CN205488576U - 超材料滤波结构、天线罩及天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超材料滤波结构、天线罩及天线系统。该超材料滤波结构包括：基板；至少三层导电几何结构层，导电几何结构层设置在基板上，至少三层导电几何结构层包括：第一导电几何结构层、第二导电几何结构层及第三导电几何结构层，其中，第一导电几何结构层的第一导电几何结构单元具有多个互不相连的环状导电件；第二导电几何结构层的第二导电几何结构单元包括多个间隔设置的E状导电件，各E状导电件具有中间延伸段和两个侧边延伸段；第三导电几何结构层的第三导电几何结构单元包括至少一个环状辅助导电件。本实用新型的技术方案可以解决现有技术中天线材料的厚度过大且工作频段外的透波性能容易干扰电磁设备的正常工作的问题。

Description

超材料滤波结构、天线罩及天线系统

技术领域

本实用新型涉及电磁波滤波领域，具体而言，涉及一种超材料滤波结构、天线罩及天线系统。

背景技术

与电磁波传输相关的天线材料，通常需要满足两方面的性能要求：一方：需要足够的机械强度以保护电磁设备中的天线等物件；另一方面要保证工作频段内电磁波能够具有高透波性。因此，天线材料既能保护电磁设备内部的零部件，又不影响电磁波的传输特性。

为了保证电磁波入射天线材料时具有高效穿透性，一般采用半波长理论对保护材料的厚度进行设计，即天线材料的厚度为工作频段的电磁波波长的1/2时，天线材料的电磁波透波率最好。但由于天线材料的厚度与工作频段的电磁波波长相关，因而很难保证天线材料的良好的宽频带波段的透波性能。

现有天线罩通常是由低损耗的纯材料组成，只起到保护天线的作用，其会影响天线的性能。对于普通的纯材料，利用半波长理论或四分之一波长理论，根据电磁波频率的不同改变保护材料的厚度，从而调整其对入射电磁波的透波响应。因此，目前的天线罩存在两方面的问题：其一，当入射电磁波波段较低时，天线罩的厚度过大，进而使其重量偏大；其二，普通材料的透波性能比较均一，工作频段外的透波性能容易干扰天线的正常工作。

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、天线罩及天线系统，以解决现有技术中天线材料的厚度过大且工作频段外的透波性能容易干扰电磁设备的正常工作的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种超材料滤波结构，包括：基板；至少三层导电几何结构层，至少三层导电几何结构层在叠置方向上依次间隔设置，导电几何结构层设置在基板上，其中，至少三层导电几何结构层包括：第一导电几何结构层，第一导电几何结构层由依次排布的多个第一导电几何结构单元组成，每个第一导电几何结构单元包括两个以上互不相连的环状导电件，且两个以上环状导电件依次缩小；第二导电几何结构层，第二导电几何结构层由依次排布的多个第二导电几何结构单元组成，每个第二导电几何结构单元包括多个间隔设置且均匀排布围成环形的E状导电件，各E状导电件具有中间延伸段和两个侧边延伸段，各中间延伸段的延长线向环形的中心点聚拢，相邻两个E状导电件的相邻侧边延伸段之间的中轴线通过该中心点；第三导电几何结构层，第三导电几何结构层由依次排布的多个第三导电几何结构单元组成，每个第三导电几何结构单元包括至少一个环状辅助导电件。

进一步地，第一导电几何结构单元、第二导电几何结构单元及第三导电几何结构单元所在区域在叠置方向上的投影至少部分重合。

进一步地，第一导电几何结构单元、第二导电几何结构单元及第三导电几何结构单元所在区域在叠置方向上的投影相重合。

进一步地，每个第一导电几何结构单元包括两个环状导电件，两个环状导电件同心设置。

进一步地，两个环状导电件均为正六边形结构，且两个环状导电件的各顶角相对设置。

进一步地，两个环状导电件中的外侧的环状导电件的正六边形的外接圆半径为D1，1.0mm≤D1≤2.0mm，内侧的环状导电件的正六边形的外接圆半径为D2，1.0mm≤D2≤1.5mm。

进一步地，两个环状导电件的线宽为x，0.3mm≤x≤1.0mm。

进一步地，每个第二导电几何结构单元包括六个E状导电件。

进一步地，六个E状导电件形成的正六边形的外接圆半径为D4，1.0mm≤D4≤2.0mm。

进一步地，中间延伸段的长度大于两个侧边延伸段的长度，且两个侧边延伸段的长度相等。

进一步地，各E状导电件均由一条导电线围绕形成，且导电线的两端形成中间延伸段的端部。

进一步地，导电线的线宽为L，0.05mm≤L≤0.10mm。

进一步地，每个第三导电几何结构单元包括一个环状辅助导电件，该环状辅助导电件为正六边形结构。

进一步地，环状辅助导电件的正六边形的外接圆半径为D3，1.0mm≤D3≤2.0mm。

进一步地，环状辅助导电件的线宽为y，0.3mm≤y≤1.0mm。

进一步地，第一导电几何结构单元、第二导电几何结构单元及第三导电几何结构单元均为正六边形结构。

进一步地，第一导电几何结构单元、第二导电几何结构单元及第三导电几何结构单元均呈周期行列排布，相邻行的所述第一导电几何结构单元110a错开设置，相邻行的所述第二导电几何结构单元110b错开设置，及相邻行的第三导电几何结构单元110c错开设置。

