CN103296482B - 一种超材料天线反射面的制备方法 - Google Patents
一种超材料天线反射面的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种超材料天线反射面的制备方法，其包括步骤：采用冷裱机在室温环境下将胶膜覆盖于超材料天线板后表面；覆好胶膜的超材料天线板放入真空机中抽真空；采用冷裱机在室温环境下将金属箔覆盖于所述胶膜上。本发明采用冷裱机在室温环境下完成超材料反射面的制备，减少了能耗、节约生产成本且制备工艺简单。
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天线反射面的制备方法。
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。人造微结构可为人造金属微结构，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上还可覆盖有覆盖层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。
现有的超材料的制备方法均为通过在刚性PCB板上周期排布人造金属微结构构成。当利用超材料能调制电磁波的功能用来制作超材料天线时，偏馈天线和后馈天线均需要将电磁波反射出去，反射电磁波的反射面如何和超材料有效结合成为亟待解决的问题。
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，提出一种工艺简单、减少能耗、节约成本的超材料天线反射面的制备方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种超材料天线反射面的制备方法，其包括步骤：
采用冷裱机在室温环境下将胶膜覆盖于超材料天线板后表面；
覆好胶膜的超材料天线板放入真空机中抽真空；
采用冷裱机在室温环境下将金属箔覆盖于所述胶膜上。
进一步地，所述胶膜材质为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙、有机硅、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、酚醛或乙烯-醋酸乙烯共聚物。
进一步地，所述金属箔为铜箔或铝箔。
进一步地，所述超材料天线为前馈式超材料天线，馈源中轴线穿过所述超材料天线板中点，所述超材料天线板包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构。
进一步地，所述超材料天线板上，以其中心点为圆心，相同半径r处的折射率分布n(r)可为：
其中，ss为馈源距所述超材料天线板前表面的垂直距离，λ为馈源辐射的电磁波的波长，nmax为所述超材料天线板的最大折射率值，nmin为所述超材料天线板的最小折射率值。
进一步地，所述超材料天线板上，以其中心点为圆心，相同半径r处的折射率分布n(r)可为：
其中，ss为馈源距所述超材料天线板前表面的垂直距离，l为所述超材料天线板的长度，nmax为所述超材料天线板的最大折射率值，nmin为所述超材料天线板的最小折射率值。
进一步地，所述超材料天线为偏馈式超材料天线，馈源中轴线不穿过所述超材料天线板中心点，所述超材料天线板包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构。
进一步地，所述超材料天线板上，以所述馈源口径面中心点在所述超材料天线板平面上的投影点为圆心，相同半径r处的折射率分布n(r)′可为：
其中，L为馈源的口径面中心点距超材料天线板前表面的垂直距离，d为超材料天线板的厚度，nmax为超材料天线板的最大折射率值。
进一步地，所述人造金属微结构的呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。
进一步地，所述人造金属微结构的呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。
本发明采用冷裱机在室温环境下完成超材料反射面的制备，减少了能耗、节约生产成本且制备工艺简单。
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为前馈式超材料天线的结构示意图；
图3为偏馈式超材料天线的结构示意图；
图4为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案；
图5为图4所示拓扑图案的一种衍生结构；
图6为图4所示拓扑图案的一种变形结构；
图7为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；
图8为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段；
图9为本发明一实施例中超材料天线反射面的制备工艺流程图。
具体实施方式
采用超材料原理制备超材料天线时，首先需要根据馈源所在位置确定天线为前馈式天线、后馈式天线还是偏馈式天线。当采用前馈式天线和偏馈式天线时，需要在超材料远离馈源的表面贴附反射板。如图2和图3所示，图2为前馈式超材料天线的结构示意图，其包括馈源10、超材料天线板30以及反射面20，馈源10的中轴线穿过超材料天线板30的中点。馈源10辐射电磁波被超材料天线板30调制后再被反射面20反射，最终以平面波形式出射出去。为达到该效果，超材料天线板30上的折射率分布可为多种不同的形式。例如以超材料天线板中心点为圆心，相同半径r处的折射率分布可为：
其中，ss为馈源距所述超材料天线板前表面的垂直距离，λ为馈源辐射的电磁波的波长，nmax为所述超材料天线板的最大折射率值，nmin为所述超材料天线板的最小折射率值。
