CN102842767A - 微结构、超材料板以及天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超材料板以及天线系统。所述超材料板包括一层或多层基材，每层基材相对两侧表面分别周期排布有相同的微结构，所述微结构拓扑图案以其中心点为旋转点，沿顺时针方向或逆时针方向旋转90°后得到的新拓扑图案与原拓扑图案重合；所述微结构包括第一基本结构和第二基本结构，所述第二基本结构为将第一基本结构以第二金属分支中心点为旋转点顺时针方向旋转90°得到。所述天线系统，包括馈源以及设置于馈源辐射电磁波路径上的上述超材料板。本发明通过设计超材料的微结构拓扑形状和/或尺寸，使得天线系统中的馈源无需做任何改变即可将馈源辐射的电磁波转化为两束电磁波辐射出去，实现波束分离的功能。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种微结构、超材料板以及天线系统。
背景技术
光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。
如图1所示，图1为现有构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括雪花型人造微结构100以及该人造微结构附着的基材200。雪花型人造微结构可为人造金属微结构，其能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应以改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应，因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波五分之一波长，优选为入射电磁波十分之一波长。本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元是一种人为的划分方法，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。
超材料的微结构拓扑形状和/或尺寸是改变超材料对电磁波的电磁响应的重要参数。现有的超材料的微结构拓扑形状过于简单，对电磁波响应单一，用途较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种超材料板，所述超材料板包括一层或多层基材，每层基材相对两侧表面分别周期排布有相同的微结构；所述微结构拓扑图案以其中心点为旋转点，沿顺时针方向或逆时针方向旋转90°后得到的新拓扑图案与原拓扑图案重合；所述微结构包括第一基本结构和第二基本结构，所述第一基本结构包括等间距平行设置且长度相等的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；第二金属分支一端端点与第一金属分支同侧端点相互连接形成第四金属分支，所述第四金属分支垂直于第一金属分支和第二金属分支，第二金属分支另一端端点与第三金属分支同侧端点相互连接形成第五金属分支，所述第五金属分支垂直于第二金属分支和第三金属分支；所述第二基本结构为将第一基本结构以第二金属分支中心点为旋转点顺时针方向旋转90°得到。
进一步地，所述第一金属分支和第三金属分支线宽相同，所述第四金属分支和第五金属分支线宽相同。
进一步地，所述第一金属分支线宽大于第四金属分支线宽，所述第四金属分支线宽大于第二金属分支线宽。
进一步地，所述第一金属分支长度为10至13毫米，第一金属分支线宽为1.5至2.0毫米；所述第二金属分支线宽为0.8至1.2毫米，所述第四金属分支长度为8至9毫米，所述第四金属分支线宽为1.3至1.5毫米。
进一步地，所述基材在10GHZ时的介电常数为4.0至5.0。
进一步地，所述基材为FR-4材料、F4B材料、PS材料或陶瓷材料。
本发明还提供一种天线系统，其包括馈源以及设置于所述馈源辐射电磁波路径上的上述超材料板。
进一步地，所述馈源为贴片天线、微带天线或者喇叭天线。
进一步地，所述超材料板包括3层基材，每层基材厚度为0.3至0.5毫米。
进一步地，所述超材料板与所述馈源的垂直距离为4.5至10.5毫米。
