CN204706637U - 超材料滤波结构及具有其的超材料天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超材料滤波结构及具有其的超材料天线罩和天线系统。该超材料滤波结构包括：基板；多层导电几何结构层，多层导电几何结构层设置在基板上，多层导电几何结构层间隔设置，其中，各导电几何结构层包括多个圈形件和多个连接件，各导电几何结构层的多个圈形件呈矩形阵列排列，每一排的相邻两个圈形件通过连接件导电连接，相邻的两层导电几何结构层的投影互不重合。应用本实用新型的技术方案可以使工作频段的入射该超材料滤波结构的TE波实现低通滤波效果，而TM波实现高通滤波效果。

Description

超材料滤波结构及具有其的超材料天线罩和天线系统

技术领域

本实用新型涉及天线滤波领域，具体而言，涉及一种超材料滤波结构及具有其的超材料天线罩和天线系统。

背景技术

一般情况下，天线系统都会设置有滤波结构。滤波结构的目的是保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩是天线前面的障碍物，对天线辐射波会产生吸收和反射，改变天线的自由空间能量分布，并在一定程度上影响天线的电气性能。

现有技术中的滤波结构是由纯材料制成，纯材料的透波性能比较均一，工作频段内或相邻频段均透波，造成天线无法对工作频段以外的电磁波进行有效抑制，使得工作频段外的透波容易干扰天线的正常工作。而且，现有技术中不具有TE波(直向波)入射时会产生低通滤波效果，而TM波(横向波)入射时会产生高通滤波效果的滤波结构。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种超材料滤波结构及具有其的超材料天线罩和天线系统，以解决现有技术中超材料滤波结构对工作频段外的电磁波的抑制效果差的问题，并且使工作频段的入射该超材料滤波结构的TE波实现低通滤波效果，而TM波实现高通滤波效果。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种超材料滤波结构，包括：基板；多层导电几何结构层，多层导电几何结构层设置在基板上，多层导电几何结构层间隔设置，其中，各导电几何结构层包括多个圈形件和多个连接件，各导电几何结构层的多个圈形件呈矩形阵列排列，每一排的相邻两个圈形件通过连接件导电连接，相邻的两层导电几何结构层的投影互不重合。

进一步地，每层导电几何结构层中的相邻两排圈形件中的相邻的四个圈形件形成一个区域，每个区域与相邻层的一个圈形件的位置相对应。

进一步地，相邻的两层导电几何结构层中的其中一层的每个圈形件的中心的投影与另一层的相邻四个圈形件形成的区域的中心的投影重合。

进一步地，圈形件为矩形金属圈，连接件为连接金属线，连接金属线连接在同一层导电几何结构层的同一排的相邻两个矩形金属圈的相对两条边的中部上。

进一步地，圈形件为具有矩形通孔的矩形板件，矩形通孔开设在矩形板件的中间位置上。

进一步地，矩形板件具有长边和短边，该长边的边长为L1，该短边的边长为L2，且6.5mm≤L1≤8.0mm，2.0mm≤L2≤4.0mm。

进一步地，多层导电几何结构层由第一导电几何结构层和第二导电几何结构层组成，第一导电几何结构层的矩形板件的面积小于第二导电几何结构层的矩形板件的面积。

进一步地，矩形通孔具有长边和短边，该长边的边长为L3，该短边的边长为L4，3.5mm≤L3≤4.5mm，0.3mm≤L4≤1.5mm。

进一步地，基板包括蜂窝基板，第一导电几何结构层和第二导电几何结构层分别设置在蜂窝基板的相对的两侧。

进一步地，蜂窝基板的厚度为H，8.0mm≤H≤15.0mm。

进一步地，基板还包括第一预浸料基板、第二预浸料基板、第三预浸料基板和第四预浸料基板，第一导电几何结构层设置在第一预浸料基板与第二预浸料基板之间，第二导电几何结构层设置在第三预浸料基板与第四预浸料基板之间，第二预浸料基板与第三预浸料基板分别固定在蜂窝基板的相对的两侧面上。

进一步地，第二预浸料基板与蜂窝基板之间、第三预浸料基板与蜂窝基板之间均具有第一粘结层。

进一步地，第一预浸料基板的厚度大于第二预浸料基板的厚度，第四预浸料基板的厚度大于第三预浸料基板的厚度。

进一步地，第一导电几何结构层与第一预浸料基板之间或第一导电几何结构层与第二预浸料基板之间具有第二粘结层，第二导电几何结构层与第三预浸料基板之间或第二导电几何结构层与第四预浸料基板之间具有第三粘结层。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种超材料天线罩，包括前述的超材料滤波结构。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种天线系统，包括前述的超材料天线罩。

