CN106558756B - 超材料、超材料天线面板和超材料平板天线 - Google Patents
超材料、超材料天线面板和超材料平板天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了超材料、超材料天线面板和超材料平板天线。超材料包括：介质层；导电几何结构层，形成在介质层的表面上，导电几何结构层包括多个导电几何结构，多个导电几何结构呈多行多列排布，导电几何结构为具有中空的六边形框体，相邻的两行的导电几何结构交错设置。应用本发明的技术方案，将相邻两行的为中空六边形框体的导电几何结构交错布置，隔行的导电几何结构对齐设置，充分利用了相邻两个导电几何结构之间的空间，提高了介质层表面的导电几何结构的密集程度使得具有上述超材料的超材料天线面板，能够有效地提升超材料平板天线整体的方向性和增益。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备领域，具体而言，涉及一种超材料、超材料天线面板和超材料平板天线。
背景技术
相比于抛物面天线的物理反射原理，超材料平板天线需要通过超材料天线面板表面的导电几何结构对相位进行调制，以达到平板上不同坐标反射至馈源相位中心是相位一致。
如图1所示，现有的导电几何结构设计都是针对收发双工设计的，每个正方形的晶格1’中形成有一个呈十字形(图示为耶路撒冷十字形)的导电几何结构2’，从而多个导电几何结构2’呈多行多列排布，多行的导电几何结构2’对齐设置，现有技术的正方形的晶格1’边长为12mm，即使针对单收的平板卫星天线，也只是去掉原表面上发射用的微结构(导电几何结构2’。进一步地，在所需频段上，在不影响天线表现性能的前提下(若是微结构尺寸过于接近晶格2’大小，会导致真实结果和仿真结果有一定的出入)，也只能将微结构缩小，从天线面板上看来，依然有很多空余位置，不能有效地利用整个板面。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种超材料、超材料天线面板和超材料平板天线，以解决现有技术中的不能有效地利用整个板面的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超材料，超材料包括：介质层；导电几何结构层，形成在介质层的表面上，导电几何结构层包括多个导电几何结构，多个导电几何结构呈多行多列排布，导电几何结构为具有中空的六边形框体，相邻的两行的导电几何结构交错设置。
进一步地，介质层的表面划分为呈多行多列地无间隙排布的多个六边形，每个六边形中具有一个导电几何结构。
进一步地，介质层的一个表面上形成有导电几何结构层；或，介质层的两个相对的表面上均形成有导电几何结构层。
进一步地，六边形框体的多个框边均为直框边或均为曲框边；或，六边形框体的多个框边包括直框边和曲框边。
进一步地，六边形框体在顶角处弯转向中心延伸至与中心为预定距离后折返，以形成导电几何结构的间隙，间隙从六边形框体顶角向中心延伸。
进一步地，中空呈放射形。
进一步地，六边形框体具有多个框边，中空包括与导电几何结构的框边一一对应的多个条形镂空，条形镂空由导电几何结构的中心向框边的中部延伸。
进一步地，每个条形镂空的远离导电几何结构的中心的一端形成有三角形镂空。
进一步地，三角形镂空的顶角与条形镂空相连通，三角形镂空的与顶角相对的底边的延伸方向垂直于条形镂空。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超材料天线面板，超材料天线面板包括上述的超材料和在介质层的背对导电几何结构层的一面设置的金属反射层。
进一步地，金属反射层和介质层之间设置有承载板层。
进一步地，承载板层为蜂窝板或泡沫板。
进一步地，金属反射层的材质为铜。
进一步地，承载板层的损耗角正切为0.0025-0.0035。
进一步地，承载板层的厚度为2.5-3.5毫米。
进一步地，承载板层通过第一胶膜层连接介质层。
进一步地，承载板层通过第二胶膜层连接金属反射层。
进一步地，超材料天线面板还包括基板，基板设置在金属反射层的与承载板层相对的一侧。
进一步地，基板的厚度为0.25-0.35毫米。
根据本发明的另一方面，提供了一种超材料平板天线，其特征在于，超材料平板天线包括馈源和上述的超材料天线面板，馈源与超材料天线面板之间具有间距。
应用本发明的技术方案，将相邻两行的为中空六边形框体的导电几何结构交错布置，隔行的导电几何结构对齐设置，充分利用了相邻两个导电几何结构之间的空间，提高了介质层表面的导电几何结构的密集程度使得具有上述超材料的超材料天线面板，能够有效地提升超材料平板天线整体的方向性和增益。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术的超材料的结构示意图；
图2示出了本发明的实施例的超材料的结构示意图；
图3示出了本发明的实施例的超材料的晶格单元的结构示意图；
图4示出了本发明的实施例的超材料的导电几何结构的结构示意图；
图5示出了本发明的实施例的超材料平板天线S11dB仿真结果示意图；
图6示出了本发明的实施例的超材料平板天线相位调制仿真结果示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、介质层；2、导电几何结构；21、条形镂空；22、三角形镂空；23、间隙；3、第一胶膜层；4、承载板层；5、第二胶膜层；6、金属反射层；7、基板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
