CN204793184U - 超材料功能片、超材料、超材料天线面板和超材料平板天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了超材料功能片、超材料、超材料天线面板和超材料平板天线。超材料功能片用于可更换地贴覆于介质基板的表面，超材料功能片包括片状载体层，片状载体层的至少一个表面上设置有导电几何结构层。应用本实用新型的技术方案，由在片状载体层的表面上设置导电几何结构层形成的超材料功能片，在贴覆在介质基板上具有超材料的性能，在易损坏的导电几何结构层失效后，可将原功能片取下，更换超材料功能片即可，无需更换基板等其它部件，有利于减少浪费，更换操作简单易行。

Description

超材料功能片、超材料、超材料天线面板和超材料平板天线

技术领域

本实用新型涉及通信设备领域，具体而言，涉及一种超材料功能片、超材料、超材料天线面板和超材料平板天线。

背景技术

现有技术中，在超材料平板天线领域主要由表面形成有导电几何结构层1’的介质基板2’、第一胶膜3’、背板支撑层7’、金属反射层5’、第二胶膜6’和轻质支撑层4’等主要部件组成。由于天线面板具有较高的结构强度要求，因此一般采用整体胶连固化的方式进行压合，形成一个密不可分的整体。该方案简单易行，强度较好，能够满足大部分需求。但是，其关键作用的超材料功能层(即导电几何结构层)位于器件表层，出于损耗和厚度的考虑，表面保护膜在厚度(小于0.1mm)和强度方面较为有限，容易在恶劣环境中出现损伤或磨损。由于整机的一体化设计，当超材料功能层发生较大规模损伤时需要对整块天线面板进行更换。但天线面板其他部分由于一体化压合后自身强度较好，一般不易损坏，因此更换时的损失和材料浪费较为严重。该问题也体现了原有设计中维修性设计的欠缺。

图1示出了现有的超材料平板天线的设计构架，整个天线面自上而下由导电几何结构层1’、介质基板2’、第一胶膜3’、轻质基材支撑层4’、金属反射层5’、第二胶膜6’、背板支架7’构成，其中导电几何结构层的几何结构通过蚀刻工艺附着在介质基板2’的表面，不可分离。在该构架下，任意部位出现损坏都将造成整个面板的更换。而在整个体系中，最易受损的是位于表面位置的导电几何结构层1’，极易受到划伤或磕碰。天线表面虽会附加保护膜，但出于性能考虑，保护膜在厚度和强度上都十分有限，主要起防水和简单防划作用，对直接物理伤害保护不足。而且，在该设计下介质基板2’必须在加工中与下方所有部件一体压合，这样才能实现整体的强度要求，难以做到分离设计加工后另行结合。

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功能片、超材料、超材料天线面板和超材料平板天线，以解决现有技术中存在由于更换整体的天线面板而产生的损失和材料浪费较为严重。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种超材料功能片，用于可更换地贴覆于介质基板的表面，超材料功能片包括片状载体层，片状载体层的至少一个表面上设置有导电几何结构层。

进一步地，导电几何结构层包括通过喷墨打印形成在片状载体层上的多个导电几何结构。

进一步地，导电几何结构层包括通过丝网印刷形成在片状载体层上的多个导电几何结构。

进一步地，片状载体层为纸或介质薄膜。

进一步地，片状载体层具有第一表面和背对第一表面的第二表面，导电几何结构层形成在片状载体层的第一表面上，片状载体层的第二表面上设置有粘胶，片状载体层的第二表面贴敷于介质基板的表面。

进一步地，片状载体层为介质薄膜，导电几何结构层包括由附着于片状载体层上的导电层刻蚀形成的多个导电几何结构。

进一步地，还包括贴覆在导电几何结构层上的保护膜。

进一步地，导电几何结构层包括多个导电几何结构，每个导电几何结构均包括芯部导电几何结构和设置在芯部导电几何结构的外周的外围导电几何结构，外围导电几何结构与芯部导电几何结构间隔设置。

进一步地，多个导电几何结构呈多行多列阵列排布，隔行的导电几何结构对齐设置，相邻行的导电几何结构交错设置。

进一步地，每行导电几何结构具有：至少一个第一导电几何结构，第一导电几何结构的芯部导电几何结构和外围导电几何结构均为十字形中空框体；和/或，至少一个第二导电几何结构，第二导电几何结构的芯部导电几何结构和外围导电几何结构均为口字形中空框体。

进一步地，第一导电几何结构的芯部导电几何结构和外围导电几何结构的十字形中空框体的两相对边的中部设置有开口；第二导电几何结构的芯部导电几何结构和外围导电几何结构的口字形中空框体的两相对边的中部设置有开口。

