CN102810763A - 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
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Abstract
本发明涉及一种超材料频选表面，其包括两个基板和置于所述两个基板之间的结构层，所述结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每个金属微结构包括第一直线簇和第二直线簇，所述第一直线簇包括第一金属线段和非对称地位于第一金属线段的两侧且与第一金属线段平行的两根第二金属线段，所述第二直线簇包括垂直平分所述第一、第二金属线段的第三金属线段，且每个金属微结构的第一、第二金属线段分别与位于其周围两相对侧的两金属微结构的第一、第二金属线段相连接、第三金属线段与位于其周围另外两相对侧的两金属微结构的第三金属线段相连接，而具有良好的电磁性能和频选特性。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系统。
Description
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，所述超材料频选表面包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括两个结合在一起的基板和置于所述两个基板之间的结构层，所述结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每个金属微结构包括相互正交的第一直线簇和第二直线簇，所述第一直线簇包括第一金属线段和非对称地位于所述第一金属线段两侧且与所述第一金属线段平行的两根第二金属线段，所述第二直线簇包括垂直平分所述第一金属线段和两根第二金属线段的第三金属线段，所述第一金属线段垂直但非平分所述第三金属线段，且每个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段分别与位于其周围两相对侧的两个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段相连接、第三金属线段与位于其周围另外两相对侧的两个金属微结构的第三金属线段相连接。
所述每个金属微结构及其所在的基板部分称为一个超材料单元，每个金属微结构的第一金属线段与第三金属线段的交点与超材料单元的中心不相重合。
所述每个金属微结构的两根第二金属线段与相应的超材料单元的边界之间的距离相等，均为0.85～0.94mm。
所述每个金属微结构的第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为1.1～1.4mm，同时第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为2.5～2.9mm。
所述每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度相等，均为0.085～0.125mm。
所述两个基板的厚度为1.6～2.3mm。
所述每个金属微结构的两根第二金属线段与相应的超材料单元的边界之间的距离均为0.9mm、第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为1.3mm，第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为2.6mm；每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度均为0.1mm、厚度均为0.018mm；所述两个基板的厚度均为2mm。
所述两基板由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成；所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段是铜线。
进一步的改进，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两个结合在一起的基板和置于所述两个基板之间的结构层，所述结构层包括多组相互平行排布的第一直线组和与所述多组第一直线组正交的多组第二直线组，每一个第一直线组包括第一金属线和非对称地位于所述第一金属线的两侧且与所述第一金属线平行的两根第二金属线，每一个第一直线组的两根第二金属线分别与相邻的两个第一直线组的第二金属线平行，每一个第二直线组包垂直于所述第一金属线和两个第二金属线的第三金属线。
一种超材料频选天线罩，其包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括两个结合在一起的基板和置于所述两个基板之间的结构层，所述结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每个金属微结构包括相互正交的第一直线簇和第二直线簇，所述第一直线簇包括第一金属线段和非对称地位于所述第一金属线段两侧且与所述第一金属线段平行的两根第二金属线段，所述第二直线簇包括垂直平分所述第一金属线段和两根第二金属线段的第三金属线段，所述第一金属线段垂直但非平分所述第三金属线段，且每个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段分别与位于其周围两相对侧的两个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段相连接、第三金属线段与位于其周围另外两相对侧的两个金属微结构的第三金属线段相连接。
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个超材料片层，所述超材料片层包括两个结合在一起的基板和置于所述两个基板之间的结构层，所述结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每个金属微结构包括相互正交的第一直线簇和第二直线簇，所述第一直线簇包括第一金属线段和非对称地位于所述第一金属线段两侧且与所述第一金属线段平行的两根第二金属线段，所述第二直线簇包括垂直平分所述第一金属线段和两根第二金属线段的第三金属线段，所述第一金属线段垂直但非平分所述第三金属线段，且每个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段分别与位于其周围两相对侧的两个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段相连接、第三金属线段与位于其周围另外两相对侧的两个金属微结构的第三金属线段相连接。
