CN111864402B9 - 透波结构及透波装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种透波结构及透波装置。该透波结构用于减弱或消除电磁波的反射，包括多个沿至少一个方向周期排布的微结构，微结构由至少两种具有不同有效相对介电常数的透波材料复合形成，且满足全角度的阻抗匹配特性；微结构中每个透波材料具有对应的布儒斯特角，任意两个透波材料的布儒斯特角的差值处于预设范围内。上述透波结构，通过微结构的阻抗匹配效应以及使各透波材料的布儒斯特角满足特定关系，能够在宽频、宽角度范围内实现全偏振的电磁波高透射。

Description

透波结构及透波装置

技术领域

本发明涉及电磁波信号传输技术领域，特别是涉及一种透波结构及透波装 置。

背景技术

以信息技术为代表的新一轮科技和产业变革，正在逐步孕育升级。在视频 流量激增，用户设备增长和新型应用普及的态势下，迫切需要第五代移动通讯 技术(5G，Fifth-generation)的快速成熟与应用。然而，5G移动通信的信号 频率较高、波长较短，存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境 影响、易被障碍物屏蔽等缺点。

传统技术中，虽然可以通过增强发射信号或是增添中继设备的方式来提升 5G信号的接收效果，但是这两种方式的实际效果仍欠佳，且需要投入较多的人 力物力重新规划和铺设线路，导致成本大大上升。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术较难提升5G信号的传输接收效果且成本高昂 的问题，提供一种改进的透波结构。

一种透波结构，用于减弱或消除电磁波的反射，包括多个沿至少一个方向 周期排布的微结构，所述微结构为平面对称结构且具有电磁波射入面和电磁波 射出面，所述电磁波射入面和所述电磁波射出面关于所述微结构的对称平面对 称；其中，

所述微结构由至少两种具有不同有效相对介电常数的透波材料复合形成， 且所述微结构中透波材料的有效相对介电常数由所述电磁波射入面向所述电磁 波射出面先增大后减小；且，

每个所述透波材料具有对应的布儒斯特角，任意两个所述透波材料的布儒 斯特角的差值处于预设范围内。

上述透波结构，通过微结构的阻抗匹配效应以及使各透波材料的布儒斯特 角满足特定关系，能够在宽频、宽角度范围内实现全偏振的电磁波高透射(透 射率大于98％)；并且可根据各类无线信号(包括5G信号)的频段调整微结构中 各透波材料的尺寸，以使上述透波结构对各类无线信号均能形成宽频、宽角度 且全偏振的透射，从而大大提升无线信号的传输接收效果；另外，上述微结构 可以通过常见的工业材料和方法制备，使得透波结构的制备成本也较低。

在其中一个实施例中，任意两个所述透波材料的布儒斯特角的差值Δθ_B满足 |Δθ_B|≤5°。

在其中一个实施例中，任一所述透波材料的布儒斯特角θ_B满足60°≤θ_B＜90°。

在其中一个实施例中，所述微结构由至少两种透波材料沿一预设轴线排布 形成，所述微结构的对称平面与所述预设轴线垂直。

在其中一个实施例中，所述微结构包括：

两个各向异性透波材料，分别设于所述微结构的两侧；以及，

一个各向同性透波材料，设于所述两个各向异性透波材料之间；

其中，所述各向异性透波材料的任意方向上的有效相对介电常数均小于所 述各向同性透波材料的相对介电常数。

在其中一个实施例中，所述各向异性透波材料的任意方向上的有效相对介 电常数均小于或等于所述各向同性透波材料的相对介电常数的五分之一。

在其中一个实施例中，所述各向异性透波材料满足下列关系式：

ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)；

其中，ε_∥表示所述各向异性透波材料在所述预设轴线方向上的有效相对介 电常数，ε_⊥表示所述各向异性透波材料在垂直于所述预设轴线方向上的有效相 对介电常数，ε_I表示所述各向同性透波材料的相对介电常数。