进一步地，第一导电几何结构的芯部导电几何结构的十字形中空框体的中空区域划分为纵向区域和横向区域，相邻两行导电几何结构中均具有第一导电几何结构，其中一行中的第一导电几何结构的开口与纵向区域相对设置，另一行中的第一导电几何结构的开口与横向区域相对设置。

进一步地，相邻两行导电几何结构中均具有第二导电几何结构，其中一行中的第二导电几何结构的设置有开口的两相对边为纵向边，另一行中的第二导电几何结构的设置有开口的两相对边为横向边。

进一步地，至少一行导电几何结构中包括第一导电几何结构和第二导电几何结构，若该行导电几何结构中的第一导电几何结构的开口与纵向区域相对设置，则该行中的第二导电几何结构的设置有开口的两相对边为横向边；若该行导电几何结构中的第一导电几何结构的开口与横向区域相对设置，则该行中的第二导电几何结构的设置有开口的两相对边为纵向边。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种超材料，包括介质基板和上述的超材料功能片，超材料功能片贴覆在介质基板的表面上。

进一步地，介质基板包括第一基板和密度小于第一基板的第二基板，第二基板与第一基板层叠设置，超材料功能片贴覆于第一基板的背对第二基板的表面上。

进一步地，第一基板和第二基板之间设置有第一胶膜层，第一基板和第二基板压合在一起。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种超材料天线面板，包括上述的超材料和在介质基板的背对超材料功能片的一面设置的金属反射层。

进一步地，包括通过第二胶膜层与金属反射层压合在一起的支撑层。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种超材料平板天线，包括馈源和上述的超材料天线面板，馈源与超材料天线面板间隔一定距离。

应用本实用新型的技术方案，由在片状载体层的表面上设置导电几何结构层形成的超材料功能片，在贴覆在介质基板上具有超材料的性能，在易损坏的导电几何结构层失效后，可将原功能片取下，更换超材料功能片即可，无需更换基板等其它部件，有利于减少浪费，更换操作简单易行。

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示出了现有技术的天线面板的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例的超材料功能片的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例的超材料的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例的超材料天线面板的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例的超材料平板天线的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例的天线面板的导电几何结构层的结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例的一种第一导电几何结构的结构示意图；

图8示出了本实用新型实施例的另一种第一导电几何结构的结构示意图；

图9示出了本实用新型实施例的一种第二导电几何结构的结构示意图；

图10示出了本实用新型实施例的天线面板的导电几何结构层的相位调制能力的仿真图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、第一基板；2、超材料功能片；21、片状载体层；22、导电几何结构层；23、芯部导电几何结构；24、外围导电几何结构；25、开口；3、第一胶膜层；4、第二基板；5、金属反射层；6、第二胶膜层；7、支撑层；8、天线面板；9、馈源。

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。

技术术语：

超材料，是指通过周期性规则排列的几何结构实现了自然界的材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料包括介质层和形成在介质层的表面上的导电几何结构层。导电几何结构层，由按周期性规则排列的多个导电几何结构组成。

导电几何结构是由导电材料制成的具有几何图形的平面或立体结构。导电几何结构可以是导电材料形成的独立的几何结构；也可以为在导电材料层上形成多个阵列排布的镂空几何结构，相邻的镂空几何之间的导电材料形成导电几何结构。

超材料的电磁性质主要由导电几何结构或镂空几何结构的形状、尺寸和排布方式等因素决定，通过调整导电几何结构或镂空几何结构的形状、尺寸和排布方式等参数可以得到所需的等效介电常数和磁导率，因此，超材料已广泛的应用于实现改变折射率、电磁隐身、完美吸波、提高透波性能和极化控制等。

如图2所示，本实用新型的实施例的超材料功能片包括片状载体层21，片状载体层21的至少一个表面上设置有导电几何结构层22，超材料功能片可更换地贴覆于介质基板的表面。

使用超材料功能片作为传统的超材料的功能层(即导电几何结构层)时，将超材料功能片贴覆在介质基底的表面上即可，在导电几何结构层22发生损坏后，仅需更换超材料功能片即可，有利于减少浪费。

优选地，介质基板的介电常数与片状载体层21的介电常数相近或相同。优选地，片状载体层21为柔性材质，例如纸或介质薄膜。片状载体层21的厚度一般选取在0.1-0.2mm的范围内。

导电几何结构层22包括形成在片状载体层21的表面上的多个导电几何结构。多个导电几何结构组成导电几何结构层22的图案。导电几何结构层22可以通过喷墨打印或丝网印刷的方法形成在片状载体层21的表面上。

