CN102694271A

CN102694271A - 多谐振超材料及其天线罩和天线系统

Info

Publication number: CN102694271A
Application number: CN2012101329939A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 方小伟; 付少丽; 张岭
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明涉及一种多谐振超材料，包括至少一个非金属材料制成的基板和附在所述基板表面上的多个相同且周期性排布的人造微结构，每个所述人造微结构为由导电材料制成的丝线所组成的具有几何图案的平面结构，包括人字形线和绕所述人字形线外轮廓一周而成的人字形框线。本发明还涉及具有上述多谐振超材料的天线罩及天线系统。具有本发明特殊人造微结构的超材料能够实现多个谐振频率，且频率在谐振频率点附近的电磁波被阻止通过，而其他频率的电磁波则高效率透过，因此具有这种多谐振超材料的天线罩及天线系统能够选择性透波，实现电磁波过滤功能。

Description

多谐振超材料及其天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及多谐振超材料及其天线罩和天线系统。

背景技术

超材料，英文名称Metamaterial，是一种新型人工合成材料，是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是由金属丝或其它导电材料制成的丝线组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如圆环形、工字形等。

由于人造微结构的存在，使得整个超材料有着不同于基板本身的电磁特性，当人造微结构的形状、尺寸分布不同时，超材料的各局部的电磁特性也响应改变，从而使超材料整体表现出一些特殊的响应特性；通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。

在电磁波传播过程中，当需要对任一或几个频率的电磁波过滤、而其他频率的电磁波通过时，现有的自然界材料很难达到这种要求，即便有也是只能过滤某一特定频率的电磁波，不能按照需求不同而设计过滤不同的电磁波。由于超材料有可自由设计以获得不同电磁响应特征的优点，人们转向对超材料进行研究，尤其设计具有特定形状的人造微结构，以期达到上述效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种多谐振超材料及其天线罩和天线系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多谐振超材料，包括至少一个非导电材料制成的基板和附在所述基板表面上的多个相同且周期性排布的人造微结构，每个所述人造微结构为由导电材料制成的丝线所组成的具有几何图案的平面结构，包括人字形线和绕所述人字形线外轮廓一周而成的人字形框线。

在本发明所述的多谐振超材料中，所述人造微结构的人字形线包括三条相同且共端点的极线，任意相邻两条极线所成的角度均为120度，所述三条极线共同的端点为所述人字形线的中心点。

在本发明所述的多谐振超材料中，所述人字形框线包括三个相同的开口框，所述三个开口框依次首尾相接，且任一开口框绕所述人字形线的中心点旋转120度后与相邻的开口框重合。

在本发明所述的多谐振超材料中，每个所述开口框为“匚”字形，包括相互平行且长度相等的两条平行线和垂直连接所述两条平行线的连接线。

在本发明所述的多谐振超材料中，所述人造微结构以其中一个人造微结构的人字形线的一条极线所在的方向为行、以与所述极线成60度的方向为列、且行间距等于列间距的方式周期性排布。

在本发明所述的多谐振超材料中，所述行间距和列间距在极线线长的一倍至两倍之间。

在本发明所述的多谐振超材料中，所述人字形线的每条极线的线长为20.95mm，线宽0.3mm，每个人字形框线的开口框的平行线的线长为21.2mm，连接线的线长为2mm，平行线和连接线的线宽均为0.25mm，相邻两人造微结构的人字形线的中心点的距离为23.5mm。

在本发明所述的多谐振超材料中，构成所述人造微结构的导电材料为金、银或铜，或者为含有金、银或铜的合金。

本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线本体上，包括如上所述所述的多谐振超材料。

本发明还提供一种天线系统，包括天线本体以及如上所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线本体上，且与之间隔预设距离。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：具有本发明特殊人造微结构的超材料能够实现多个谐振频率，且频率在谐振频率点附近的电磁波被阻止通过，而其他频率的电磁波则高效率透过，因此具有这种多谐振超材料的天线罩及天线系统能够选择性透波，实现电磁波过滤功能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明的多谐振超材料的结构示意图；

