CN103296463A - 一种超材料共型天线的制备方法及超材料共型天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超材料共型天线，其包括反射面、柔性基材以及周期排布于所述柔性基材上的多个人造金属微结构，所述柔性基材贴附于所述反射面上。本发明还提供一种制备上述超材料共型天线的制备方法。本发明采用柔性材料为基材制备超材料天线，使得超材料除了具备传统的调制电磁波的功能外，超材料还能很好的与各种形状的反射面贴附，该些反射面为物体自身的表面，例如飞机外壳表面、汽车外壳表面等，也可根据需求自行设计各种形状的反射面。形状可变的超材料直接贴附于各种表面上实现收发信号的功能，相比现有的抛物面式的天线，一方面无需额外设置空间，另一方面也更为美观和实用。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种超材料共型天线的制备方法及超材料共型天线。
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人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。人造微结构优选为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得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波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，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周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。
目前超材料结构的实现是通过在刚性PCB板或PS板上制作金属微结构完成，此时加工出来的超材料为平板型超材料。然而，在很多其他场合，供超材料附着的装置的表面并不为平板状，或者有些应用场所，需要非平板状的特定形状的超材料，此时采用传统的刚性PCB板或PS板上附着金属微结构的工艺就不能满足需求。
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，提出一种能根据需要改变形状、使得超材料天线能与不规则形状的反射面有效配合的超材料共型天线的制备方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种超材料共型天线其包括反射面、柔性基材以及周期排布于所述柔性基材上的多个人造金属微结构，所述柔性基材贴附于所述反射面上。
本发明还提供一种制备上述超材料共型天线的制备方法，其包括：
选取柔性材料作为基材，利用粘结剂并通过热压方式将金属箔固定于所述基材上；
将金属箔去除不需要的部分后，在基材上形成周期排布的人造金属微结构；
将粘结剂涂覆于反射面上，将形成有周期排布的人造金属微结构的基材贴附于所述反射面上。
进一步地，所述柔性材料材质为聚酯、聚酰亚胺、聚酯酰亚胺、氟碳乙烯、亚酰胺纤维纸、聚丁烯对酞酸盐、聚乙烯或聚氟乙烯。
进一步地，所述粘结剂为热熔胶，热压温度为85至95℃，热压压力为10至15kg/cm2，热压时间为20至60分钟。
进一步地，所述粘结剂为环氧基粘结剂或丙烯酸基粘结剂，热压温度为150至180℃，热压压力为15至25kg/cm2，热压时间为60至120分钟。
进一步地，通过蚀刻方式将金属箔去除不需要的部分，所述蚀刻方式包括步骤：预贴干膜、曝光、显影、蚀刻、酸洗以及退膜。
进一步地，所述预贴干膜中贴膜机压力为4-6kg/cm2，贴膜机滚轮速度为1.7-2.3m/min，贴膜温度为90至130℃。
进一步地，采用浓度为0.8-1.2％的碳酸钾进行显影，显影温度28至32℃，显影时间小于等于60秒，喷淋压力为2-3kg/cm2。
进一步地，蚀刻步骤中，蚀刻液的参数为：铜离子浓度：140-180g/L，PH值：0.4-1.0，比重：1.2-1.3，酸度：1.5-2.5N；蚀刻温度为48至52℃，喷淋压力为2-3kg/cm2。
进一步地，酸洗步骤中，采用浓度为3-5％的硫酸进行酸洗，酸洗温度为室温，酸洗时间为30-60秒，喷淋压力为1.0-1.5kg/cm2。
本发明采用柔性材料为基材制备超材料天线，使得超材料除了具备传统的调制电磁波的功能外，超材料还能很好的与各种形状的反射面贴附，该些反射面为物体自身的表面，例如飞机外壳表面、汽车外壳表面等，也可根据需求自行设计各种形状的反射面。形状可变的超材料直接贴附于各种表面上实现收发信号的功能，相比现有的抛物面式的天线，一方面无需额外设置空间，另一方面也更为美观和实用。
附图说明
图1为构成超材料的基本单元的结构示意图；
图2为本发明超材料共型天线的制备工艺流程图。
具体实施方式
以超材料原理制备超材料天线时，需在基材上周期排布人造金属微结构，使得基材各点的折射率呈一定规律变化，从而使得超材料能够实现汇聚电磁波的功能，能将从远处传来的微弱信号汇聚至馈源中，或者将馈源辐射的电磁波以平面波形式辐射出去。
如图2所示，本发明超材料共型天线通过如下方式制备：
S1：选取聚酯、聚酰亚胺、聚酯酰亚胺、氟碳乙烯、亚酰胺纤维纸、聚丁烯对酞酸盐、聚乙烯、聚氟乙烯等柔性材料为基材，利用粘结剂并通过热压的方式将金属箔固定于基材上。