技术术语：
超材料，是指通过周期性规则排列的几何结构实现了自然界的材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料包括介质层和形成在介质层的表面上的导电几何结构层。导电几何结构层，由按周期性规则排列的多个导电几何结构组成。
导电几何结构是由导电材料制成的具有几何图形的平面或立体结构。
超材料的电磁性质主要由导电几何结构或镂空几何结构的形状、尺寸和排布方式等因素决定，通过调整导电几何结构或镂空几何结构的形状、尺寸和排布方式等参数可以得到所需的等效介电常数和磁导率，因此，超材料已广泛的应用于实现改变折射率、电磁隐身、完美吸波、提高透波性能和极化控制等。
如图2至4所示，本实施例的超材料包括介质层1和形成在介质层1的表面上的导电几何结构层，导电几何结构层包括多个导电几何结构2，多个导电几何结构2呈多行多列排布，导电几何结构为具有中空的六边形框体，相邻的两行的导电几何结构2交错设置。
每个导电几何结构2的两个相对的顶角的连线垂直于行的方向，将相邻两行中为六边形框体的导电几何结构2交错布置，隔行的导电几何结构2对齐设置，充分利用了相邻两个导电几何结构2之间的空间，提高了介质层1表面的导电几何结构2的密集程度。使得具有上述超材料的超材料天线面板，能够有效地提升超材料平板天线整体的方向性和增益。
介质层1可以为复合材料基板或陶瓷基板。其中，复合材料可以是热固性材料，也可以是热塑性材料。
一般来说，介质层1的介电常数ε应该满足：1≤ε≤5。
导电几何结构层的材质可以为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金、铝合金、导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。
导电几何结构层可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在介质层1上。制作导电几何结构层的金属可以为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金；制作导电几何结构层的非金属导电材料可以为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。
本实施例中，导电几何结构2的两条边之间的距离为0.75-3.20毫米。
本实施例的六边形框体可以为严格的六边形框体，也可以为大体呈六边形结构的六边形框体。六边形框体的边框的宽度为0.06-0.2毫米。
结合图2和图3所示，本实施例中，介质层1的表面上划分为呈多行多列地无间隙排布的多个六边形，每个六边形形成一个晶格单元，每个六边形中具有一个导电几何结构2。相比原来的正方形晶格，晶格的尺寸显著的减小，晶格密度有显著的增加，相应地增加了导电几何结构2的密度。其中呈六边形的晶格边长为3.5-4.5毫米。
可以仅在介质层1的一个表面上形成上述的导电几何结构层，也可以为介质层1的两个相对的表面上均形成有导电几何结构层2。
导电几何结构2可以为多个框边均为直框边或均为曲框边的六边形框体；导电几何结构2也可以为多个框边包括直框边和曲框边的六边形框体。
结合图2和图3所示，本实施例的导电几何结构2的六边形框体在顶角处弯转向中心延伸至与中心为预定距离后折返，以形成导电几何结构2的间隙23，间隙23从六边形框体顶角向中心延伸。间隙的宽度为0.12-0.20毫米。
如图4所示，本实施例的中空呈放射形。所述中空由框边围成。中空包括与导电几何结构2的框边一一对应的多个条形镂空21，条形镂空21由导电几何结构2的中心向框边的中部延伸。
每个条形镂空21的远离导电几何结构2的中心的一端形成有三角形镂空22。三角形镂空22的三条边可以为均为直边，也可以均为曲边，三角形镂空22的三条边也可以为一条直边两条曲边，也可以为一条曲边两条直边。
三角形镂空22的顶角与条形镂空21相连通，三角形镂空22的与顶角相对的底边的延伸方向垂直于条形镂空21。如图1和2所示，本实施例中，三角形镂空22的与顶角相对的底边为直边，且导电几何结构2的框边为直边。
根据本发明的另一方面，如图3所示，本实施例还公开了一种超材料天线面板包括上述的超材料和在介质层1的背对导电几何结构层的一面设置的金属反射层6。
金属反射层6的材质为铜，厚度为0.030-0.040毫米。
金属反射层6和超材料的介质层1之间还设置有承载板层4为轻质板层，本实施例中轻质板层为蜂窝板，也可以选用泡沫板。
本实施例的承载板层4为损耗角正切为0.0025-0.0035的蜂窝板，承载板层4的厚度为2.5-3.5毫米。
承载板层4通过第一胶膜层3连接超材料的介质层1。第一胶膜层3的厚度为0.06-0.12毫米，第一胶膜层的损耗角正切0.06-0.14。
承载板层4通过第二胶膜层5连接金属反射层6。第二胶膜层5的厚度为0.06-0.12毫米，第一胶膜层的损耗角正切0.06-0.14。
在金属反射层6的与承载板层4相对的一侧还设置有基板7，基板7的材质为FR4，基板7的厚度为0.25-0.35毫米。
本实施例还公开了一种超材料平板天线，超材料平板天线包括馈源和上述的超材料天线面板，馈源与超材料天线面板之间具有间距。