进一步地，环状导电件、E状导电件及环状辅助导电件的材质均为铜，铜材质的厚度为0.01mm至0.02mm。

进一步地，基板包括：多个预浸料基板，各层导电几何结构层设置在相邻两个预浸料基板之间；多个蜂窝基板，每个蜂窝基板设置在相邻两层导电几何结构层之间，且导电几何结构层与蜂窝基板之间由预浸料基板隔离开。

进一步地，预浸料基板与蜂窝基板之间具有粘接层。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种天线罩，该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天线罩。

应用本实用新型的技术方案，本实用新型的超材料滤波结构间隔布置的至少三层导电几何结构层能够调节天线材料的介电常数和磁导率，在提高了保护材料的机械强度的同时降低了保护材料的厚度，使得电磁波通过该超材料滤波结构时，电磁波在超材料滤波结构内形成共振效果而提高了透波能量，从而使工作频段的电磁波能高效率地透波，并且对非工作频段的电磁波能够有效地被截止，从而解决了天线罩无法抑制工作频段外的电磁波而导致电磁设备无法正常工作的问题。

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示出了根据本实用新型的超材料滤波结构的实施例的剖面结构示意图；

图2示出了本实用新型的超材料滤波结构中导电单元的周期阵列排布示意图；

图3示出了图1的超材料滤波结构的实施例的第一导电几何结构层的第一导电几何结构单元110a示意图；

图4示出了图1的超材料滤波结构的实施例的第二导电几何结构层的第二导电几何结构单元110b示意图；

图5示出了图1的超材料滤波结构的实施例的第三导电几何结构层的第三导电几何结构单元110c示意图；

图6示出了本实用新型的超材料滤波结构的实施例的透波曲线图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基板； 11、预浸料基板；

12、蜂窝基板； 20、导电几何结构层；

21、第一导电几何结构层； 210、环状导电件；

22、第二导电几何结构层； 220、E状导电件；

221、中间延伸段； 222、侧边延伸段；

23、第三导电几何结构层； 230、环状辅助导电件；

110、导电单元； 110a、第一导电几何结构单元；

110b、第二导电几何结构单元； 110c、第三导电几何结构单元。

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。

说明：

1、图3至图5中六边形内空白区域为第一导电几何结构单元110a、第二导电几何结构单元110b或者第三导电几何结构单元110c内的相邻导电件之间的镂空区域。

2、TE波为电磁波中的横向波，TM波为电磁波中的纵向波。

如图1至图5所示，本实用新型的实施例的超材料滤波结构，该超材料滤波结构包括基板10和至少三层导电几何结构层20。如图2所示，该超材料滤波结构有多个导电单元110连接组成，该超材料滤波结构等效于一个LC电路(图2中的每个六边形为一个导电单元110)，并且每个导电单元110的基本组成结构均相同。在本实施例的各个导电单元110中，至少三层导电几何结构层20在叠置方向上依次间隔设置，导电几何结构层20设置在基板10上，其中，至少三层导电几何结构层20包括第一导电几何结构层21、第二导电几何结构层22和第三导电几何结构层23，第一导电几何结构层21由依次排布的多个第一导电几何结构单元110a组成，每个第一导电几何结构单元110a包括两个以上互不相连的环状导电件210，并且环状导电件210依次缩小，第二导电几何结构层22由依次排布的多个第二导电几何结构单元110b组成，每个第二导电几何结构单元110b包括多个间隔设置且均匀排布围成环形的E状导电件220，各E状导电件220具有中间延伸段221和两个侧边延伸段222，各中间延伸段221的延长线向环形的中心点聚拢，优选为相交于环形的中心点；相邻两个E状导电件220的相邻侧边延伸段222之间的中轴线通过该中心点，第三导电几何结构层23由依次排布的多个第三导电几何结构单元110c组成，每个第三导电几何结构单元110c包括至少一个环状辅助导电件230。在本实施例中，图2所示的每个六边形导电单元110均由第一导电几何结构单元110a、第二导电几何结构单元110b以及第三导电几何结构单元110c上下叠置地形成，即第一导电几何结构单元110a、第二导电几何结构单元110b和第三导电几何结构单元110c均为正六边形结构。

本实用新型的超材料滤波结构的间隔布置的至少三层导电几何结构层能够调节天线材料的介电常数和磁导率，在提高了保护材料的机械强度的同时降低了保护材料的厚度，使得电磁波通过该超材料滤波结构时，电磁波在超材料滤波结构内形成共振效果而提高了透波能量，从而使工作频段的电磁波能高效率地透波，并且对非工作频段的电磁波能够有效地被截止，从而解决了天线罩无法抑制工作频段外的电磁波而导致电磁设备无法正常工作的问题。