应用本实用新型的技术方案，该超材料滤波结构的各层导电几何结构层由多个连接件和多个呈矩形阵列排列的圈形件组成，并且各层导电几何结构层的每一排圈形件之间通过连接件连接起来，其中，相邻的两层导电几何结构层的投影不重合。这样的超材料滤波结构能够调节滤波的介电常数和磁导率，使得电磁波通过该超材料滤波结构时，工作频段的电磁波能高效率地穿透，非工作频段的电磁波能够有效地被截止，从而解决了超材料滤波结构对工作频段外的电磁波的抑制效果差的技术问题。同时，该超材料滤波结构使得入射的工作波段内的TE波(直向波)能够产生低通滤波的透波功能，而入射的工作频段内的TM波(横向波)产生高通滤波的透波功能。

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实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的超材料滤波结构的实施例的剖视结构示意图；

图2示出了图1的导电几何结构层的局部排列结构示意图；

图3示出了本实用新型的超材料滤波结构的实施例的导电几何结构层的投影分布示意图；

图4示出了本实用新型的超材料滤波结构的实施例的TE波透波效果曲线图；

图5示出了本实用新型的超材料滤波结构的实施例的TM波透波效果曲线图；

图6示出了超材料滤波结构的实施例的TE波和TM波的透波效果对比曲线图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基板；                              11、蜂窝基板；

121、第一预浸料基板；                   122、第二预浸料基板；

123、第三预浸料基板；                   124、第四预浸料基板；

20、导电几何结构层；                    21、圈形件；

22、连接件；                            201、第一导电几何结构层；

202、第二导电几何结构层；               30、粘结层。

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实用新型。

如图1至图3所示，本实施例提供了一种超材料滤波结构，该超材料滤波结构包括基板10和多层导电几何结构层20。多层导电几何结构层20设置在基板10上，多层导电几何结构层20之间间隔设置，其中，各导电几何结构层20包括多个圈形件21和多个连接件22，各导电几何结构层20的多个圈形件21呈矩形阵列排列，每一排的相邻两个圈形件21通过连接件22导电连接，相邻的两层导电几何结构层20的投影互不重合。在本实施例中，每层导电几何结构层20中的相邻两排圈形件21中的相邻的四个圈形件21形成一个区域，每个区域与相邻层的一个圈形件21的位置相对应。

这样的超材料滤波结构能够调节滤波的介电常数和磁导率，使得电磁波通过该超材料滤波结构时，工作频段的电磁波能高效率地穿透，非工作频段的电磁波能够有效地被截止，从而解决了超材料滤波结构对工作频段外的电磁波的抑制效果差的技术问题。同时，该超材料滤波结构使得入射的工作波段内的TE波直向波能够产生低通滤波的透波功能，而入射的工作频段内的TM波横向波产生高通滤波的透波功能。

在本实施例中，相邻的两层导电几何结构层20中的其中一层的每个圈形件21的中心的投影与另一层的相邻四个圈形件21形成的区域的中心的投影重合。并且，圈形件21为矩形金属圈，连接件22为连接金属线，连接金属线连接在同一层导电几何结构层20的同一排的相邻两个矩形金属圈的相对两条边的中部上。

导电几何结构可以使用任意导电材料，可以是金属材料，例如金、银或铜或几种金属的混合物，优选铜，所使用的金属材料的原始形态可以是固体、液体、流状体或粉状物；也可以是非金属材料，如导电油墨。

如图2和图3所示，圈形件21为具有矩形通孔的矩形板件，矩形通孔开设在矩形板件的中间位置上。这样的圈形件21制作工艺简单方便，且制作成本低，可以节省生产该超材料滤波结构的制作成本。

在本实施例中，多层导电几何结构层20由第一导电几何结构层201和第二导电几何结构层202组成，为了更好地使入射的工作频段的电磁波实现透波功能，第一导电几何结构层201的矩形板件的面积小于第二导电几何结构层202的矩形板件的面积。

