CN102856657A - 超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料板材，其包括一超材料片层，所述超材料片层包括基板和两分别附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同，从而使其对电磁波的反射变小、透波性能提高。本发明还提供了一种由该超材料板材制成的超材料天线罩和天线系统。
Description
技术领域
本发明涉及超材料及由其制成的天线罩和天线系统，更具体地说，涉及一种由全新设计的超材料结构单元构成的超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统。
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。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领域之一。而在用新型超材料来制作天线罩方面，由于其可显著提高天线罩的透波性能而日益为研究人员所关注。
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，但是随着技术的发展，对天线罩的透波效率提出了更高的要求，且要求反射更少，以尽可能地减少对天线电性能的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有良好透波性能的超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料板材，包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括基板和两分别附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。
优选地，所述基板的任一表面的金属微结构呈阵列排布，且各金属微结构的两第一金属直线段的延伸方向相同。
优选地，所述基板的任一表面相邻最近的两圆环的圆心的距离均相等，均为2.8～3.4mm。
优选地，每一金属微结构的圆环的外圆的直径均相等，均为2.3～2.6mm。
优选地，每一金属微结构的两第二金属直线段的长度均相等，均为0.2～0.5mm、两第二金属直线段的距离均相等，均为0.8～1.1mm。
优选地，每一金属微结构的圆环和两第一金属直线段、第二金属直线段的宽度均相等，均为0.08～0.13mm。
优选地，所述基板的任一表面相邻最近的两圆环的圆心的距离等于3mm；每一金属微结构的圆环的外圆的直径为2.4mm、两第二金属直线段的长度均为0.4mm、两第二金属直线段的距离为1mm、圆环和两第一、第二金属直线段的宽度均为0.1mm、厚度均为0.018mm；所述基板的厚度为4mm。
优选地，所述基板由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成；所述金属微结构由铜制成。
一种超材料天线罩，包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括基板和两分别附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。
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天线罩，所述超材料天线罩包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括基板和两分别附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。
本发明超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统具有以下有益效果：由于在基板的两表面上附着了具有一定几何形状和尺寸的多对金属微结构，从而，使所述超材料板材对电磁波的反射变小、透波性能提高，具有较好的电磁性能，减小了对天线的辐射效率的影响。
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是本发明超材料板材的结构示意图；
图2是图1中的一结构层的平面放大示意图；
图3是图2中的一个金属微结构的放大示意图；
图4是图1中的一个超材料单元样品与相同尺寸的纯ABS单元块的透射系数在某一频段内变化的比较图；
图5是图1中的一个超材料单元样品与相同尺寸的纯ABS单元块的反射系数在某一频段内变化的比较图；
图6是本发明超材料天线罩和天线系统的示意图。
图中各标号对应的名称为：
10超材料片层、12基板、14结构层、16金属微结构、162圆环、164第一金属直线段、166第二金属直线段、18超材料单元、20天线系统、22天线、24超材料天线罩、242固定框、244超材料板材
具体实施方式
本发明中的“板材”、“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“板材”、“片层”、“板”、“层”均以平面示意。
如图1所示，本发明超材料板材包括至少一超材料片层10，所述超材料片层10包括基板12和两分别附着于所述基板12的两相对表面的结构层14。所述基板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(即F4B)、高密度聚乙烯(即HDPE)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(即ABS)等，其厚度为3.8～4.3mm。
请参考图2，每一结构层14包括多个呈阵列排布的金属微结构16，如图中位于由虚线形成的网格内的图案，且位于所述基板12的任一表面的每一金属微结构16均正对另一表面的一个金属微结构16，也即所述基板12的任一表面上的金属微结构16与另一表面上的金属微结构16重叠设置。这样，位于所述基板12的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构16组成一对，且每对金属微结构16的几何形状和尺寸均相同。
通常，将每对金属微结构16及其所在的基板12部分称为一个超材料单元18，如图1中由虚线分隔形成的方形块。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。而每个超材料单元18的几何尺寸与穿过的电磁波波长有关，本实施方式中，所述超材料单元18的长度与宽度相等，均等于2.8～3.4mm(等于图3中L1的长度)。也即，所述基板12的任一表面相邻最近的两金属微结构16的中心的距离为2.8～3.4mm。
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。所述两结构层14上的金属微结构16的几何形状和尺寸均相同，故以下以一个金属微结构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，其包括一圆环162、两连接于所述圆环162且位于所述圆环162的同一直径方向上的第一金属直线段164和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段164且相互平行的第二金属直线段166。所述两第一金属直线段164分别连接于相应第二金属直线段166的中点。所述圆环162的外圆的直径均等于2R，2R为2.3～2.6mm。所述两第二金属直线段166的长度均等于L2，L2为0.2～0.5mm。所述两第二金属直线段166的距离均等于D，D为0.8～1.1mm。所述圆环162和所述两第一、第二金属直线段164、166的宽度均等于W，W＝0.08～0.13mm，厚度也相等，均为0.016～0.019mm。由上可知，所述金属微结构16以垂直于其所在的平面(也即所述基板12)并通过所述金属微结构16的中心(即所述圆环162的圆心)的直线为轴顺时针或逆时针旋转180度或360度后均可与初始位置的金属微结构16重合，且每一结构层14的各金属微结构16的两第一金属直线段164的延伸方向相同，而所述基板12的任一表面相邻最近的两圆环162的圆心的距离均相等，亦均为2.8～3.4mm。