以超材料天线板中心点为圆心，相同半径r处的折射率分布也可为：
其中，ss为馈源距所述超材料天线板前表面的垂直距离，l为所述超材料天线板的长度，nmax为所述超材料天线板的最大折射率值，nmin为所述超材料天线板的最小折射率值。
超材料天线板30上的折射率分布并不以上述描述为限，只要能达到将电磁波以平面波形式反射出去即可。
如图3所示，图3为偏馈式超材料天线的结构示意图，其包括馈源10’、超材料天线板30’以及反射面20’，馈源10’的中轴线不指向超材料天线板30’的中心点。超材料天线板30’上的折射率分布同样可为多种不同的形式。例如以馈源10’口径面中心点在超材料天线板30’平面的投影点为圆心，半径为r处的折射率分布可为：
其中，L为馈源10’的口径面中心点距超材料天线板30’前表面的垂直距离，d为超材料天线板30’的厚度，nmax为超材料天线板30’的最大折射率值。
超材料天线板30’上的折射率分布并不以上述描述为限，只要能达到将电磁波以平面波形式反射出去即可。
确定上述超材料天线板的折射率分布后，需要在超材料天线板上虚拟划分出来的超材料基本单元上周期排布人造微结构，以改变超材料天线板每点的折射率值，从而使得超材料天线板获得上述折射率分布。人造微结构的拓扑形状和尺寸会影响其附着的超材料基本单元的折射率值，在此步骤中，可采用大型计算方式从数据库中选取合适的人造微结构的拓扑形状和尺寸。选取的人造微结构一方面需要满足各点折射率分布值的要求也需要满足超材料天线板的最大折射率值和最小折射率值的要求。如图4所示，其为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案。该人造微结构拓扑结构为呈各向同性的平面雪花型。各向同性是指沿微结构中心点将微结构在微结构所在平面上，按任意方向旋转90°后得到的新图案都与原图案重合。采用各向同性的微结构能简化设计，其对垂直微结构所在平面入射的各个方向的电磁波均具有相同的电磁响应，具有很好的一致性。
平面雪花型的微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。
图5是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。
图6是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图4所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。
得到微结构的具体拓扑图案后，可通过将微结构按照比例缩小、放大的方式获得整个超材料天线板的折射率分布，也可通过以具体的一个微结构图案为基本图形，以通过演变获得基本图形的方式来获得整个超材料天线板的折射率分布。下面详细介绍以平面雪花型为基本图形，通过演变方式获得超材料天线板折射率分布的具体步骤：
(1)确定微结构的附着基材。当超材料基本单元还包括覆盖层时，覆盖层的材质与基材材质相同。基材材质可选取FR-4、F4B或PS材料，无论选取何种材料，均可确定基材的折射率值。
(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由馈源的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元的长度CD与宽度KD。
(3)确定微结构的材料及拓扑结构。本实施例中，微结构的材料为铜，微结构的拓扑结构为图4所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本图形。
(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图4所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。
(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图4所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；一般情况下，线宽W和最小间距WL固定，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状的通过如图7至图8所示的演变方式，对应于某一特定频率，可以得到一个连续的折射率变化范围。
具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本图形为图4所示的金属微结构)：
第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图7所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大((对应天线一特定频率)。
第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图8所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。
在上述第一阶段和第二阶段的演变过程中，均需要保证演变过程中的微结构的拓扑图案为各向同性的拓扑图案。
超材料天线板制备好后，需要在其后表面贴附反射面。本发明一实施例中，反射面可为铜箔或铝箔等金属箔。请参照图9，本发明一实施例中超材料天线反射面的制备工艺流程图，其包括步骤：
S1：采用冷裱机在室温环境下将胶膜覆盖于超材料天线板后表面。
胶膜可由各种低损耗的材质制成，例如可选取聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙、有机硅等热塑性树脂及其改性品种，也可选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、酚醛等热固性树脂，还可选用乙烯-醋酸乙烯共聚物。
