或立體結(jié)構(gòu)，其中，線段的截面可以為扁平狀或其他任意形狀，如圓柱狀。圖2中所示的人工微結(jié)構(gòu)18是由具有扁平狀截面的線段構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu)，并呈周期性排布，也即，所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18是周期性地排布于所述兩介質(zhì)基板12、14之間的，并由所述兩介質(zhì)基板12、14覆蓋。實(shí)際中，所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18是通過(guò)蝕刻一覆蓋于所述介質(zhì)基板12 (或14)上的金屬箔如銅箔而形成，然后再覆上所述介質(zhì)基板14 (或12)并將所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18覆蓋住即可。當(dāng)然，所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18還可以采用電鍍、鉆亥IJ、光刻、電子刻或者離子刻等方式形成在所述介質(zhì)基板12或14上。
[0030]請(qǐng)繼續(xù)參考圖3，為本發(fā)明的人工微結(jié)構(gòu)18的一個(gè)實(shí)施例。每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18大致呈十字形，包括四條從同一點(diǎn)延伸出的尺寸相同的直線段182，在以所述點(diǎn)為中心點(diǎn)的順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏?，任兩相鄰直線段182相互垂直，也即，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18以垂直于其所在的平面并通過(guò)所述點(diǎn)的直線為軸順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度、180度、270度或360度后均與初始位置的人工微結(jié)構(gòu)18重合。每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18的四條直線段182分別與四個(gè)相鄰人工微結(jié)構(gòu)18的一直線段182相連，且任兩相連的直線段182位于同一直線上，如圖2所示。每條直線段182的長(zhǎng)度L=3~4mm、寬度W = 0.05、.15mm。由于每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18的四條直線段182分別延伸至所在超材料單元19的四個(gè)邊界，因此，每個(gè)超材料單元19的長(zhǎng)和寬等于每條直線段182的兩倍，如圖3所示。
[0031]為了驗(yàn)證本發(fā)明超材料對(duì)電磁波的透波效果，以下我們以一超材料單元19為樣品進(jìn)行仿真測(cè)試。在所述超材料單元19中，所述兩介質(zhì)基板12、14均由聚四氟乙烯(F4B)制成，其介電常數(shù)為2.65，且所述兩介質(zhì)基板12、14的厚度相等，均為2mm ;所述人工微結(jié)構(gòu)18的每條直線段182是由銅制成的金屬線，其長(zhǎng)度L=3.5mm、寬度W = 0.1mm、厚度D=0.018mm(亦即人工微結(jié)構(gòu)18的厚度為0.018_)。仿真測(cè)得，所述樣品的透射系數(shù)S2隨電磁波頻率變化的曲線如圖4所示，其中S21為電磁波垂直入射所述樣品時(shí)的曲線、S22為電磁波以與垂直入射成30度的角入射所述樣品時(shí)的曲線。從圖可知，在大約為7.5^18GHz的超寬頻段內(nèi)，所述樣品的透射系數(shù)S2均大于-0.5dB，也即損耗低于0.5dB。
[0032]圖5所示的是具有與所述樣品相同尺寸的純F4B單元塊的S參數(shù)仿真圖。其中，透射系數(shù)S2_l在大約為3~18GHz的電磁波頻段內(nèi)會(huì)有明顯的下降，也即損耗比較大。我們將所述樣品與純F4B單元塊的S參數(shù)繪制在一幅圖中比較時(shí)，如圖6所示，在大約7.5~18GHz的電磁波頻段內(nèi)，所述樣品的透射系數(shù)S21均優(yōu)于純F4B單元塊的透射系數(shù)S2_l。由此可見(jiàn)，本發(fā)明超材料不僅在超寬頻段內(nèi)具有良好的透波性能，而且電磁波以大角度入射時(shí)也不會(huì)降低其透波率，可隨意旋轉(zhuǎn)調(diào)制，具有很大的靈活性。
[0033]此外，本發(fā)明超材料的人工微結(jié)構(gòu)18置于所述兩介質(zhì)基板12、14之間，是為了將其保護(hù)保護(hù)起來(lái)，免受磨損，這樣，不僅可保持穩(wěn)定的電磁性能，而且具有良好的機(jī)械性能。根據(jù)實(shí)際需要，所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)18也排布于一個(gè)介質(zhì)基板上。而且所述超材料片層10根據(jù)實(shí)際需要可做成任意性形狀。如可通過(guò)熱壓平板狀超材料片層10或者將多塊平板型超材料片層10拼接在一起而形成各種形狀，如圓球形、異形，亦可使用軟性的介質(zhì)基板12、14來(lái)制得所述超材料片層10。
