CN203521603U - 一种多层嵌套微结构单元、超材料板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于通讯领域，提供了一种多层嵌套微结构单元，分别设置于至少两块层叠在一起的第一介质基板和第二介质基板，包括第一微结构和第二微结构，所述第一微结构被第一开缝槽孔打断成两个分离的部分，所述第二微结构被第二开缝槽孔打断成两个分离的部分，且所述第一开缝槽孔的开口方向与所述第二开缝槽孔的开口方向相互垂直。选取的微结构在的相位调制能力随结构参数的变化满足设计要求，这就能够实现该类微结构在此频带内调制电磁波的功能，通过对上下两层微结构进行合理的交叉垂直开缝，使其分别对制定的正交线极化信号响应，且互不影响。此外本实用新型还提供了一种超材料板。
Description
技术领域
本实用新型属于通信领域，尤其涉及一种多层嵌套微结构单元、超材料板。
背景技术
根据卫星通讯系统的实际工作方式，在Ku（K-under）等频段卫星信号将在频段内的两个不同的频带范围内（通常有一定间隔）按照正交线极化的方式进行同时双向传输。若要实现该类型的超材料平板天线，则需要实现微结构在收发频带都有特定的响应，且频带间不产生明显的干扰。
现有的方法，譬如在反射阵列天线中，为了实现对电磁波进行调制以达到信号波束沿指定方向出射的目的，需要使用能对入射电磁波进行任意相位调制的微结构功能单元体系。
现有的方案一：在单层板面上按一定规律排列参数不同的金属贴片单元对电磁波起到调制作用，该微结构单元体系能够通过参数的变化实现指定频率下的电磁波调制，但是无法令系统同时工作于两个相隔一段距离的工作频段。现有的方案二：则是在纵向层叠的多个板面上排布元胞尺寸相同但形状不同或个体尺寸不同的微结构，通过叠加后的相互作用实现单层微结构所不具备的较大的电磁波相位调制作用，但其无法使天线整体在两个相邻的频带内互不干扰的工作。综上所述，现有方法是通过使用单层半波长量级元胞尺寸的金属贴片微结构于介质基板进行结合以实现对两个或多个频率电磁波相位的调制量达到或超过360度，会导致所设计的微结构板面元胞尺寸较大、离散程度较高。在此基础上，由于微结构是根据单元中心位置所对应的相位分布进行设计的，因此元胞尺寸越大其非中心位置带来的相位调制误差越大，可以理解为离散化程度引入的误差。因此，元胞尺寸较小的微结构体系能够较好地缓解离散化引起的误差。但受到单层多种微结构混合排列的限制，每种微结构都无法有效地降低离散误差，因此增益值受此限制也难有较大的提升空间。
实用新型内容
本实用新型实施例的目的在于提供一种多层嵌套微结构单元，以解决单一微结构无法在线极化信号情况下解决双频段工作、且不带来明显的互相干扰的问题。
本实用新型提供的一种多层嵌套微结构单元，分别设置于至少两块层叠在一起的第一介质基板和第二介质基板，所述多层嵌套微结构单元包括第一微结构和第二微结构，所述第一微结构铺设于所述第一介质基板的其中一表面，所述第二微结构铺设于所述第二介质基板的其中一表面且与所述第一微结构以所述第一介质基板和/或所述第二介质基板相隔，其中，所述第一微结构被第一开缝槽孔打断成两个分离的部分，所述第二微结构被第二开缝槽孔打断成两个分离的部分，且所述第一开缝槽孔的开口方向与所述第二开缝槽孔的开口方向相互垂直。
进一步地，所述第一微结构包括至少两条第一辐射贴片，且所述至少两条第一辐射贴片由所述第一微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第一辐射贴片均被所述第一开缝槽孔打断成两部分。
进一步地，所述第一微结构的至少两条第一辐射贴片共同围成“十”字形或者方形。
进一步地，所述第二微结构包括至少两条第二辐射贴片，且所述至少两条第二辐射贴片由所述第二微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第二辐射贴片均被所述第二开缝槽孔打断成两部分。
进一步地，所述第二微结构的至少两条第二辐射贴片共同围成方形或者“十”字形。
此外，还提供了一种超材料板，所述超材料板包括：
至少两块层叠在一起的第一介质基板和第二介质基板；
多个第一微结构，以预设的阵列方式铺设于所述第一介质基板的其中一表面；
多个第二微结构，以预设的阵列方式铺设于所述第二介质基板的其中一表面且与所述多个第一微结构以所述第一介质基板和/或所述第二介质基板相隔；
