CN202487775U - 超材料及由超材料制成的天线罩 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种超材料，包括多个超材料片层，每个超材料片层包括中间层和两分别覆盖于所述中间层的两相对表面的包覆层，所述中间层包括一介质基板及附着于所述介质基板的两相对表面的多个人工微结构，位于所述介质基板的两个相对表面上对应位置的人工微结构组成一对，由每对人工微结构及其所在的介质基板部分组成一个超材料单元，每对人工微结构中的任一人工微结构绕以垂直于所述介质基板并通过其所在的超材料单元的中心的直线为轴旋转90度或270度后与另一人工微结构重叠，这种超材料可让一定频段的电磁波高效通过、而过滤掉另一频段的电磁波。本实用新型还提供了一种由所述超材料制成的天线罩，以让天线罩具有选择性透波的性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及超材料，更具体地说，涉及一种具有全新设计的人工微结构的超材料及由超材料制成的天线罩。
背景技术
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。当前，人们是在介质基板上周期性地排列具有一定几何形状的人工微结构来形成超材料。一般，人工微结构的几何尺寸介于所需响应的入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。由于人们可以利用人工微结构的几何形状和尺寸以及排布方式来改变超材料空间各点的介电常数和/或磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播，故而，在多个领域具有广泛的应用前景，成为各国科研人员争相研究的热点领域之一。
目前，人们已经开展了超材料作为透波材料的应用研究，特别是在用超材料来制作天线罩方面。我们知道，天线罩是罩设于天线的外面，用于保护天线的，使其免受外界恶劣环境的影响。这样，电磁波需要穿过天线罩而被天线所接收或传播出去，这就要求天线罩具有良好的透波性能，尽量减少对电磁波的损耗，而且反射小。此外，对于只是定向收发特定频率的电磁波的天线来说，天线罩则只需要让该特定频率的电磁波穿过即可，对于其他频率的电磁波则可由天线罩过滤掉，也即选择性透波，这样可避免杂讯对天线的干扰，提高了天线收发信号的准确性。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种具有选择性透波功能的超材料及由所述超材料制成的天线罩。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括中间层和两分别覆盖于所述中间层的两相对表面的包覆层，所述中间层包括一介质基板及附着于所述介质基板的两相对表面的多个人工微结构，每个人工微结构大致呈“I”字形；位于所述介质基板的两个相对表面上对应位置的人工微结构组成一对，由每对人工微结构及其所在的介质基板部分组成一个超材料单元，每对人工微结构中的任一人工微结构绕以垂直于所述介质基板并通过其所在的超材料单元的中心的直线为轴旋转90度或270度后与另一人工微结构重叠。
优选地，每个人工微结构包括至少两第一方环和将所述两第一方环连接在一起的第一直线。
优选地，每个人工微结构还包括两第二方环和将所述两第二方环分别连接于所述两第一方环的两第二直线。
优选地，所述第一直线与所述两第二直线共线。
优选地，所述第一直线和所述两第二直线分别位于所述两第一方环、第二方环的相应边的中点。
优选地，所述两第一方环和第二方环的几何尺寸均相等。
优选地，所述第一直线和所述两第二直线分别位于所述两第一方环、第二方环的长边的中点。
优选地，所述介质基板由聚四氟乙烯制成，而所述两包覆层由聚丙烯制成。
优选地，所述人工微结构周期性地排布于所述介质基板的两相对表面。
一种天线罩，用于罩设天线以保护天线，所述天线罩由超材料制成，所述超材料包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括中间层和两分别覆盖于所述中间层的两相对表面的包覆层，所述中间层包括一介质基板及附着于所述介质基板的两相对表面的多个人工微结构，每个人工微结构大致呈“I”字形；位于所述介质基板的两个相对表面上对应位置的人工微结构组成一对，由每对人工微结构及其所在的介质基板部分组成一个超材料单元，每对人工微结构中的任一人工微结构绕以垂直于所述介质基板并通过其所在的超材料单元的中心的直线为轴旋转90度或270度后与另一人工微结构重叠。
本实用新型的超材料及由超材料制成的天线罩具有以下有益效果：由于具有所述人工微结构的超材料可让一定频段的电磁波高效通过、而过滤掉另一频段的电磁波，具有选择性透波的功能，由此可见，由其制成的天线罩也具有选择性透波的性能。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的超材料的截面结构示意图；
