CN204885449U - 滤波超材料、天线罩和天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了滤波超材料、天线罩和天线。滤波超材料包括多个导电几何结构层，任意相邻的两个导电几何结构层之间均设置有介质层，每个导电几何结构层均包括多个镂空几何结构，镂空几何结构呈环形。应用本实用新型的技术方案，多个导电几何结构层的等效介电常数和磁导率使得工作频段的电磁波能够很好地透射该滤波超材料，解决了现有技术中存在的透波性能差的问题。

Description

滤波超材料、天线罩和天线

技术领域

本实用新型涉及天线领域，具体而言，涉及一种滤波超材料、天线罩和天线。

背景技术

现有天线罩基本是纯材料天线罩，它只起到保护天线的作用，在一定的范围内会影响天线的性能。

采用纯材料的天线罩时，利用半波长或四分之一波长理论，根据不同的天线频率，改变天线罩的厚度，可影响其对电磁波的透波响应。

现有的天线罩存在以下的缺点：1、当波长过长时会使得天线罩过厚，进而重量偏大；2、普通材料的天线罩在宽频带、宽入射角角内的透波特性较差，影响天线性能，且通带外的截止特性差，达不到良好的抑制特性。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种滤波超材料、天线罩和天线，以解决现有技术中的透波特性较差问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种滤波超材料，包括多个导电几何结构层，任意相邻的两个导电几何结构层之间均设置有介质层，每个导电几何结构层均包括多个镂空几何结构，镂空几何结构呈环形。

进一步地，各导电几何结构层中的相应镂空几何结构之间彼此至少部分地面对设置。

进一步地，各导电几何结构层中多个镂空几何结构均按阵列排布；或者部分导电几何结构层中多个镂空几何结构按阵列排布。

进一步地，镂空几何结构为外缘与内缘形状相同的环形结构，或者外缘与内缘形状不同的环形结构。

进一步地，环形结构的外缘呈圆形或椭圆形或多边形，环形结构的内缘呈圆形或椭圆形或多边形。

进一步地，每层导电几何结构层包括多个镂空几何结构，多个镂空几何结构的形状为至少两种；或多个镂空几何结构的形状相同，多个镂空几何结构的尺寸大小为至少两种。

进一步地，每层导电几何结构层包括多个镂空几何结构，相邻两个镂空几何结构之间的间距渐变。

进一步地，多个导电几何结构层包括第一导电几何结构层和第二导电几何结构层，第一导电几何结构层的镂空几何结构与第二导电几何结构的镂空几何结构的形状不同、或形状相同但尺寸大小不同或排布方式不同。

进一步地，介质层包括纤维板、泡沫板和蜂窝板中的至少一种。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种天线罩，天线罩包括上述的滤波超材料。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种天线，天线包括上述的滤波超材料。

应用本实用新型的技术方案，多个导电几何结构层的等效介电常数和磁导率使得工作频段的电磁波能够很好地透射该滤波超材料，解决了现有技术中存在的透波性能差的问题。

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示出了本实用新型第一实施例的滤波超材料结构示意图；

图2示出了本实用新型第一实施例的滤波超材料(不包括介质层)的立体结构示意图；

图3示出了本实用新型第一实施例的滤波超材料的导电几何结构层的结构示意图；

图4示出了本实用新型第一实施例的滤波超材料在电磁波(TE模、TM模)照射时S21曲线透波率的仿真效果；

图5示出了本实用新型第二实施例的滤波超材料(不包括介质层)的立体结构示意图；

图6示出了本实用新型第二实施例的滤波超材料的导电几何结构层的结构示意图；

图7示出了本实用新型第二实施例的滤波超材料透波效果仿真图；

图8示出了本实用新型第三实施例的滤波超材料(不包括介质层)的立体结构示意图；

图9示出了本实用新型第三实施例的滤波超材料的导电几何结构层的结构示意图；

图10示出了本实用新型第三实施例的滤波超材料透波效果仿真图；

图11示出了本实用新型第四实施例的滤波超材料(不包括介质层)的立体结构示意图；

图12示出了本实用新型第四实施例的滤波超材料的导电几何结构层的结构示意图；

图13示出了本实用新型第四实施例的滤波超材料透波效果仿真图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、导电几何结构层；11、镂空几何结构；2、介质层。

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。

技术术语：

超材料，是指通过周期性规则排列的导电几何结构或镂空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，或在导电体层上加工出按周期性规则排列的多个镂空几何结构形成。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。

导电几何结构，是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法将导电材料附着在介质层上形成具有一定几何形状的导电体。

镂空几何结构，是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法在导电层上形成具有一定的几何形状的镂空结构。

