CN103296442B - 超材料及由超材料制成的天线罩 - Google Patents
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Abstract
超材料及由超材料制成的天线罩。本发明提供一种超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括贴合在一起的两介质基板和置于所述两介质基板之间而由所述两介质基板覆盖的多个人工微结构，每一人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一直线和第二直线以及位于所述两直线之间并与所述两直线垂直相连的第三直线；每一分支的第三直线靠近相连的第一、第二直线的两端部分呈扭曲状，且扭曲的横向跨度等于所述第一、第二直线的长度，这样，可使所述超材料的阻抗与空气的阻抗相匹配，当电磁波从空气入射所述超材料时，不仅反射小，而且损耗小、传输效率高，从而提高了所述超材料的透波率。本发明还提供了一种由所述超材料制成的天线罩。
Description
技术领域
本发明涉及超材料，更具体地说，涉及一种具有全新设计的人工微结构的超材料及由超材料制成的天线罩。
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，人们是在介质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。一般，人工微结构的几何尺寸介于所需响应的入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。由于人们可以利用人工微结构的几何形状和尺寸以及排布方式来改变超材料空间各点的相对介电常数和/或相对磁导率，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。
目前，人们已经开展了超材料作为透波材料的应用研究，特别是在用超材料来制作天线罩方面。我们知道，天线罩是罩设于天线的外面，用于保护天线的，使其免受外界恶劣环境的影响。这样，电磁波需要穿过天线罩而被天线所接收或传播出去，这就要求天线罩具有良好的透波性能，尽量减少对电磁波的损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种透波率高的超材料及由所述超材料制成的天线罩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括贴合在一起的两介质基板和置于所述两介质基板之间而由所述两介质基板覆盖的多个人工微结构，每一人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一直线和第二直线以及位于所述第一直线和第二直线之间并与所述第一直线和第二直线垂直相连的第三直线；每一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分呈扭曲状，且扭曲的横向跨度等于所述第一直线和第二直线的长度。
优选地，每一人工微结构的任一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分沿垂直于所述第三直线的方向来回弯曲而呈扭曲状。
优选地，每一人工微结构的任一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分沿既不平行于所述第三直线也不垂直于所述第三直线的方向来回弯曲而呈扭曲状。
优选地，每一人工微结构的任一分支的第一直线、第二直线和第三直线是铜线。
优选地，每一人工微结构的任一分支的第一直线和第二直线的长度。
优选地，所述人工微结构周期性地排布于所述两介质基板之间。
优选地，所述超材料片层的阻抗接近于或等于空气的阻抗。
优选地，每个人工微结构及所述人工微结构所在的两介质基板部分一起形成一个超材料单元，所述超材料单元的相对介电常数较低。
优选地，所述两介质基板由聚四氟乙烯制成。
一种天线罩，用于罩设天线以保护天线，所述天线罩由超材料制成，所述超材料包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括贴合在一起的两介质基板和置于所述两介质基板之间而由所述两介质基板覆盖的多个人工微结构，每一人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一直线和第二直线以及位于所述第一直线和第二直线之间并与所述第一直线和第二直线垂直相连的第三直线；每一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分呈扭曲状，且扭曲的横向跨度等于所述第一直线和第二直线的长度。
本发明的超材料及由超材料制成的天线罩具有以下有益效果：由所述人工微结构制得的超材料，其阻抗与空气的阻抗相匹配，当电磁波从空气入射所述超材料时，不仅反射小，而且损耗小、传输效率高，从而提高了所述超材料的透波率，那么由所述超材料制成的天线罩也具有高透波率。
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是本发明的超材料的截面结构示意图；
图2是本发明的由人工微结构周期性排布形成的结构层的平面示意图；
图3是本发明的人工微结构的第一实施例的平面示意图；
图4是图3中的人工微结构的一个分支的放大示意图；
图5是本发明的人工微结构的第二实施例的平面示意图；
图6是图5中的人工微结构的一个分支的放大示意图；
图7是本发明的天线罩罩设于一天线时的示意图。
图中各标号对应的名称为：
10超材料片层、12、14介质基板、16结构层、18人工微结构、182分支、184第一直线、186第二直线、188第三直线、20天线罩、30电磁波发射源
具体实施方式
如图1所示，为本发明提供的超材料。所述超材料包括至少一超材料片层10，所述超材料片层10包括贴合在一起的两介质基板12、14和置于所述两介质基板12、14之间而由所述两介质基板12、14覆盖的结构层16。本实施例中，所述两介质基板12、14均是由聚四氟乙烯(F4B)制成的。在其他实施例中，所述两介质基板12、14也可由其他聚合物制成，或者由陶瓷材料制成。
如图2所示，所述结构层16包括多个人工微结构18。每个人工微结构18通常是由金属线构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，其中，金属线的截面可以为扁平状或其他任意形状，如圆柱状。图2中所示的人工微结构18是由具有扁平状截面的金属线构成的平面结构，并呈周期性分布。也即，所述人工微结构18是周期性地排布于所述两介质基板12、14之间的，并由所述两介质基板12、14覆盖。一般，我们将每个人工微结构18及其所在的两介质基板12、14部分人为定义为一个超材料单元，而所述人工微结构18的几何尺寸应与所述超材料单元的几何尺寸属于同一数量级。