在其中一个实施例中，所述各向异性透波材料包括多个沿所述预设轴线间 隔排布的打孔电介质板。

在其中一个实施例中，所述透波结构对频率处于5G频段、且具有0～89° 入射角的电磁波的透射率大于或等于97％。

本申请还提供一种透波装置。

一种透波装置，包括如前所述的透波结构。

上述透波装置，通过如前所述的透波结构能够对不同频段的无线信号(包 括5G信号)实现无阻挡，进而增强无线信号的传输接收效果。具体的，上述透 波装置可以是具有高透射率透波效果的壳体、腔体或墙体，从而有利于无线通 信设备的制备以及智能建筑的建造。

附图说明

图1为本申请一实施例透波结构的结构示意图；

图2为本申请另一实施例透波结构的结构示意图；

图3示出了横电波在本申请具体实施例1中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图4示出了横磁波在本申请具体实施例1中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图5示出了横电波在本申请具体实施例2中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图6示出了横磁波在本申请具体实施例2中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图7示出了横电波在本申请具体实施例3中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图8示出了横磁波在本申请具体实施例3中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图9示出了横电波在本申请具体实施例4中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图10示出了横磁波在本申请具体实施例4中的透射率随微结构周期数以及 入射角的变化曲线；

图11示出了本申请又一实施例透波结构的结构示意图；

图12示出了横电波在图11所示实施例中的透射率随微结构周期数以及入 射角的变化曲线；

图13示出了横磁波在图11所示实施例中的透射率随微结构周期数以及入 射角的变化曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是 为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向” 以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明 和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特 定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

第五代移动通讯技术(5G，Fifth-generation)主要包括两部分的工作频 段：

1)低于6GHz的频段。该频段是5G技术的主用频段，其特点是频率低，绕 射能力强，覆盖效果好，该频段最大支持100Mbps的带宽。其中，低于3GHz的 部分，包括了现网在用的2G、3G、4G的频谱，在建网初期可以利旧站址的部分 资源实现5G网络的快速部署；

2)高于6GHz的频段。该频段是5G技术的扩展频段，其优点是频谱干净， 干扰较小，该频段最大支持400Mbps的带宽，未来很多高传输速率应用都会基 于此段频谱实现。

当然5G信号也由于其频率较高的特点，存在传输距离短、穿透和绕射能力 差、容易受气候环境影响以及易被障碍物屏蔽等缺点。而生活中普通墙体主要 由混凝土与砖头建造，其阻抗往往与空气严重不匹配，因此也很容易对包括5G 信号在内的无线信号造成阻挡，导致无线信号的传输接收效果不佳。

传统技术中，虽然可以通过增强发射信号或是增添中继设备的方式来提升 无线信号的接收效果，但是这两种方式的实际效果仍欠佳，且需要投入较多的 人力物力重新规划和铺设线路，导致成本大大上升。而对于一些能实现大角度， 但只能实现横磁波(TM波)偏振或横电波(TE波)偏振的单一偏振透射的透波材 料，或者能实现全偏振，但无法实现全角度的透波材料来说，这些透波材料最 大只能在某个偏振实现70°-75°高透射增强效果，即无法实现全偏振或全角度 的超高透射效果，或是同时实现全偏振且全角度的超高透射效果。并且，这些 结构材料对无线信号阻挡依然很强，难以投入实际应用。

需要指出的是，往后随着第六代或是第七代移动通讯技术发展起来，电磁 波的传输频率会越来越高，从而对于材料的透波性能也会提出越来越高的要求， 因此亟需提供一种对电磁波具有全偏振且全角度传输无阻挡效果的透波结构。

请参考图1，本申请提供一种全偏振、且近乎全角度超高透射的透波结构 100，具体包括：

多个沿至少一个方向周期排布的微结构10。如图1所示，建立xyz直角坐 标系，其中y方向垂直于xz平面向外，微结构10可以沿x方向和/或z方向周 期排布从而形成透波结构100，电磁波朝向z(或-z)方向一侧入射。

