CN102694232B - 一种阵列式超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式超材料天线，所述天线包括至少两个以上的超材料，每个超材料规则排列或随机排列，所述的每个超材料对于电磁波的调制方式不相同，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构。根据本发明的阵列式超材料天线，通过设计超材料的电磁空间分布，能够获得想要的天线的调制结果分布，体积小、不占用过多的空间、简单、易于实现、低成本、不依赖天线的种类和形状。

Description

一种阵列式超材料天线

技术领域

本发明属于超材料领域，具体地涉及一种阵列式超材料天线。

背景技术

天线是在无线传输中用以发送和接收电磁波能量的重要元件，让使用者可不受地形限制，而顺利地利用无线通讯系统进行信息传输。目前各种产品所应用的天线，其设计方法与使用材质均不相同。选用适当的天线，有助于提升传输特性，同时也能降低生产成本。

在现有技术中已知使用阵列天线进行发送和接收电磁波信号，现有技术的阵列天线包括多个天线部件，从所述的天线部件辐射的波束被重叠以获得方向性，并要求具有高主瓣增益，以及充分低的旁瓣电平以便于避免与其它装置的干扰。

由于阵列天线具有方向性，所以改变主瓣的垂直角度(即：倾斜角度)，从而以特定方向方式发送和接收无线电信号。可通过调整馈入天线部件的之间的相位来改变主瓣的垂直角度。通过这种方式，可以提高主瓣的增益。

由于现有阵列式天线需要多件零组件方可组装构成，导致制造工序过于繁复，连带使得制造成本大幅提高，且阵列式天线所占据的体积过大，在实际使用上并不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术阵列式天线工序复杂、成本高、体积大等不足，提供一种工序简单、成本低、体积小的阵列式超材料天线。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种阵列式超材料天线，所述天线包括至少两个以上的超材料，每个超材料规则排列或随机排列，所述的每个超材料对于电磁波的调制方式不相同，所述每个超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述调制方式为电磁波的偏折、偏移、汇聚、发散。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。

在本发明所述的阵列式超材料天线中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

实施本发明的高定向超材料天线，具有以下有益效果：

1.体积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对电磁波加以调制，不依赖天线的种类及形状。

附图说明

图1是本发明一个实施例一种阵列式超材料天线；

图2是本发明一个实施例中金属微结构的示意图；

图3是图1的正视图；

图4为图2所示图案衍生得到的一个金属微结构的图案；

图5为图2所示图案变形得到的一个金属微结构的图案；

图6为图2所示图案变形得到的另一个金属微结构的图案。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

请参阅图1，本发明实施例一，一种阵列式超材料天线，包括：超材料10与超材料20。超材料10与超材料20排列在一起，视实际需要，超材料10与超材料20也可随机排列，每个超材料对于电磁波的调制方式不相同，所述调制方式为对电磁波的偏折、偏移、汇聚、发散。所述超材料包括基材1以及附着在基材上的多个人造微结构，图中用大大小小的方框表示此处存在不同的微结构。图1仅以两个超材料举例说明，在实际应用中，完全可以增加超材料个数，如：3个超材料组成的阵列、4个超材料组成的阵列、5个超材料组成的阵列等等。

当电磁波通过超材料组成的阵列式天线时，根据需要，每个超材料可以对电磁波起各自的偏折、汇聚、发散等功能，因此，通过不同的超材料，获得不同的调制分布，以满足不同的需要。

电磁波的折射率跟物质的介电常数ε和磁导率μ的乘积反应有关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过改变折射率在材料中的分布，可以改变电磁波的传播路径。

超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个新型超材料在空间中每一点的电磁特性。这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的调制作用，如相同的介电常数ε与磁导率μ的乘积可以起偏折作用，中部各单元的介电常数ε与磁导率μ的乘积最大，其它的介电常数ε与磁导率μ的乘积由小到大呈渐变的趋势，且该趋势向中部靠近时电磁波会发生汇聚的现象，反之，则会发生发散的现象等等。

作为本发明的一个实施例，如图1和图3所示，所述基材1由多个相互平行的片状基板11堆叠形成，每个片状基板11上均附着有多个人造微结构2。实际做产品的时候，还可以对其进行封装，使得从外部看不到金属微结构，封装的材料与基材相同。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为人造微结构附着的基材是很好的选择。

本实施例中，优选地，所述的人造微结构2为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行的加工方法。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

如图2所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。

如图3所示，同一平面内金属微结构呈3×5的矩阵排列，并且在电磁波的入射方向上排布有3层(3块片状基板)，这只是个示意性表示，根据不同需要可以有不同的平面排列，并且在电磁波入射方向上金属微结构的排布也可以有其它层数。

当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线还可以有其它的图案(或拓扑结构)，如图4-图6所示。其中图4为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；其中图5至图6为上述图案的变形；上述的4个例子都是对电场响应的金属微结构(即可以影响电磁波的介电常数)；另外还有许多对磁场响应的金属微结构，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外金属微结构还可以有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。

在基材选定的情况下，可以通过设计金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布获得想要的调制结果。这是因为，通过设计金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可设计出超材料空间调制器所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先我们确定需要的调制结果分布，根据此效果去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一点的电磁参数分布，根据这每一点的电磁参数来选择相应的金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的金属微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种阵列式超材料天线，其特征在于，所述天线包括至少两个以上的超材料，所述超材料规则排列或随机排列，每个超材料对于电磁波的调制方式不相同，所述每个超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，其中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第二主线的两端垂直设置有两个第二支线，其中，

所述调制方式为对电磁波的偏折、汇聚和发散，且在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、大小和/或尺寸来改变所述每个超材料电磁参数来实现的。

2.根据权利要求1所述的阵列式超材料天线，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

3.根据权利要求1所述的阵列式超材料天线，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。

4.根据权利要求1所述的阵列式超材料天线，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

5.根据权利要求1所述的阵列式超材料天线，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。