图2是图1所述多谐振超材料的俯视图；

图3是图2中的人造微结构的结构示意图；

图4是图3所示人造微结构的局部示意图；

图5是图2中的人造微结构的周期性排布方式的示意图；

图6是图1所示的多谐振超材料的频率响应仿真图。

具体实施方式

本发明提供了一种多谐振超材料，包括至少一个非导电材料制成的基板和附着在基板表面上的多个相同且周期性排布的人造微结构。这里制造基板的非导电材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、铁电材料、或者铁磁材料等。

如图1所示，本实施例中的多谐振超材料1具有两层叠加的基板2，两基板2之间相接触的表面上附着有人造微结构3。人造微结构3为导电材料制成的丝线组成的具有一定几何图案的平面结构。这里的导电材料，可以是金、银、铜等导电性能良好的金属材料，或者主要成分为金、银、铜中的一种或两种的合金材料，也可以是碳纳米管、掺铝氧化锌、铟锡氧化物等可以导电的非金属材料。本发明中，优选铜或银。

人造微结构3的具体几何图案的形状如图2、图3所示，其包括人字形线30和人字形框线31。所谓人字形框线31，是指绕该人字形线30的外边缘一圈围成的封闭曲线，则该人字形框线31的内轮廓即围成一个人字形，优选该人字形框线31的内轮廓与对应的人字形线30的外边缘的距离处处相等，且人字形框线31的线宽也是恒定的。

进一步地，如图3、图4所示，人字形线30包括三条相同且共端点的极线300，三条极线300两两之间互成120度，使得该人字形线300以该端点为旋转中心任意旋转120度基于原结构重合，该端点即为人字形线30的中心点O。

同样，人字形框线31也包括三个相同的“匚”字形开口框310，每个开口框310包括两条平行且相等的平行线和连接两平行线的端部且垂直于平行线的连接线，两平行线位于连接线的同一侧。每个开口框310围在一条极线300外部，该极线300平行于开口框310的平行线且平分两平行线的距离。如图3所示，三个开口框310依次首尾相连，形成一个封闭框线，且任一开口框310绕人字形线30的中心点O旋转120度后与相邻的开口框重合，也即人字形框线31以中心点O旋转120度后与原结构重合。

人造微结构3周期性排布在基板2上，其排布方式有多种，常见的如矩形阵列排布，即以任一方向为行、以垂直于该方向的方向为列，按照一定的行间距和列间距排布即可。

本发明中，根据人造微结构3自身的结构特点，设计一种新的周期性排布方式，如图5所示，以其中一个人造微结构3的一条极线300所在的方向为行(记作x方向)，以与该极线300成60度(顺时针60度或逆时针60度均可)的方向为列(记作y方向)的阵列排布，且行间距(同一列上相邻两个人造微结构3的中心点O、O₂之间的距离，记作

y)等于列间距(同一行上相邻两个人造微结构3的中心点O、O₁之间的距离，记作

y)。则由图5可知，相邻两行、相邻两列上的四个人造微结构的中心点O、O₁、O₂、O₃四点的连线构成锐角为60的菱形四边形。采用这种排布方式，可以尽可能充分地利用基板2表面的空间来排布角度的人造微结构3。因此，行间距和列间距在极线线长的一倍至两倍之间时，上述四个人造微结构之间无法容纳另一个人造微结构，此时排布紧密度最佳，基板表面面积利用最充分。

利用这种类似于三极子的人造微结构，可以使超材料具有多个谐振频率，从而可以将频率等于该谐振频率的特定电磁波能量损耗掉即过滤掉，而其他频率的电磁波则可高效率通过。根据所需谐振的电磁波频率的大小，可以适应地调整人造微结构3的尺寸大小以及行、列间距，以满足不同的需求。