具体的，微结构10为平面对称结构且具有电磁波射入面P1和电磁波射出 面P2，电磁波射入面P1和电磁波射出面P2关于微结构10的对称平面M对称。 部分电磁波射入面P1排布形成透波结构100的电磁波射入面，部分电磁波射出 面P2排布形成透波结构100的电磁波射出面。需要指出的是，电磁波射入面P1 和电磁波射出面P2可以是平面或者曲面，本申请对此不做限制。微结构10在z 方向上的长度(即微结构10的晶格常数)优选小于或等于入射电磁波的波长， 更优选的，小于或等于入射电磁波波长的五分之一。另外，微结构10的周期排 布数目对透波结构100的电磁性能影响很小，在实际应用中，可以根据具体需 求来调整微结构10的周期排布数目，从而调整透波结构100的厚度(即z方向 总长度)和尺寸(包括x方向总长度和y方向总长度)。

进一步的，微结构10由至少两种具有不同有效相对介电常数的透波材料复 合形成，且微结构10中透波材料的有效相对介电常数由电磁波射入面P1向电 磁波射出面P2先增大后减小。

如图1所示，微结构10包括具有不同有效相对介电常数的第一透波材料11 和第二透波材料12，第一透波材料11的轮廓呈矩形，第二透波材料12的轮廓 呈椭圆形，第二透波材料12嵌设在第一透波材料11内部的中央，使得微结构 10关于平面M对称；并且，第二透波材料12的有效相对介电常数大于第一透波 材料11的有效相对介电常数，从而，在由电磁波射入面P1向电磁波射出面P2 的方向上，微结构10中透波材料的有效相对介电常数先增大后减小。

由于自然界中的介质折射率通常与空气的折射率相差较大，使得介质和空 气存在严重的阻抗不匹配，从而导致电磁波射入至介质表面时存在较高的反射。 本申请通过将微结构10设置成平面对称结构，可使电磁波的电场和磁场在电磁 波射入面P1向电磁波射出面P2都更为均匀。需要注意的是，此处微结构10为 平面对称结构指微结构10中透波材料的结构和材质均关于平面M对称，具体可 参见图1中第一透波材料11和第二透波材料12的设置方式。接着，将具有较 高有效相对介电常数的第二透波材料12设置在微结构10的中心，可以使电磁 波在第二透波材料12中形成较强的电磁共振模态来匹配空气中的电磁波；并且， 将具有较低有效相对介电常数的第一透波材料11设于微结构10的两侧，有利 于实现空气中的电磁波和第二透波材料12中的电磁波共振模态的平滑过渡和完 美匹配。如此，便能够在电磁波入射时使微结构10与空气实现宽频且近乎全角 度的阻抗匹配。优选的，可以采用对电磁波的吸收小的透波材料来制备上述微 结构10，以减少电磁波在微结构10中的能量损失，进一步提升电磁波的能量透 射效果。

进一步的，每个透波材料具有对应的布儒斯特角，任意两个透波材料的布 儒斯特角的差值处于预设范围内。

自然界中，自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折 射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振 动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θ_B表示。理论上， 每一自然界中的电介质均对应具有一个布儒斯特角。通过将具备上述阻抗匹配 特性的微结构10中的任意两个透波材料(如图1中第一透波材料11和第二透 波材料12)的布儒斯特角的差值Δθ_B控制在预设范围内，即可使横磁波(TM波) 和横电波(TE波)两种偏振的电磁波均实现较佳的阻抗匹配效应，此时两种偏 振的电磁波的入射角(0～89°)均可视为微结构10的等效布儒斯特角，从而 使透波结构100能够在全偏振且近乎全角度的范围内实现超高透射率的透射。 具体的，该预设范围可以是|Δθ_B|≤10°，例如|Δθ_B|可以是0°、2°、4°、6°、8° 或10°。

在另一些实施方式中，第一透波材料11和/或第二透波材料12可以是复合 材料，复合材料的有效参数(包括有效相对介电常数和有效相对磁导率)依据 对应的适用条件，可通过Maxwell-Garnett(麦克斯韦-格内特)理论、Bruggeman (布拉格曼)理论等进行计算。利用复合材料可以针对所需的布儒斯特角对自 然界中的材料进行人工设计，从而设计出满足上述布儒斯特角差值范围的人造 透波材料。如此，不仅拓展了透波材料的制备方式，还可以人工对透波材料的 结构以及材料选取进行优化，以进一步提升透波结构100的透射效果。