实施例一

如图1至3所示，本实用新型实施例的滤波超材料包括多个导电几何结构层1，任意相邻的两个导电几何结构层1之间均设置有介质层2，每个导电几何结构层1均包括多个镂空几何结构11，镂空几何结构呈环形。

本实施例中，多个导电几何结构层1的等效介电常数和磁导率使得工作频段的电磁波能够很好地透射该滤波超材料，并且可以使较宽范围的入射角的工作频段的电磁波能够很好地透射该滤波超材料，也可以使得工作频段外的电磁波被截止。

具有导电几何结构层1的滤波超材料，可对光或电磁波起到调制作用，以及镂空几何结构的形状、尺寸和排布方式不同，可对电磁波起到调制作用，可使电磁波的传播方向发生偏折或全频段透波材料，甚至反射。

多个导电几何结构层1的镂空几何结构11的配置不同，通过配置不同的镂空几何结构11可以得到不同的等效介电常数和磁导率，有利于增加大入射角的电磁波的透射率、增加可良好透射的电磁波的频段宽度、提高对工作频段外的电磁的截止性能。

镂空几何结构11的配置包括镂空几何结构11的形状、尺寸、排布方式。通过改变镂空几何结构11的形状、尺寸大小和排布方式等因素可以改变导电几何结构层1的等效介电常数和磁导率。呈环形的镂空几何结构11的尺寸是指其外缘和内缘图形的参数，例如圆形的直径、椭圆的长轴和短轴，多边形的边长。

可选地，每层导电几何结构层1包括多个镂空几何结构11，多个镂空几何结构11的形状为至少两种；或多个镂空几何结构11的形状相同，多个镂空几何结构11的尺寸大小为至少两种。

就形状相同的镂空几何结构而言，上述的尺寸包括镂空几何结构11的宽度和镂空结合结构的大小。形状相同而尺寸不同，也即面积不同。

还可以优选地，多个导电几何结构层1中的镂空几何结构11的配置相同，多个导电几何结构层1具有相同的等效介电常数和磁导率，以提高滤波超材料的频率选择性能，更好的抑制工作频率段外的电磁波。

优选地，各导电几何结构层1中的相应镂空几何结构11之间彼此至少部分地面对设置。

本实施例中，各个导电几何结构层1中的相应镂空几何结构11之间彼此正对设置。也即，各个导电几何结构层1中相应的镂空几何结构11在平行于导电几何结构层1的平面上投影的中心重合。

本实施例中，各导电几何结构层1的镂空几何结构11的形状、尺寸和排布方式均相同。各个导电几何结构层1中相应的镂空几何结构11在平行于导电几何结构层1的平面上的投影重合。

也可以优选地，导电几何结构层1的镂空几何结构11错开一定的位置，也即各个导电几何结构层1的镂空几何结构11在平行于导电几何结构层1的平面上的投影的中心不重合。可以是，各个导电几何结构层1的镂空几何结构11在平行于导电几何结构层1的平面上的投影具有重合的部分。

还可以优选地，相邻的两个导电几何结构层1的镂空几何结构11完全错开，也即相邻两个导电几何结构层1的镂空几何结构在平行于导电几何结构层1的平面上的投影没有重合的部分。

优选地，至少部分导电几何结构层1中的镂空几何结构11按阵列排布，具体可以是矩形阵列排布。

本实施例中，各导电几何结构层1中多个镂空几何结构11均按矩形阵列排布。多个镂空几何结构11分成多个镂空几何结构排，各个导电几何结构排中相应的镂空几何结构11对齐设置，从而形成阵列。

也可以优选，各个导电几何结构排中相应的镂空几何结构11错开，也即相邻的两个镂空几何结构排中，其中一个镂空几何结构排相对于另一个沿镂空几何结构排的延伸方向移动预定的距离。

可以优选地，镂空几何结构11为外缘与内缘形状相同的环形结构，也可以为外缘与内缘形状不同的环形结构。镂空几何结构11由片状的镂空区和设置在镂空区内的导电片组成，环形的镂空几何结构11的内缘为导电片的外缘。

优选地，镂空环形的外缘呈圆形或椭圆形或多边形，镂空环形的内缘呈圆形或椭圆形或多边形。

如图2和3所示，本实施例的镂空几何结构11的外缘和内缘均呈矩形，镂空几何结构11由四边形的镂空区和设置在镂空区内的四边形导电片组成，导电片的四边与镂空区的边缘之间的间隙形成环形镂空几何结构11。镂空区可以为矩形或正方形；导电片可以为矩形或正方形。形成于导电片的四周的镂空的宽度可以相同，也可以不同。

例如可以为：导电片上下两侧的镂空宽度相同，导电片左右两侧的镂空宽度相同，但导电片上下两侧的镂空宽度不同于导电片左右两侧的镂空宽度；也可以为导电片上下两侧的镂空宽度不同，和/或，导电片左右两侧的镂空宽度不同。