胶膜表面积略大于超材料天线板后表面面积，以便全面覆盖超材料天线板后表面。
采用冷裱机覆胶膜的具体操作过程为：将裁切好的胶膜放入冷裱机胶辊间，冷裱机前端被两轴压住，将胶膜与隔离纸分开，将胶膜拉向机器后方包住上滚轴，将隔离纸平放于冷裱机前工作面板上，在靠近轴的部位用手轻压隔离纸使得隔离纸与胶膜尽量分离，将超材料天线板放在隔离纸上摆正，用手从超材料天线板上端的中部向两端扶平，转动冷裱机使得超材料天线板压入两滚轴中间均匀覆膜。
S2：将覆好胶膜的超材料天线板放入真空机中抽真空。
抽真空能将步骤S1中可能填充于薄膜和超材料天线板之间的部分空气排除出去，保证胶膜能紧密贴附于超材料天线板上。
S3：采用冷裱机在室温环境下将金属箔覆盖于所述胶膜上。
金属箔可采用铜箔或铝箔等，金属箔面积也略大于超材料天线板后表面面积，以便全面覆盖超材料后表面。
用冷裱机覆金属箔的具体操作过程为：将裁切好的金属箔放入冷裱机胶辊间，冷裱机前端被两轴压住，将金属箔与隔离纸分开，将金属箔拉向机器后方包住上滚轴，将隔离纸平放于冷裱机前工作面板上，在靠近轴的部位用手轻压隔离纸使得隔离纸与金属箔尽量分离，将覆盖有胶膜的超材料天线板放在隔离纸上摆正，用手从超材料天线板上端的中部向两端扶平，转动冷裱机使得超材料天线板压入两滚轴中间均匀覆上金属箔。
采用冷裱机在室温环境下完成超材料反射面的制备，减少了能耗、节约生产成本且制备工艺简单。
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)
1.一种超材料天线反射面的制备方法，其特征在于：包括步骤：
采用冷裱机在室温环境下将胶膜覆盖于超材料天线板后表面；
覆好胶膜的超材料天线板放入真空机中抽真空；
采用冷裱机在室温环境下将金属箔覆盖于所述胶膜上；
所述采用冷裱机在室温环境下将胶膜覆盖于超材料天线板后表面的具体操作过程为：将裁切好的胶膜放入冷裱机胶辊间，冷裱机前端被两轴压住，将胶膜与隔离纸分开，将胶膜拉向机器后方包住上滚轴，将隔离纸平放于冷裱机前工作面板上，在靠近轴的部位用手轻压隔离纸使得隔离纸与胶膜尽量分离，将超材料天线板放在隔离纸上摆正，用手从超材料天线板上端的中部向两端扶平，转动冷裱机使得超材料天线板压入两滚轴中间均匀覆膜；
所述采用冷裱机在室温环境下将金属箔覆盖于所述胶膜上的具体操作过程为：将裁切好的金属箔放入冷裱机胶辊间，冷裱机前端被两轴压住，将金属箔与隔离纸分开，将金属箔拉向机器后方包住上滚轴，将隔离纸平放于冷裱机前工作面板上，在靠近轴的部位用手轻压隔离纸使得隔离纸与金属箔尽量分离，将覆盖有胶膜的超材料天线板放在隔离纸上摆正，用手从超材料天线板上端的中部向两端扶平，转动冷裱机使得超材料天线板压入两滚轴中间均匀覆上金属箔。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述胶膜材质为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙、有机硅、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、酚醛或乙烯-醋酸乙烯共聚物。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属箔为铜箔或铝箔。
4.如权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于：所述超材料天线为前馈式超材料天线，馈源中轴线穿过所述超材料天线板中点，所述超材料天线板包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述超材料天线板上，以其中心点为圆心，相同半径r处的折射率分布n(r)为：
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其中，ss为馈源距所述超材料天线板前表面的垂直距离，λ为馈源辐射的电磁波的波长，nmax为所述超材料天线板的最大折射率值，nmin为所述超材料天线板的最小折射率值。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述超材料天线板上，以其中心点为圆心，相同半径r处的折射率分布n(r)为：
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其中，ss为馈源距所述超材料天线板前表面的垂直距离，l为所述超材料天线板的长度，nmax为所述超材料天线板的最大折射率值，nmin为所述超材料天线板的最小折射率值。
7.如权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于：所述超材料天线为偏馈式超材料天线，馈源中轴线不穿过所述超材料天线板中心点，所述超材料天线板包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述超材料天线板上，以所述馈源口径面中心点在所述超材料天线板平面上的投影点为圆心，相同半径r处的折射率分布n(r)'为：
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其中，L为馈源的口径面中心点距超材料天线板前表面的垂直距离，d为超材料天线板的厚度，nmax为超材料天线板的最大折射率值。
9.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。
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