上述透波结构100，通过微结构10的阻抗匹配效应以及使各透波材料的布 儒斯特角满足特定关系，能够在宽频、宽角度范围内实现全偏振的电磁波超高 透射(透射率大于98％)；并且可根据各类无线信号(包括5G信号)的频段调整 微结构中各透波材料的尺寸，以使上述透波结构对各类无线信号均能形成宽频、 宽角度且全偏振的透射，从而大大提升无线信号的传输接收效果；另外，上述 微结构10可以通过常见的工业材料和方法制备，使得透波结构100的制备成本 也较低。

在示例性实施方式中，任意两个透波材料的布儒斯特角的差值Δθ_B满足 |Δθ_B|≤5°。|Δθ_B|可以是0、1°、2°、3°、4°或5°。任意两个透波材料的布 儒斯特角的差值Δθ_B越小，越有利于实现透波结构100全偏振的透波效果。

进一步的，任一透波材料的布儒斯特角θ_B满足60°≤θ_B＜90°。θ_B可以是60°、 65°、70°、75°、80°、85°或89°。在满足上述阻抗匹配设计的条件下， 采用布儒斯特角较大的透波材料制备微结构10，有利于增加阻抗匹配的角度范 围。例如，采用布儒斯特角是80°附近的透波材料对应可以实现0～80°的大 角度范围高透射。

在示例性实施方式中，请参考图2，透波结构200由多个微结构20沿预设 轴线AX排布形成，其中，预设轴线AX平行于z方向，微结构20由至少两种透 波材料A和B沿预设轴线AX排布形成，微结构20的对称平面M与预设轴线AX 垂直。如图2所示，将两种透波材料A和B沿预设轴线AX排布便可形成一维的 微结构20，当然，微结构也可以采用如图1所示的二维结构，实际应用时，可 以根据所需的透波效果以及制备的难度来进行选择，本申请对此不做限制。单 从制备难度上来看，一维微结构20的制备难度明显低于二维微结构10的制备 难度。应用时，可以根据具体的工作频段来调整各向异性透波材料A的厚度和 各向异性透波材料B的厚度，同时可以根据具体需求调整微结构20的重复数目， 从而调整透波结构200的总厚度(即z方向的总长度)。

进一步的，继续参考图2，取A透波材料为各向异性透波材料，B透波材料 为各向同性材料，微结构20包括两个各向异性透波材料A，分别设于微结构20 的两侧；以及一个各向同性透波材料22，设于两个各向异性透波材料A之间， 对称平面M平行于xy平面且经过B透波材料的中心；其中，各向异性透波材料 A的任意方向上的有效相对介电常数均小于各向同性透波材料B的相对介电常 数。

由于自然界中较难找到两个具有不同介电常数、而布儒斯特角却相近的各 向同性电介质材料，因此可以利用各向异性透波材料与各向同性透波材料的组 合来设计微结构20。当然除了上述ABA的排布结构外，还可以是ABCBA的排布 结构，其中C为第三种透波材料。

进一步的，各向异性透波材料A的任意方向上的有效相对介电常数均小于 或等于各向同性透波材料B的相对介电常数的五分之一。通过上述方式，更有 利于实现空气中的电磁波和各向同性透波材料B中的电磁波共振模态的平滑过 渡和完美匹配，进而保证微结构20与空气的阻抗匹配效果。进一步的，各向异 性透波材料A的任意方向上的有效相对介电常数均小于或等于各向同性透波材 料B的相对介电常数的十分之一，以进一步保证微结构20与空气的阻抗匹配效 果。具体的，各向同性透波材料B的相对介电常数大于或等于10，而各向异性 透波材料A的任意方向上的有效相对介电常数小于或等于5，从而有利于选取日 常生活中的材料来制备微结构20，同时也可实现空气中电磁波与各向同性透波 材料B中的电磁共振模态的平滑过渡和匹配，保证全角度的阻抗匹配效果。