如图5所示，其中图5的横坐标表示频率，纵坐标表示S11损耗，图例中各曲线分别代不同尺寸微结构的在相应的频率下S11损耗。由此可以看出，具有本实施例的超材料的超材料平板天线的S11损耗基本在0.5个dB以内。
如图6所示，其中图6的横坐标表示频率，纵坐标代表微结构的调相能力，图例中各曲线分别代不同尺寸微结构的在相应的频率下的调相，由此可以看出，不同尺寸微结构在该频段下调相范围均在360以上，相比原来的十字形微结构正方形晶格的尺寸变化，有显著的减小。
本实施例中，在800mm*600mm大小的平板天线上微结构数量从3000多个增加到了11300个，同时也保证了每个坐标所需相位的补偿，增加了微结构分布的密度，天线整体的方向性和增益会有一定的提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种超材料，其特征在于，包括：
介质层(1)；
导电几何结构层，形成在所述介质层(1)的表面上，所述导电几何结构层包括多个导电几何结构(2)，多个所述导电几何结构(2)呈多行多列排布，所述导电几何结构为具有中空的六边形框体，相邻的两行的所述导电几何结构(2)交错设置；
所述六边形框体在顶角处弯转向中心延伸至与所述中心为预定距离后折返，以形成所述导电几何结构(2)的间隙(23)，所述间隙(23)从所述六边形框体顶角向中心延伸，且所述中空与所述间隙(23)分隔设置。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述介质层(1)的表面划分为呈多行多列地无间隙排布的多个六边形，每个所述六边形中具有一个所述导电几何结构(2)。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述介质层(1)的一个表面上形成有所述导电几何结构层；或，所述介质层(1)的两个相对的表面上均形成有所述导电几何结构层。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，
所述六边形框体的多个框边均为直框边或均为曲框边；或，
所述六边形框体的多个框边包括直框边和曲框边。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超材料，其特征在于，所述中空呈放射形。
6.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于，所述六边形框体具有多个框边，所述中空包括与所述导电几何结构(2)的框边一一对应的多个条形镂空(21)，所述条形镂空(21)由所述导电几何结构(2)的中心向所述框边的中部延伸。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，每个所述条形镂空(21)的远离所述导电几何结构(2)的中心的一端形成有三角形镂空(22)。
8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述三角形镂空(22)的顶角与所述条形镂空(21)相连通，所述三角形镂空(22)的与所述顶角相对的底边的延伸方向垂直于所述条形镂空(21)。
9.一种超材料天线面板，其特征在于，所述超材料天线面板包括权利要求1至8中任一项所述的超材料和在所述介质层(1)的背对所述导电几何结构层的一面设置的金属反射层(6)。
10.根据权利要求9所述的超材料天线面板，其特征在于，所述金属反射层(6)和所述介质层(1)之间设置有承载板层(4)。
11.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述承载板层(4)为蜂窝板或泡沫板。
12.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述金属反射层(6)的材质为铜。
13.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述承载板层(4)的损耗角正切为0.0025-0.0035。
14.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述承载板层(4)的厚度为2.5-3.5毫米。
15.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述承载板层(4)通过第一胶膜层(3)连接所述介质层(1)。
16.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述承载板层(4)通过第二胶膜层(5)连接所述金属反射层(6)。
17.根据权利要求10所述的超材料天线面板，其特征在于，所述超材料天线面板还包括基板(7)，所述基板(7)设置在所述金属反射层(6)的与所述承载板层(4)相对的一侧。
18.根据权利要求17所述的超材料天线面板，其特征在于，所述基板(7)的厚度为0.25-0.35毫米。
19.一种超材料平板天线，其特征在于，所述超材料平板天线包括馈源和权利要求9或18所述的超材料天线面板，所述馈源与所述超材料天线面板之间具有间距。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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