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：由于其采用了两基板之间阵列设置多个金属微结构的夹层结构设计，不仅具有结构稳定性，而且在一定的超宽频段内对电磁波的反射减小、透射效率高，从而具有良好的透波性能，且同时可抑制此频段外的电磁波，过滤掉杂波，减小了杂波干扰，亦具有频选特性。
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立体结构示意图；
图2是图1中的超材料片层的结构层的平面示意图；
图3是用于构成图2中的结构层的一个金属微结构的放大示意图；
图4和图5是分别图1中所示的一个超材料单元样品的反射系数S11和透射系数S21随电磁波的频率变化的响应曲线图。
图中各标号对应的名称为：
10超材料片层、12基板、14结构层、16金属微结构、162第一直线簇、163第一金属线段、164第二金属线段、166第二直线簇、167第三金属线段、18超材料单元
具体实施方式
本发明中的“表面”、“片层”、“板”、“层”等术语既指平面、曲面、锥面、球面、异形面等任意形状的薄层材料，亦可包括柔软的薄膜，因应用需求而不同。为简明起见，本实施方式中的“表面”、“片层”、“板”、“层”均以平面示意。
如图1所示，本发明超材料频选表面包括至少一个超材料片层10，超材料片层10包括两个结合在一起的基板12和置于所述两个基板12之间的结构层14。所述两个基板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(即FR4)、聚四氟乙烯(英文名为Polytetrafluoroethene，简称F4B)、高密度聚乙烯(英文名为High DensityPolyethylene，简称HDPE)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(英文名为Acrylonitrile Butadiene Styrene，简称ABS)等。两个基板12的厚度既可相等，也可不等，本实施方式中，两个基板12的厚度相等，均为1.6～2.3mm。
请参考图2和图3，所述结构层14包括多个呈阵列排布的金属微结构16，如图2中位于由虚线形成的网格内的图案。我们将每个金属微结构16及其所在的基板12部分称为一个超材料单元18，这样，所述超材料片层10可看作是由多个所述超材料单元18阵列而成，如图1所示。一般，每个超材料单元18的几何尺寸与根据需要而设定响应的电磁波波长有关，本实施方式中，所述超材料单元18的长度与宽度均等于L，L＝5.7～6.2mm(如图3)。
每个金属微结构16是由一定尺寸的金属线段构成的具有一定几何形状的平面(二维)或立体(三维)结构，其中，金属线段由如铜、银等金属导电材料制成，其截面可以为扁平状或其他任意形状，如圆柱状。所述多个金属微结构16的几何形状和尺寸均相同，故以下以一个所述金属微结构16为例进行说明。如图3所示，所述金属微结构16由具有扁平状截面的金属线段构成，其包括相互正交的第一直线簇162和第二直线簇166，第一直线簇162包括第一金属线段163和非对称地位于第一金属线段163的两侧且与第一金属线段163平行的两根第二金属线段164，第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为D1＝1.1～1.4mm，第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为D2＝2.5～2.9mm，同时两个第二金属线段164与其所在的超材料单元18的边界之间的距离相等，均为D3，D3＝0.85～0.94mm。第二直线簇166包括垂直平分第一金属线段163和第二金属线段164的第三金属线段167，但第一金属线段163与所述第三金属线段167的交点与其所在的超材料单元18的中心不相重合。
本实施例中第一金属线段163、第二金属线段164和第三金属线段167的宽度相等，均为W，W＝0.085～0.125mm，厚度也相等，均为0.016～0.019mm，且其两端均延伸至所在的超材料单元18的边界。
多个金属微结构16阵列排布在一起，让每个金属微结构16的第一金属线段163和第二金属线段164分别与位于其周围两相对侧的两金属微结构16的第一金属线段163和第二金属线段164相连接、第三金属线段167分别与位于其周围另外两相对侧的两金属微结构16的第三金属线段167相连接，从而构成如图2所示的网格图。从图可知，所述结构层14包括多组相互平行排布的第一直线组和与多组第一直线组正交的多组第二直线组，每一个第一直线组包括第一金属线和非对称地位于第一金属线的两侧且与第一金属线平行的两根第二金属线，第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为D1，第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为D2。每一个第一直线组的两根第二金属线分别与相邻的两个第一直线组的第二金属线平行。每一个第二直线组包括垂直于第一金属线和两根第二金属线的第三金属线。由上可知，任两相邻的第一金属线的间距均等于所述超材料单元18的长度与宽度，即L；任两最靠近的第二金属线的间距均相等，为2×D3；任两相邻的第三金属线的间距亦等于所述超材料单元18的长度与宽度，即L。
设计时，选用不同的原料来制成不同厚度的基板12和金属微结构16，并调节金属微结构16的第一、第二、第三金属线段163、164、167的宽度和厚度、任一第一金属线段163两侧的两根第二金属线段164与该第一金属线段163的间距、两个最靠近的第二金属线段164之间的距离等来获得对特定频段的电磁波损耗小的超材料片层10。
实际制作时，我们可选取两块基板，其中一块基板上覆有金属箔，并通过蚀刻金属箔而形成所述多个金属微结构16，将另一块没有金属箔的基板压合在所述形成有多个金属微结构16的基板上，且让所述多个金属微结构16位于所述两基板之间，从而制得所述超材料片层10。具体蚀刻金属箔时可采用光刻、钻刻、电子刻或者离子刻等方式形成所述多个金属微结构16。此外，也可使用电镀的方式形成所述多个金属微结构16。