图2是本实用新型的中间层的人工微结构周期性地排布于介质基板的一个表面上的示意图；
图3是本实用新型的中间层的人工微结构周期性地排布于介质基板的另一个相对表面上的示意图；
图4是本实用新型的人工微结构的平面示意图；
图5是由本实用新型的一具体几何尺寸人工微结构构成的超材料的反射系数、透射系数随电磁波频率变化的仿真示意图；
图6是图5中12.79-24.27GHz频段的放大图；
图7是本实用新型的天线罩罩设于一天线时的示意图。
图中各标号对应的名称为：
10超材料片层、12中间层、122介质基板、124人工微结构、1242第一直线、1244方环、1246第二直线、126超材料单元、14包覆层、20天线罩、30电磁波发射源
具体实施方式
如图1所示，为本实用新型提供的超材料。所述超材料包括一超材料片层10，所述超材料片层10包括中间层12和两分别覆盖于所述中间层12的两相对表面的包覆层14。所述中间层12包括一介质基板122及附着于所述介质基板122的两相对表面的多个人工微结构124。这样，由于所述两包覆层14分别覆盖于所述中间层12的两相对表面而将所述人工微结构124保护起来，所述人工微结构124可免受外界恶劣环境的影响而致其磨损乃至剥离脱落。所述介质基板122及两包覆层14可由任何具有高介电常数或低介电常数的高分子聚合物制成，且所述介质基板122与所述两包覆层14既可以均采用同一种材料制成，也可以分别采用不同的材料制成，而所述介质基板122还可由陶瓷材料制成，所述两包覆层14的厚度既可以相等，也可以不相等。本实施例中，所述介质基板122是由聚四氟乙烯(F4B)制成，而所述两包覆层14均是由聚丙烯(PP)制成，且所述两包覆层14的厚度相等。
如图2和图3所示，所述中间层12的介质基板122的两个相对表面上均附着有多个人工微结构124，位于所述介质基板122的两个相对表面上对应位置的人工微结构124组成一对，而我们一般将每对人工微结构124及其所在的介质基板122部分人为定义为一个超材料单元126，每个超材料单元126的几何尺寸小于所需响应的电磁波波长的五分之一，优选为十分之一；每对人工微结构124的几何尺寸应与相应超材料单元126的几何尺寸属于同一数量级。每对人工微结构124中位于所述介质基板122的任一表面上的人工微结构124绕以垂直于所述介质基板122并通过其所在的超材料单元126的中心的直线为轴旋转90度或270度后与另一表面上的人工微结构124重叠。每个人工微结构124通常为由金属线如铜线或者银线等构成的具有一定拓扑形状的平面(二维)或立体(三维)结构，其中，金属线的截面可以为扁平状或其他任意形状，如圆柱状。图2和图3中所示的人工微结构124均是由具有扁平状截面的金属线构成的平面结构，并呈周期性排布，也即，所述人工微结构124是周期性地排布于所述介质基板122的两个相对表面上的，而由相应表面的包覆层14覆盖而被保护起来。
请参考图4，为本实用新型的人工微结构124的一个实施例。每个人工微结构124大致呈“I”字形，其包括两第一方环1242、两第二方环1244和将所述两第一方环1242连接在一起的一第一直线1246、将所述两第一方环1242分别连接于所述两第二方环1244的两第二直线1248。所述第一直线1246与所述两第二直线1248共线且分别位于所述两第一方环1242、第二方环1244的相应边的中点。图4中，所述两第一方环1242和第二方环1244均大致呈长方形且其几何尺寸均相等，而所述第一直线1246、两第二直线1248分别位于所述两第一方环1242、第二方环1244的长边的中点，且所述两第一方环1242和第二方环1244均是由金属线围合而成，而所述第一直线1246、两第二直线1248亦是金属线。
为了使得所述超材料的波阻抗与空气的波阻抗相匹配，以便电磁波穿过时反射小、透射多也即损耗小，我们可事先利用CST等电脑仿真软件并根据需要响应的电磁波的波长来不断调节所述人工微结构124的几何尺寸，如所述两第一方环1242、第二方环1244的长边、短边和长宽比以及所述第一直线1246、两第二直线1248的长度等，从而使所述介质基板122所使用的材料不论是高介电常数的还是低介电常数的，均可以调节至与空气的波阻抗相匹配(因为波阻抗
，其中，μ为磁导率、ε为介电常数)，并监测由具有各种具体几何尺寸的人工微结构124所构成的超材料单元126对电磁波的反射和透射，从中选出波阻抗与空气的波阻抗相匹配也即对电磁波反射小、而可让某一频段的电磁波透过、过滤掉另一频段的电磁波的人工微结构124，也即找到一种具有选择性透波的人工微结构124，这样，我们即可以此具体几何尺寸的人工微结构124通过如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等任何合适的加工工艺附着于所述介质基板122的两个相对表面上，从而制得超材料。此外，也可以采用三维的激光加工工艺。
