CN109786971A - 一种超材料和天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超材料和天线，该超材料包括：多个周期排列的超材料单元，其中，每个超材料单元包括支撑结构、和设置在支撑结构的内部或上方的液晶层，以及依次设置在液晶层上方的介质层和金属层；其中，支撑结构包括：基底材料或中空波导，在支撑结构为基底材料的情况下，液晶层设置在基底材料的上方，或在支撑结构为中空波导的情况下，液晶层设置在中空波导内部，且在中空波导在和液晶层的接触面上设有一缝隙。本发明通过将超材料和液晶材料相结合，其通过液晶材料具有的在整个微波频带内损耗低，电磁特性稳定的优势，从而通过液晶材料对超材料的谐振频率的动态调控，进而实现对其奇异电磁特性的实时控制。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种超材料和天线。
背景技术
超材料是一种具有传统自然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构，然而对于超材料来说，其奇异的电磁特性都有一个频带范围，超出这个范围，这个奇异的电磁特性会减弱甚至消失。
到目前为止，可控的超材料主要包括三大类：(1)机械式可控超材料；(2)加载微波开关等；(3)加载可控材料(铁氧体、磁流体等)。其中，机械式可控超材料由于要对移动量进行精确的控制，使得体积相对较大，不易操作；加载微波开关的可控超材料其状态与开关的个数有关，要实现足够多的状态数就需要添加足够多的开关个数，导致结构的复杂度增加；而加载可控材料的超材料其调控的频率范围不大，而且需要外加偏置场导致结构复杂。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种超材料和天线。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种超材料。
该超材料包括：多个周期排列的超材料单元，其中，每个超材料单元包括支撑结构、和设置在支撑结构的内部或上方的液晶层，以及依次设置在液晶层上方的介质层和金属层；其中，支撑结构包括：基底材料或中空波导，在支撑结构为基底材料的情况下，液晶层设置在基底材料的上方，或在支撑结构为中空波导的情况下，液晶层设置在中空波导内部，且在中空波导在和液晶层的接触面上设有一缝隙。
根据本发明的一个实施例，在支撑结构为基底材料的情况下，金属层包括外金属框和设置在外金属框内的金属片，外金属框和金属片之间还设有环形的通道。
根据本发明的一个实施例，超材料还包括：同轴通孔，设置在金属片上，金属片通过同轴通孔与馈电网络连接。
根据本发明的一个实施例，加载在液晶层两端的偏置电压的取值范围为：0～20V，并且液晶层的介电常数取值范围为：2.4～3.3。
根据本发明的一个实施例，基底材料为非磁性介质材料，并且基底材料的介电常数的取值范围为2～10，基底材料的损耗角正切小于0.01，以及基底材料的厚度小于5mm。
根据本发明的一个实施例，在天线H面方向上周期排列多个超材料单元。
根据本发明的一个实施例，在支撑结构为中空波导的情况下，多个超材料单元排列成直条形，并且超材料两端的超材料单元上的缝隙长度从超材料的中部向两端的延伸方向逐渐减小。
根据本发明的一个实施例，由超材料的一端的第一个超材料单元进行馈电，且在另一端的最后一个超材料单元的尾端还设有吸波材料，从而通过每个超材料单元的缝隙形成波束。
根据本发明的一个实施例，缝隙的长度位于超材料单元的中心频率对应的波长的1/4～1/2之间。
根据本发明的一个实施例，液晶层通过导电玻璃封装在液晶盒内。
根据本发明的一个实施例，每个超材料单元的中心频率为0.3GHz-300GHz。
根据本发明的一个实施例，金属层的材料为铜、银或金。
根据本发明的另一个方面，提供了一种天线。
该天线包括：天线应用上述任一项的超材料。
本发明的有益技术效果在于：
本发明通过将超材料和液晶材料相结合，其通过液晶材料具有的在整个微波频带内损耗低，电磁特性稳定的优势，从而通过液晶材料对超材料的谐振频率的动态调控，进而实现对其奇异电磁特性的实时控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a和图1b分别是根据本发明第一实施例的超材料单元的俯视图和侧面图；