为了验证所述超材料片层10的响应特性，以下我们以一个超材料单元18为例来进行仿真测试。在所述超材料单元18中，其长度和宽度L均等于6mm，也即其上任两个相邻的第一金属线段163和任两个相邻的第三金属线段167的间距均等于6mm。所述两个基板12由ABS制成，厚度均为2mm。结构层14由铜箔经光刻而成，其厚度为0.018mm，也即，所述金属微结构16由铜制成，所述第一、第二、第三金属线段163、164、167是铜线。第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为D1为1.3mm，第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为D2为2.6mm，同时两个第二金属线段164与该超材料单元18的边界之间的距离D3＝0.9mm；第一、第二、第三金属线段163、164、167的宽度W为0.1mm。经仿真获得所述超材料单元18样品的反射系数S11和透射系数S21随电磁波的频率变化的响应曲线分别如图4和图5所示。由图可知，大致在9～18GHz的超宽频段内，所述样品的反射系数S11介于-15～-40dB之间、透射系数S21小于-0.25dB，也即对电磁波的反射小、透波率高，且谐波含量小，并抑制此频段之外的电磁波，过滤掉杂波，减小了杂波干扰，从而具有频选特性。
由上可知，本发明超材料频选表面由于在两ABS基板12之间阵列设置多个金属微结构16，为夹层结构设计，不仅具有结构完成性，而且在超宽频段内对电磁波的反射减小、透射效率高，从而提高了其透波性能，达到了机械性能和电气性能的完美统一。由于所述两基板12采用低介电常数、低损耗角正切的ABS制成，并通过光刻形成金属微结构16，工艺简单、制造成本低，并可通过调节所述两基板12和金属微结构16的厚度来减小插入损耗和回波损耗，进一步提高了电磁波的传输效率。
另外，根据实际需要，所述超材料频选表面可包括多层所述超材料片层10，且这些超材料片层10既可沿垂直于片层表面的方向直接前、后表面相粘接而叠加在一起，也可将这些超材料片层10等间距地排列组装在一起。
还涉及由本发明超材料频选表面制成的超材料频选天线罩及一种天线系统，包括天线和设置于天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的该种超材料频选天线罩。
本发明超材料频选天线罩和天线系统不仅在9～18GHz的超宽频段内具有较高的传输效率，且可适用于透射任意极化类型的电磁波，而且对于不同的入射角，其电磁性能较稳定。此外，为了保护超材料频选天线罩，可在其表面上涂覆防酸、防腐、防紫外线、耐磨损、抗冲击、抗热应力等的保护层。
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，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超材料频选表面，其特征在于，所述超材料频选表面包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括两个结合在一起的基板和置于所述两个基板之间的结构层，所述结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每个金属微结构包括相互正交的第一直线簇和第二直线簇，所述第一直线簇包括第一金属线段和非对称地位于所述第一金属线段两侧且与所述第一金属线段平行的两根第二金属线段，所述第二直线簇包括垂直平分所述第一金属线段和两根第二金属线段的第三金属线段，所述第一金属线段垂直但非平分所述第三金属线段，且每个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段分别与位于其周围两相对侧的两个金属微结构的第一金属线段和第二金属线段相连接、第三金属线段与位于其周围另外两相对侧的两个金属微结构的第三金属线段相连接。
2.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述每个金属微结构及其所在的基板部分称为一个超材料单元，每个金属微结构的第一金属线段与第三金属线段的交点与超材料单元的中心不相重合。
3.根据权利要求2所述的超材料频选表面，其特征在于，所述每个金属微结构的两根第二金属线段与相应的超材料单元的边界之间的距离相等，均为0.85～0.94mm。
4.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述每个金属微结构的第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为1.1～1.4mm，同时第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为2.5～2.9mm。
5.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度相等，均为0.085～0.125mm。
6.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述两个基板的厚度为1.6～2.3mm。
7.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述每个金属微结构的两根第二金属线段与相应的超材料单元的边界之间的距离均为0.9mm、第一金属线段与一侧的第二金属线段的距离为1.3mm，第一金属线段与另一侧的第二金属线段的距离为2.6mm；每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度均为0.1mm、厚度均为0.018mm；所述两个基板的厚度均为2mm。
8.根据权利要求1所述的超材料频选表面，其特征在于，所述两基板由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成；所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段是铜线。
9.一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1-8中所述的超材料频选表面制成。
10.一种天线系统，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9中所述的超材料频选天线罩。
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