下面，将结合具体实施例来说明本发明的超材料的应用效果。在一实施例中，图4、图5中的各参数值分别为：每条极线的线长H₁＝20.95mm，线宽w₁＝0.3mm，每个开口框310的平行线的线长H₂＝21.2mm，线宽w₂＝0.25mm，连接线的线长W＝2mm，线宽也为w₂＝0.25mm，行间距和列间距x＝

y＝23.5mm，人造微结构的丝线均为铜线且厚度为0.018mm，两层基板的每层厚度为0.2mm，材料为FR4，介电常数ε_r＝4.3、损耗角正切值tanδ＝0.025。

对具有上述参数的多谐振超材料进行仿真，其S参数仿真图如图6所示。由图6可以看到，上述超材料在1.20GHz、1.66GHz、2.71GHz时发生谐振，相应地在三个谐振频率附近的区间1.18～1.21GHz、1.61～1.70GHz、2.70～2.71GHz范围内的透波系数S21都小于-20dB，因此在这些频率区间的电磁波都被基本阻止其通过了。

当上述多谐振超材料1的基板2有多层、相邻基板2之间均设有上述排布的人造微结构3时，各个谐振频率点的位置会形成具有一定带宽的带阻区间，相应地透波系数S21小于-20dB的区域会扩大，即被阻止通过的电磁波频率范围扩大。这种性能可以用在对电磁波的通与阻有特殊要求的应用场合。

因此，本发明还提供一种天线罩，该天线罩由上述多谐振超材料1制成，用来罩在天线本体外部，对天线本体起到保护作用的同时，对频率在上述超材料谐振频率附近的电磁波不允许透过，而频率在其他范围的电磁波则允许透过。

需要说明的是，天线罩的形状可以为与附图中的多谐振超材料1形状相同的平板状，也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状(共形的天线罩)等，也不排除使用多个平板状结构拼接成需要的形状，本发明对此不作限制。

本发明还提供一种天线系统，包括天线本体，以及如上文所述的天线罩，天线罩罩设于天线本体上。天线本体包括辐射源、馈电单元等，具体构成可参阅相关技术资料，本发明对此不作限制。天线本体可以是例如但不限于平板天线、网桥天线。

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

1.一种多谐振超材料，其特征在于，包括至少一个非金属材料制成的基板和附在所述基板表面上的多个相同且周期性排布的人造微结构，每个所述人造微结构为由导电材料制成的丝线所组成的具有几何图案的平面结构，包括人字形线和绕所述人字形线外轮廓一周而成的人字形框线。

2.根据权利要求1所述的多谐振超材料，其特征在于，所述人造微结构的人字形线包括三条相同且共端点的极线，任意相邻两条极线所成的角度均为120度，所述三条极线共同的端点为所述人字形线的中心点。

3.根据权利要求2所述的多谐振超材料，其特征在于，所述人字形框线包括三个相同的开口框，所述三个开口框依次首尾相接，且任一开口框绕所述人字形线的中心点旋转120度后与相邻的开口框重合。

4.根据权利要求3所述的多谐振超材料，其特征在于，每个所述开口框为“匚”字形，包括相互平行且长度相等的两条平行线和垂直连接所述两条平行线的连接线。

5.根据权利要求4所述的多谐振超材料，其特征在于，所述人造微结构以其中一个人造微结构的人字形线的一条极线所在的方向为行、以与所述极线成60度的方向为列、且行间距等于列间距的方式周期性排布。

6.根据权利要求5所述的多谐振超材料，其特征在于，所述行间距和列间距在极线线长的一倍至两倍之间。

7.根据权利要求6所述的多谐振超材料，其特征在于，所述人字形线的每条极线的线长为20.95mm，线宽0.3mm，每个人字形框线的开口框的平行线的线长为21.2mm，连接线的线长为2mm，平行线和连接线的线宽均为0.25mm，相邻两人造微结构的人字形线的中心点的距离为23.5mm。

8.根据权利要求1所述的多谐振超材料，其特征在于，构成所述人造微结构的导电材料为金、银或铜，或者为含有金、银或铜的合金。

9.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线本体上，包括具有权利要求1至8任一项所述的多谐振超材料。

10.一种天线系统，其特征在于，包括天线本体以及权利要求9所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线本体上。