还可以优选地，导电片的边缘与镂空区的边缘不平行，从而形成间隙渐变的形式。

可以优选地，每层导电几何结构层1包括多个镂空几何结构11，多个镂空几何结构11的形状为多种；或多个镂空几何结构11的形状相同，但是分为尺寸大小不同的多种。

每个导电几何结构层1包括多个镂空几何结构11，相邻两个镂空几何结构之间的间距渐变。

还可以优选地，多个导电几何结构层1包含第一导电几何结构层和第二导电几何结构层，第一导电几何结构层的镂空几何结构与第二导电几何结构层的镂空几何结构尺寸不同、或形状相同但尺寸大小不同和/或排布方式不同。

多个导电几何结构层1的配置不全相同，或任何两个导电几何结构层1的配置均不同。多个导电几何结构层1的镂空几何结构11的配置不同，通过配置不同的镂空几何结构11可以得到不同的等效介电常数和磁导率，有利于增加大入射角的电磁波的透射率、增加可良好透射的电磁波的频段的宽度、提高对工作频段外的电磁的截止性能。

优选地，介质层2的可以由纤维板、泡沫板和蜂窝板中的一种制成的单层结构，也可以为包含纤维板、泡沫板和蜂窝板中的一种或多种的多层结构。

介质层2的表面既可以是规则的也可以是根据实际需要而设置的不规则的。介质层2可以是硬质基板，也可以是软板。

本实施例中，介质层2为软板。介质层2还可以为复合材料基板或陶瓷基板。其中，复合材料可以是热固性材料，也可以是热塑性材料。

一般来说，介质层2的介电常数ε应该满足：1≤ε≤5。

介质层2具有一定的机械强度，将该滤波超材料用作天线罩时，除了起到保护作用，还可以起到滤波作用，让所需的频段电磁波透过，其他频段的电磁波被抑制。

导电几何结构层1形成在介质层2的一个表面或两个表面上。位于最外层的一个介质层2的两个表面上均形成有导电几何结构层1，其余的介质层2只有一个表面上形成有导电几何结构层1，从而形成导电几何结构层1与介质层2相交替的形式。

优选地，导电几何结构层1的材质为不溶于水的任意的金属和合金，如金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。也可以为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

导电几何结构层1可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在介质层2上。制作导电几何结构层1的金属可以为不溶于水的任意的金属和合金，如金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金；制作导电几何结构层1的非金属导电材料可以为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

如图4示出了滤波超材料在电磁波(TE模、TM模)照射时S21曲线透波率的仿真效果，其中，相对于TE模和相对于TM模的曲线近乎重合，在图中可以看出，频率范围在13GHz至17GHz内的TE模和TM模电磁波均能良好地透射本实施例的滤波超材料，而本实施例的滤波超材料对上述频率范围外的电磁波具有良好的过滤作用。因此，本实施例的滤波超材料一方面保证了工作频段(即上述的13GHz至17GHz)内的高效透波性能，且对工作频段外(小于13GHz和大于17GHz)的信号起到了过滤的作用。

根据本实用新型的另一方面，本实施例还公开了一种天线罩，该天线罩包括上述的滤波超材料。具有本实施例的滤波超材料的天线罩，工作频段的电磁波能够很好地透射该滤波超材料，并且可以使较宽范围的入射角的工作频段的电磁波能够很好地透射该滤波超材料，也可以使得工作频段外的电磁波被截止。进一步地，相对于现有技术中的根据半波长或四分之一波长理论设计厚度的纯材料天线罩，采用具有滤波超材料的天线罩更加轻便，解决了现有技术中天线罩的重量偏大的问题。

根据本实用新型的另一方面，本实施例还公开了一种天线，该天线包括上述的滤波超材料。

实施例二

如图5和6所示，本实施例的滤波超材料包括多个导电几何结构层1，任意相邻的两个导电几何结构层1之间均设置有介质层2，每个导电几何结构层1均包括多个镂空几何结构11，镂空几何结构11呈环形。

本实施例中镂空几何结构11呈圆环形。优选地，镂空几何结构11的外缘和内缘同心设置。

本实施例中，导电几何结构层1分为按阵列排布的多个矩形区域，矩形区域的长度为3.2至4.8毫米，宽度为2.8至4.2毫米，每个矩形区域内形成有一个镂空几何结构11，镂空几何结构11的外缘的半径为1.2至1.8毫米，内缘的半径的0.8至1.2毫米。导电几何结构层的厚度为0.015至0.020毫米。

图7示出了本实施例的滤波超材料Ka波段的透波效果仿真图，在图中可以看出，频率范围约为26.5至40GHz的Ka波段的电磁波透射本实施例的滤波超材料时总体的差损(电磁波的能量损耗)小于5dB。

