CN103579775A - 超材料及由其制成的超材料天线罩和天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料，适用于透射Ka波段的电磁波，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括一第一介质基板和阵列排布于所述第一介质基板上的多个人工微结构，每个人工微结构包括四条从同一点延伸出的尺寸相同的直线段，在以所述点为中心点的顺时针或逆时针方向上，任两相邻直线段相互垂直；每个人工微结构的四条直线段与四个相邻人工微结构的一直线段之间留有间隙，且任两相邻人工微结构的两对应的直线段位于同一直线上。这种超材料不仅可让Ka波段的电磁波高效穿过，损耗较小，而具有良好的透波性能，而且在Ka波段内透波率稳定，具有宽频特性。本发明还提供了一种由这种超材料制成的超材料天线罩和天线系统。
Description
技术领域
本发明涉及超材料及由其制成的超材料天线罩和天线系统，更具体地说，涉及一种由全新设计的超材料结构单元制成的超材料及由其制成的超材料天线罩和天线系统。
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。当前，人们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。由于可以利用人工微结构的几何形状和尺寸以及排布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。人们发现，用这种新型超材料来构建的透波天线罩具有良好的透波性能，对电磁波的损耗较小,从而日益为研究人员所关注。
传统上，制造透波天线罩时多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物。尽管这种天线罩不仅可使天线免受外界恶劣环境的影响，而且对天线的发送和/或接收的电磁波的损耗较小，但是随着技术的发展，对天线罩的透波效率提出了更高的要求，且要求反射更少，以尽可能地减少对天线电性能的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有良好透波性能的超材料及由其制成的超材料天线罩和天线系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料，适用于透射Ka波段的电磁波，其包括至少一超材料片层，每个超材料片层包括一第一介质基板和阵列排布于所述第一介质基板上的多个人工微结构，每个人工微结构包括四条从同一点延伸出的尺寸相同的直线段，在以所述点为中心点的顺时针或逆时针方向上，任两相邻直线段相互垂直；每个人工微结构的四条直线段与四个相邻人工微结构的一直线段之间留有间隙，且任两相邻人工微结构的两对应的直线段位于同一直线上。
优选地，每个人工微结构的每条直线段的长度为0.85~0.9mm。
优选地，每个人工微结构的每条直线段的长度为0.8mm。
优选地，每个人工微结构的每条直线段的宽度为0.1~0.3mm。
优选地，每个人工微结构的每条直线段的宽度为0.2mm。
优选地，每个人工微结构的每条直线段是金属线。
优选地，每个超材料片层还包括覆盖于所述多个人工微结构上的第二介质基板。
优选地，所述第一介质基板和第二介质基板均由聚四氟乙烯制成，厚度均为1.6mm。
优选地，每个超材料片层包括多个阵列排布在一起的超材料单元，每个超材料单元上具有一个所述人工微结构。
一种超材料天线罩，工作在Ka波段，其包括至少一超材料片层，每个超材料片层包括一第一介质基板和阵列排布于所述第一介质基板上的多个人工微结构，每个人工微结构包括四条从同一点延伸出的尺寸相同的直线段，在以所述点为中心点的顺时针或逆时针方向上，任两相邻直线段相互垂直；每个人工微结构的四条直线段与四个相邻人工微结构的一直线段之间留有间隙，且任两相邻人工微结构的两对应的直线段位于同一直线上。
一种天线系统，包括天线和设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩工作在Ka波段，其包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括一第一介质基板和阵列排布于所述第一介质基板上的多个人工微结构，每个人工微结构包括四条从同一点延伸出的尺寸相同的直线段，在以所述点为中心点的顺时针或逆时针方向上，任两相邻直线段相互垂直；每个人工微结构的四条直线段与四个相邻人工微结构的一直线段之间留有间隙，且任两相邻人工微结构的两对应的直线段位于同一直线上。
本发明超材料及由其制成的超材料天线罩和天线系统具有以下有益效果：由所述具有一定形状的人工微结构构成的超材料可让Ka波段的电磁波高效穿过，损耗较小，而具有良好的透波性能，而且在Ka波段内其透波率很稳定，具有宽频特性。
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是本发明超材料的一个结构示意图；
图2是图1中的结构层的平面示意图；
图3是图2中的一个人工微结构的放大示意图；
图4是图1中的一个样品的透射系数S2随某一频段的电磁波变化的曲线图；
图5是图4中某一频段的放大图；
图6是具有与图4中的样品相同尺寸的F4B单元块的透射系数S2随某一频段的电磁波变化的曲线图；
图7是本发明超材料天线罩和天线系统的一个结构示意图；
图8是本发明超材料天线罩的η值随某一频段的电磁波变化的曲线图。
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直线段、19超材料单元、20天线系统、22天线、24超材料天线罩
具体实施方式
本发明的超材料包括至少一超材料片层10，如图1所示。每个超材料片层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。所述两介质基板12、14也可由聚合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等材料制成，且所述两介质基板12、14的厚度既可相等、也可不相等。
请继续参考图2所示，所述结构层16包括多个人工微结构18，如图中由虚线分隔形成的图案。我们将每个人工微结构18及其所在的两介质基板12、14部分称为超材料单元19，如图所示。一般，每个超材料单元19的几何尺寸与穿过所述超材料的电磁波波长有关，如其几何尺寸是电磁波波长的十分之一。每个人工微结构18是由一定尺寸的线段构成的具有一定几何形状的平面或立体结构，其中，线段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线段构成的平面结构，并呈周期性排布，也即，所述多个人工微结构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。实际中，所述多个人工微结构18是通过蚀刻一覆盖于所述介质基板12（或14）上的金属箔而形成，然后再覆上所述介质基板14（或12）并将所述多个人工微结构18覆盖住即可。当然，所述多个人工微结构18还可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成在所述介质基板12或14上。
