CN103794865B - 一种超材料、天线装置及天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料，所述超材料包括基板和设置在所述基板上的、均匀布满所述基板的、且设置方向一致的、使具有特定极化方向的电磁波透过所述基板并传输的金属微结构单元；所述一个金属微结构单元包括一个其结构尺寸小于该单元尺寸的金属微结构；所述基板上的所有金属微结构单元在其四面依次相邻且排列方向相同。本发明还涉及一种使用上述材料的天线装置和天线罩。实施本发明的超材料、天线装置及天线罩，具有以下有益效果：其实现选择特定极化方向的电磁波通过功能具有构较为简单、没有较多的限制条件、成本较低的优点。

Description

一种超材料、天线装置及天线罩

技术领域

本发明涉及通讯领域，更具体地说，涉及一种超材料、天线装置及天线罩。

背景技术

在通讯领域中，经常需要对通讯过程中发射和接收的电磁波信号进行极化选择接收，即只接收设计方向的线极化，而对于与设计极化方向正交的信号产生较大反射，以提升通讯系统中接收机的性能，便于其在复杂的电磁环境中更好地接收到其需要的电磁信号。由于普通介质材料为各向同性且不可设计改变，所以不能使用普通的介质材料来实现上述功能。实际上，在现有技术中，通常是通过增加接收机的天线阵子的交叉极化比来接收极性一致的电磁波而区别极性不一致的电磁波的。现有技术中的这种方法虽然在一定程度上也能够实现上述功能，但是，其结构较为复杂、有较多的限制条件、成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述结构较为复杂、有较多的限制条件、成本较高的缺陷，提供一种构较为简单、没有较多的限制条件、成本较低的超材料、天线装置及天线罩。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超材料，所述超材料包括基板和设置在所述基板上的、且设置方向一致的、使具有特定极化方向的电磁波透过所述基板并传输的金属微结构单元；所述一个金属微结构单元包括一个其结构尺寸小于该单元尺寸的金属微结构；所述基板上的所有金属微结构单元在其四面依次相邻且排列方向相同。

更进一步地，所述金属微结构通过蚀刻或光刻附着在所述基板上，所述基板为介电材料。

更进一步地，所述金属微结构包括长度相同且相互平行的第一支路和第二支路，以及连接所述第一支路和第二支路之间的第三支路；所述第一支路两端还分别连接有与所述第一支路呈设定夹角向所述第二支路方向延伸的第四支路；所述第二支路两端还分别连接有与所述第二支路呈设定夹角向所述第一支路方向延伸的第五支路。所述第四支路和第五支路延伸出来的端点悬空。

更进一步地，所述第三支路垂直连接在所述第一支路和第二支路长度方向的中点上，所述第四支路和所述第五支路分别对称于所述第三支路；所述第四支路和第五支路对称于所述第三支路长度方向上的中点。

更进一步地，所述金属微结构单元的尺寸与其工作频率成反比，所述工作频率越高，其对应的金属微结构单元的尺寸越小。

更进一步地，所述第四支路和所述第一支路以及所述第五支路和所述第二支路之间的夹角均为锐角。

更进一步地，所述第四支路和所述第一支路之间和所述第五支路和所述第二支路之间的夹角均为直角。

本发明还涉及一种天线装置，所述天线装置包括至少一个天线阵子以及设置在所述天线阵子的电磁波入射方向上的具有使特定方向极化的电磁波透过功能的材料；所述材料是上述任意一项所述的超材料。

更进一步地，所述超材料设置在距所述天线阵子1/2-1/10波长的位置上，所述波长是所述天线装置工作频段的中心频率的波长。

更进一步地，所述超材料所占面积的任意一边长度为0.3-2倍波长。

本发明还涉及一种天线罩，所述天线罩用于安装在天线或天线阵子或阵列之外，所述天线罩的电磁波入射面由上述任意一项所述的具有使特定极化方向的电磁波透过功能的材料构成。

实施本发明的超材料、天线装置及天线罩，具有以下有益效果：由于对基板上的金属微结构进行配置而实现该材料的极化选择性能，具体而言是通过对尺寸为工作波长尺寸的1/20~1/4的各项异性的金属微结构的设计，使得该超材料具有设定方向的极化特性，且在所需的工作频段和其自身极化一致的电磁波相互感应，进而使其选择性通过。而对于与其极化不一致的电磁波，产生较大反射(部分频段反射可以增加26dB)，从而达到屏蔽极化方向不一致信号的效果。因此，其实现选择特定极化方向的电磁波通过功能具有构较为简单、没有较多的限制条件、成本较低的优点。