其中，所述多个第一微结构均被第一开缝槽孔打断成两个分离的部分，所述多个第二微结构均被第二开缝槽孔打断成两个分离的部分，且所述第一开缝槽孔的开口方向与所述第二开缝槽孔的开口方向相互垂直。
进一步地，所述第一微结构包括至少两条第一辐射贴片，且所述至少两条第一辐射贴片由所述第一微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第一辐射贴片均被所述第一开缝槽孔打断成两部分。
进一步地，所述第一微结构的至少两条第一辐射贴片共同围成“十”字形或者方形。
进一步地，所述第二微结构包括至少两条第二辐射贴片，且所述至少两条第二辐射贴片由所述第二微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第二辐射贴片均被所述第二开缝槽孔打断成两部分。
进一步地，所述第二微结构的至少两条第二辐射贴片共同围成方形或者“十”字形。
上述多层嵌套微结构单元及其形成的超材料板在指定频率范围下，选取的微结构在的相位调制能力随结构参数的变化满足设计要求，这就能够实现该类微结构在此频带内调制电磁波的功能，通过对上下两层微结构进行合理的交叉垂直开缝，使其分别对制定的正交线极化信号响应，且互不影响。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的多层嵌套微结构单元的侧示图；
图2为本实用新型实施例提供的其中一种微结构的示意图；
图3为本实用新型实施例提供的另一种微结构的示意图；
图4为本实用新型实施例提供的改变下层微结构的整体相位调制曲线对比图；
图5为图4中的局部放大图。
具体实施方式
为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具带实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
结合图1至3，多层嵌套微结构单元分别设置于至少两块层叠在一起的第一介质基板101和第二介质基板102，多层嵌套微结构单元包括第一微结构111和第二微结构112，第一微结构111铺设于第一介质基板101的其中一表面，第二微结构112铺设于第二介质基板102的其中一表面且与第一微结构111以第一介质基板101和/或第二介质基板102相隔，其中，第一微结构111被第一开缝槽孔113打断成两个分离的部分，第二微结构112被第二开缝槽孔114打断成两个分离的部分，且第一开缝槽孔113的开口方向与第二开缝槽孔114的开口方向相互垂直。
参考图2，在一个实施例中，第一微结构111（或第二微结构112）包括至少两条第一辐射贴片1112，且至少两条第一辐射贴片1112由第一微结构111的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第一辐射贴片1112均被第一开缝槽孔113打断成两部分。
优选地，第一微结构111的至少两条第一辐射贴片1112共同围成“十”字形或者方形（图2示出的为“十”字形）。本实施例的附图仅示出了具有两条第一辐射贴片1112的第一微结构111；在其他实施例中，第一辐射贴片1112为三条、四条等，其设置方式如上述。
另外，参考图3，第二微结构112（或第二微结构111）包括至少两条第二辐射贴片1122，且至少两条第二辐射贴片1122由第二微结构112的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第二辐射贴片1122均被第二开缝槽孔114打断成两部分。
优选地，第二微结构112的至少两条第二辐射贴片1122共同围成方形或者“十”字形（图3示出的为方形）。本实施例的附图仅示出了具有两条第二辐射贴片1122的第二微结构112；在其他实施例中，第二辐射贴片1122为三条、四条等，其设置方式如上述。
第一微结构111和第二微结构112用于在指定的一个或多个频段内与介质基板（第一介质基板101或第二介质基板102）共同作用产生需要的电磁波相位调制能力，每一层面的微结构，用于在指定频段内与介质基板共同作用产生需要的电磁波相位调制能力。其中，每一层微结构对应的极化响应信号方向不同或频率差异较大。
另外，每一层面的微结构通过合理排布可以用于多种器件上对电磁波进行多种方式的调制。该器件包括但不限于天线面、吸波材料、透波材料、频率选择器件等。