图2a和图2b是根据本发明第一实施例的液晶材料调控原理示意图；
图3是根据本发明的第一实施例的超材料单元S11曲线；
图4是根据本发明的第一实施例的谐振频率随液晶介电常数变化的曲线图；
图5是根据本发明的第一实施例的超材料片层的示意图；
图6a和图6b分别是根据本发明第二实施例的超材料单元的测试图和俯视图；
图7a和图7b分别是根据本发明第二实施例的超材料和液晶层的示意图；
图8a和图8b是根据本发明第二实施例的调控液晶的原理示意图；
图9是根据本发明第二实施例的波束扫描天线的S11曲线；
图10是根据本发明第二实施例的不加偏压下不同频率的波束曲线；
图11是根据本发明第二实施例的加偏压下不同频率的波束曲线；
图12是根据本发明第二实施例的不加偏压下不同频率的波束曲线；
图13是根据本发明第二实施例的加偏压下不同频率的波束曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种超材料，该超材料包括：多个周期排列的超材料单元，其中，每个超材料单元包括支撑结构、和设置在支撑结构的内部或上方的液晶层，以及依次设置在液晶层上方的介质层和金属层；其中，支撑结构包括：基底材料或中空波导，在支撑结构为基底材料的情况下，液晶层设置在基底材料的上方，或在支撑结构为中空波导的情况下，液晶层设置在中空波导内部，且在中空波导在和液晶层的接触面上设有一缝隙。
借助于本发明的上述技术方案，通过将超材料和液晶材料相结合，其通过液晶材料具有的在整个微波频带内损耗低，电磁特性稳定的优势，从而通过液晶材料对超材料的谐振频率的动态调控，进而实现对其奇异电磁特性的实时控制。
在本发明中，该支撑结构可为基地材料和中空波导，下面通过两个具体的实施例进行详细的说明。
第一实施例
如图5所示，该超材料包括超材料片层，其中，该超材料片层由多个周期分布的超材料单元18组成，继续参见图1a和1b，每个超材料单元18包括由下至上依次设置的基底材料14、液晶层15、介质层16和金属层17，以及金属层17包括外金属框11和金属片12，以及外金属框11和金属片12之间具有环形的通道，此外，对于液晶材料的加载方式，通过导电玻璃将液晶封装在规定尺寸的液晶盒中，将偏压电路由超材料单元18的下端引出，利用控制电路板编程控制偏压，因此，采用该超材料，可以保持整个装置固定不动，只需控制液晶的外加偏置电压即可实现对超材料电磁性能的连续控制。此外，通过采用方环型金属结构加载液晶材料，当外加直流电压时，金属结构本身可以作为导线，减少外加导线对材料电磁特性产生的影响，此外，该液晶材料具有在整个微波频带内损耗低、电磁特性稳定的优势，通过液晶材料对超材料的谐振频率的动态调控，进而实现对其奇异电磁特性的实时控制。根据本发明的一个实施例，外金属结构为方框结构，内金属结构为矩形金属贴片，内金属结构嵌套于外金属结构内。
此外，继续参见图1a，上述金属片12呈矩形，以及在该矩形金属片12上还设有同轴通孔13，其用于同轴通孔用于为液晶层15提供偏置电压，并且该超材料的基底材料14接地，从而形成通路。当然可以理解，该金属片12的形状可根据实际需求进行设置，例如，根据本发明的一个实施例，该金属片12呈正方形，本发明对此不作限定。另外，加载在液晶层15两端的电压的取值范围为：0～20V，并且液晶层15的介电常数取值范围为：2.4～3.3，其可通过如下公式确定：其中，L为等效电感值，C为等效电容值，ω为对应的瞬时工作频率，因此，通过对液晶调频超材料的电压进行调节，控制超材料单元18的等效介电常数，从而实现对天线工作频率的调节。
另外，继续参见图2a，液晶分子在通常条件下时呈随意排列的，为了最大的利用液晶电调力度，首先利用纳米压印等方式对液晶分子进行配相，加入电场后，继续参见图2b，液晶分子呈与电场方向相同的姿态排布。
此外，每个超材料单元18的工作频率可根据实际需求进行选择，例如，根据本发明的一个实施例，每个超材料单元18的工作频率为0.3GHz～300GHz。随后在选择完每个超材料单元18的中心工作频率f后，并根据确定的中心频率f确定超材料单元18的间距，以及组成超材料单元18的金属层17的线宽(如外金属框11和金属片12)、金属种类以及基底材料14的电磁性质，其中，超材料单元18的间距是指超材料单元18上的矩形金属贴片的一边长，例如，根据本发明的一个实施例，继续参照图5，超材料片层中每个超材料单元18的大小相同，例如，根据本发明的一个实施例，在该超材料片层中，其包括10×10个超材料单元18，该超材料片层的尺寸为75mm×75mm，同时，在本发明实施例中，超材料片层中的任意两个超材料单元18的大小均相同，此外，每个超材料单元上的同轴通孔13为对应的超材料单元中的液晶层15提供的偏置电压也可根据实际需求进行设置，本发明对此也不作限定。此外，上述超材料间距为金属片12的横向边长，并且超材料单元18间距的取值范围为：工作频率f对应波长的1/4～1。