附图说明

图1是本发明一种超材料、天线装置及天线罩实施例中一种情况下金属微结构单元在基板上的结构示意图；

图2是所述实施例中另一种情况下金属微结构单元在基板上的结构示意图；

图3是所述实施例中金属微结构的一种结构示意图；

图4是所述实施例中金属微结构的另一种结构示意图；

图5是所述实施例中金属微结构的另一种结构示意图；

图6是所述实施例中天线阵子与材料的位置侧面示意图；

图7是所述实施例中天线阵子与材料的摆放位置示意图；

图8是所述实施例中天线阵子与材料的另一种摆放位置示意图；

图9是所述实施例中一种情况下相同极化方向的电磁波传输特性示意图；

图10是所述实施例中一种情况下不同极化方向的电磁波传输特性示意图；

图11是所述实施例中一致极化平面波垂直入射时该材料的S参数曲线图；

图12是所述实施例中正交极化平面波垂直入射时该材料的S参数曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明的具有使特定极化方向的电磁波透过功能的材料、天线装置及天线罩实施例中，该具有使特定方向极化的电磁波透过功能的材料包括基板10和金属微结构单元11；这些金属微结构单元11设置在基板10上，均匀布满基板10且在基板10的设置方向一致；同时，这些金属微结构单元11使得具有特定极化方向的电磁波透过基板10并继续传输，而不具有特定极化方向的电磁波则被反射，不能透过上述基板10传输。一个金属微结构单元11包括一个其结构尺寸小于该单元尺寸的金属微结构12；基板10上的所有金属微结构单元11在其四面依次相邻且排列方向相同。值得一提的是，在图1中，为了便于说明问题以及描述的方便，给出了每个金属微结构12四周的虚线，表示一个金属微结构单元11的边界；同时，图1中还给出了表示基板边界的细实线。但是，在实际运用中，该基板10上除了上述金属微结构12外并不存在其他线条，图1中的虚线仅仅是为了便于理解而添加的。也就是说，在实际应用时，直接在基板10上生成多个方向一致的金属微结构12即可，这些金属微结构12之间是相互隔离的，其间有一定的距离（图1中的虚线及空出部分），这一部分空出的距离就是相邻的两个金属微结构单元11的没有分布金属微结构12的部分。在本实施例中，上述金属微结构12的长度和宽度是相等的，且与其工作频段的中心频率的波长相关，一般来讲，选择该中心频率波长的1/3到1/5作为金属微结构12的长度。由于金属微结构12的长度和宽度是相等的，所以金属微结构单元11的长度和宽度也是相等的。

在本实施例中，上述金属微结构12是通过蚀刻或光刻附着在基板10上的，而基板10为板状的介电材料。通常来讲，可以在单面覆铜的板状介电材料上对其覆铜进行蚀刻或光刻，得到上述多个金属微结构12。在下面的说明中，为了便于叙述，仅仅示出了覆铜面在介电材料一面的情况。但是，这并不代表在本实施例中仅仅只有这种情况，在一些情况下，还可以有别的方式。例如，可以在一个单面覆铜的介电材料上得到上述金属微结构12，之后，在上述金属微结构12的表面再次覆盖一层介电材料，使得该金属微结构12处于两层介电材料之间。

在本实施例中，上述金属微结构12在基板10上的排列方式是一致的，也就是说，在一个基板10上的所有金属微结构12在基板10上的排列方向是一致的。图1中示出了本实施例中金属微结构12的一种排列方法，在图1中，基板10上的所有金属微结构12端正地排列在基板10上；而图2示出了在本实施例中金属微结构12的另一种在基板10上的排列方法，在图2中，所有的金属微结构12向同一个方向倾斜45度并排列在基板10上。当然，本实施例中的这些排列方式，也可以说成是金属微结构12在金属微结构单元11中摆放的方向不同，而各金属微结构单元11在基板10上的摆放是相同的。同样地，图1和图2也是为了描述方便而举出的在本实施例中金属微结构12在基板10上的排列方式的两个例子，在本实施例中的一些情况下，这些金属微结构12的排列方式也可以不一样，例如，可以在图1的基础上旋转90度，也可以向图2中倾斜方向的相反方向倾斜等等。