本步骤中，柔性材料的选取并不局限于上述列举。粘结剂可选用热熔粘结剂，例如尼龙酚醛热熔粘结剂、含乙烯聚合物热熔粘结剂、丙烯酸树脂可固化热熔粘结剂等，也可选用热固性树脂粘结剂，例如环氧树脂粘结剂、环氧酚醛粘结剂、氨基树脂粘结剂等。
当采用热熔胶作为粘结剂时，热压过程中的参数为：热压温度60至120℃，热压压力5至35kg/cm2，热压时间为15至80分钟。
当采用环氧基的粘结剂或丙烯酸基的粘结剂时，热压过程中的参数为：热压温度200至280℃，热压压力30至40kg/cm2，热压时间为60至120分钟。其中，环氧基的粘结剂或丙烯酸基的粘结剂的型号可选取律胜PEAP0120、杜邦FR0200等。
金属箔优选为铜箔，其厚度优选为0.018毫米至0.056毫米。
S2：将金属箔去除不需要的部分后，在基材上形成周期排布的人造金属微结构。
本实施例中，将金属箔去除不需要的部分可采用蚀刻、钻刻、电子刻、离子刻等方式。优选采用蚀刻方式将金属箔加工成周期排布的人造金属微结构。
蚀刻金属箔形成周期排布的人造金属微结构的加工流程为：预贴干膜、曝光、显影、蚀刻、酸洗以及退膜。预贴干膜是指利用贴膜机在所述基材两侧贴上干膜，其中贴膜压力为4-6kg/cm2，贴膜机滚轮速度为1.7-2.3m/min，贴膜温度为90至130℃。曝光是指将贴膜后的固定有金属箔的基材在UV曝光机上进行曝光，曝光级数为6-7级(采用21级光级尺)，真空度为85％-99％。
优选地，本实施例中，曝光后的板件还将静置15-30分钟后再进行下一步处理。
显影、蚀刻、酸洗和退膜的具体参数见下表：
在上述显影步骤中，碳酸钾的浓度优选为1.0％；在上述酸洗步骤中，H2SO4浓度优选为4％，在上述退膜步骤中，氢氧化钠浓度优选为40g/L。在上述蚀刻步骤中，蚀刻母液可选用酸性氯化铜溶液，即氯化铜与氯化氢溶液。
优选地，在显影和蚀刻步骤之间还包括多次水洗步骤，在酸洗和退膜步骤之间也包括多次水洗步骤，在退膜后还将进行多次水洗并烘干。
S3：将粘结剂涂覆于反射面上，将形成有周期排布的人造金属微结构的基材贴附于反射面上。
本实施例中，粘结剂采用热熔胶，通过加热反射面的方式使得热熔胶均匀地涂覆于反射面上。
在实际应用中，反射面可为物体自身的表面，例如飞机外壳表面、汽车外壳表面等，也可根据需求自行设计各种形状的反射面。利用柔性基材，并在该柔性基材上周期排布人造金属微结构形成形状可变的超材料。形状可变的超材料直接贴附于各种表面上实现收发信号的功能，相比现有的抛物面式的天线，一方面无需额外设置空间，另一方面也更为美观和实用。
本发明还提供一种经由上述制备方法得到的超材料，其包括反射面、柔性基材以及周期排布于所述柔性基材上的人造金属微结构，所述柔性基材贴附于反射面上。
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)
1.一种超材料共型天线，其特征在于：包括反射面、柔性基材以及周期排布于所述柔性基材上的多个人造金属微结构，所述柔性基材贴附于所述反射面上。
2.一种制备权利要求1所述的超材料共性天线的制备方法，其特征在于：包括：
选取柔性材料作为基材，利用粘结剂并通过热压方式将金属箔固定于所述基材上；
将金属箔去除不需要的部分后，在基材上形成周期排布的人造金属微结构；
将粘结剂涂覆于反射面上，将形成有周期排布的人造金属微结构的基材贴附于所述反射面上。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述柔性材料材质为聚酯、聚酰亚胺、聚酯酰亚胺、氟碳乙烯、亚酰胺纤维纸、聚丁烯对酞酸盐、聚乙烯或聚氟乙烯。
4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为热熔胶，热压温度为60至120℃，热压压力为5至35kg/cm2，热压时间为15至80分钟。
5.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为环氧基粘结剂或丙烯酸基粘结剂，热压温度为200至280℃，热压压力为30至40kg/cm2，热压时间为60至120分钟。
6.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：通过蚀刻方式将金属箔去除不需要的部分，所述蚀刻方式包括步骤：预贴干膜、曝光、显影、蚀刻、酸洗以及退膜。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述预贴干膜中贴膜机压力为4-6kg/cm2，贴膜机滚轮速度为1.7-2.3m/min，贴膜温度为90至130℃。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：采用浓度为0.8-1.2％的碳酸钾进行显影，显影温度28至32℃，显影时间小于等于60秒，喷淋压力为2-3kg/cm2。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：蚀刻步骤中，蚀刻液的参数为：铜离子浓度：140-180g/L，PH值：0.4-1.0，比重：1.2-1.3，酸度：1.5-2.5N；蚀刻温度为48至52℃，喷淋压力为2-3kg/cm2。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：酸洗步骤中，采用浓度为3-5％的硫酸进行酸洗，酸洗温度为室温，酸洗时间为30-60秒，喷淋压力为1.0-1.5kg/cm2。
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