进一步的，各向异性透波材料A满足下列关系式：ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)；其中， ε_∥表示各向异性透波材料A在预设轴线AX方向上的有效相对介电常数，ε_⊥表示 各向异性透波材料A在垂直于预设轴线AX方向上的有效相对介电常数，ε_I表示 各向同性透波材料B的相对介电常数。

具体的，在横电波朝z方向一侧入射至透波结构200的情况下，由于横电 波的磁场只在z方向而电场只在xy平面，因此透波结构200的透射效果几乎只 与各向异性透波材料A的ε_⊥有关；而在横磁波朝z方向一侧入射至透波结构200 的情况下，由于横磁波的电场只在z方向而磁场只在xy平面，因此透波结构200 的透射效果几乎只与各向异性透波材料A的ε_∥有关。在满足上述关系时，可使 横磁波入射时的透射效果几乎完全等效于横电波入射时的透波效果，此时各向 异性透波材料A与各向同性透波材料B的布儒斯特角几乎完全相等，从而更有 利于实现透波结构200的全偏振透波效果；并且，通过上述公式，可以根据各 向同性透波材料B的相对介电常数，来选取对应的各向异性透波材料A，也方便 了微结构20中透波材料的选取。

另外，对于ABA这类排布结构，也可以将各向同性透波材料设置在微结构 20的两侧，而各向异性透波材料设置在两个各向同性透波材料之间。然而采用 这类方式设计时，为了实现尽可能大角度的阻抗匹配，通常会选取布儒斯特角 较大的透波材料，这就导致各向同性透波材料的相对介电常数也会较大，但此 时各向异性透波材料的任意方向上的有效相对介电常数也均要大于各向同性透 波材料的相对介电常数，便会使得各向异性透波材料的选取困难，即使采用复 合材料来制备该各向异性透波材料，也会导致复合材料的结构设计变得复杂， 不利于降低制备成本。而若都采用各向异性透波材料来形成ABA排布结构，则 相较于前述利用各向异性透波材料与各向同性透波材料的组合来形成ABA排布 结构的方案，明显也会增加透波材料的设计复杂度。

以下将通过4个具体实施例来详细描述本申请的透波结构200以及对应的 透射仿真效果。

具体实施例1

采用相对介电常数ε_I为25、相对磁导率为1的各向同性透波材料B，对应 的各向异性透波材料A的ε_⊥为2，ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)≈1.0417，有效相对磁导率 也为1。选定透波结构200的工作频率为f₀＝8.3042GHz，其中，各向异性透波材 料A在z方向的长度d_A＝3.3125mm、各向同性透波材料B在z方向的长度 d_B＝3.375mm，微结构20在z方向的长度为10mm。

分别使频率为8.3042GHz的横电波(电场平行于微结构20的电磁波射入面) 和横磁波(磁场平行于微结构20的电磁波射入面)从空气以入射角θ入射至透 波结构200，并在图3示出了横电波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ 的变化曲线，以及在图4示出了横磁波的透射率随微结构20周期数以及入射角 θ的变化曲线。图中的实线、虚线和点线分别对应于电磁波在微结构20周期数 为1、3和10时的透波结构200中的透射率，对应的透波结构200的厚度分别 为10mm、30mm和100mm。

如图3所示，横电波以0～90°入射至透波结构200时，在0～89°范围内 均能实现透射率大于99.73％的透射效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步 增加到N＝3，N＝10，发现透射率下降非常微弱。如图4所示，横磁波以0～90° 入射至透波结构200时，在0～89°范围内均能实现透射率大于99.73％的透射 效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步增加到N＝3，N＝10，发现透射率下 降也很小。结合图3和图4可知，透波结构200能够大大提升电磁波的能量透 射率，并实现近乎全角度、全偏振的透射；且随着透波结构200的厚度增加， 透射率下降地也非常微弱，并不会影响到透波结构200的电磁波传输特性。