另外，基底材料14为非磁性介质材料，并且基底材料14的介电常数取值范围为2～10，基底材料14的损耗角正切小于0.01，以及基底材料14的厚度小于5mm。同时，超材料的入射波为平面波，入射波的幅值和位相在垂直于传播方向上相等。
此外，金属层17的材料为铜、银或金。同时，超材料位于天线H面内，其金属片12选择方型结构，在超材料单元18的衬底下方加入导电玻璃封装而成的液晶盒，再利用电磁仿真软件CST计算，并记录液晶介电常数变化时频率的变化，绘频率-介电常数曲线，此外，在天线H面方向周期排列超材料单元18，每个超材料单元18上加载的液晶所需偏压根据上述的频率-介电常数曲线进行调节。
另外，介质层16与金属层17通过机械加工工艺、电镀工艺、热压工艺、或微电子工艺紧密结合为一体。
为了更好的描述本发明的技术方案，下面通过一具体的实施例进行详细的描述。
如图1a和图1b所示，选取超材料单元18的中心工作频率f为10GHz，其对应的波长λ为30mm，金属层17的材料为铜，基底材料14为F4B(ε＝3.0，μ＝1)，该外金属结构的形状为正方形，其长和宽相等，均取a＝7.5，内金属贴片长与宽都为6mm，同时，外金属框11和金属片12之间缝隙宽度为0.75mm，外金属框11和金属片12的厚度均为0.035mm，基底材料14厚0.3mm，超材料单元18间距为7.5mm，衬底下部加载玻璃封装好的液晶盒。
此外，当液晶介电常数从2.4变化到3.3时，频率调制为(10.5GHz-9.7GHz)，频率与介电常数的变化关系如图4所示。
第二实施例
如图6a和6b所示，该超材料包括：多个周期排列的超材料单元，其中，每个超材料单元包括从下至上依次设置的中空波导21、介质板23、金属层24，其中，该中空波导21中还设有液晶层22，即该中空波导21包括腔体和腔体外壁，腔体内填充有液晶层22，以及在腔体外壁和介质板23的接触面上，腔体外壁上设有一缝隙25。此外，虽然图6b示出了金属层24为一个矩形金属片，但该金属层24的具体形状可根据实际需求进行设定，本发明对此不做限定。此外，通过在每个超材料单元的中空波导21内填充液晶，进而将液晶和超材料技术应用于波束扫描天线中，从而通过对每个超材料单元的谐振频率、相位特性、以及辐射特性等电磁性能的控制，实现了对天线的波束方向、波瓣宽度、增益等进行调控，从而可调谐的波束扫描天线具有低剖面、低功耗、高兼容性、高集成度、高性能等优势。
此外，继续参见图7a和7b，每个超材料单元的立体形状为一个长方体，并且沿着每个超材料单元的长方体的腔体的朝向，将每个超材料单元依次连接，构成一直条形的超材料阵列，其中，其各个超材料单元内的液晶块可分别独立控制，每一组液晶的相对介电常数，或者说外加电压都对应着一种波束的形态，从而可加强对天线波束的控制，同时，每个超材料单元的缝隙25除长度外其余设置均一致，例如，每个超材料单元中的金属板的厚度和材料、介质板23的厚度和材料等均一致。此外，每个超材料单元的端口是指其腔体的两个开口，每个超材料单元的腔体外壁上设置有一个缝隙25，由于波束的形成主要是与缝隙25的长度有关，其与缝隙25的宽度的关联性较弱，因此，下面仅对缝隙25的长度进行限定。该超材料阵列的中间的超材料单元的缝隙25(或主要辐射单元)长度一致，其中间的超材料单元的缝隙25长度L取中心频率的波长的1/4～1/2，而其两端的超材料单元的缝隙25(或辅助辐射单元)的长度从超材料的中部向两端的延伸方向逐渐减小，从而能够加强波束的发出效率，例如，根据本发明的一个实施例，该超材料阵列是由20个超材料单元组成，沿着腔体的朝向上，一端的前三个超材料单元的缝隙25长度分别为4mm、5mm、6mm，而另一端的末三个超材料单元的缝隙25长度分别为6mm、5mm、4mm，当然可以理解，超材料阵列两端的超材料单元的个数和缝隙25长度的设置可根据实际需求进行设置，本发明对此不做限定。