喷墨打印技术和丝网印刷技术在工程和科研领域的应用潜力已上升到一个新的高度，大量小型射频器件已经能够直接通过印刷的方式制备，如印刷天线、无线射频标示(RFID)等。

在喷墨打印中，通过采用多种性能的导电油墨，利用喷墨打印的手段将导电油墨直接喷覆在基材表面，再经过简单的固化，即可实现制定图案的喷涂打印，与传统打印机的原理基本一致。而丝网印刷则是通过预制的模具，将导电油墨或涂料按指定图样印刷在基材表面。导电油墨由导电填料、连结剂、添加剂、溶剂四部分构成。

若使用喷墨打印、丝网印刷等此类技术将超材料的导电几何结构层22直接打印于具有一定介电常数的片状载体层21(例如贴纸或介质薄膜)上，再将片状载体层21可更换地连接于介质基板上，则可以实现包括超材料功能层(即导电几何结构层)的超材料功能片与介质基底的分离制备，在结合后仍能保持原有的结构强度，在损坏时能够剥离更换。由于纸或介质薄膜本身厚度极小、重量极轻，因此不会对原有力学结构产生影响。且该方案能够避免生产过程中由于微结构蚀刻而产生的大量废液对环境的污染。

在本实施例中，片状载体层21具有第一表面和背对第一表面的第二表面，导电几何结构层22形成在片状载体层21的第一表面上，片状载体层21的第二表面上设置有粘胶。优选地，可以选用贴纸作为片状载体层21。可以优选地，在介质基底的表面上连接多层超材料功能片。

还可以优选地，在片状载体层21的双面上均形成导电几何结构层22，然后将一个导电几何结构层22粘接在介质基底的表面上。

优选地，片状载体层21为介质薄膜，导电几何结构层22的几何结构由连接于片状载体层21上的导电体层刻蚀形成。导电体层优选地为铜箔。

还可以优选地，超材料功能片还包括贴附在导电几何结构层22上的保护膜。

如图6至9所示，本实施例的导电几何层的多个导电几何结构均包括芯部导电几何结构23和设置在芯部导电几何结构23的外周的外围导电几何结构24，外围导电几何结构24与芯部导电几何结构23间隔设置。

多个导电几何结构呈多行多列阵列排布，隔行的导电几何结构对齐设置，相邻行的导电几何结构交错设置。

如图6所示，多行导电几何结构包括依次相邻的第一行导电几何结构22a、第二行导电几何结构22b和第三行导电几何结构22c，第一行导电几何结构22a和第三行导电几何结构22c的导电几何结构在列的方向上对齐设置；在行的方向上，第一行导电几何结构22a的两个导电几何结构中间设置有一个第二行导电几何结构22b的导电几何结构。

如图6所示，本实施例的多个导电几何结构包括第一导电几何结构和第二导电几何结构。图7和图8所示的导电几何结构均为第一导电几何结构，第一导电几何结构的芯部导电几何结构23和外围导电几何结构24均为十字形中空框体。

十字中空框体的中空区域划分为纵向区域和横向区域。图7和8示出了具有两种不同十字形中空框体的导电几何结构。

图9所示的导电几何结构为第二导电几何结构，第二导电几何结构的芯部导电几何结构23和外围导电几何结构24均为口字形中空框体。

如图6，第一行导电几何结构22a和第二行导电几何结构22b中的多个导电几何结构均为第一导电几何结构。第三行导电几何结构22c中包括第二导电几何结构。当然也可为一行中的导电几何结构均为第二导电结构。

如图7和图8所示，第一导电几何结构的芯部导电几何结构23和外围导电几何结构24的十字形中空框体的两相对边的中部设置有开口25。

如图9所示，第二导电几何结构的芯部导电几何结构23和外围导电几何结构24的口字形中空框体的两相对边的中部设置有开口25。

第一行导电几何结构22a和第二行导电几何结构22b中均具有第一导电几何结构，第一行导电几何结构22a中的第一导电几何结构的开口25与横向区域相对设置，第二行导电几何结构22b中的第一导电几何结构的开口25与纵向区域相对设置。

图6中，第三行导电几何结构22c中具有第一导电几何结构和第二导电几何结构，该行导电几何结构中的第一导电几何结构的开口25与横向区域相对设置，则该行中的第二导电几何结构的设置有开口25的两相对边为纵向边。

也可以优选地，一行中具有第一导电几何结构和第二导电几何结构，第一导电几何结构的开口25与纵向区域相对设置，则该行中的第二导电几何结构的设置有开口25的两相对边为横向边。