本发明通过设计超材料的微结构拓扑形状和/或尺寸，使得天线系统中的馈源无需做任何改变即可将馈源辐射的电磁波转化为两束电磁波辐射出去，实现波束分离的功能。
附图说明
图1为现有的构成超材料基本单元的结构示意图；
图2为本发明超材料板的立体结构示意图；
图3为图2中超材料板相对两侧表面附着的相同的微结构的拓扑结构以及该拓扑结构分解为第一基本结构和第二基本结构的示意图；
图4为贴片天线未附加超材料板时，phi为0°的仿真结果示意图；
图5为贴片天线未附加超材料板时，phi为90°的仿真结果示意图；
图6为超材料板与贴片天线垂直距离为1.5毫米时的远场增益图；
图7为超材料板与贴片天线垂直距离为4.5毫米时的远场增益图；
图8为超材料板与贴片天线垂直距离为7.5毫米时的远场增益图；
图9为超材料板与贴片天线垂直距离为105毫米时的远场增益图。
具体实施方式
请参照图2，图2为本发明超材料板的立体结构示意图。所述超材料板包括一层或多层基材，每层基材相对两侧表面分别排布有相同的微结构。图2中，由于基材厚度较薄，所以图中各层微结构看似是直接叠加在一起，但实际中两层微结构之间间隔有一层基材。
基材材料的选取可为多种多样的，通常是在设计时计算出基材的介电常数而后在现有材料中选取具有该介电常数的材料，或者自行配置具有该介电常数的材料。本实施例中，基材的介电常数在10GHZ时优选为4.0至5.0。基材的介电常数的选取可根据使用环境以及超材料板所响应电磁波频率的不同而不同。
基材材料可选取各类具有上述介电常数的材料，例如FR-4材料、F4B材料、PS材料、陶瓷材料等。
请参照图3，图3为图2中超材料板相对两侧表面附着的相同的微结构的拓扑结构以及该拓扑结构分解为第一基本结构和第二基本结构的示意图。微结构由第一基本结构10和第二基本结构20构成。第一基本结构10包括等间距平行设置且长度相等的第一金属分支11、第二金属分支12、第三金属分支13；第二金属分支12一端端点与第一金属分支同侧端点相互连接形成第四金属分支14，且第四金属分支14分别垂直于第一金属分支11和第二金属分支12；第二金属分支12另一端端点与第三金属分支同侧端点相互连接形成第五金属分支15，且第五金属分支15分别垂直于第二金属分支12和第三金属分支13。
第二基本结构20是通过将第一基本结构以第二金属分支12中心点为旋转点顺时针方向旋转90°得到。由于第一基本结构20的特殊形状，第二基本结构20以第二金属分支12中心点为旋转点逆时针方向旋转90°也能得到相同的第二基本结构20。
由于第一基本结构10和第二基本结构20的特殊形状，由第一基本结构10和第二基本结构20构成的微结构以其中心点为旋转点，沿顺时针方向或逆时针方向旋转90°后得到的新拓扑图案与原拓扑图案重合。具有该类特性的微结构为各向同性微结构，各向同性微结构对各个方向入射的电磁波均具有相同的电磁响应，能简化设计且提高应用范围。
优选地，第一金属分支11和第三金属分支13具有相同的线宽，第四金属分支14和第五金属分支15具有相同的线宽。第一金属分支11线宽大于第四金属分支14线宽，第四金属分支14线宽大于第二金属分支12线宽。
更优选地，第一金属分支11长度为10至13毫米，第一金属分支11线宽为1.5至2.0毫米；第二金属分支12线宽为0.8至1.2毫米，第四金属分支14长度为8至9毫米，第四金属分支14线宽为1.3至1.5毫米。
各条金属分支的线宽和长度根据其所响应电磁波的频率不同而不同，例如当其响应电磁波频率较高时，则电磁波波长较长，相应地，各条金属分支长度较长；当其响应电磁波频率较低时，则电磁波波长较短，相应地，各条金属分支长度较短。
微结构的材料可为铜、银、铝等各类导电金属。
本发明还提供一种天线系统，其包括馈源以及设置于馈源辐射电磁波路径上的上述超材料板。馈源可为贴片天线、微带天线、喇叭天线等各类能辐射电磁波的装置。本实施例中，以贴片天线为例说明。
本实施例的天线系统中的超材料板包括3层由FR-4材料制成的基材。每层基材的厚度为0.2至0.5毫米，微结构的厚度为0.01至0.02毫米。整个超材料板厚度不到2毫米，厚度很薄，占用空间很小。