另外，继续参见图6a和图6b，每个超材料单元包括从下至上依次设置的呈长方体的中空波导21、呈长方形的介质板23、成正方形的金属片，其中，该中空波导21的长表面和介质板23重合，金属片设置在介质板23的正中间，即金属片的中心和介质板23的中心重合，将该金属片沿着其中心顺时针或逆时钟旋转90°后，其相对于介质板23的位置不会改变，并且在中空波导21的腔体内填充有导电玻璃封装成形的液晶块，并且在中空波导21和介质板23的接触面上，该中空波导21上设有一缝隙25，从而每个超材料单元通过该缝隙25辐射电磁波形成波束，波导辐射出的电磁波相位常数其中，k为波矢，ur为磁导率，εrLC为液晶的介电常数，此时，电磁波沿天线传播引起的相邻辐射单元间相位差为其中，p为超材料单元的周期，该周期是指在超材料单元的腔体的朝向上，每个超材料单元的横向宽度，进而辐射波束角度θ为：此外，通过选择超材料单元的中心频率f，并根据该中心频率f，确定可调谐超材料单元的周期，以及优化金属片的线宽(长或宽)、金属种类、介质板23层厚度等，其中，超材料单元的周期p位于其对应工作频率的波长的1/2～1之间，从而在固定周期p和中心工作频率f的情况下，可确定不同的电磁波相位常数β对应反射角度θ，从而通过调节相位液晶的介电常数，可以实现控制周期性漏波天线的波束方向。
此外，上述超材料阵列可以保持整个装置的固定不动，如无需调整金属片和介质板23的厚度等，从而使得该波束扫描天线具有结构紧凑、集成度高、且其辐射波束角度θ可调等优点，此外，上述超材料阵列不限于应用于波束扫描天线，还可用于频率选择表面或减小雷达散射截面等领域。另外，该超材料阵列由一端的超材料单元进行馈电，另一端的超材料单元的尾端设有吸波材料，从而避免电磁波传输至空气中对人体超出损失的情况，并且每个超材料单元的缝隙25辐射电磁波形成波束。
另外，波束的辐射角度θ根据如下公式求得：
其中，k为波矢，λ为工作波长，ur为磁导率，εrLC为液晶的介电常数，从而通过调节相位液晶的介电常数εrLC，可以实现控制周期性漏波天线的波束方向。
此外，当液晶的介电常数在2.4～3.3之间变化时，波束的扫描角度为21°。其中，在每个超材料单元的中心频率f不变的情况下，液晶介电常数在2.4～3.3之间变化，可实现辐射波束约20.1度的连续扫描，且液晶外加偏压(或偏置电压)在0-18V之间，从而当外加偏压时，液晶材料作为理想的电调材料，具有在整个微波频带内损耗低，电磁特性稳定的优势，同时，该波束扫描天线的带宽为3GHz。
另外，液晶通过导电玻璃封装在液晶盒内，其中，液晶盒和腔体的尺寸一致。其中，对于液晶材料的加载方式，通过导电玻璃将液晶封装在规定尺寸的液晶盒中，将偏压电路由波导末端引出，利用控制电路板编程控制该偏压电路，从而能够控制液晶的外加偏压的数值。
此外，继续参见图8a，液晶分子在通常条件下时呈随意排列的，为了最大的利用液晶电调力度，首先利用纳米压印等方式对液晶分子进行配相，加入电场后，继续参见图8b，液晶分子呈与电场方向相同的姿态排布。另外，超材料单元的中心频率为0.3GHz-300GHz，通过改变周期和金属层24结构参数，可设置超材料单元的中心频率。
另外，缝隙25的长度位于中心频率对应的波长的1/4～1/2之间。同时，介质板23与金属层24通过机械加工工艺、电镀工艺、热压工艺、或微电子工艺结合为一体。此外，金属层24的材料为铜、银或金。
为了更好的描述本发明，下面通过具体的实施例对本发明进行详细的描述。
继续参见图6a和图6b，选取中心频率f为14GHz，金属结构的材料为铜，基底材料为F4B材料(ε＝3.0，μ＝1，其中，ε为...，μ为...)，超材料单元的周期p为12mm，并且超材料阵列的中间的超材料单元的缝隙25长度为7mm，沿着腔体的朝向上，一端的前三个超材料单元的缝隙25长度分别为4mm、5mm、6mm，而另一端的末三个超材料单元的缝隙25长度分别为6mm、5mm、4mm，介质板23的厚度为0.2mm，金属片为7x7mm的正方形，其厚度为0.06mm。
此外，当液晶的介电常数从(2.4-3.3)变化时，在中心频率f在13～17GHz处都有良好的波束扫描效果，继续参见图12和图13，对于中心频率f为14GHz，在外加偏压从0变化到18V时，天线主瓣方向由62.7°扫描至83.2°，而对于15GHz，在外加偏压从0变化到18V时，天线主瓣方向由73.2°扫描至91.6，因此，在液晶介电常数范围一样的情况下，能够使得波束扫描天线具有扫描角度大、增益强、副瓣小的优点，且在天线扫描过程中，保证一定的带宽优势。