在本实施例中，金属微结构12可以具有多种变形，但是不管如何变形，其共同的结构特点是存在的。图3、图4和图5分别列举了在本实施例中的集中金属微结构12的具体结构。同样地，这些结构仅仅用于说明本实施例中金属微结构12的具体构造，并不构成对本实施例中所有金属微结构12的限定。值得一提的是，在本实施例中，一旦选定一种具体的金属微结构12，设置在基板10上的所有金属微结构12都必须是这种选定的构造。在本实施例中，如图3所示。金属微结构12包括长度相同且相互平行的第一支路31和第二支路32，以及连接第一支路31和第二支路32之间的第三支路33；同时，第一支路31两端还分别连接有与第一支路31呈设定夹角、且向第二支路32方向延伸的第四支路34；第二支路32两端还分别连接有与第二支路32呈设定夹角、且向第一支路31方向延伸的第五支路35；在本实施例中，第四支路和第五支路延伸出来的端点（即未与上述第一支路31或第二支路32连接的端点）悬空。在本实施例中，第三支路33垂直连接在第一支路31和第二支路32长度方向的中点上，第四支路34和第五支路35分别对称于第三支路33，也就是说，第四支路34连接在第一支路31两端的两个部分以第三支路33为轴相互对称，而第五支路35连接在第二支路32两端的两个部分以第三支路33为轴相互对称；第四支路34和第五支路35对称于第三支路33长度方向上的中点，即在本实施例中，实际上，第四支路34和第五支路35的结构是相同的，且第四支路34和第五支路35以经过第三支路33的长度方向的中点且分别平行与所述第一支路31和第二支路32的直线为轴相互对称。

在本实施例中，第四支路34和第一支路31之间的夹角均为锐角，同样地，第五支路35和第二支路32之间的夹角也为锐角。请参见图3和图4。在图3和图4中，金属微结构12的区别仅仅在于夹角（均为锐角）的大小以及延伸的长度不同。而在本实施例的另外一些的情况下，上述第四支路34和第一支路31之间的夹角可以为直角，同时，第五支路35和第二支路32之间的夹角也是直角，请参见图5。

在本实施例中，正如前面所述的一样，金属微结构单元11的尺寸大于金属微结构12的尺寸。也就是说，金属微结构12的尺寸是受限于金属微结构单元11的尺寸的。金属微结构单元11的尺寸越大，金属微结构12的尺寸也就越大。通常来讲，金属微结构单元11的尺寸与其工作频率成反比，天线或天线阵子的工作频率越高，其对应的金属微结构单元11的尺寸越小；这是由于金属微结构12的尺寸与工作波长成正比的缘故。

在本实施例中，还涉及一种天线装置，该天线装置包括至少一个天线阵子以及设置在所述天线阵子的电磁波入射方向上的具有使特定方向极化的电磁波透过功能的超材料；这里的超材料是前面所述的具有使特定方向极化的电磁波透过功能的超材料72，请参见图6，在图6中，示出了上述超材料72和天线阵子71的侧面位置示意图。在图6中，天线阵子71的前方（即在该天线阵子71的电磁波入射面上）设置有上述超材料72。也就是说，当电磁波首先通过上述材料72，再达到天线阵子71（如果该电磁波能够透过上述超材料72的话）。在本实施例中，上述材料72到天线阵子71的距离为1/2-1/10个波长。这里的波长是天线装置工作频段的中心频率的波长。此外，在本实施例中，上述材料在电磁波入射方向上来讲，是将其对应的天线阵子71遮挡住的。也就是说，在图6中，从电磁波入射方向上来讲，上述超材料72的面积是大于天线阵子71的面积的。在其他的一些情况下，上述超材料72也可以不是将天线阵子71完全遮挡住。具体来讲，在本实施例中，对应于一个天线阵子71的上述超材料72所占面积（在电磁波入射方向上的投影面积）的任意一边长度为0.3-2倍工作波长的长度。这样的设置可以减小电磁波的绕射效果。图7和图8分别示出了前面提及的由于金属微结构在基板上不同的排列方式而得到的材料对于天线阵子不同的摆放方式。其中，图7是按照图1中的金属微结构排列方式得到的材料对于天线阵子的设置方式，而图8是按照图2中的金属微结构排列方式得到的材料对于天线阵子的设置方式.这两种设置方式都可以实现本实施例中的设定极化方向电磁波的选择功能。

此外，在本实施例中，还涉及一种天线罩，该天线罩用于安装在天线或天线阵子或阵列之外，围绕天线或天线阵子。在本实施例中，该天线罩的电磁波入射面由上述具有使特定方向极化的电磁波透过功能的材料构成。

综上所述，在本实施例中，通过对介于电磁波波长1/20~1/4的金属微结构的设计，使得由这种结构在基板上周期排布形成的新型电磁材料可以使极化一致的电磁波通过，而使正交极化的电磁波反射，从而达到使得该材料具有使特定方向极化的电磁波透过功能。