为了检测具有上述人工微结构124的超材料对电磁波的电磁响应，我们以具有某一具体几何尺寸的人工微结构124制成的超材料为样品进行了仿真测试，结果如图5和图6所示，其中实线代表电磁波的透射、虚线代表电磁波的反射。从图可知，由该种具有具体几何尺寸的人工微结构124制成的超材料在12.79GHz至24.27GHz的频率范围具有良好的透波性能，且在11.48GHz这么宽的频带范围内其透射系数均大于-0.1dB，也即在超宽频范围内具有高透波率；而在8.4GHz时，透射系数最小，也即8.4GHz的电磁波会被所述超材料过滤掉。可见，本实用新型的超材料由于其波阻抗与空气的波阻抗相匹配而具有选择性透波且透波率高、透波频带宽的电磁性能。
另外，我们可根据实际需要来灵活调节所述人工微结构124的几何尺寸而使不同频段的电磁波透过而让其他频段的电磁被过滤掉。也即，根据实际工作频率的不同来灵活改变所述人工微结构124的几何尺寸。所述超材料可包括多片由所述人工微结构124制成的超材料片层10，多层所述超材料片层10可沿垂直于片层表面的方向直接前、后表面相粘接而叠加在一起。
请参考图7，为本实用新型的天线罩20，用于保护天线，如图中的电磁波发射源30。所述天线罩20是由本实用新型的超材料制成的。这样，所述天线罩20不仅具有所述超材料的良好的选择透波且透波率高、反射小等电磁性能，而且由于所述超材料的人工微结构124被所述两包覆层14保护起来，不易磨损和脱落，保证了所述天线罩20的电磁性能的稳定。本实施例中的天线罩20呈弯曲形状，其是通过热压平板型超材料而形成。另外，也可使用软性的介质基板来制得可弯曲的超材料或者将多块平板型超材料拼接在一起，以便形成各种形状的天线罩20。而且可根据所述天线罩20需要承重的情况，将多片超材料片层10叠加在一起来增强天线罩20的机械强度，使其更坚固耐用。这时，既可将多个超材料片层10两两相互之间直接前、后表面相贴合在一起，如图7所示，也可将多个超材料片层10等间距地排列组装在一起。同时，需要考虑增加所述天线罩20的厚度后对电磁波的损耗等影响。
以上所述仅是本实用新型的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本实用新型的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如每个人工微结构124还可包括两第三方环和将所述两第三方环分别连接于所述两第二方环1244的两第三直线，并依次类推；而每个人工微结构124的方环的各个转角处以及各个方环与相应直线的连接处可为直角，也可为圆弧，而这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种超材料，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括中间层和两分别覆盖于所述中间层的两相对表面的包覆层，所述中间层包括一介质基板及附着于所述介质基板的两相对表面的多个人工微结构，每个人工微结构大致呈“I”字形；位于所述介质基板的两个相对表面上对应位置的人工微结构组成一对，由每对人工微结构及其所在的介质基板部分组成一个超材料单元，每对人工微结构中的任一人工微结构绕以垂直于所述介质基板并通过其所在的超材料单元的中心的直线为轴旋转90度或270度后与另一人工微结构重叠。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构包括至少两第一方环和将所述两第一方环连接在一起的第一直线。
3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构还包括两第二方环和将所述两第二方环分别连接于所述两第一方环的两第二直线。
4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述第一直线与所述两第二直线共线。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述第一直线和所述两第二直线分别位于所述两第一方环、第二方环的相应边的中点。
6.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于，所述两第一方环和第二方环的几何尺寸均相等。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述第一直线和所述两第二直线分别位于所述两第一方环、第二方环的长边的中点。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述介质基板由聚四氟乙烯制成，而所述两包覆层由聚丙烯制成。
9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人工微结构周期性地排布于所述介质基板的两相对表面。
10.一种天线罩，用于罩设天线以保护天线，其特征在于，所述天线罩是由权利要求1至9中任意一项所述的超材料制成的。
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