另外，中心频率f为13～17GHz时，以及在加偏压与不加偏压的情况下，如图9、10和11所示，天线S11曲线基本低于-10dB，增益约18dB，副瓣电平小于-12dB，因此，在扫描过程中，天线整体具有良好的辐射性能。
根据本发明的实施例，还提供了一种天线，天线应用上述任一项所述的超材料。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过将超材料和液晶材料相结合，其通过液晶材料具有的在整个微波频带内损耗低，电磁特性稳定的优势，从而通过液晶材料对超材料的谐振频率的动态调控，进而实现对其奇异电磁特性的实时控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (13)
1.一种超材料，其特征在于，包括：多个周期排列的超材料单元，其中，每个超材料单元包括支撑结构、和设置在所述支撑结构的内部或上方的液晶层，以及依次设置在所述液晶层上方的介质层和金属层；
其中，所述支撑结构包括：基底材料或中空波导，在所述支撑结构为所述基底材料的情况下，所述液晶层设置在所述基底材料的上方，或在所述支撑结构为所述中空波导的情况下，所述液晶层设置在所述中空波导内部，且在所述中空波导在和所述液晶层的接触面上设有一缝隙。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，在所述支撑结构为所述基底材料的情况下，所述金属层包括外金属框和设置在所述外金属框内的金属片，所述外金属框和所述金属片之间还设有环形的通道。
3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括：
同轴通孔，设置在所述金属片上，所述金属片通过所述同轴通孔与馈电网络连接。
4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，加载在所述液晶层两端的偏置电压的取值范围为：0～20V，并且所述液晶层的介电常数取值范围为：2.4～3.3。
5.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述基底材料为非磁性介质材料，并且所述基底材料的介电常数的取值范围为2～10，所述基底材料的损耗角正切小于0.01，以及所述基底材料的厚度小于5mm。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，在天线H面方向上周期排列多个超材料单元。
7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，在所述支撑结构为所述中空波导的情况下，多个超材料单元排列成直条形，并且所述超材料两端的超材料单元上的缝隙长度从所述超材料的中部向两端的延伸方向逐渐减小。
8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，由所述超材料的一端的第一个超材料单元进行馈电，且在另一端的最后一个超材料单元的尾端还设有吸波材料，从而通过每个超材料单元的缝隙形成波束。
9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述缝隙的长度位于超材料单元的中心频率对应的波长的1/4～1/2之间。
10.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述液晶层通过导电玻璃封装在液晶盒内。
11.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述每个超材料单元的中心频率为0.3GHz-300GHz。
12.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述金属层的材料为铜、银或金。
13.一种天线，其特征在于，所述天线应用权利要求1-12任一项所述的超材料。
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