CN104966904A - 一种导电薄膜的应用以及使用该导电薄膜的天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电薄膜的应用，用于减少宽频段的无线电波或微波反射。本发明将导电薄膜作为无线电波和微波的减反膜使用，具有宽频、宽角度、偏振无关的性质，适用范围广泛，可以满足多方面的需求，同时制备简单，制备成本较低，因其超薄性可以减轻减反装置的重量，节省减反装置的成本，且携带方便。

Description

一种导电薄膜的应用以及使用该导电薄膜的天线罩

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种导电薄膜的应用以及使用该导电薄膜的天线罩。

背景技术

根据麦克斯韦方程导出的菲涅耳公式，光学减反膜已经广泛应用于日常生活中。现有的常见的减反膜主要包括三种：一是电介质减反膜，二是渐变结构表面减反膜，三是电磁超材料减反膜。

电介质减反膜：一般电介质减反膜是基于反射波的干涉相消原理，如图1所示，入射波从电介质1中入射到电介质2，当没有中间的减反膜，因为电磁波会在电介质1和电介质2的界面上发生反射，为了消除该反射波，需要在两个电介质之间插入一个减反膜，这时，在电介质1和减反膜界面上的反射波与在减反膜和电介质2界面上的反射波干涉相消，从而消除整体的反射波。该减反膜的优点是容易制备，而缺点是所需的光学厚度至少为四分之一波长，对于长波长的微波段来说，该减反膜往往会比较厚，而且一般只能工作在窄频段、窄角度的范围。

渐变结构表面减反膜：通过设计表面结构，从而让入射介质的阻抗连续过渡到出射介质的阻抗，比如，在图2中，减反膜是由具有尖劈状表面的电介质构成的，该渐变结构能够在空气的电磁阻抗和电介质2的电磁阻抗之间形成连续的过渡，从而减少甚至消除反射波。该减反膜的优点是可以工作在宽频和宽角度的范围，而缺点是厚度一般情况下比较厚，且实际制备难度较大。

电磁超材料减反膜：这是一种新型的减反膜，基于新型电磁材料，即电磁超材料，通过合适的设计，可以在电磁超材料中产生电共振和磁共振，从而可以调节电磁波在电介质1和减反膜的界面上，以及在减反膜和电介质2的界面上的反射，从而实现反射相消，达到减反的目的，如图3所示。该反射膜的优点是厚度相比于前面的减反膜可以大大减小，而缺点是一般只能工作在窄频段、窄角度的范围，且通常会依赖于入射电磁波的偏振，此外，实际设计和制备难度很大。

可见，在射频和微波波段，减反膜的概念较少被使用，这主要是两个原因：1、射频和微波波段的波长太长导致减反膜厚度太厚，按照光学减反膜原理要求，至少需要四分之一波长厚度，才能实现减反膜，而这个厚度在微波中达到了厘米量级，在射频波段中达到了米量级甚至更大，很明显，光学减反膜不适用于微波和射频电磁波；2、光学减反膜通常只适用于较窄的频段，这大大限制了减反膜的应用价值，作为减反膜的替代，在微波频段，通常使用具有特殊的渐变结构形状的吸波材料来实现减反，如微波暗室中的尖劈状碳海绵材料，然而，其厚度尺寸依然达到了厘米以上的量级，给实际应用带来了很多不变。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够减少宽频段的无线电波和微波反射的导电薄膜。

本发明的导电薄膜的应用，用于减少宽频段的无线电波或微波反射。

本发明还提供一种无共振天线罩，所述天线罩表面包裹有上述的导电薄膜。

借由上述方案，本发明将导电薄膜作为无线电波和微波的减反膜使用，具有宽频、宽角度、偏振无关的性质，适用范围广泛，可以满足多方面的需求，同时制备简单，制备成本较低，因其超薄性可以减轻减反装置的重量，节省减反装置的成本，且携带方便；另外，本发明的天线罩由于其表面包裹了一层导电薄膜，消除了天线罩的共振对天线辐射的影响。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是背景技术中电介质减反膜示意图；

图2是背景技术中渐变结构表面减反膜示意图；

图3是背景技术中电磁超材料减反膜示意图；

图4是导电薄膜作为减反膜示意图；

图5是两电介质中间没有减反膜的情况下，反射率随入射角的关系；

图6是在电介质1和电介质2之间加入导电薄膜后，反射率随入射角和频率的变化关系，(a)和(b)分别对应横电波和横磁波；

图7是介质平板1的反射率(a)和透射率(b)随入射频率变化的关系，其中(a)中的插图为结构示意图；

图8是电介质天线罩示意图，其中(a)没有在天线罩外面包裹导电薄膜减反膜，(b)在天线罩外面包裹了导电薄膜减反膜，(c)和(d)为分别对应(a)和(b)的模拟的电场分布图，工作频率为8GHz，(e)和(f)为分别对应(a)和(b)的远场辐射，其中由内至外的三条线分别对应7GHZ、7.5GHz和8GHz的工作频率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在没有减反膜的情况下，当电磁波以入射角θ从相对介电常数为ε₁的电介质1入射到相对介电常数为ε₂的电介质2时，界面上会发生反射，且反射系数(反射和入射电场的比值)为：

$r_E^{TE}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}cos\mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$ 和 $r_E^{TM}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{2}cos\mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{2}cos\mathrm{\θ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$ $\left(1\right)$

其中和分别表示横电波(电场垂直于xz平面)和横磁波(磁场垂直于xz平面)的反射系数。

为消除界面上的反射系数，在两个电介质之间加入一层超薄的导电薄膜，如图4所示，计算电介质1中的总反射系数，并令其为零，得出导电薄膜所需的表面电阻对于横电波和横磁波分别为：