第一介质基板101或第二介质基板102由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。辐射贴片为导电材料构成，可以是金属或非金属导电材料。
本发明所要解决的技术问题是，利用所设计的多层交叉开缝形式的微结构实现在卫星信号在接收和发射频带能够同时工作，且不带来明显的互相干扰。以Ku频段的部分数据做为说明示例，上述的第一个实施例中展示了这类微结构的一个例子。
在第一个实施例中，如图1至3展示了这种设计的示意图，两层微结构（第一微结构111和第二微结构112）之间通过适当的介质材料（第一介质基板101和第二介质基板102）分隔。选用交叉十字框与方框分别作为双层微结构的上下两层。为了使上下两层分别对正交极化的接收、发射信号进行响应，采取相互垂直开缝的方式进行人为的分离，如十字方框水平开缝、方框垂直开缝。
由仿真可知，该嵌套功能单元在生长参数（L）自最小（对应尺寸最小）变化到最大（对应尺寸最大）的过程中，其对频率范围在10～20GHz的垂直极化电磁波的相位调制能力变化明显，在部分区域其调相能力覆盖范围大于360度，如图4所示，其中每一条曲线对应一个不同的生长参数L数值。
通过实际仿真验证以及学术界同类微结构使用经验，该类开缝型微结构在适当的尺寸和频率下对且仅对沿开缝方向的线极化信号作出明显响应。同时，实际仿真也验证该种层叠方式在一定的频率范围之内不会带来明显的额外的响应，因此在设计频带内基本不会影响上下两组微结构的相位调制能力或引起互藕，图4、5展示了该仿真结果。在8～13GHz的范围内固定下层微结构，变化上层微结构，采用的激励信号与下层微结构开缝方向匹配，按预期，仿真结果在一定频率范围内将不会随上层微结构的变化产生明显的变化。实际仿真结果也支持了这一预期，在整个8～13GHz范围内，仅9～10GHz区域出现了略明显的相互干扰，而其它绝大多数频带内的相位调制能力基本未随上层微结构的变化产生较明显的波动。这一结果很好地说明了该设计在实际使用上的可行性。
考虑到微结构对电磁波的调制能力是普遍存在的，因此该类微结构可用于所有与电磁波调制相关的产品中，其中最具有代表性例子为超材料平板天线等，尤其是涉及双频段或多频段收发共用的情况。
微结构能达到所需性能的原理说明：
首先，在指定频率范围下，选取的微结构（上层或下层，不同时存在）在的相位调制能力随结构参数（如生长参数）的变化满足设计要求，这就能够实现该类微结构在此频带内调制电磁波的功能。通过对上下两层微结构进行合理的交叉垂直开缝，使其分别对制定的正交线极化信号响应，且互不影响。通过仿真确认上下两层微结构基本相互独立的频段范围，在该频段内正常使用此多层微结构，使其对不同极化信号同时响应，进而实现天线信号收发功能。具体频率响应信息与微调需要根据实际情况确定。
基于该种微结构叠加时所适用的原理，此类层叠式开缝微结构可以有多种形态和组合。多数具有极化响应特性的简单结构都可以通过相似的结构形成具有相似功能的单元。以下将给出几种具体的例子。
在第二个实施例中，第二微结构112具有由条形的辐射贴片围成的“十”字形空间，如图2所示；第一微结构111具有由条形的辐射贴片围成的方形空间，如图3所示。
在第三个实施例中，第一微结构111和第二微结构112均具有由条形的辐射贴片围成的方形空间，如图3所示。
在第四个实施例中，第一微结构111和第二微结构112均具有由条形的辐射贴片围成的“十”字形空间，如图2所示。
以上涉及到的各种微结构决定了不同参数的单元微结构能够对电磁波产生量化调制的不同，如相位等。但其排布规律并不由微结构本身特性所决定。以平板天线为例，设计板面微结构排布的依据是馈源参数、馈源位置、波束发射/接受方向等。这些参数决定了板面每个微结构所应具备的性能参数，根据该性能参数才能结合仿真结果填入对应的微结构。当选用的微结构体系发生变化时，制板方法和规律不变，仅仅是每个微结构发生变化。
此外，参考图2和3，还提供了一种超材料板，超材料板包括：至少两块层叠在一起的第一介质基板101和第二介质基板102、多个第一微结构111以及多个第二微结构112。
多个第一微结构111以预设的阵列方式铺设于第一介质基板101的其中一表面；多个第二微结构112以预设的阵列方式铺设于第二介质基板102的其中一表面且与多个第一微结构111以第一介质基板101和/或第二介质基板102相隔。其中，多个第一微结构111均被第一开缝槽孔113打断成两个分离的部分，多个第二微结构112均被第二开缝槽孔114打断成两个分离的部分，且第一开缝槽孔113的开口方向与第二开缝槽孔114的开口方向相互垂直。