设计时，选用不同的原料来制成不同厚度的基板12，并调节两结构层14的金属微结构16的圆环162的直径2R、两第二金属线段166的长度L2、距离D、圆环162和两第一、第二金属线段164、166的宽度W和厚度以及金属微结构16在基板12上的排布和相邻最近的两金属微结构16的中心的距离(即两相邻最近的两圆环162的圆心的距离)等来获得对特定频段的电磁波透过性好、反射小的超材料片层10。
实际制作时，我们可选取由前述材料制成一基板，一般为PCB层压板，在所述PCB层压板的两表面喷砂，并覆上金属箔如铜箔，然后通过化学蚀刻其两表面的金属箔而形成所述多个金属微结构16，并让对应位置的金属微结构16重叠设置，从而在所述PCB层压板的两表面上形成所述两结构层14，即可制得所述超材料片层10。另外，所述多个金属微结构16也可采用光刻、钻刻、电子刻、离子刻或者电镀等方式形成。
根据实际需要，所述超材料板材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。
为了验证所述超材料片层10的电磁性能，以下我们以一个超材料单元18为样品进行仿真测试。在所述超材料单元18中，其长度和宽度均等于3mm(即图3中的L1＝3mm，而所述基板12的任一表面上的相邻最近的两金属微结构16的中心的距离为3mm)；所述基板12由ABS(其相对介电常数εr为2.8(8～18GHz)、损耗角正切tand为0.01(8～18GHz))制成，厚度为4mm；所述金属微结构16由铜制成(也即所述两结构层14由铜箔制成)，其圆环162的外圆的直径2R为2.4mm、两第二金属直线段166的长度L2均为0.4mm、两第二金属直线段166的距离D为1mm、圆环162和两第一、第二金属直线段164、166的宽度W均等于0.1mm、厚度均为0.018mm。经仿真获得，所述样品和相同尺寸的纯ABS单元块的反射系数与透射系数随电磁波的频率变化的比较图分别如图4和图5所示。由图可知，大致在12-15GHz频段，所述样品的透射系数S2均大于纯ABS单元块的透射系数S21、而反射系数S1则均小于纯ABS单元块的反射系数S11，也即所述超材料片层10的透波性能不仅优于纯ABS，且反射小于纯ABS。由此可见，本发明超材料板材由于在基板上附着了具有一定几何形状和尺寸的超材料金属微结构而使其对电磁波的反射变小、透波性能提高，具有较好的电磁性能。
此外，所述超材料片层10根据实际需要可做成任意性形状。如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板材，亦可使用软性的基板12来制得所述超材料片层10，以便制造呈任意形状的超材料板材。
请参考图6，为本发明超材料天线罩和天线系统。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。所述超材料天线罩24包括呈圆形的固定框242和固定于所述固定框242一侧的超材料板材244。所述超材料板材244位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上，同本发明超材料板材，不再赘述。所述超材料天线罩24可根据实际需要做成任意形状，如做成与天线共形的形状，本实施方式中，所述超材料天线罩24大致呈圆盖形，并通过超声焊接的方法结合于所述固定框242上。且根据所述超材料天线罩24承重的需要，可通过叠加多层超材料片层来增强其机械强度，使其更坚固耐用。由上可知，本发明超材料天线罩和天线系统对应一定的工作频段具有良好的透波性能，且反射小，对天线的自由空间能量分布改变小，可维持天线的原有增益，主瓣电轴偏移小，可保证其方向图主瓣形态。
此外，为了防止外界的恶劣环境对所述超材料天线罩20的侵害，可在所述固定框242和超材料板材244的内、外表面涂上防护层，如环氧改性有机硅树脂涂料，防止酸雨等的腐蚀。且可让裸露于外的金属微结构被保护起来，免受外界的磨损，以保证其稳定的透波性能。
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)
1.一种超材料板材，包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括基板和两分别附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。
2.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，所述基板的任一表面的金属微结构呈阵列排布，且各金属微结构的两第一金属直线段的延伸方向相同。
3.根据权利要求2所述的超材料板材，其特征在于，所述基板的任一表面相邻最近的两圆环的圆心的距离均相等，均为2.8～3.4mm。
4.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，每一金属微结构的圆环的外圆的直径均相等，均为2.3～2.6mm。
5.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，每一金属微结构的两第二金属直线段的长度均相等，均为0.2～0.5mm、两第二金属直线段的距离均相等，均为0.8～1.1mm。
6.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，每一金属微结构的圆环和两第一金属直线段、第二金属直线段的宽度均相等，均为0.08～0.13mm。
7.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，所述基板的任一表面相邻最近的两圆环的圆心的距离等于3mm；每一金属微结构的圆环的外圆的直径为2.4mm、两第二金属直线段的长度均为0.4mm、两第二金属直线段的距离为1mm、圆环和两第一、第二金属直线段的宽度均为0.1mm、厚度均为0.018mm；所述基板的厚度为4mm。
8.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，所述基板由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成；所述金属微结构由铜制成。
9.一种超材料天线罩，其特征在于，所述超材料天线罩由权利要求1-8中任一项所述的超材料板材制成。
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天线罩，所述超材料天线罩是权利要求9中所述的超材料天线罩。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130102 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |