CN105789912B - 吸波超材料、天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸波超材料、天线罩和天线系统，其能实现垂直入射和大角度入射条件下反射率的降低。其中的吸波超材料包括磁性电磁吸波材料层以及与磁性电磁吸波材料层相结合的导电几何结构层；所述导电几何结构层由依次排布的多个导电几何结构单元组成，每个所述导电几何结构单元包括非封闭的环状导电几何结构，所述环状导电几何结构的开口处设置有相对平行的两个条形结构。

Description

吸波超材料、天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及电磁吸波材料以及包含它的天线罩和天线系统。

背景技术

传统吸波材料，尤其是以橡胶为基体，配比高性能吸收剂的吸波贴片材料，通过较高的磁导率和磁损耗实现电磁吸收和电磁隔离。但伴随着高磁导率和高磁损耗，吸波材料的介电常数也比较高，在L、S频段的相对介电常数通常在15以上。在这种情况下，电磁波在吸波材料表面的反射比较严重，不利于对电磁波的吸收。尤其在大角度入射的条件下，反射更加严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸波超材料、天线罩和天线系统，其能实现垂直入射和大角度入射条件下反射率的降低。

一种吸波超材料包括磁性电磁吸波材料层以及与磁性电磁吸波材料层相结合的导电几何结构层；所述导电几何结构层由依次排布的多个导电几何结构单元组成，每个所述导电几何结构单元包括非封闭的环状导电几何结构，所述环状导电几何结构的开口处设置有相对平行的两个条形结构。

在一实施例中，所述环状导电几何结构设置有一个以上的所述开口。

在一实施例中，所述环状导电几何结构呈圆形、椭圆形、三角形或多边形。

在一实施例中，磁性电磁吸波材料层介电常数为5-30，磁导率为1-7。

在一实施例中，导电几何结构单元呈周期阵列排布。

在一实施例中，所述磁性电磁吸波材料层的表面还设置有金属背板。

在一实施例中，所述磁性电磁吸波材料层是吸波贴片材料。

在一实施例中，所述导电几何结构单元附着于所述磁性电磁吸波材料层或者嵌入在所述磁性电磁吸波材料层中。

在一实施例中，所述磁性电磁吸波材料层包括基体以及结合于所述基体的吸收剂。

在一实施例中，所述导电几何结构单元是具有外接圆的形状，所述外接圆的直径为工作频段自由空间电磁波长的1/20-1/5。

在一实施例中，所述吸波超材料的工作频率在0.8-2.7GHz频率段内，所述导电几何结构单元的厚度大于对应所述工作频率段的所述导电几何结构单元的趋肤深度。

在一实施例中，所述吸波超材料的工作频率在0.8-2.7GHz频率段内，所述金属背板的厚度大于对应所述工作频率段的所述金属背板的趋肤深度。

在一实施例中，所述环状导电几何结构及条形结构的线宽均为W，0.1mm≤W≤1mm。

在一实施例中，所述环状导电几何结构及条形结构的厚度均为H，0.005mm≤H≤0.05mm。

一种天线罩包括任一所述的吸波超材料。

一种天线系统包括任一所述的吸波超材料。

根据本发明的吸波超材料，其结构中的导电几何结构层可以将吸波超材料所需工作频率内的电磁波进行集中吸收，便于下面设置的磁性电磁吸波材料层吸收，因此本发明可解决传统吸波材料表面反射的问题，减少吸波材料表面反射，降低反射率，尤其是可有效降低电磁波垂直入射吸波材料时的反射，还可有效降低大角度入射时材料的反射率，增强吸收效果。由于吸波效果的增强，此发明可以在更加轻薄的条件下实现与原有传统技术等效的吸波效果，即在更低面密度的条件下实现与传统材料等效的吸收效果。

在本发明的实施例中，另增加的金属背板会将吸收的电磁波反射到磁性吸波材料层进行二次吸收，达到更佳的吸波效果。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明实施例1中的电磁吸波超材料的一个单元的示意图；

图2为本发明实施例1中的电磁吸波超材料的多个单元的排布规律的示意图；

图3为本发明实施例1中的电磁吸波超材料在TE模式下的反射率曲线图；

图4为本发明实施例1中的电磁吸波超材料在TM模式下的反射率曲线图；

图5为本发明实施例2中的电磁吸波超材料的多个单元的排布规律的示意图；

图6为本发明实施例2中的电磁吸波超材料在TE模式下的反射率曲线图；

图7为本发明实施例2中的电磁吸波超材料在TM模式下的反射率曲线图；

图8为本发明实施例3中的电磁吸波超材料的多个单元的排布规律的示意图；

图9为本发明实施例3中的电磁吸波超材料在TE模式下的反射率曲线图；

图10为本发明实施例3中的电磁吸波超材料在TM模式下的反射率曲线图；

图11为本发明实施例4中的电磁吸波超材料在TE模式下的反射率曲线图；

图12为本发明实施例4中的电磁吸波超材料在TM模式下的反射率曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

在所述实施例中，网格是以导电几何结构单元的中心为节点，相邻节点间连线形成，其用于描述导电几何结构单元的排布规律。

实施例1

如图1所示，吸波超材料包括磁性电磁吸波材料层2以及与磁性电磁吸波材料层2相结合的导电几何结构单元1。磁性电磁吸波材料层2可以是以橡胶为基体结合电磁波吸收剂，电磁波吸收剂可以是颗粒铁氧体或者微米/亚微米金属颗粒吸收剂或者磁性纤维吸收剂或者纳米磁性吸收剂，其可以通过掺杂或者配比的方式结合于橡胶基体中。磁性电磁吸波材料层2可以是吸波贴片材料，具有较小的厚度并能自动化生产。磁性电磁吸波材料层2的厚度和电磁参数可以根据吸波超材料的工作频段来设定，工作频率段为0.8-2.7GHz，磁性电磁吸波材料层2的介电常数为5-30，磁导率为1-7，此时垂直入射反射率R<-1dB@1GHz，R<-3dB@2GHz。导电几何结构单元1呈两个开口的圆形，在开口处设置有平行的金属条带10。如图2所示，导电几何结构单元1的排布规律为成周期规律，周期规律表现为平面内相互垂直的两个方向周期性排布，以方形网格形式延伸，但排布规律不限于此，可以是错位排布或者无序排布或者不均匀排布。在磁性电磁吸波材料层2的背侧还设置有金属背板3。金属背板3是选择性设置的，在一些应用场合，可以省略金属背板3。导电几何结构单元1的材料可以是铜、银、金。导电几何结构单元1的厚度大于工作频率段的趋肤深度。导电几何结构单元1及其金属条带10的线宽均为W，厚度均为H，其可以设置成0.1mm≤W≤1mm，0.005mm≤H≤0.05mm，在该尺寸范围内的导电几何结构单元1具有良好的吸波效果。导电几何结构单元1是具有外接圆的形状，其外接圆的直径可以设定成工作频段自由空间电磁波长的1/20～1/5。导电几何结构单元1的外接圆即为其本身限定的圆形。在其他实施例中，外接圆可以是由最外侧的端点限定的圆。金属背板3的厚度可以设置成大于对应工作频段的趋肤深度。趋肤深度是当频率很高的电流通过导体时，可以认为电流只在导体表面上很薄的一层中流过，所述很薄的一层的厚度就是趋肤深度。当金属背板3的厚度的设置以趋肤深度为参考，可以省略导体中心部分的材料。

导电几何结构单元1可以通过薄膜或者贴片方式固定在磁性电磁吸波材料层2之上，也可以是嵌入到磁性电磁吸波材料层2中。磁性电磁吸波材料层2可以粘接或者其他方式固定在金属背板3上。

TE波为电磁波中的横向波，如图3所示，在TE模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的垂直入射反射率下降，当导电几何结构单元1的直径lm为3微米时，图2所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低。当导电几何结构单元1的直径lm为3.5微米时，吸波超材料的反射率进一步降低。当导电几何结构单元的直径lm为4微米时，吸波超材料的反射率最低。图3所示的工作频率段为0.8-2.7GHz。

TM波为电磁波中的纵向波，如图4所示，在TM模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的垂直入射反射率下降，当导电几何结构单元1的直径lm为3微米时，图2所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低。当导电几何结构单元1的直径lm为3.5微米时，吸波超材料的反射率进一步降低。当导电几何结构单元的直径lm为4微米时，吸波超材料的反射率最低。图4所示的工作频率段为0.8-2.7GHz。值得一提的是，根据本发明的实施例不限于特定工作频率，而可以根据设定的工作频率和所采用的吸波材料而对应设计电磁微结构。

实施例2

本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。

如图5所示，与实施例1不同的是，导电几何结构单元4带开口的八边形，在开口处设置有平行的金属条带40。如图5所示，导电几何结构单元4的排布规律为成周期规律，周期规律表现为平面内相互垂直的两个方向周期性排布，以方形网格形式延伸，但排布规律不限于此，可以是错位排布或者无序排布或者不均匀排布。导电几何结构单元4外接圆的直径可以设定成工作频段自由空间电磁波长的1/20～1/5。

如图6所示，在TE模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的垂直入射反射率下降，当导电几何结构单元4的直径lm为3微米时，图5所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低。当导电几何结构单元4的直径lm为3.5微米时，吸波超材料的反射率进一步降低。当导电几何结构单元的直径lm为4微米时，吸波超材料的反射率最低。图6所示的工作频率段为0.8-2.7GHz。

如图7所示，在TM模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的垂直入射反射率下降，当导电几何结构单元4的直径lm为3微米时，图5所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低。当导电几何结构单元4的直径lm为3.5微米时，吸波超材料的反射率进一步降低。当导电几何结构单元4的直径lm为4微米时，吸波超材料的反射率最低。图7所示的工作频率段为0.8-2.7GHz。

实施例3

本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。

如图8所示，与实施例1不同的是，导电几何结构单元5带开口的四边形，在开口处设置有平行的金属条带50，开口所在的边的中心位移至四边形内。如图8所示，导电几何结构单元5的排布规律为成周期规律，周期规律表现为平面内相互垂直的两个方向周期性排布，以方形网格形式延伸，但排布规律不限于此，可以是错位排布或者无序排布或者不均匀排布。导电几何结构单元5外接圆的直径可以设定成工作频段自由空间电磁波长的1/20～1/5。

如图9所示，在TE模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的垂直入射反射率下降，当导电几何结构单元5的直径lm为3微米时，图8所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低。当导电几何结构单元5的直径lm为3.5微米时，吸波超材料的反射率进一步降低。当导电几何结构单元的直径lm为4微米时，吸波超材料的反射率最低。图9所示的工作频率段为0.8-2.7GHz。

如图10所示，在TM模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的垂直入射反射率下降，当导电几何结构单元5的直径lm为3微米时，图8所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低。当导电几何结构单元5的直径lm为3.5微米时，吸波超材料的反射率进一步降低。当导电几何结构单元5的直径lm为4微米时，吸波超材料的反射率最低。图10所示的工作频率段为0.8-2.7GHz。

实施例4

本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。

本实施例采用实施例3或者类似于实施例3的吸波超材料。如图11所示，在TE模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的大角度入射反射率下降。当采用带导电几何结构单元5的吸波超材料时，图8所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低，即便在50度、60度、70度的大角度入射，反射率也明显下降，虽然在图中没有示出，其在入射角度为85度时，反射率也会下降。

如图12所示，在TM模式下的反射率在增加导电几何结构单元后材料的大角度入射反射率下降，当采用带导电几何结构单元5的吸波超材料时，图8所示的吸波超材料的反射率相对于没有导电几何结构单元的磁性电磁吸波材料层的反射率要更低，即便在50度、60度、70度的大角度入射，反射率也明显下降，虽然在图中没有示出，其在入射角度为85度时，反射率也会下降。

在已有技术中，针对“电磁波在吸波材料表面的反射比较严重，不利于对电磁波的吸收，尤其在大角度入射的条件下，反射更加严重”的情况，业内通常采取利用多层吸波材料，或者在吸波材料中实现有梯度的电磁参数变化来实现更好的阻抗匹配，减少表面反射，但多层吸波带来产品面密度的上升，需要更多的安装空间，增加生产制备和检测的复杂度，梯度变化的吸波材料工艺复杂度上升，工艺控制难度增加，通常伴随产品一致性的下降。