[0034]請(qǐng)參考圖7，為本發(fā)明超材料天線罩和天線系統(tǒng)。所述天線系統(tǒng)20包括天線22和用于保護(hù)所述天線22的超材料天線罩24。所述天線22可以是貼片天線、縫隙天線、微帶天線等任意類(lèi)型的天線，也可以是由上述天線組成的天線陣，其饋電方式可以是同軸線、縫隙耦合、微帶線等。圖中所示的天線22是一貼片天線。所述超材料天線罩24位于所述天線22接收和/或發(fā)射的電磁波的傳播方向上。根據(jù)實(shí)際需要，所述超材料天線罩24可由多片所述超材料片層10沿垂直于片層的方向通過(guò)機(jī)械連接、焊接或粘合的方式形成一體化的結(jié)構(gòu)。圖中所示的超材料天線罩24是由三片所述超材料片層10前、后表面直接疊加在一起形成。
[0035]另外，由于本發(fā)明超材料天線罩24的兩側(cè)均為空氣，為了較少電磁波反射，我們也可通過(guò)調(diào)制所述人工微結(jié)構(gòu)18來(lái)改變超材料天線罩24的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，以使所述超材料天線罩24與空氣的波阻抗匹配一致，盡可能實(shí)現(xiàn)零反射。而且所述超材料天線罩24也可通過(guò)上述方法制成具有任意形狀的天線罩。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的若干【具體實(shí)施方式】和/或?qū)嵤├?，不?yīng)當(dāng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明基本思想的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，如所述直線段182也可由ΙΤ0、石墨或者碳納米管等導(dǎo)電材料制成，而這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種超材料，其特征在于，所述超材料包括至少一超材料片層，每個(gè)超材料片層包括一第一介質(zhì)基板和陣列排布于所述第一介質(zhì)基板上的多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)包括四條從同一點(diǎn)延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點(diǎn)為中心點(diǎn)的順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏希蝺上噜徶本€段相互垂直；每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段分別與四個(gè)相鄰人工微結(jié)構(gòu)的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的長(zhǎng)度為3?4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料，其特征在于，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的長(zhǎng)度為 3.5mmο
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料，其特征在于，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的寬度為 0.05?0.15mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超材料，其特征在于，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段的寬度為 0.1mnin
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超材料，其特征在于，每個(gè)人工微結(jié)構(gòu)的每條直線段是金屬線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，每個(gè)超材料片層還包括覆蓋于所述多個(gè)人工微結(jié)構(gòu)上的第二介質(zhì)基板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超材料，其特征在于，所述兩介質(zhì)基板均由聚四氟乙烯(F4B)制成；所述人工微結(jié)構(gòu)的四條直線段是銅線。
9.一種超材料天線罩，其特征在于，所述超材料天線罩由權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的超材料制成。
10.一種天線系統(tǒng)，包括天線，其特征在于，所述天線系統(tǒng)還包括設(shè)置于所述天線接收和/或發(fā)射的電磁波的傳播方向上的超材料天線罩，所述超材料天線罩是權(quán)利要求9中所述的超材料天線罩。
【文檔編號(hào)】H01Q1/42GK103579774SQ201210275370
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月3日
【發(fā)明者】劉若鵬, 趙治亞, 周添, 王海蓮, 張嶺 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司