如图2所示，该矩形板件具有长边和短边，该长边的边长为L1，该短边的边长为L2，且6.5mm≤L1≤8.0mm，2.0mm≤L2≤4.0mm，在本实施例中，第一导电几何结构层201中的矩形板件的L1＝7.0mm，L2＝2.5mm；第二导电几何结构层202的矩形板件L1＝6.8mm，L2＝3.0mm。进一步地，矩形通孔具有长边和短边，该长边的边长为L3，该短边的边长为L4，3.5mm≤L3≤4.5mm，0.3mm≤L4≤1.5mm，在本实施例中，第一导电几何结构层201的矩形板件上的矩形通孔的L3＝4.0mm，L4＝0.5mm，第二导电几何结构层202的矩形板件上的矩形通孔的L3＝3.8mm，L4＝1.0mm。

在本实施例中，在第一导电几何结构层201和第二导电几何结构层202中，同一排矩形板件之间连接的连接件22可以是金属件，例如是铜材料件，也可以是非金属件，例如是石墨件，并且连接件22的粗度为0.1mm。在第一导电几何结构层201中，同一排上的相邻两个矩形板件的相邻长边之间的距离为5.5mm，相邻短边之间的距离为1.0mm。在第二导电几何结构层202中，同一排上的相邻两个矩形板件的相邻长边之间的距离为5.0mm，相邻短边之间的距离为1.2mm。本实施例的各层导电几何结构层20的厚度为0.018mm。

再次如图1所示，基板10包括蜂窝基板11，第一导电几何结构层201和第二导电几何结构层202分别设置在蜂窝基板11的相对的两侧面上。进一步地，基板10还包括第一预浸料基板121、第二预浸料基板122、第三预浸料基板123和第四预浸料基板124，第一导电几何结构层201设置在第一预浸料基板121与第二预浸料基板122之间，第二导电几何结构层202设置在第三预浸料基板123与第四预浸料基板124之间，第二预浸料基板122与第三预浸料基板123分别固定在蜂窝基板11的相对的两侧面上。这样，装配完成后的超材料滤波结构的各层排列顺序为第一预浸料基板121、导电几何结构层20、第二预浸料基板122、蜂窝基板11、第三预浸料基板123、导电几何结构层20以及第四预浸料基板124。并且，第一预浸料基板121和第四预浸料基板124的厚度大于其余的预浸料基板的厚度，进一步地，第一预浸料基板121与第四预浸料基板124的厚度可以相等，也可以不相等。

本实施例的蜂窝基板11的厚度为H，8.0mm≤H≤15.0mm，优选地H＝10.0mm。利用蜂窝基板11将第一导电几何结构层201与第二导电几何结构层202之间的距离保持固定，并且利用蜂窝基板11的低介电常数即低损耗率来保证电磁波的透波能力。

为了更简便地将预浸料基板与蜂窝基板11连接起来，本实施例中，第二预浸料基板122与蜂窝基板11之间、第三预浸料基板123与蜂窝基板11之间均具有第一粘结层30。

在本实施例中，蜂窝基板11的介电常数ε＝1.05，其损耗率loss＝0.006；预浸料基板12的介电常数ε＝3.15，其损耗率loss＝0.005，第一粘结层30的介电常数ε＝2.9，其损耗率loss＝0.008。

为了更简便地将导电几何结构层20连接在预浸料基板上，在本实施例中，第一导电几何结构层201与第一预浸料基板121之间或第一导电几何结构层201与第二预浸料基板122之间具有第二粘结层，第二导电几何结构层202与第三预浸料基板123之间或第二导电几何结构层202与第四预浸料基板124之间具有第三粘结层，其中，第二粘结层和第三粘接层为介电常数ε＝3.2，损耗率loss＝0.002的软胶层。

应用本实施例的超材料滤波结构，电磁波在工作频段内TE波产生低通滤波的透波功能，而TM波则产生高通滤波的透波功能。如图4所示，其为TE波的CST仿真效果的曲线图，图中示出的S11曲线为TE波的反射能量曲线，S21曲线为TE波的透波能量曲线。电磁波正面入射本实施例的超材料滤波结构(即入射角度为零)，TE波在5.0GHz以下可透波，而在10.3GHz以上不能透波(从图中可以知道，TE波在5.0GHz以下时，透波能量高于-0.9SdB，而在10.3GHz以上时，透波能力低于-20GHz)。如图5所示，其是TM波的CST仿真效果的曲线图，图中示出的S′11曲线为TM波的反射能量曲线，S′21曲线为TM波的透波能量曲线。电磁波也是正面入射该超材料滤波结构，由图中曲线可以知道，TM波在7.7GHz以上的电磁波透波能量高于-0.9SdB，即此时TM波实现高通滤波功能，而在3.2GHz以下的电磁波透波能量低于-20GHz而无法透波。

