CN102769204B - 超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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点为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的中心，其对工作频段内的电磁波的反射小、透波率高，而具有良好的电磁性能，而且具有双带阻功能，可过滤掉透波频段外的电磁波，也即具有良好的频选特性，可减小杂波干扰。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系统。

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系统

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系统，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系统。

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系统。

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点为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的中心。

优选地，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。

优选地，每一第一金属微结构和第二金属微结构各包括三条自同一中心点延伸形成的金属线段，且每两相邻金属线段之间的夹角为120°。

优选地，自同一中心点延伸形成的三条金属线段的长度均相等、宽度均相等，分别等于7.9~8.1mm、0.3~0.5mm。

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点的四条直线段所形成的长方形区域的长边为44.5~45.5mm、短边为25.5~26.5mm。

优选地，所述介质基板的厚度为0.3~0.5mm。

优选地，所述介质基板是环氧树脂玻璃纤维布层压板，所述结构层由铜制成。

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，自同一中心点延伸形成的三条金属线段的长度均为8mm、宽度均为0.4mm，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点的四条直线段所形成的长方形区域的长边为45mm、短边为26mm。

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点为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的中心。

一种天线系统，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点为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的中心。

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系统具有以下有益效果：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，可让一定频段内的电磁波高效通过，且反射小，而具有良好的电磁性能，且可同时过滤掉此频段外的杂波，亦具有良好的频选特性，减小了杂波干扰。

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与具有相同大小的纯FR4层压板单元块的透射系数随电磁波的频率变化的响应曲线比较图；

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系统的示意图。

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金属线段、18第二金属微结构、19单元结构、20天线系统、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0.3~0.5mm。

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包括三条自同一中心点延伸形成的金属线段162，且每两相邻金属线段162之间的夹角为120°。所述三条金属线段162的长度均相等，均等于L，L为7.9~8.1mm；所述三条金属线段162的宽度均相等，均等于W，W为0.3~0.5mm。同上，每一第二金属微结构18亦包括三条自同一中心点延伸形成的金属线段，且每两相邻金属线段之间的夹角为120°。所述三条金属线段的长度均相等，且等于所述第一金属微结构16的金属线段162的长度L（即7.9~8.1mm）；所述三条金属线段162的宽度均相等，且等于所述第一金属微结构16的金属线段162的宽度W（即0.3~0.5mm）。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的中心点为由连接四个最靠近的第二金属微结构18的中心点的四条直线段（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的中心点为由连接四个最靠近的第一金属微结构16的中心点的四条直线段（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的中心点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的相应金属线段的延伸方向相同。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的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的长边D1为44.5~45.5mm、短边D2为25.5~26.5mm。

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的中心点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45mm、短边为26mm，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的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的长边D1为45mm、短边D2为26mm。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的金属线段的长度L均为8mm、宽度W均为0.4mm。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，其中S21为具有与所述单元结构19样品相同尺寸的纯FR4层压板单元块的S参数仿真图。由图可知，在X波段（一般指8~12GHz频段的电磁波），不仅所述单元结构19样品的透射系数S2均小于纯FR4单元块的透射系数S21，也即对电磁波的损耗小、透波率高，且透波频段较宽，而在透波频段外则有两个谐振点而形成带外电磁波抑制（即双阻带），可有效地过滤掉杂波，而具有良好的频选特性，减小了干扰。且可由其他的仿真测试获知，即使使用损耗（相对介电常数ε_r、损耗角正切tanδ）较大的FR4层压板来制造所述超材料片层10，其在X波段的透波率均在90%，同样有良好的透波性能。由此可见，本发明超材料频选表面不仅在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，而且具有双带阻功能，可过滤掉透波频段外的电磁波，也即具有良好的频选特性，可减小杂波干扰。

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，η值的实部re(η)大致在超宽的X波段内约等于1，而im(η)几乎为零。即可证明，本发明超材料频选表面的阻抗与空气的阻抗大致在超宽的X波段内反射损耗较小，可近似为空气，这样得以进一步提高其透波率。

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系统的示意图。所述天线系统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 (6)

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点为由连接四个最靠近的第二金属微结构的中心点的四条直线段所形成的长方形区域的中心；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点的四条直线段所形成的长方形区域的长边为44.5~45.5mm、短边为25.5~26.5mm；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各包括三条自同一中心点延伸形成的金属线段，且每两相邻金属线段之间的夹角为120°，自同一中心点延伸形成的三条金属线段的长度均相等、宽度均相等，分别等于7.9~8.1mm、0.3~0.5mm。

2.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0.3~0.5mm。

3.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述介质基板是环氧树脂玻璃纤维布层压板，所述结构层由铜制成。

4.根据权利要求3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，自同一中心点延伸形成的三条金属线段的长度均为8mm、宽度均为0.4mm，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点的四条直线段所形成的长方形区域的长边为45mm、短边为26mm。

5.一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1-4任一项中所述的超材料频选表面制成。

6.一种天线系统，包括天线，其特征在于，所述天线系统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5中所述的超材料频选天线罩。