具体实施例2

采用相对介电常数ε_I为18、相对磁导率为1的各向同性透波材料B，对应 的各向异性透波材料A的ε_⊥为1.2，ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)≈1.0112，有效相对磁导 率也为1。选定透波结构200的工作频率为f₀＝9.627GHz，其中，各向异性透波 材料A在z方向的长度d_A＝3.15mm、各向同性透波材料B在z方向的长度d_B＝3.7mm， 微结构20在z方向的长度为10mm。

分别使频率为9.627GHz的横电波和横磁波从空气以入射角θ入射至透波结 构200，并在图5示出了横电波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ的变 化曲线，以及在图6示出了横磁波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ的 变化曲线。图中的实线、虚线和点线分别对应于电磁波在微结构20周期数为1、 3和10时的透波结构200中的透射率，对应的透波结构200的厚度分别为10mm、 30mm和100mm。

如图5所示，横电波以0～90°入射至透波结构200时，在0～88°范围内 均能实现透射率大于98.15％的透射效果，而在0～89°范围内均能实现透射率 大于97％的透射效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步增加到N＝3，N＝10， 发现透射率下降非常微弱。如图6所示，横磁波以0～90°入射至透波结构200 时，在0～89°范围内均能实现透射率大于98.15％的透射效果，且随着微结构 20的周期数从N＝1逐步增加到N＝3，N＝10，发现透射率下降也很小。结合图5 和图6可知，透波结构200能够大大提升电磁波的能量透射率，并实现近乎全 角度、全偏振的透射；且随着透波结构200的厚度增加，透射率下降地也非常 微弱，并不会影响到透波结构200的电磁波传输特性。

具体实施例3

采用相对介电常数ε_I为35、相对磁导率为1的各向同性透波材料B，对应 的各向异性透波材料A的ε_⊥为2，ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)≈1.0294，有效相对磁导率 也为1。选定透波结构200的工作频率为f₀＝6.5976GHz，其中，各向异性透波材 料A在z方向的长度d_A＝3.15mm、各向同性透波材料B在z方向的长度d_B＝3.7mm， 微结构20在z方向的长度为10mm。

分别使频率为6.5976GHz的横电波和横磁波从空气以入射角θ入射至透波 结构200，并在图7示出了横电波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ的 变化曲线，以及在图8示出了横磁波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ 的变化曲线。图中的实线、虚线和点线分别对应于电磁波在微结构20周期数为 1、3和10时的透波结构200中的透射率，对应的透波结构200的厚度分别为 10mm、30mm和100mm。

如图7所示，横电波以0～90°入射至透波结构200时，在0～80°范围内 均能实现透射率大于98.39％的透射效果，而在0～89°范围内均能实现透射率 大于97％的透射效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步增加到N＝3，N＝10， 发现透射率下降很小。如图8所示，横磁波以0～90°入射至透波结构200时， 在0～87°范围内均能实现透射率大于98.55％的透射效果，而在0～89°范围内 均能实现透射率大于97％的透射效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步增 加到N＝3，N＝10，发现透射率下降也很小。结合图7和图8可知，透波结构200 能够大大提升电磁波的能量透射率，并实现近乎全角度、全偏振的透射；且随 着透波结构200的厚度增加，透射率下降地也非常微弱，并不会影响到透波结 构200的电磁波传输特性。

具体实施例4

采用相对介电常数ε_I为45、相对磁导率为1的各向同性透波材料B，对应 的各向异性透波材料A的ε_⊥为2，ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)≈1.0227，有效相对磁导率 也为1。选定透波结构200的工作频率为f₀＝5.87GHz，其中，各向异性透波材料 A在z方向的长度d_A＝3.15mm、各向同性透波材料B在z方向的长度d_B＝3.7mm， 微结构20在z方向的长度为10mm。

分别使频率为5.87GHz的横电波和横磁波从空气以入射角θ入射至透波结 构200，并在图9示出了横电波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ的变 化曲线，以及在图10示出了横磁波的透射率随微结构20周期数以及入射角θ 的变化曲线。图中的实线、虚线和点线分别对应于电磁波在微结构20周期数为 1、3和10时的透波结构200中的透射率，对应的透波结构200的厚度分别为 10mm、30mm和100mm。

