CN103296451B - 基于人造金属微结构单元的透波材料及天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于人造金属微结构单元的透波材料及天线罩，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括一块基板、一块包覆板及夹在所述基板和包覆板中间的人造金属微结构，所述基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元附着有一个人造金属微结构，所述人造金属微结构包括相互正交的两个连接臂，所述连接臂的端部向两侧延伸形成有延伸臂，所述延伸臂的端部向外曲折延伸形成有曲臂。本发明通过改变人造金属微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现该材料的阻抗与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，所以减少了入射电磁波由空气进入该材料时的反射，即减少了入射电磁波的回波损耗。

Description

基于人造金属微结构单元的透波材料及天线罩
技术领域
本发明涉及一种材料及天线罩，更具体地说，涉及一种基于人造金属微结构单元的透波材料及天线罩。
背景技术
电磁波在传输过程中如果经过不同阻抗的材料，会在交界面处发生反射，为了减少电磁波的反射，减少能量损失，在电磁波的传输中需要考虑阻抗匹配。
超材料是一种新型人工合成材料，包括由金属线构成的具有一定图案形状的人造微结构和人造微结构所附着的基板，多个人造微结构在基板上阵列排布，基板对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸小于所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。
由于金属微结构的存在，超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；同时，对金属微结构设计不同的具体结构和形状，可改变整个超材料的响应特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中电磁波由空气传播到相邻介质时由于阻抗不匹配会出现电磁波反射及能量损耗的缺陷，提供一种基于人造金属微结构单元的透波材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于人造金属微结构单元的透波材料，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括一块基板、一块包覆板及夹在所述基板和包覆板中间的人造金属微结构，所述基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元附着有一个人造金属微结构，所述人造金属微结构包括相互正交的两个连接臂，所述连接臂的端部向两侧延伸形成有延伸臂，所述延伸臂的端部向外曲折延伸形成有曲臂。
进一步地，所述每一人造金属微结构的连接臂与所述延伸臂形成相互正交的两个工字形结构。
进一步地，所述每一人造金属微结构的延伸臂与位于所述延伸臂两端的曲臂形成具有一开口的工字形结构。
进一步地，所述工字形结构的开口位于所述曲臂之间，并位于所述连接臂的延伸方向上。
进一步地，所述人造金属微结构由铜线或银线制成。
进一步地，所述基板由陶瓷材料或聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或FR-4环氧玻璃纤维制成。
进一步地，所述包覆板是高密度聚乙烯板。
进一步地，本发明还公开了一种天线罩，所述天线罩由基于人造金属微结构单元的透波材料制成，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括一块基板、一块包覆板及夹在所述基板和包覆板中间的人造金属微结构，所述基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元附着有一个人造金属微结构，所述人造金属微结构包括相互正交的两个连接臂，所述连接臂的端部向两侧延伸形成有延伸臂，所述延伸臂的端部向外曲折延伸形成有曲臂。
进一步地，所述每一人造金属微结构的连接臂与所述延伸臂形成相互正交的两个工字形结构。
进一步地，所述每一人造金属微结构的延伸臂与位于所述延伸臂两端的曲臂形成具有一开口的工字形结构。
实施本发明具有以下有益效果：通过改变人造金属微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现该材料的阻抗与空气的阻抗值基本相等，即实现阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，所以减少了入射电磁波由空气进入该材料时的反射，即减少了入射电磁波的回波损耗。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于人造金属微结构单元的透波材料的一个材料片层的结构示意图；
图2实施例中的人造金属微结构的结构示意图；
图3是本发明实施例提出的基于人造金属微结构单元的透波材料的S参数仿真图。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明提供一种基于人造金属微结构单元的透波材料，该材料包括多个材料片层，每个材料片层包括一块基板1、两块包覆板2及夹在所述基板1和包覆板2中间的人造金属微结构3，所述基板1为由陶瓷材料、聚四氟乙烯材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料制成或为FR-4环氧玻璃布层压板。在本实施例中，所述基板1为FR-4环氧玻璃布层压板，其具有低价位，良好接着力，低吸湿性，绝缘性好，耐燃性好，稳定性好，电气性能好等优点。