也可以优选地，相邻两行导电几何结构中均仅具有第二导电几何结构，其中一行中的所述第二导电几何结构的设置有开口25的两相对边为纵向边，另一行中的所述第二导电几何结构的设置有开口25的两相对边为横向边。

如图3所示，根据本实用新型的另一方面，本实施例还公开了一种超材料，超材料包括上述的超材料功能片2和介质基板，超材料功能片2可更换地连接在介质基板的表面上。在超材料导电几何结构层22发生损坏时，仅需更换超材料功能片2，还有利于避免浪费。图3所示的超材料的介质基底仅包括第一基板1。

如图4所示，还可以优选地，介质基板包括第一基板1和密度小于第一基板1的第二基板4，第二基板4与第一基板1层叠设置，超材料功能片2贴覆在第一基板1的背对第二基板的表面上。将第一基板1和轻质的第二基板4组合成介质基板，有利于降低超材料的重量。

优选地，第一基板1和第二基板4之间设置有第一胶膜层3，第一基板1和第二基板4压合在一起。

第一基板1的材质为树脂基材料。第二基板4构造可以为具有多孔结构的板材，例如蜂窝板。第二基板也可以为泡沫板。第一基板1和第二基板4在压合后具有良好的机械强度。

根据本实用新型的另一方面，本实施例还公开了一种超材料天线面板，超材料天线面板包括上述的超材料和在介质基板的背对超材料功能片2一侧设置的金属反射层5。超材料天线面板还包括通过第二胶膜层6与所述金属反射层压5合在一起的支撑层7。

本实施例中，导电几何结构层将通过丝网印刷或喷墨打印的方式附着在介电常数较小(为1.5-3.5)，且损耗较低的片状载体层21上，该片状载体层21可以为贴纸或背侧覆有粘胶的介质薄膜。将包括第一基板1和密度小于第一基板1的轻质的第二基板4的介质基底、金属反射层5、支撑层7等部件通过胶膜进行整体固化后，形成不具有功能的天线面支撑基底，再将印有导电几何结构层22的贴纸或介质薄膜覆与天线面支撑基底上。必要时在表面可涂覆保护膜。

其中，金属反射层5形成在介质基底的背对超材料功能片2的表面上，金属反射层5与支撑层7之间设置用于连接介质基底和支撑层7的第二胶膜层6。

支撑层7可以为金属支架、碳纤维板等，支撑层7用于支撑介质基底，提高天线面板的强度，弥补介质基底强度和刚性不足的缺陷。

本实施例中，贴纸或介质薄膜的厚度一般选取在0.1-0.2mm的范围内，相对介电常数尽量与原有第一基板1保持近似，约取在1.5-3.5之间，损耗正切角一般选取在0.01以内。而导电几何结构层22本身若采用丝网印刷或喷墨打印的方式，则应以油墨的参数为准，尽量选取导电性强、损耗低的油墨。

图6示出本实施例的天线面板的导电几何结构层22的图案。图7示出了天线面板的导电几何结构层的相位调制能力的仿真图。图7中，横轴表示频率，纵轴是角度，表示覆盖范围，图6用于表示相位调制能力随频率和生长参数L的变化情况，生长参数L表示芯部导电几何结构23和外围导电几何结构24的边框的延伸长度。图7中从上至下的各条曲线，一一对应于图7中右侧的从上至下示出的生长参数L。

改变导电几何结构层22中的几何结构的形状、尺寸、排布方式等参数，导电几何结构层22的电磁调制能力也会发生改变。

如图5所示，根据本实用新型的另一方面，本实施例公开了一种超材料平板天线，超材料平板天线包括上述的超材料天线面板8和馈源9。馈源9与天线面板间隔设置，并位于超材料功能片的背对金属反射层的一侧，平行的电磁波通过天线面板中的金属反射层5反射后，汇聚到馈源9内。

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 (20)

1.一种超材料功能片，其特征在于，用于可更换地贴覆于介质基板的表面，所述超材料功能片包括片状载体层(21)，所述片状载体层(21)的至少一个表面上设置有导电几何结构层(22)。

2.根据权利要求1所述的超材料功能片，其特征在于，所述导电几何结构层(22)包括通过喷墨打印形成在所述片状载体层(21)上的多个导电几何结构。

3.根据权利要求1所述的超材料功能片，其特征在于，所述导电几何结构层(22)包括通过丝网印刷形成在所述片状载体层(21)上的多个导电几何结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超材料功能片，其特征在于，所述片状载体层(21)为纸或介质薄膜。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的超材料功能片，其特征在于，所述片状载体层(21)具有第一表面和背对所述第一表面的第二表面，所述导电几何结构层(22)形成在所述片状载体层(21)的第一表面上，所述片状载体层(21)的第二表面上设置有粘胶，所述片状载体层(21)的第二表面贴敷于介质基板的表面。

