CN103296454A - 超材料及由超材料制成的天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料，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，每个人工微结构包括一十字形结构和四个分别连接于所述十字形结构的四个端部的三角环形结构，具有所述人工微结构的超材料可让一定频段的电磁波高效通过、过滤掉另一频段的电磁波，达到了选择性透波的效果。本发明还提供了一种由所述超材料制成的天线罩，这样，所述天线罩也具有选择性透波的性能。

Description

超材料及由超材料制成的天线罩

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。

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。此外，对于只是定向收发特定频率的电磁波的天线，天线罩则只需要让该特定频率的电磁波穿过即可，对于其他频率的电磁波则可由天线罩过滤掉，也即选择性透波，这样可避免杂讯对天线的干扰，提高了天线收发电磁波的质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有选择性透波功能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，每个人工微结构包括一十字形结构和四个分别连接于所述十字形结构的四个端部的三角环形结构。

优选地，所述十字形结构包括两相互正交的金属线，所述十字形结构的四个端部由所述两金属线相互分隔形成。

优选地，每个三角环形结构的一个角连接于所述十字形结构的相应端部。

优选地，每个三角环形结构上对应连接所述十字形结构的一角的金属线具有一开口。

优选地，两平行金属线垂直地连接于每个三角环形结构的开口的两端且位于所述三角环形结构的内部。

优选地，所述人工微结构是由金属线构成的平面结构。

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，所述两介质基板之一是环氧树脂玻璃纤维板，而另一介质基板由聚丙烯制成。

优选地，所述两介质基板的厚度不相等。

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，每个人工微结构包括一十字形结构和四个分别连接于所述十字形结构的四个端部的三角环形结构。

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：由于具有所述人工微结构的超材料可让一定频段的电磁波高效通过、过滤掉另一频段的电磁波，达到了选择性透波的效果，这样，由其制成的天线罩也便具有选择性透波性能。

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平面示意图；

图4是由本发明的一具体尺寸人工微结构构成的超材料随电磁波频率变化的S参数曲线示意图；

图5是图4中5-6GHz频段的放大图；

图6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、182一十字形结构、184三角环形结构、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，所述介质基板12是环氧树脂玻璃纤维板(简称FR4板)，而所述介质基板14由聚丙烯(PP)制成，且所述两介质基板12、14的厚度不相等。在其他实施例中，所述两介质基板12、14也可由其他聚合物或陶瓷材料制成。

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通常为由金属线如铜线或者银线等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，并呈周期性排布，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。故此，我们可将每个人工微结构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。

请参考图3，为本发明的人工微结构18的一个实施例。每个人工微结构18包括一十字形结构182和四个分别连接于所述十字形结构182的四个端部的三角环形结构184。所述十字形结构182包括两相互正交的金属线；所述十字形结构182的四个端部是由所述两金属线相互分隔形成的。每个三角环形结构184的一个角连接于所述十字形结构182的相应端部；每个三角环形结构184上对应连接所述十字形结构182的一角的金属线具有一开口；两平行金属线垂直地连接于每个三角环形结构184的开口的两端且位于所述三角环形结构184的内部，并平行于相应十字形结构182的两金属线之一、与另一金属线垂直。由上可知，每个人工微结构18以垂直于通过所述十字形结构182的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。

为了使得电磁波穿过超材料时反射小、透射多也即损耗小，我们在电脑仿真软件如CST上根据需要响应的电磁波的波长来不断调节所述人工微结构18的几何尺寸，并分别测量具有各种人工微结构18的超材料片层10对电磁波的反射和透射，选出对电磁波反射小、透射多的人工微结构18即可。本实施例中，在所述人工微结构18的几何形状确定的情况下，可通过不断调节其金属线的宽度及长短尺寸来仿真测量具有各种几何尺寸的人工微结构18，选出可让某一频段的电磁波透过、过滤掉另一频段的电磁波的人工微结构18，也即具有选择性透波的人工微结构18，并利用所述人工微结构18来获得所述超材料片层10。

为了验证具有本发明的人工微结构18的超材料对电磁波的选择性透波的效果，以下我们以某一具体尺寸的人工微结构18制成的超材料为样品进行实际测试，电磁波透射的S参数(透射系数取对数)和反射的S参数(反射系数取对数)随电磁波频率变化的曲线如图4所示，其中实线代表电磁波透射、虚线代表电磁波反射。从图可知，由该种具体尺寸的人工微结构18制成的超材料可让频率为5-6GHz的电磁波透射，S值大于-0.25dB(如图5)，且在此频段内，S曲线相当平稳，变化很小，具有宽频效果，同时其反射也较小；而在2-3GHz时，电磁波透射最小，大约为-10dB以下，也即所述超材料会过滤掉2-3GHz的电磁波。可见，本发明的超材料具有选择性透波且透波率高、透波频带宽的性能。

请参考图6，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，且所述介质基板14是FR4板，比较硬，使所述天线罩20具有很好的抗压等机械性能。这样，由所述超材料制成的天线罩不仅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，可保持稳定的电磁性能，而且具有良好的抗压等机械性能。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而形成。另外，也可使用软性的介质基板来制得可弯曲的超材料或者将多块平板型超材料拼接在一起，以便形成各种形状的天线罩20。而且可根据所述天线罩20需要承重的情况，将多片超材料片层10叠加在一起来增强天线罩20的机械强度，使其更坚固耐用。这时，既可将多个超材料片层10两两相互之间直接前、后表面相贴合在一起，如图6所示，也可将多个超材料片层10可等间距地排列组装在一起。同时也要考虑增加所述天线罩20的厚度后对电磁波的损耗等影响。还有，由于所述天线罩20的两侧均为空气，为了较少电磁波反射，需要保证所述超材料与空气的阻抗匹配。

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，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，每个人工微结构包括一十字形结构和四个分别连接于所述十字形结构的四个端部的三角环形结构。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述十字形结构包括两相互正交的金属线，所述十字形结构的四个端部由所述两金属线相互分隔形成。

3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，每个三角环形结构的一个角连接于所述十字形结构的相应端部。

4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，每个三角环形结构上对应连接所述十字形结构的一角的金属线具有一开口。

5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，两平行金属线垂直地连接于每个三角环形结构的开口的两端且位于所述三角环形结构的内部。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人工微结构是由金属线构成的平面结构。

7.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。

8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述两介质基板之一是环氧树脂玻璃纤维板，而另一介质基板由聚丙烯制成。

9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述两介质基板的厚度不相等。

10.一种天线罩，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9中任意一项的超材料制成的。

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