如图9所示，横电波以0～90°入射至透波结构200时，在0～79°范围内 均能实现透射率大于98.2％的透射效果，而在0～89°范围内均能实现透射率大 于97％的透射效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步增加到N＝3，N＝10， 发现透射率下降很小。如图10所示，横磁波以0～90°入射至透波结构200时， 在0～88°范围内均能实现透射率大于98.96％的透射效果，而在0～89°范围内 均能实现透射率大于97％的透射效果，且随着微结构20的周期数从N＝1逐步增 加到N＝3，N＝10，发现透射率下降也很小。结合图9和图10可知，透波结构200 能够大大提升电磁波的能量透射率，并实现近乎全角度、全偏振的透射；且随 着透波结构200的厚度增加，透射率下降地也非常微弱，并不会影响到透波结 构200的电磁波传输特性。

结合上述4个具体实施例可知，在横电波入射情况下，透波结构200能够 在工作频段内实现0～89°全角度范围且透射率超过97.46％的透射效果；而在 横磁波入射情况下，透波结构200能够在工作频段内实现0～89°全角度范围且 透射率超过98％的透射效果。另外上述4个具体实施例的工作频率均处于5G频 段内，从而可知，本申请的透波结构200对频率处于5G频段、且具有0～89° 入射角的电磁波均具有较高的透射率(透射率大于或等于97％)。

由于自然界中天然的各向异性材料比较少，因此在设计微结构20时，可利 用人工材料来制备各向异性透波材料A。如图11所示，各向异性透波材料A包 括多个沿预设轴线AX(z方向)间隔排布的打孔电介质板。通过对各向同性的 电介质板c进行打孔并沿预设轴线AX周期间隔排列即可得到所需的各向异性材 料A。具体的，如图11的中间框图所示，各向同性电介质板c设置在xy平面， 并在z方向上周期间隔排列成N层结构(图中所示为5层)，从而每块介质板c 之间的间隔a_m有a_m＝d_A/N，各向同性电介质板c本身的厚度为a_n。接着，对各向 同性电介质板c在x和y方向上进行周期性阵列打孔，孔的半径为r，孔与孔之 间的间隔也为a_m，打孔的情况由图11的最右侧框图示出。最终，得到具有在预 设轴线AX方向上有效相对介电常数为ε_∥、且在垂直于预设轴线AX方向上有效 相对介电常数为ε_⊥的各向异性透波材料A。ε_∥和ε_⊥的大小可通过前文所述的有 效介质理论计算得到。

接下来将对上述包含打孔电介质板的透波结构300进行说明和透射仿真。

采用相对介电常数ε_I为25、相对磁导率为1的各向同性透波材料B，对应 的各向异性透波材料A的ε_⊥为2，ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)≈1.0417，有效相对磁导率 也为1。选定透波结构200的工作频率为f₀＝7.6774GHz，其中，各向异性透波材 料A在z方向的长度d_A＝3.15mm、各向同性透波材料B在z方向的长度d_B＝3.7mm， 微结构20在z方向的长度a为10mm。

其中，构成各向异性透波材料A的各向同性电介质板c的介电常数ε_C＝28.2， 每层各向同性电介质板c的厚度a_n＝0.03276mm，各向同性电介质板c沿预设轴线 AX(即z方向)周期间隔排布5层，因此每块电介质板c之间的间隔 a_m＝d_A/N＝3.15/5＝0.63mm，对应的孔与孔之间的间隔也为0.63mm。

分别使频率为7.6774GHz的横电波和横磁波从空气以入射角θ入射至透波 结构300，并在图12示出了横电波的透射率随微结构周期数以及入射角θ的变 化曲线，以及在图13示出了横磁波的透射率随微结构周期数以及入射角θ的变 化曲线。图中的实线、虚线和点线分别对应于电磁波在微结构周期数为1、2和 3时的透波结构300中的透射率，对应的透波结构300的厚度分别为10mm、20mm 和30mm。