图6示出了超材料滤波结构的实施例的TE波和TM波的透波效果对比曲线图。由图中曲线对比可以知道，在工作频段内电磁波入射该超材料滤波结构，TE波实现低通滤波功能，而TM波实现高通滤波功能。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种超材料天线罩，该超材料天线罩包括前述的超材料滤波结构。

根据本实用新型的又一方面，提供了一种天线系统，该天线系统包括前述的超材料天线罩。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种超材料滤波结构，其特征在于，包括：

基板(10)；

多层导电几何结构层(20)，所述多层导电几何结构层(20)设置在所述基板(10)上，所述多层导电几何结构层(20)间隔设置，其中，各所述导电几何结构层(20)包括多个圈形件(21)和多个连接件(22)，各所述导电几何结构层(20)的所述多个圈形件(21)呈矩形阵列排列，每一排的相邻两个圈形件(21)通过所述连接件(22)导电连接，相邻的两层所述导电几何结构层(20)的投影互不重合。

2.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，每层所述导电几何结构层(20)中的相邻两排圈形件(21)中的相邻的四个所述圈形件(21)形成一个区域，每个所述区域与相邻层的一个所述圈形件(21)的位置相对应。

3.根据权利要求2所述的超材料滤波结构，其特征在于，相邻的两层所述导电几何结构层(20)中的其中一层的每个圈形件(21)的中心的投影与另一层的相邻四个所述圈形件(21)形成的区域的中心的投影重合。

4.根据权利要求2所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述圈形件(21)为矩形金属圈，所述连接件(22)为连接金属线，所述连接金属线连接在同一层所述导电几何结构层(20)的同一排的相邻两个所述矩形金属圈的相对两条边的中部上。

5.根据权利要求4所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述圈形件(21)为具有矩形通孔的矩形板件，所述矩形通孔开设在所述矩形板件的中间位置上。

6.根据权利要求5所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述矩形板件具有长边和短边，该长边的边长为L1，该短边的边长为L2，且6.5mm≤L1≤8.0mm，2.0mm≤L2≤4.0mm。

7.根据权利要求6所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述多层导电几何结构层(20)由第一导电几何结构层(201)和第二导电几何结构层(202)组成，所述第一导电几何结构层(201)的矩形板件的面积小于所述第二导电几何结构层(202)的矩形板件的面积。

8.根据权利要求6所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述矩形通孔具有长边和短边，该长边的边长为L3，该短边的边长为L4，3.5mm≤L3≤4.5mm，0.3mm≤L4≤1.5mm。

9.根据权利要求7所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述基板(10)包括蜂窝基板(11)，所述第一导电几何结构层(201)和所述第二导电几何结构层(202)分别设置在所述蜂窝基板(11)的相对的两侧。

10.根据权利要求9所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述蜂窝基板(11)的厚度为H，8.0mm≤H≤15.0mm。

11.根据权利要求9所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述基板(10)还包括第一预浸料基板(121)、第二预浸料基板(122)、第三预浸料基板(123)和第四预浸料基板(124)，所述第一导电几何结构层(201)设置在所述第一预浸料基板(121)与所述第二预浸料基板(122)之间，所述第二导电几何结构层(202)设置在所述第三预浸料基板(123)与所述第四预浸料基板(124)之间，所述第二预浸料基板(122)与所述第三预浸料基板(123)分别固定在所述蜂窝基板(11)的相对的两侧面上。

12.根据权利要求11所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第二预浸料基板(122)与所述蜂窝基板(11)之间、所述第三预浸料基板(123)与所述蜂窝基板(11)之间均具有第一粘结层(30)。

13.根据权利要求11所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第一预浸料基板(121)的厚度大于所述第二预浸料基板(122)的厚度，所述第四预浸料基板(124)的厚度大于所述第三预浸料基板(123)的厚度。

14.根据权利要求11所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第一导电几何结构层(201)与所述第一预浸料基板(121)之间或所述第一导电几何结构层(201)与所述第二预浸料基板(122)之间具有第二粘结层，所述第二导电几何结构层(202)与所述第三预浸料基板(123)之间或所述第二导电几何结构层(202)与所述第四预浸料基板(124)之间具有第三粘结层。

15.一种超材料天线罩，包括滤波结构，其特征在于，所述滤波结构为权利要求1至14中任一项所述的超材料滤波结构。

16.一种天线系统，包括天线罩，其特征在于，所述天线罩为权利要求15所述的超材料天线罩。