下面选取一贴片天线来说明添加超材料板后，天线辐射的电磁波被分成两束的效果。在本实施例中，贴片天线体积为41.95×41.95×1.96mm，正前方圆贴片圆周为12.87mm，辐射电磁波频率为3.43GHZ。贴片天线未附加超材料板时其利用CST仿真软件仿真得到的正面增益最大值为3.58dB，且贴片天线未附加超材料板时其phi为0°和90°的polar图分别如图4、图5所示。从图4可知，贴片天线未附加超材料板时，phi为0°时的半功率带宽为80.4°，从图5可知，贴片天线未附加超材料板时，phi为90°时的半功率带宽为99.9°
在贴片天线辐射电磁波路径上添加上述超材料板，通过选取超材料板与贴片天线不同的垂直距离来获得较优选的参数。
请参照图6，图6为当超材料板与贴片天线垂直距离为1.5毫米时的远场增益图。从图6可知，添加超材料板后，贴片天线辐射的电磁波的正面增益增大至4.2dB，但是没有明显的分离电磁波的效果。
请参照图7，图7为当超材料板与贴片天线垂直距离为4.5毫米时的远场增益图。从图7可知，添加超材料板后，贴片天线辐射的电磁波的正面增益增大至4.1dB，且电磁波初步被分离为分别朝左前方约30°和右前方约30°的两束电磁波。
请参照图8，图8为当超材料板与贴片天线垂直距离为7.5毫米时的远场增益图。从图8可知，添加超材料板后，贴片天线辐射的电磁波的正面增益减小至3.3dB，但电磁波明显地被分离为两束电磁波，两束电磁波的辐射方向为左前方约41°和右前方约41°。
请参照图9，图9为当超材料板与贴片天线垂直距离为10.5毫米时的远场增益图。从图9可知，添加超材料板后，贴片天线辐射的电磁波的正面增益减小至1.1dB，电磁波被分离为分别朝左前方约50°和右前方约50°的两束电磁波。
由图6至图9可知，将超材料板添加至馈源上时，超材料板距馈源距离越近，则馈源辐射电磁波的正面增益增大但分波效果降低；随着超材料板与馈源距离的增大，电磁波的正面增益减小但分波效果增强。因此，根据不同馈源辐射电磁波的特性和应用需求，调节超材料板与馈源的距离即可满足要求。
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 (10)
1.一种超材料板，其特征在于：所述超材料板包括一层或多层基材，每层基材相对两侧表面分别周期排布有相同的微结构；所述微结构拓扑图案以其中心点为旋转点，沿顺时针方向或逆时针方向旋转90°后得到的新拓扑图案与原拓扑图案重合；所述微结构包括第一基本结构和第二基本结构，所述第一基本结构包括等间距平行设置且长度相等的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；第二金属分支一端端点与第一金属分支同侧端点相互连接形成第四金属分支，所述第四金属分支垂直于第一金属分支和第二金属分支，第二金属分支另一端端点与第三金属分支同侧端点相互连接形成第五金属分支，所述第五金属分支垂直于第二金属分支和第三金属分支；所述第二基本结构为将第一基本结构以第二金属分支中心点为旋转点顺时针方向旋转90°得到。
2.如权利要求1所述的超材料板，其特征在于：所述第一金属分支和第三金属分支线宽相同，所述第四金属分支和第五金属分支线宽相同。
3.如权利要求2所述的超材料板，其特征在于：所述第一金属分支线宽大于第四金属分支线宽，所述第四金属分支线宽大于第二金属分支线宽。
4.如权利要求3所述的超材料板，其特征在于：所述第一金属分支长度为10至13毫米，第一金属分支线宽为1.5至2.0毫米；所述第二金属分支线宽为0.8至1.2毫米，所述第四金属分支长度为8至9毫米，所述第四金属分支线宽为1.3至1.5毫米。
5.如权利要求1所述的超材料板，其特征在于：所述基材在10GHZ时的介电常数为4.0至5.0。
6.如权利要求5所述的超材料板，其特征在于：所述基材为FR-4材料、F4B材料、PS材料或陶瓷材料。
7.一种天线系统，其特征在于：包括馈源以及如权利要求1至权利要求6任一项所述的超材料板，所述超材料板设置于所述馈源辐射电磁波路径上。
8.如权利要求7所述的天线系统，其特征在于：所述馈源为贴片天线、微带天线或者喇叭天线。
9.如权利要求7所述的天线系统，其特征在于：所述超材料板包括3层基材，每层基材厚度为0.3至0.5毫米。
10.如权利要求7所述的天线系统，其特征在于：所述超材料板与所述馈源的垂直距离为4.5至10.5毫米。
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