如图12所示，横电波以0～90°入射至透波结构200时，在0～89°范围 内均能实现透射率大于97.46％的透射效果，且随着微结构的周期数从N＝1逐步 增加到N＝2，N＝3，发现透射率下降非常微弱。如图13所示，横磁波以0～90° 入射至透波结构300时，在0～89°范围内均能实现透射率大于99.61％的透射 效果，且随着微结构的周期数从N＝1逐步增加到N＝2，N＝3，发现透射率下降也 很小。结合图12和图13可知，透波结构300能够大大提升电磁波的能量透射 率，并实现近乎全角度、全偏振的透射；且随着透波结构300的厚度增加，透 射率下降地也非常微弱，并不会影响到透波结构300的电磁波传输特性。

本申请还提供一种透波装置，包括如前文所述的透波结构。

上述透波装置，通过如前文所述的透波结构能够对不同频段的无线信号(包 括5G信号)实现无阻挡，进而增强无线信号的传输接收效果。具体的，上述透 波装置可以是具有高透射率透波效果的壳体、腔体或墙体，从而有利于无线通 信设备的制备以及智能建筑的建造。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (12)

1.一种透波结构，用于减弱或消除电磁波的反射，其特征在于，包括多个沿至少一个方向周期排布的微结构，所述微结构为平面对称结构且具有电磁波射入面和电磁波射出面，所述电磁波射入面和所述电磁波射出面关于所述微结构的对称平面对称；其中，

所述微结构由至少两种具有不同有效相对介电常数的透波材料复合形成，且所述微结构中透波材料的有效相对介电常数由所述电磁波射入面向所述电磁波射出面先增大后减小；且，

每个所述透波材料具有对应的布儒斯特角，任意两个所述透波材料的布儒斯特角的差值处于预设范围内。

2.根据权利要求1所述的透波结构，其特征在于，任意两个所述透波材料的布儒斯特角的差值Δθ_B满足|Δθ_B|≤5°。

3.根据权利要求1或2所述的透波结构，其特征在于，任一所述透波材料的布儒斯特角θ_B满足60°≤θ_B＜90°。

4.根据权利要求1所述的透波结构，其特征在于，每个所述透波材料均为电介质材料。

5.根据权利要求1或2所述的透波结构，其特征在于，所述微结构由至少两种透波材料沿一预设轴线排布形成，所述微结构的对称平面与所述预设轴线垂直。

6.根据权利要求5所述的透波结构，其特征在于，所述微结构包括：

两个各向异性透波材料，分别设于所述微结构的两侧；以及，

一个各向同性透波材料，设于所述两个各向异性透波材料之间；

其中，所述各向异性透波材料的任意方向上的有效相对介电常数均小于所述各向同性透波材料的相对介电常数。

7.根据权利要求6所述的透波结构，其特征在于，所述各向异性透波材料的任意方向上的有效相对介电常数均小于或等于所述各向同性透波材料的相对介电常数的五分之一。

8.根据权利要求6所述的透波结构，其特征在于，所述各向异性透波材料的任意方向上的有效相对介电常数小于或等于5，所述各向同性透波材料的相对介电常数大于或等于10。

9.根据权利要求6所述的透波结构，其特征在于，所述各向异性透波材料满足下列关系式：

ε_∥＝ε_I/(ε_I+1-ε_⊥)；

其中，ε_∥表示所述各向异性透波材料在所述预设轴线方向上的有效相对介电常数，ε_⊥表示所述各向异性透波材料在垂直于所述预设轴线方向上的有效相对介电常数，ε_I表示所述各向同性透波材料的相对介电常数。

10.根据权利要求6-9任一项所述的透波结构，其特征在于，所述各向异性透波材料包括多个沿所述预设轴线间隔排布的打孔电介质板。

11.根据权利要求1或2所述的透波结构，其特征在于，所述透波结构对频率处于5G频段、且具有0～89°入射角的电磁波的透射率大于或等于97％。

12.一种透波装置，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的透波结构。

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