在前述实施例中，导电几何结构单元中的环状导电几何结构等效于电路中的电感L，相对平行的两个条形结构等效于电路中的电容C，组合起来就是一个LC电路，图1等效于两个电感及两个电容串联，通过调节该导电几何结构单元的尺寸改变其电磁参数性能，达到我们所要求的效果，即可以将吸波超材料所需工作频率内的电磁波进行集中吸收，便于下面设置的磁性电磁吸波材料层吸收，另增加的金属背板会将吸收的电磁波进行发射到磁性吸波材料层进行二次吸收。根据本发明的实施例可以降低吸波材料针对电磁波垂直入射和大角度入射时的反射，通过针对传统吸波材料的电磁特性，通过改变电磁超材料的拓扑结构和排布规律来改变工作频段内自身的电磁参数和整体等效电磁参数，从而达到降低反射率的效果。并且无需多层吸波材料，因此可以在更加轻薄的条件下实现与已有技术等效的吸波效果，即在更低面密度的条件下实现与传统材料等效的吸收效果。

本发明的实施例可以但不限于应用于有天线反射板和天线舱等部位。例如可应用的产品包括板状天线、定向基站天线、反射器天线等等，可应用的系统包括移动通信、无线覆盖和卫星通信等等。这些应用可以带来天线性能的提升，主要表现为前后比和交叉极化隔离度等指标的提升和电磁兼容性能的提升。

本发明的另一实施例提供一种天线罩，其包括前述实施例中的吸波超材料。该天线罩同样具有前述实施例的优点，在垂直入射和大角度入射时其表面具有较低的反射率。

本发明的另一实施例提供一种天线系统，其包括前述实施例中的吸波超材料。该天线罩同样具有前述实施例的优点，在垂直入射和大角度入射时其表面具有较低的反射率。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，例如导电几何结构单元的不同拓扑结构可对不同频率段的电磁参数进行调节，从而降低整体吸波材料的反射率，再如导电几何结构单元的排布的周期规律表现为平面内成一定角度的两个方向周期性排布，以三角形网格形式延伸；再如，还可以在导电几何结构单元之上设置保护材料；导电几何结构包括但不限于金属微结构或者非金属的可导电的微结构，可以是圆形、椭圆形、三角形或多边形或者其他形状。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (16)

1.吸波超材料，其特征在于，包括磁性电磁吸波材料层以及与磁性电磁吸波材料层相结合的导电几何结构层；所述导电几何结构层由依次排布的多个导电几何结构单元组成，每个所述导电几何结构单元为只在一个方向轴对称的各项异性形状，包括非封闭的环状导电几何结构，所述环状导电几何结构的开口处设置有相对平行的两个条形结构。

2.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述环状导电几何结构设置有一个以上的所述开口。

3.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述环状导电几何结构呈圆形、椭圆形或多边形。

4.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述磁性电磁吸波材料层介电常数为5-30，磁导率为1-7。

5.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述导电几何结构单元呈周期阵列排布。

6.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述磁性电磁吸波材料层的表面还设置有金属背板。

7.如权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述磁性电磁吸波材料层是吸波贴片材料。

8.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述导电几何结构单元附着于所述磁性电磁吸波材料层或者嵌入在所述磁性电磁吸波材料层中。

9.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述磁性电磁吸波材料层包括基体以及结合于所述基体的吸收剂。

10.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述导电几何结构单元是具有外接圆的形状，所述外接圆的直径为工作频段自由空间电磁波长的1/20-1/5。

11.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料的工作频率在0.8-2.7GHz频率段内，所述导电几何结构单元的厚度大于对应所述工作频率段的所述导电几何结构单元的趋肤深度。

12.如权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料的工作频率在0.8-2.7GHz频率段内，所述金属背板的厚度大于对应所述工作频率段的所述金属背板的趋肤深度。

13.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述环状导电几何结构及条形结构的线宽均为W，0.1mm≤W≤1mm。

14.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述环状导电几何结构及条形结构的厚度均为H，0.005mm≤H≤0.05mm。

15.一种天线罩，其特征在于，该天线罩包括权利要求1至14中任一项所述的吸波超材料。

16.一种天线系统，其特征在于，该天线系统包括权利要求1至14中任一项所述的吸波超材料。