$R_s^{TE}=\frac{1}{2cos\mathrm{\θ}}\[{\left(r_E^{TE}\right)}^{-1}+1\]\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}}{Z}_0$ 和 $R_s^{TM}=\frac{1}{2}\[{\left(r_E^{TM}\right)}^{-1}+1\]cos\mathrm{\θ}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}}{Z}_0$ $\left(2\right)$

表面电阻的定义为电导率σ₀和薄膜厚度d乘积的倒数，即1/(σ₀d)。公式(2)中，Z₀为真空阻抗。

需要注意的是，公式(2)的成立需要建立在条件(ε为导电薄膜的相对介电常数)的成立之上。通常情况下的超薄的导电薄膜，即k₀d＜＜1，可以满足以上条件。

当入射介质和出射介质确定后，通过公式(1)计算出和即可通过公式(2)得知所需的表面电阻，通过调节导电薄膜的电导率或薄膜厚度获得所需的表面电阻值，即可减少无线电波和微波的反射。

以ε₁＝4，ε₂＝1为例，图5所示的是没有导电薄膜时的反射系数随入射角度的变化，其中实现和虚线分别表示的横电波和横磁波的反射率，即和很明显，如果没有导电薄膜的话，反射率比较大，大约为10％。图5中入射角超过30°出现了始终为1的反射率，是由全反射引起的。

在两个电介质材料之间加入一个导电薄膜即可消除界面反射，通过公式(1)和(2)，得出正入射的情况(θ＝0°)下表面电阻需为Z₀。本实施例中导电薄膜的参数为厚度d＝60μm、电导率σ₀＝44.24S·m^-1。横电波和横磁波的反射率如图6(a)和6(b)所示，从图6中可以看出，随着入射角从0°增加到30°，入射波的频率从1GHz增加到20GHz，整个减反体系在绝大部分区域内都能够保持小于1％的反射率，而且几乎与频率没有关系，可见，该导电薄膜能够工作在整个低频微波段。

具体的，选用介质平板模型，如图7(a)中所示，介质平板1的参数为ε₁＝4+0.03i、d₁＝9.9mm，介质2为空气，在介质平板1的出射界面上贴上导电薄膜就可以消除电磁从介质平板1到介质2的反射，进而消除介质平板1内部的多重反射和法布里-珀罗共振。

图7(a)和7(b)中的波形线分别代表没有加导电薄膜时，测量的反射率和透射率，很明显可以看到随频率的振荡现象，这正是法布里-珀罗共振造成的。当在介质平板1的出射界面贴上一层超薄(d＜30μm)的表面电阻值为370Ω的导电薄膜，从图7(a)和7(b)中的直形线可以看出，透射率和反射率与频域无关了，介质平板1内的法布里-珀罗共振被消除了，也间接地验证了导电薄膜能够宽频率地消除介质1到介质2的反射，反射率不为零，是由电磁波从介质2进入介质平板1引起的。

举例说明，如图8所示的电介质天线罩示意图，其中图8(a)没有在天线罩外面包裹导电薄膜，图8(b)在天线罩外面包裹了导电薄膜减反膜。图8(c)和8(d)为分别对应8(a)和8(b)的模拟的电场分布图，工作频率为8GHz。8(e)和8(f)为分别对应8(a)和8(b)的远场辐射，其中由内至外的三条线分别对应7GHZ、7.5GHz和8GHz的工作频率。

此外，该导电薄膜减反膜还可以消除电介质天线罩内部的共振，实现无共振天线罩，改善并调节远场辐射特性，消除远场辐射对工作频率的依赖性。图8(a)所示的是一个电介质天线罩，因为在天线罩和空气界面上存在反射，会导致天线罩内部的共振现象，如图8(a)中的虚线所示，这种共振是依赖于工作频率的，比如，图8(c)中所示的是8GHz下的电场分布图，可以看到明显的共振，这导致了某些方向上的辐射有明显的增强或减弱，图8(e)为远场辐射图，其中由内至外的三条线分别对应7GHZ、7.5GHz和8GHz的工作频率，可以看出远场辐射明显依赖于工作频率。

为了消除共振和远场辐射对工作频率的依赖性，在电介质天线罩外面包裹一层导电薄膜，如图8(b)所示。图8(c)中所示的是8GHz下的电场分布图，可以看出天线罩内部为标准的柱面波，表明内部的共振被消除了，另外，图8(f)所示的远场辐射图表明，远场辐射对工作频率的依赖性也被消除了。

因天线罩由于其本身的共振，常常会对天线的辐射性能产生影响，特别是在共振频率附近。通过在天线罩外包裹一层导电薄膜，能完全消除天线罩共振对辐射的影响。

导电薄膜可以选用ITO(Indium Tin Oxide)材料制备，制备简单。

综上所述，导电薄膜是一种能导电的薄膜，主要应用于移动通讯领域的触摸屏。而本发明根据导电薄膜本身的性能，将其应用于两种电介质中以减少宽频段的无线电波和微波的反射，作为减反膜使用，使导电薄膜在光学领域具有新的用途。

可见，本发明的导电薄膜具有超薄的厚度，可以作为无线电波和微波的减反膜使用，具有宽频、宽角度、偏振无关的性质，适用范围广泛，可以满足多方面的需求，同时制备简单，制备成本较低，因其超薄性可以减轻减反装置的重量，节省减反装置的成本，且携带方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种导电薄膜的应用，其特征在于：用于减少宽频段的无线电波或微波反射。

2.一种无共振天线罩，其特征在于：所述天线罩表面包裹有权利要求1中所述的导电薄膜。