请继续参考图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大致呈十字形，包括四条从同一点延伸出的尺寸相同的直线段182，在以所述点为中心点的顺时针或逆时针方向上，任两相邻直线段182相互垂直，也即，每个人工微结构18以垂直于其所在的平面并通过所述点的直线为轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度或360度后均与初始位置的人工微结构18重合。每个人工微结构18的四条直线段182与四个相邻人工微结构18的一直线段182之间留有间隙，且任两相邻人工微结构18的两对应的直线段182位于同一直线上。每条直线段182的长度L=0.85~0.9mm、宽度W＝0.1~0.3mm。
为了验证本发明超材料对电磁波的透波效果，以下我们以一超材料单元19为样品进行仿真测试。在所述超材料单元19中，其长和宽M均为2mm；所述两介质基板12、14均由聚四氟乙烯（F4B）制成，其介电常数为2.1~2.65，损耗角正切为0.001，且所述两介质基板12、14的厚度相等，均为1.6mm；所述人工微结构18的四条直线段182的交汇点为所述所述超材料单元19的中心，所述人工微结构18的每条直线段182是由铜制成的金属线，其长度L=0.8mm、宽度W=0.2mm、厚度D=0.018mm（亦即人工微结构18的厚度为0.018mm）。仿真测得，所述样品的透射系数S2随某一频段的电磁波变化的曲线如图4和图5所示。从图可知，在大约为26~40GHz的超宽频段（大致为Ka波段：27~40GHz）内，所述样品的透射系数S2非常小。
图6所示的是具有与所述样品相同尺寸的纯F4B单元块的透射系数S2的仿真图。我们将所述样品与纯F4B单元块的透射系数S2相比较可知，在大约26~40GHz的超宽频段内，所述样品的透射系数S2比纯F4B单元块的透射系数S2小很多：例如在33GHz时，所述样品的透射系数S2为-0.2574dB，而纯F4B单元块的透射系数S2为-1.0494。由此可见，本发明不仅具有良好的透波性能，而且在超宽频段内均具有稳定的透波率。
此外，本发明超材料的人工微结构18置于所述两介质基板12、14之间，是为了将其保护保护起来，免受磨损，这样，不仅可保持稳定的电磁性能，而且具有良好的机械性能。根据实际需要，所述多个人工微结构18也排布于一个介质基板上。而且所述超材料片层10根据实际需要可做成任意性形状。如可通过热压平板状超材料片层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，如圆球形、异形，亦可使用软性的介质基板12、14来制得所述超材料片层10。
请参考图7，为本发明超材料天线罩和天线系统。所述天线系统20包括天线22和用于保护所述天线22的超材料天线罩24。所述天线22可以是贴片天线、缝隙天线、微带天线等任意类型的天线，也可以是由上述天线组成的天线阵，其馈电方式可以是同轴线、缝隙耦合、微带线等。图中所示的天线22是一贴片天线。所述超材料天线罩24位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上。根据实际需要，所述超材料天线罩24可由多片所述超材料片层10沿垂直于片层的方向通过机械连接、焊接或粘合的方式形成一体化的结构。图中所示的超材料天线罩24是由三片所述超材料片层10前、后表面直接叠加在一起形成。而且所述超材料天线罩24也可通过上述用于制造各种形状的超材料的方法而制得具有任意形状的天线罩。
另外，由于本发明超材料天线罩24的两侧均为空气，电磁波进出所述超材料天线罩24时均会反射，造成电磁波损耗，因此，需要我们通过调制所述人工微结构18来改变所述超材料天线罩24的介电常数和/或磁导率，以使本发明超材料天线罩24与空气的阻抗匹配一致。我们通过CST的Retrieval程序测得本发明超材料天线罩24的η值（即超材料天线罩的阻抗与空气的阻抗的比值）变化曲线图如图8。从图可知，η的实部re(η)大致在26~40GHz的超宽频段内约等于1，且im(η)几乎为零，可见，本发明超材料天线罩24的阻抗与空气的阻抗大致在26~40GHz的超宽频段内匹配极佳，且损耗也小，可近似为空气，得以进一步提高其透波率。
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，如所述直线段182也可由ITO、石墨或者碳纳米管等导电材料制成，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，所述超材料适用于透射Ka波段的电磁波，其包括至少一超材料片层，每个超材料片层包括一第一介质基板和阵列排布于所述第一介质基板上的多个人工微结构，每个人工微结构包括四条从同一点延伸出的尺寸相同的直线段，在以所述点为中心点的顺时针或逆时针方向上，任两相邻直线段相互垂直；每个人工微结构的四条直线段与四个相邻人工微结构的一直线段之间留有间隙，且任两相邻人工微结构的两对应的直线段位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构的每条直线段的长度为0.85~0.9mm。
3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构的每条直线段的长度为0.8mm。
4.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构的每条直线段的宽度为0.1~0.3mm。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构的每条直线段的宽度为0.2mm。
6.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构的每条直线段是金属线。
7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，每个超材料片层还包括覆盖于所述多个人工微结构上的第二介质基板。
8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板均由聚四氟乙烯制成，厚度均为1.6mm。
9.一种超材料天线罩，其特征在于，所述超材料天线罩由权利要求1-8中任一项所述的超材料制成。
10.一种天线系统，包括天线，其特征在于，所述天线系统还包括设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩是权利要求9中所述的超材料天线罩。
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