6.根据权利要求1所述的超材料功能片，其特征在于，所述片状载体层(21)为介质薄膜，所述导电几何结构层(22)包括由附着于片状载体层(21)上的导电层刻蚀形成的多个导电几何结构。

7.根据权利要求1所述的超材料功能片，其特征在于，还包括贴覆在所述导电几何结构层(22)上的保护膜。

8.根据权利要求1所述的超材料功能片，其特征在于，所述导电几何结构层(22)包括多个导电几何结构，每个导电几何结构均包括芯部导电几何结构(23)和设置在所述芯部导电几何结构(23)的外周的外围导电几何结构(24)，所述外围导电几何结构(24)与所述芯部导电几何结构(23)间隔设置。

9.根据权利要求8所述的超材料功能片，其特征在于，所述多个导电几何结构呈多行多列阵列排布，隔行的导电几何结构对齐设置，相邻行的导电几何结构交错设置。

10.根据权利要求9所述的超材料功能片，其特征在于，每行导电几何结构具有：

至少一个第一导电几何结构，所述第一导电几何结构的芯部导电几何结构(23)和外围导电几何结构(24)均为十字形中空框体；和/或，

至少一个第二导电几何结构，所述第二导电几何结构的芯部导电几何结构(23)和外围导电几何结构(24)均为口字形中空框体。

11.根据权利要求10所述的超材料功能片，其特征在于，

所述第一导电几何结构的芯部导电几何结构(23)和外围导电几何结构(24)的十字形中空框体的两相对边的中部设置有开口(25)；

所述第二导电几何结构的芯部导电几何结构(23)和外围导电几何结构(24)的口字形中空框体的两相对边的中部设置有开口(25)。

12.根据权利要求11所述的超材料功能片，其特征在于，所述第一导电几何结构的芯部导电几何结构(23)的十字形中空框体的中空区域划分为纵向区域和横向区域，相邻两行导电几何结构中均具有第一导电几何结构，其中一行中的所述第一导电几何结构的开口(25)与纵向区域相对设置，另一行中的所述第一导电几何结构的开口(25)与所述横向区域相对设置。

13.根据权利要求12所述的超材料功能片，其特征在于，相邻两行导电几何结构中均具有第二导电几何结构，其中一行中的所述第二导电几何结构的设置有开口(25)的两相对边为纵向边，另一行中的所述第二导电几何结构的设置有开口(25)的两相对边为横向边。

14.根据权利要求12或13所述的超材料功能片，其特征在于，至少一行导电几何结构中包括所述第一导电几何结构和所述第二导电几何结构，

若该行导电几何结构中的所述第一导电几何结构的开口(25)与所述纵向区域相对设置，则该行中的所述第二导电几何结构的设置有开口(25)的两相对边为横向边；

若该行导电几何结构中的所述第一导电几何结构的开口(25)与所述横向区域相对设置，则该行中的所述第二导电几何结构的设置有开口(25)的两相对边为纵向边。

15.一种超材料，其特征在于，包括介质基板和权利要求1至14中任一项所述的超材料功能片(2)，所述超材料功能片(2)贴覆在所述介质基板的表面上。

16.根据权利要求15所述的超材料，其特征在于，所述介质基板包括第一基板(1)和密度小于所述第一基板(1)的第二基板(4)，所述第二基板(4)与所述第一基板(1)层叠设置，所述超材料功能片(2)贴覆于所述第一基板(1)的背对所述第二基板的表面上。

17.根据权利要求16所述的超材料，其特征在于，所述第一基板(1)和所述第二基板(4)之间设置有第一胶膜层(3)，所述第一基板(1)和所述第二基板(4)压合在一起。

18.一种超材料天线面板，其特征在于，包括权利要求15至17中任一项所述的超材料和在所述介质基板的背对所述超材料功能片(2)的一面设置的金属反射层(5)。

19.根据权利要求18所述的超材料天线面板，其特征在于，还包括通过第二胶膜层(6)与所述金属反射层(5)压合在一起的支撑层(7)。

20.一种超材料平板天线，其特征在于，包括馈源(9)和权利要求18或19所述的超材料天线面板(8)，所述馈源(9)与所述超材料天线面板间隔一定距离。