进一步地，第一微结构111包括至少两条第一辐射贴片1112，且至少两条第一辐射贴片1112由第一微结构111的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第一辐射贴片1112均被第一开缝槽孔113打断成两部分。
进一步地，第一微结构111的至少两条第一辐射贴片1112共同围成“十”字形或者方形。
进一步地，第二微结构112包括至少两条第二辐射贴片1122，且至少两条第二辐射贴片1122由第二微结构112的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第二辐射贴片1122均被第二开缝槽孔114打断成两部分。
进一步地，第二微结构112的至少两条第二辐射贴片1122共同围成方形或者“十”字形。
上述多层嵌套微结构单元及其形成的超材料板在指定频率范围下，选取的微结构在的相位调制能力随结构参数的变化满足设计要求，这就能够实现该类微结构在此频带内调制电磁波的功能，通过对上下两层微结构进行合理的交叉垂直开缝，使其分别对制定的正交线极化信号响应，且互不影响。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多层嵌套微结构单元，分别设置于至少两块层叠在一起的第一介质基板和第二介质基板，其特征在于，所述多层嵌套微结构单元包括第一微结构和第二微结构，所述第一微结构铺设于所述第一介质基板的其中一表面，所述第二微结构铺设于所述第二介质基板的其中一表面且与所述第一微结构以所述第一介质基板和/或所述第二介质基板相隔，其中，所述第一微结构被第一开缝槽孔打断成两个分离的部分，所述第二微结构被第二开缝槽孔打断成两个分离的部分，且所述第一开缝槽孔的开口方向与所述第二开缝槽孔的开口方向相互垂直。
2.如权利要求1所述的多层嵌套微结构单元，其特征在于，所述第一微结构包括至少两条第一辐射贴片，且所述至少两条第一辐射贴片由所述第一微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第一辐射贴片均被所述第一开缝槽孔打断成两部分。
3.如权利要求2所述的多层嵌套微结构单元，其特征在于，所述第一微结构的至少两条第一辐射贴片共同围成“十”字形或者方形。
4.如权利要求1所述的多层嵌套微结构单元，其特征在于，所述第二微结构包括至少两条第二辐射贴片，且所述至少两条第二辐射贴片由所述第二微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第二辐射贴片均被所述第二开缝槽孔打断成两部分。
5.如权利要求4所述的多层嵌套微结构单元，其特征在于，所述第二微结构的至少两条第二辐射贴片共同围成方形或者“十”字形。
6.一种超材料板，其特征在于，所述超材料板包括：
至少两块层叠在一起的第一介质基板和第二介质基板；
多个第一微结构，以预设的阵列方式铺设于所述第一介质基板的其中一表面；
多个第二微结构，以预设的阵列方式铺设于所述第二介质基板的其中一表面且与所述多个第一微结构以所述第一介质基板和/或所述第二介质基板相隔；
其中，所述多个第一微结构均被第一开缝槽孔打断成两个分离的部分，所述多个第二微结构均被第二开缝槽孔打断成两个分离的部分，且所述第一开缝槽孔的开口方向与所述第二开缝槽孔的开口方向相互垂直。
7.如权利要求6所述的超材料板，其特征在于，所述第一微结构包括至少两条第一辐射贴片，且所述至少两条第一辐射贴片由所述第一微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第一辐射贴片均被所述第一开缝槽孔打断成两部分。
8.如权利要求7所述的超材料板，其特征在于，所述第一微结构的至少两条第一辐射贴片共同围成“十”字形或者方形。
9.如权利要求6所述的超材料板，其特征在于，所述第二微结构包括至少两条第二辐射贴片，且所述至少两条第二辐射贴片由所述第二微结构的中心往外等间距地多层嵌套设置，每一条第二辐射贴片均被所述第二开缝槽孔打断成两部分。
10.如权利要求9所述的超材料板，其特征在于，所述第二微结构的至少两条第二辐射贴片共同围成方形或者“十”字形。
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