在本实施例中，该极化选择材料的工作频段可以根据需求设计，以目前通讯频段为例（例如，中心工作频率为2GHz）说明如下：极化选择材料的微结构单元（请参见图3、4和5）选取长宽均为中心频率波长的1/4。极化选择材料通过单层覆铜的蚀刻工艺实现。基板选取0.4mm厚的聚四氟乙烯（PTFE），其介电常数为2.1，损耗在10GHz时为0.0002。覆铜厚度选择0.018mm，电导率为5.8*10^7。将上述微结构单元以如图1或图2所示的方式进行周期性排布构成极化选择材料。在本实施例中，与极化选择材料极化一致的平面波垂直入射后的反射透射情况请参见图9，其中，颜色较深的曲线为体现反射的S11参数，颜色较浅的曲线是体现透射的S21参数。从图9中可以看出，在1840-2650MHz频段反射小于-15dB, 透射损耗小于0.17dB（透波率大于96%）。图10展示了与极化选择材料正交的电磁波垂直入射此极化选择材料的情况。从图10中可以看出，在同一频率段反射大于-8dB，透射损耗大于0.85dB（透波率小于90%），在部分频段透射损耗达到15分贝以上（透波率小于18%）。这主要来源于对金属微结构的各向异性设计，而对于一般的各项同性介质材料无法达到极化选择的效果。

将此极化选择材料放置在金属偶极子半波振子上方（振子工作频段1880-2690MHz，驻波比小于1.3，工作相对带宽35%），距离金属振子上表面1/5中心频率波长（请参见图6），并且将极化选择材料旋转至与振子+45极化方向一致（请参见图7）。半波振子的反应近场距离为0~λ/（2π)，辐射近场距离为λ/（2π）~2D^2/λ，而辐射远场距离为 2D^2/λ以上（λ为中心频率波长），极化选择材料放置位置介于反应近场和辐射远场之间的辐射近场。图11展示了引入极化选择材料后交叉极化振子两个极化方向电磁波的反射情况，其中，颜色较深的曲线反映了与极化选择材料极化一致的+45度振子的S11参数，颜色较浅的曲线反映了极化正交的-45度阵子的S11参数。在1800-2270MHz频段间，+45度极化振子S11参数低于-15dB，显示出良好辐射性能。而-45度极化振子由于电磁波被极化选择材料反射，大部分能量被反射回激励振子的馈线中，S11参数高于-8dB，未能良好辐射。

通过对微结构的设计和将极化选择材料的适当放置，加入极化选择材料不会使交叉极化振子自身的隔离度恶化。图12展示了引入极化选择材料（相对位置如图5所示）和不引入此材料交叉极化振子间隔离度的比较，颜色较深的曲线为引入极化选择材料的情况，颜色较浅的曲线为未引入时情况。对比可以发现极化选择材料在工作频段内没有使本身交叉极化振子隔离度恶化。

上述例子仅以通讯频段为例展示了极化选择材料的性能，在本实施例中，对于其他频段设计可以根据工作频段波长进行等比例扩比（频率更低情况）或缩比（频率更高情况）。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种超材料，其特征在于，所述超材料包括基板和设置在所述基板上的、设置方向一致的、使具有特定极化方向的电磁波透过所述基板并传输的金属微结构单元；所述一个金属微结构单元包括一个其结构尺寸小于该单元尺寸的金属微结构；所述基板上的所有金属微结构单元在其四面依次相邻且排列方向相同；所述金属微结构的尺寸为具有特定极化方向的电磁波波长1/20-1/4，所述金属微结构的长度和宽度尺寸相等，所述金属微结构单元的长宽相等且等于电磁波中心频率波长的1/5-1/3；

所述金属微结构包括长度相同且相互平行的第一支路和第二支路，以及连接所述第一支路和第二支路之间的第三支路；所述第一支路两端还分别连接有与所述第一支路呈设定夹角向所述第二支路方向延伸的第四支路；所述第二支路两端还分别连接有与所述第二支路呈设定夹角向所述第一支路方向延伸的第五支路；所述第四支路和第五支路延伸出来的端点悬空；

所述第四支路和所述第一支路以及所述第五支路和所述第二支路之间的夹角均为锐角。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述金属微结构通过蚀刻或光刻附着在所述基板上，所述基板为介电材料。

3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述第三支路垂直连接在所述第一支路和第二支路长度方向的中点上，所述第四支路和所述第五支路分别对称于所述第三支路；所述第四支路和第五支路对称于所述第三支路长度方向上的中点。

4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述金属微结构单元的尺寸与其工作频率成反比，所述工作频率越高，其对应的金属微结构单元的尺寸越小。

5.一种天线装置，其特征在于，所述天线装置包括至少一个天线阵子以及设置在所述天线阵子的电磁波入射方向上的具有使特定方向极化的电磁波透过功能的材料；所述材料是如权利要求1-4任意一项所述的超材料。

6.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于，所述超材料设置在距所述天线阵子1/2-1/10波长的位置上，所述波长是所述天线装置工作频段的中心频率的波长。

7.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，所述超材料所占面积的任意一边长度为0.3-2倍波长。

8.一种天线罩，所述天线罩用于安装在天线或天线阵子或阵列之外，其特征在于，所述天线罩的电磁波入射面由如权利要求1-4任意一项所述的超材料构成。