所述基板1虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元附着有一个人造金属微结构3，即所述人造金属微结构3附着在所述基板1的相对两表面上，在本实施例中，本发明采用在基板1上印制所述人造金属微结构3，然后包覆所述包覆板2的设计，因而很大程度上降低了工艺复杂性和操作成本。
所述人造金属微结构3包括相互正交的两个连接臂31，所述连接臂31的端部向两侧延伸形成有延伸臂32，所述每一人造金属微结构3的连接臂31与所述延伸臂32形成相互正交的两个工字形结构。所述延伸臂32的端部向外曲折延伸形成有曲臂33，所述每一人造金属微结构3的延伸臂32与位于所述延伸臂32两端的曲臂33形成具有一开口34且中空的工字形结构，所述工字形结构的开口34位于所述曲臂33之间，并位于所述连接臂31的延伸方向上。所述人造金属微结构3可由铜线或银线制成，在本实施例中，其由银线制成。
所述两包覆板2分别设置在所述基板1的相对两侧，在本实施例中，所述包覆板2是高密度聚乙烯(HDPE)板，当需要厚度较厚的超材料板时多个材料片层和各包覆板2之间通过组装或者在每两块包覆板2之间填充可连接二者的物质，其在固化后将已有的两包覆板2粘合，从而使多个材料片层构成一个整体。相对于现有的材料，通过改变材料的内部结构，则可实现对应需要匹配的阻抗值。
本发明的透波材料应用在天线罩上时，其电磁波通过所述基于人造金属微结构单元的透波材料的仿真图如图3所示，仿真结果显示：在频率14.5GHz以上，这种材料整体具有良好的透波性能，即有效地实现与空气阻抗的匹配，16GHz附近透射系数S2，1大于-0.2dB的带宽达到1GHz以上。另外，在9GHz附近，天线罩的反射系数S1，1最大，透射最小，在此频点附近可以作为选择性滤波功能使用，因此，本发明的透波材料应用在天线罩上时，则可削弱无用的电磁波对天线的干扰，增强整个通信系统的性能。
当需要在其他频段与空气进行匹配时，可以通过改变材料单元的尺寸或者造金属微结构尺寸来实现，尺寸变小匹配频段后移，尺寸变大匹配频段前移。
综上所述，本发明通过改变人造金属微结构3的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现该材料的阻抗与空气的阻抗值基本相等，即实现阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，所以减少了入射电磁波由空气进入该材料时的反射，即减少了入射电磁波的回波损耗。
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，还可做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于人造金属微结构单元的透波材料，其特征在于，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括一块基板、一块包覆板及夹在所述基板和包覆板中间的人造金属微结构，所述基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元附着有一个人造金属微结构，所述人造金属微结构包括相互正交的两个连接臂，所述连接臂的端部向两侧延伸形成有延伸臂，所述延伸臂的端部向外曲折延伸形成有曲臂，其中每一所述人造金属微结构的延伸臂与位于所述延伸臂两端的曲臂形成具有一开口的工字形结构。
2.根据权利要求1所述的基于人造金属微结构单元的透波材料，其特征在于，每一所述人造金属微结构的连接臂与所述延伸臂形成相互正交的两个工字形结构。
3.根据权利要求2所述的基于人造金属微结构单元的透波材料，其特征在于，所述工字形结构的开口位于所述曲臂之间，并位于所述连接臂的延伸方向上。
4.根据权利要求1至3任一所述的基于人造金属微结构单元的透波材料，其特征在于，所述人造金属微结构由铜线或银线制成。
5.根据权利要求1至3任一所述的基于人造金属微结构单元的透波材料，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、聚四氟乙烯材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或FR-4环氧玻璃纤维制成。
6.根据权利要求1至3任一所述的基于人造金属微结构单元的透波材料，其特征在于，所述包覆板是高密度聚乙烯板。
7.一种天线罩，其特征在于，所述天线罩由基于人造金属微结构单元的透波材料制成，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括一块基板、一块包覆板及夹在所述基板和包覆板中间的人造金属微结构，所述基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元附着有一个人造金属微结构，所述人造金属微结构包括相互正交的两个连接臂，所述连接臂的端部向两侧延伸形成有延伸臂，所述延伸臂的端部向外曲折延伸形成有曲臂，每一所述人造金属微结构的延伸臂与位于所述延伸臂两端的曲臂形成具有一开口的工字形结构。
8.根据权利要求7所述的天线罩，其特征在于，每一所述人造金属微结构的连接臂与所述延伸臂形成相互正交的两个工字形结构。
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