实施例三

如图8和9所示，本实施例的滤波超材料包括多个导电几何结构层1，任意相邻的两个导电几何结构层1之间均设置有介质层2，每个导电几何结构层1均包括多个镂空几何结构11，镂空几何结构11呈环形。

本实施例中镂空几何结构11呈圆环形。优选地，镂空几何结构11的外缘和内缘同心设置。

本实施例中，导电几何结构层1分为按阵列排布的多个矩形区域，矩形区域的长度为14毫米，宽度为12.211毫米，每个矩形区域内形成有一个镂空几何结构11，镂空几何结构11的外缘的半径为4.8至7.2毫米，内缘的半径的3.2至4.8毫米。导电几何结构层的厚度为0.015至0.020毫米。

图10示出了实施例的滤波超材料透波效果仿真图，图中曲线A代表本实施例的滤波超材料对相应频率的电磁波的透射情况，图中曲线B代表本实施例的滤波超材料对相应频率的电磁波的反射情况。该实施例的滤波超材料具有良好的X波段透波效果，在图中可以看出频率范围约为8至12GHz的X波段电磁波的透射本实施例的滤波超材料时总体差损(电磁波的能量损耗)小于1dB。

实施例四

如图11和12所示，本实施例的滤波超材料包括多个导电几何结构层1，任意相邻的两个导电几何结构层1之间均设置有介质层2，每个导电几何结构层1均包括多个镂空几何结构11，镂空几何结构11呈环形。

本实施例的镂空几何结构11的外缘呈圆形，内缘呈椭圆形。

本实施例中，导电几何结构层1分为按阵列排布的多个矩形区域，矩形区域的长度为11.8至16.8毫米，宽度为9.7至14.7毫米，每个矩形区域内形成有一个镂空几何结构11，镂空几何结构11的外缘的半径为4.8至7.2毫米，椭圆形的内缘的长半轴为3.2至4.9毫米，短半轴为2.4至3.6毫米。导电几何结构层的厚度为0.015至0.020毫米。

图13示出了本实施例的滤波超材料透波效果仿真图，图中曲线A代表本实施例的滤波超材料对相应频率的电磁波的透射情况，图中曲线B代表本实施例的滤波超材料对相应频率的电磁波的反射情况。X波段的电磁波可以很好的透射本实施例的滤波超材料，在图中可以看出频率范围约为8至12GHz的X波段电磁波的透射本实施例的滤波超材料时总体差损(电磁波的能量损耗)小于1dB。

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 (11)

1.一种滤波超材料，其特征在于，包括多个导电几何结构层(1)，任意相邻的两个所述导电几何结构层(1)之间均设置有介质层(2)，每个所述导电几何结构层(1)均包括多个镂空几何结构(11)，所述镂空几何结构(11)呈环形。

2.根据权利要求1所述的滤波超材料，其特征在于，各所述导电几何结构层(1)中的相应所述镂空几何结构(11)之间彼此至少部分地面对设置。

3.根据权利要求1所述的滤波超材料，其特征在于，各所述导电几何结构层(1)中所述多个镂空几何结构(11)均按阵列排布；或者部分所述导电几何结构层(1)中所述多个镂空几何结构(11)按阵列排布。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的滤波超材料，其特征在于，所述镂空几何结构(11)为外缘与内缘形状相同的环形结构，或者外缘与内缘形状不同的环形结构。

5.根据权利要求4所述的滤波超材料，其特征在于，所述环形结构的外缘呈圆形或椭圆形或多边形，所述环形结构的内缘呈圆形或椭圆形或多边形。

6.根据权利要求1所述的滤波超材料，其特征在于，每层所述导电几何结构层(1)包括多个镂空几何结构(11)，所述多个镂空几何结构(11)的形状为至少两种；或所述多个镂空几何结构(11)的形状相同，所述多个镂空几何结构(11)的尺寸大小为至少两种。

7.根据权利要求1所述的滤波超材料，其特征在于，每层所述导电几何结构层(1)包括多个镂空几何结构(11)，相邻两个镂空几何结构之间的间距渐变。

8.根据权利要求1所述的滤波超材料，其特征在于，所述多个导电几何结构层(1)包括第一导电几何结构层和第二导电几何结构层，所述第一导电几何结构层的镂空几何结构与所述第二导电几何结构的镂空几何结构的形状不同、或形状相同但尺寸大小不同或排布方式不同。

9.根据权利要求1所述的滤波超材料，其特征在于，所述介质层(2)包括纤维板、泡沫板和蜂窝板中的至少一种。

10.一种天线罩，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的滤波超材料。

11.一种天线，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的滤波超材料。