为了降低电磁波在入射所述超材料时的反射，就要让所述超材料片层10的阻抗接近于或等于空气的阻抗，也即，与空气的阻抗相匹配。我们知道，阻抗公式为其中，μ为相对磁导率、ε为相对介电常数。一般，空气的相对介电常数ε和相对磁导率μ均略大于1，实际中常常近似取值为1，故由上述阻抗公式可得，空气的阻抗Z近似为1。对于所述超材料片层10来说，鉴于空间各点也即各个超材料单元的相对介电常数ε和相对磁导率μ的易改变性，我们可用开口的谐振环来调节每个超材料单元的相对介电常数ε，以使所述超材料片层10的各个超材料单元的相对介电常数ε尽量小，最好接近于1，而让各个超材料单元的相对磁导率μ约等于1，保持不变。本实施例中，我们以一个具体形状的人工微结构18来实现。
请参考图3和图4，为本发明的人工微结构18的第一实施例。所述人工微结构18大致呈扭曲雪花状，其以垂直于通过交点的直线为轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度和360度后均与初始位置的人工微结构18重合。所述人工微结构18包括相互正交的两分支182，每一分支182包括相互平行的第一直线184和第二直线186以及位于所述第一直线184和第二直线186之间并与所述第一直线184和第二直线186垂直相连的第三直线188；所述第一直线184和第二直线186的长度L相等。每一分支182的第三直线188靠近相连的第一直线184和第二直线186的两端部分沿垂直于所述第三直线188的方向来回弯曲而呈扭曲状，且扭曲的横向跨度D(垂直于所述第三直线188)等于所述第一直线184和第二直线186的长度L。每一人工微结构18的两分支182的第三直线188相互正交，让任一分支182的第一直线184和第二直线186均平行于另一分支182的第三直线188。
请参考图5和图6，为本发明的人工微结构18的第二实施例，其与第一实施例的人工微结构的不同在于，所述人工微结构18的任一分支182的第三直线188靠近相连的第一直线184和第二直线186的两端部分沿既不平行于所述第三直线188也不垂直于所述第三直线188的方向来回弯曲，且扭曲的横向跨度D(垂直于所述第三直线188)等于所述第一直线184和第二直线186的长度L。本发明的上述两实施例中的第一直线184、第二直线186和第三直线188均是铜线。
要使所述超材料片层10的各个超材料单元的相对介电常数ε尽量小，我们可先在电脑仿真软件如CST上根据需要响应的电磁波的波长来不断调节所述三角环形结构的几何尺寸，如各条金属线的宽度及长短尺寸等，直至得到能使各个超材料单元的相对介电常数ε最小并接近于1的几何尺寸。据此，即可制得阻抗接近于或等于空气的阻抗的所述超材料片层10，让所述超材料的阻抗与空气的阻抗相匹配，也形成“固态空气”，不仅电磁波从空气入射所述超材料时反射小，而且由于电磁波在所述超材料中传播像在空气中传播一样，损耗小、传输效率高，因此，透波率高。
此外，所述超材料也可由多层所述超材料片层10叠加而成。
请参考图7，为本发明的天线罩20，用于保护天线，如图中的电磁波发射源30。所述天线罩20是由本发明的超材料制成的，由于所述人工微结构18被所述介质基板12、14保护起来，不易脱落和磨损，这样，可保持稳定的电磁性能。本实施例中的天线罩20呈弯曲形状，其是通过热压平板型超材料片层10形成的。在其他实施例中，也可使用软性的介质基板来制得可弯曲的超材料片层10，或者将多块平板型超材料片层10拼接在一起，而形成各种形状的天线罩20。
另外，根据所述天线罩20需要承重的情况，可将多片超材料片层10叠加在一起来增加所述天线罩20的厚度，这样不仅不会造成电磁波的损耗，而且可增强所述天线罩20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，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超材料，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括贴合在一起的两介质基板和置于所述两介质基板之间而由所述两介质基板覆盖的多个人工微结构，每一人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一直线和第二直线以及位于所述第一直线和第二直线之间并与所述第一直线和第二直线垂直相连的第三直线；每一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分呈扭曲状，且每个扭曲状扭曲的横向跨度等于所述第一直线和第二直线的长度；所述超材料片层的阻抗接近于或等于空气的阻抗；每个所述人工微结构及其所在的两介质基板部分为一个超材料单元，所述人工微结构的几何尺寸与所述超材料单元的几何尺寸属于同一数量级。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，每一人工微结构的任一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分沿垂直于所述第三直线的方向来回弯曲而呈扭曲状。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，每一人工微结构的任一分支的第三直线靠近相连的第一直线和第二直线的两端部分沿既不平行于所述第三直线也不垂直于所述第三直线的方向来回弯曲而呈扭曲状。
4.根据权利要求2或3所述的超材料，其特征在于，每一人工微结构的任一分支的第一直线、第二直线和第三直线是铜线。
5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，每一人工微结构的任一分支的第一直线和第二直线的长度相等。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人工微结构周期性地排布于所述两介质基板之间。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构及所述人工微结构所在的两介质基板部分一起形成一个超材料单元，所述超材料单元的相对介电常数较低。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述两介质基板由聚四氟乙烯制成。
9.一种天线罩，用于罩设天线以保护天线，其特征在于，所述天线罩是由权利要求1至8中任意一项的超材料制成的。
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