大型超材料板材的制造方法及大口径超材料天线罩的制造方法
技术领域
本发明涉及超材料及其在天线罩上的应用,更具体地说,涉及一种超材料板材的制造方法及大口径超材料天线罩的制造方法。
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。当前,人们通过在基板上排列由金属线段构成的具有一定几何形状的超材料金属微结构来形成超材料。由于可以利用金属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之一。最新的研究发现,超材料是一种良好的透波材料,特别是用其制成的天线罩不仅可显著提高天线罩的透波性能,而且使天线罩具有耐热、耐腐蚀、抗压及其他机械性能。
目前,超材料金属微结构是通过蚀刻附着于基板上的金属箔来形成,从而制得超材料板材。但是,现有的蚀刻设备和基板的最大尺寸均限制了大型超材料板材的制造,因此,无法获得适用于大口径天线罩的大型超材料板材。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种大型超材料板材的制造方法及大口径超材料天线罩的制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种大型超材料板材的制造方法,包括以下步骤:
提供至少两均覆有金属箔的基板,所述两基板由热塑性材料制成;
蚀刻所述两基板上的金属箔,从而在所述两基板上形成呈阵列排布的多个金属微结构;
沿板面方向切分所述两基板,使所述两基板的边缘分别形成比基板的厚度更薄的连接部,且每一基板的连接部可配合于另一基板的边缘由切分所形成的凹陷;
将所述两基板的连接部搭接在一起并进行热压合,从而形成一接合区域,而所述接合区域的金属微结构的排布与其它区域的金属微结构的排布连续,即制得更大尺寸的整块超材料板材。
优选地,所述方法还包括基于基板的电磁参数,利用电脑仿真软件通过优化算法来设计所述金属微结构的几何形状、尺寸及排布,并根据基板的数量分为若干部分,蚀刻时依据设计分别在基板上形成金属微结构。
优选地,所述方法还包括重复以上步骤,以制得多块所述大型超材料板材,并对这些大型超材料板材进行热压合而将它们结合在一起。
优选地,每一基板的一个表面附有金属箔;蚀刻形成的金属微结构位于每一基板的该表面。
优选地,蚀刻形成的金属微结构位于所述超材料板材的同一表面。
优选地,每一基板的两相对表面均附有金属箔;蚀刻形成的金属微结构位于每一基板的两相对表面。
优选地,所述金属箔是铜箔。
优选地,所述基板由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯制成。
优选地,所述覆有金属箔的基板为四块,包括两对对角设置的第一基板和第二基板,每一第一基板和第二基板的两相邻边缘均形成连接部,且每一第一基板的两连接部分别配合于所述两第二基板的边缘由切分所形成的凹陷、每一第二基板的两连接部分别配合于所述两第一基板的边缘由切分所形成的凹陷,而所述两第一基板或第二基板的两连接部的相交处形成两相互配合的缺口。
一种大口径超材料天线罩的制造方法,包括以下步骤:
提供至少两均覆有金属箔的基板,所述两基板由热塑性材料制成;
蚀刻所述两基板上的金属箔,从而在所述两基板上形成呈阵列排布的多个金属微结构;
沿板面方向切分所述两基板,使所述两基板的边缘分别形成比基板的厚度更薄的连接部,且每一基板的连接部可配合于另一基板的边缘由切分所形成的凹陷;
将所述两基板的连接部搭接在一起并进行热压合,从而形成一接合区域,而所述接合区域的金属微结构的排布与其它区域的金属微结构的排布连续,即制得的大尺寸超材料板材,用于制作大口径超材料天线罩。
优选地,所述方法还包括基于基板的电磁参数和工作频段的透波性能要求,利用电脑仿真软件通过优化算法来设计所述金属微结构的几何形状、尺寸及排布,并根据基板的数量分为若干部分,蚀刻时依据设计分别在基板上形成金属微结构。
优选地,所述方法还包括制造一用于容纳天线的中空壳体,所述大型超材料板材安装于所述壳体并位于电磁波的传播方向上。
本发明超材料板材的制造方法及大口径超材料天线罩的制造方法具有以下有益效果:将附着有超材料金属微结构的多块基板通过热压合的方法结合在起,从而制得了表面平整的大尺寸整块超材料板材,不仅制造成本低,而且一致性好,将其用于制作大口径超材料天线罩时,由于所述超材料板材的一体化结构,可保证其良好的机械性能。
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是本发明大型超材料板材的制造方法的一个实施方式的流程图;
图2是利用图1中的方法制得的大型超材料板材的平面示意图;
图3是图2中III-III方向的剖视图;
图4是图2中靠近接合区域的放大图;
图5是本发明大型超材料板材的制造方法的第二实施方式的流程图;
图6是图5所示流程图的一个实施例;
图7是利用图6中的方法制作大型超材料板材的过程示意图;
图8是利用图6中的方法制作大型超材料板材的另一过程示意图;
图9是图7中的大型超材料板材靠近接合区域的放大图;
图10是利用图6中的方法制得的双层大型超材料板材的结构示意图;
图11是本发明大口径超材料天线罩的制造方法的一个实施方式的流程图;
图12是利用图11中的方法制得的大口径超材料天线罩的示意图。
图中各标号对应的名称为:
10、30、52大型超材料板材、12基板、14、36金属微结构、15超材料单元、16、322、342连接部、18、38接合区域、32第一基板、34第二基板、344、346缺口、40双层大型超材料板材、50大口径超材料天线罩、54多层大型超材料板材、56壳体
具体实施方式
本发明所称的超材料板材中的“板材”不限定外形,不仅可呈平整、弯曲等任意形状,亦包括硬质板、软质板和薄膜。
如图1至图4所示,为本发明超材料板材的制造方法的第一实施方式和利用该方法制得的大型超材料板材10,该方法包括以下步骤:
步骤101:提供至少两均覆有金属箔的基板12,所述两基板12由热塑性材料制成。
步骤103:蚀刻所述两基板12上的金属箔,从而在所述两基板12上形成呈阵列排布的多个金属微结构14。一般,每个金属微结构14及其所在的基板12部分称为一个超材料单元15,每个超材料单元15的几何尺寸与所需响应的电磁波的波长有关。可利用光刻、电镀、钻刻、电子刻或者离子刻来蚀刻每一基板12上的金属箔而形成所述金属微结构14。
步骤105:沿板面方向切分所述两基板12,使所述两基板12的边缘分别形成比基板12的厚度更薄的连接部16,且每一基板12的连接部16可配合于另一基板12的边缘由切分所形成的凹陷。
步骤107:将所述两基板12的连接部16搭接在一起并进行热压合,从而形成一接合区域18,而所述接合区域18的金属微结构14的排布与其它区域的金属微结构14的排布连续,即制得更大尺寸的整块超材料板材10。
本发明超材料板材的制造方法不仅可获得大尺寸超材料板材,而且制造成本低,表面平整。
如图5所示,为本发明超材料板材的制造方法的第二实施方式,该方法包括以下步骤:
步骤201:提供至少两均覆有金属箔的基板,所述两基板由热塑性材料制成。一般,所述两基板由低介电常数、低损耗的材料制成。所述金属箔既可附着于每一基板的任一侧面,也可附着于每一基板的两相对侧面。
步骤203:基于基板的电磁参数,利用电脑仿真软件通过优化算法来设计金属微结构的几何形状、尺寸及排布,并根据基板的数量分为若干部分。
步骤205:蚀刻所述两基板上的金属箔,从而在所述两基板上形成呈阵列排布的多个金属微结构。蚀刻时依据步骤203中的设计分别在所述两基板上形成所述多个金属微结构。当每一基板的一侧面覆有金属箔时,所述金属微结构形成于每一基板的相应侧面;当每一基板的两侧面覆有金属箔时,所述金属微结构形成于每一基板的两侧面。
步骤207:沿板面方向切分所述两基板,使所述两基板的边缘分别形成比基板的厚度更薄的连接部,且每一基板的连接部可配合于另一基板的边缘由切分所形成的凹陷。
步骤208:将所述两基板的连接部搭接在一起并进行热压合,从而形成一接合区域,而所述接合区域的金属微结构的排布与其它区域的金属微结构的排布连续,即制得更大尺寸的整块超材料板材。
步骤209:重复以上步骤,从而制得多块所述大型超材料板材,将这些大型超材料板材叠加在一起并进行热压合,进而制得致密的多层大型超材料板材。
本发明超材料板材的制造方法通过热压合工艺将多块所述大型超材料板材结合在一起,可保证其机械结构稳定。
以下以一个实施例为例进行具体说明:
如图6至图10所示,为第一实施例的制造方法及利用该方法制得的大型超材料板材30,其包括以下步骤:
步骤301:提供四块均覆有金属箔的基板,为两对角设置的第一基板32和两对角设置的第二基板34,它们均由同一种热塑性材料制成。本实施例中,所述第一基板32和第二基板34均由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(英文名为Acrylonitrile Butadiene Styrene,简称ABS)制成。所述金属箔可以为铜箔、银箔等,本实施例中,所述金属箔是附着于每一第一基板32和第二基板34的一侧面的铜箔。
步骤303:基于所述第一基板32和第二基板34的电磁参数,利用电脑仿真软件通过优化算法来设计金属微结构的几何形状、尺寸及排布,并将所述金属微结构的排布分为四部分。目前,可使用的电脑仿真软件有CST等。设计时,通过不断调节金属微结构的几何形状和尺寸并测量其对电磁波的响应,从中选出符合要求的金属微结构即可。一般,金属微结构是由金属丝构成的具有一定几何形状的图案,所述金属丝的截面可以为扁平状或其他任意形状,如圆柱状,其排布既可以是相同尺寸的金属微结构的均匀排布,也即各个区域的金属微结构的排布均相同,如图4所示,也可以是不同尺寸的金属微结构按照一定的规律排布,如图9所示的按照同心圆排布。
步骤305:依据步骤303中的设计蚀刻所述第一基板32和第二基板34上的金属箔,从而在所述第一基板32和第二基板34上形成多个金属微结构36。本实施例中,所述金属微结构是由铜丝构成的“十”字形结构,附着于每一第一基板32和第二基板34的一侧面。
步骤307:沿板面方向切分所述第一基板32和第二基板34,使每一第一基板32和第二基板34的两相邻边缘均形成比各自厚度更薄的连接部322、342,而每一第一基板32的两连接部322分别配合于所述两第二基板34的边缘由切分所形成的凹陷、每一第二基板34的两连接部342分别配合于所述两第一基板32的边缘由切分所形成的凹陷,且所述两第二基板34的两连接部342的相交处形成两相互配合的缺口344、346。图7和图8分别示出了两种不同的缺口。
步骤308:将所述第一基板32和第二基板34的连接部322、342搭接在一起、所述两缺口344、346相互配合,这时,对所述连接部322、342进行热压合而形成一接合区域38,且所述接合区域38的金属微结构36的排布与其它区域的金属微结构36的排布连续,也即所述第一基板32和第二基板34上的金属微结构36排布在以接合中心为圆心的多个同心圆上,从而制得更大尺寸的整块超材料板材30。
步骤309:重复以上步骤,制得另一大型超材料板材30,将所述两大型超材料板材30叠加在一起并进行热压合,进而制得致密的双层大型超材料板材40。
请参考图11和图12,为本发明大口径超材料天线罩的制造方法和利用该方法制成的大口径超材料天线罩50,该方法包括以下步骤:
步骤501:提供多块由热塑性材料制成的覆有金属箔的基板。
步骤503:蚀刻所述基板上的金属箔,在所述基板上形成呈阵列排布的多个金属微结构。蚀刻之前,应基于所述基板的电磁参数、天线的工作频段以及透波性能要求,利用电脑仿真软件通过优化算法来设计出金属微结构的几何形状、尺寸及排布,并根据基板的数量分为若干部分。蚀刻时依据预先的设计分别在所述基板上形成金属微结构。
步骤505:沿板面方向切分所述基板,使所述基板的边缘形成比基板的厚度更薄的连接部,且每一基板的连接部可配合于另一基板的边缘由切分所形成的凹陷。
步骤507:将所述基板的连接部搭接在一起并进行热压合,从而形成一接合区域,而所述接合区域的金属微结构的排布与其它区域的金属微结构的排布连续,即制得更大尺寸的整块超材料板材52。
步骤508:重复以上步骤,制得多块超材料板材52,将所述大型超材料板材52叠加在一起并进行热压合,进而制得致密的多层大型超材料板材54。本实施方式中,所述多层大型超材料板材54为3层。
步骤509:制造一用于容纳天线的中空壳体56,所述多层大型超材料板材54安装于所述壳体56并位于电磁波的传播方向上,从而制得大口径超材料天线罩50。
由此可见,本发明的制造方法不仅可制得适用于大口径超材料天线罩的大型超材料板材,而且可将多层大型超材料板材叠加在一起来增强大口径超材料天线罩的机械强度,使其更坚固耐用。
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,如所述基板还可由其他热塑性材料制成,且不同的基板由不同的热塑性材料制成,这时,附着于其上的金属微结构的几何形状和/或尺寸也应不同,但应保证各处的电磁响应满足要求;所述两缺口344、346也可分别形成于所述两第一基板32的两连接部322的相交处,而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。