在本实施例中，第一导电几何结构单元110a、第二导电几何结构单元110b和第三导电几何结构单元110c呈周期行列分布，相邻行的所述第一导电几何结构单元110a错开设置，相邻行的所述第二导电几何结构单元110b错开设置，及相邻行的第三导电几何结构单元110c错开设置，行与列的角度呈60度，如图2所示。并且，环状导电件210所围成区域的投影、多个E状导电件220所围成区域的投影以及环状辅助导电件230所围成区域的投影在叠置方向上至少部分重合。

普通低损耗材料具有很高的透波率，且随着电磁波频率的变化，普通低损耗材料的透波性能变化不大。将导电几何结构层20设置在普通低损耗材料的夹层中，通过调整导电几何结构层20的电磁响应，可对入射的电磁波进行调制。通过选择不同的普通低损耗材料或导电几何结构层20或调整该超材料滤波结构中的各组成部分的具体尺寸，使整个超材料滤波结构在某个频带具有全反射性能、吸波性能或透波性能。

该超材料滤波结构中的导电几何结构层中的各导电件不应定是长宽相等，而可以是任意尺寸。

导电几何结构层20可以使用任意导电材料进行加工，其可以是金属材料，例如金、银或铜或几种金属的混合物，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。本实用新型的超材料滤波结构中的环状导电件210、E状导电件220及环状辅助导电件230的材质均为铜，并且选用铜材质的厚度范围为0.01mm至0.02mm，优选地，厚度均为0.018mm。

具体地，为了能够最大限度地提高电磁包的透波性能，使得工作频段内的电磁波能够高效地透过该超材料滤波结构，因此，本实施例中的环状导电件210所围成区域的投影、多个E状导电件220所围成区域的投影以及环状辅助导电件230所围成区域的投影在叠置方向上相重合(即完全重合)。这样，电磁波在入射该超材料滤波结构时，能够在该超材料滤波结构中形成更加显著的共振效果，电磁波的透波能量能得到进一步提高，从而实现高效透波的目的。

如图3所示，该超材料滤波结构的每个第一导电几何结构单元中可以设置有两个或两个以上的环状导电件210。在本实施例中，优选地，第一导电几何结构单元110a包括两个环状导电件210，并且，该两个环状导电件210同心设置。

在本实施例中，两个环状导电件210均为正六边形结构，且两个环状导电件210的各顶角相对设置。此外，本实用新型的环状导电件210还可以是四边形结构、八边形结构和圆形结构。

两个环状导电件210中的外侧的环状导电件210的正六边形的外接圆半径为D1，1.0mm≤D1≤2.0mm，优选地，D1＝1.8mm，内侧的环状导电件210的六边形的外接圆半径为D2，1.0mm≤D2≤1.5mm，优选地，D2＝1.35mm。在本实施例中，两个环状导电件210的线宽为x，0.3mm≤x≤1.0mm，优选地，环状导电件210的线宽x＝0.3mm。

如图4所示，第二导电几何结构单元包括六个E状导电件220，六个E状导电件220的中间延伸段221和侧边延伸段222均相互朝向地设置，并且六个中间延伸段221的延长线通过中心点，这样，六个E状导电件220围绕形成正六边形区域，该正六边形的外接圆半径为D4，1.0mm≤D4≤2.0mm，在本实施例中，D4＝0.3mm。优选地，六个E状导电件220的形状和尺寸均相同。在本实施例中，中间延伸段221的长度大于两个侧边延伸段222的长度，且两个侧边延伸段222的长度相等。

并且，本实施例的每个E状导电件220均由一条导电线围绕形成，且导电线的两端形成中间延伸段221的端部，而且形成中间延伸段221的端部的导线的两端头不相连以形成中间延伸段221的端部开口。进一步地，导电线的线宽为L，0.05mm≤L≤0.10mm，优选地，导电线的线宽L＝0.05mm。

如图5所示，每个第三导电几何结构单元仅包括一个环状辅助导电件230，该环状辅助导电件230为正六边形结构。此外，该环状辅助导电件还可以是四边形结构、八边形结构和圆形结构。

在本实施例中，该环状辅助导电件230的六边形的外接圆半径为D3，1.0mm≤D3≤2.0mm，优选地，D3＝1.6mm。并且，该环状辅助导电件230的线宽为y，0.3mm≤y≤1.0mm，优选地y＝0.3mm。

如图1所示，基板10包括多个预浸料基板11和多个蜂窝基板12，各层导电几何结构层20设置在相邻两个预浸料基板11之间，每个蜂窝基板12设置在相邻两层导电几何结构层20之间，且导电几何结构层20与蜂窝基板12之间由预浸料基板11隔离开。在该超材料滤波结构中，预浸料基板11和蜂窝基板12也可以为多块完整的板状结构。在本实用新型的超材料滤波结构中，还可以应用PIM等透波性能良好的轻质材料来替代蜂窝基板12。预浸料基板11的介电常数的范围为2.52≤ε≤3.78，优选地预浸料基板11的介电常数ε＝3.15，其损耗率的范围为0.004≤loss≤0.006，优选地，预浸料基板11的损耗loss＝0.005。蜂窝基板12的介电常数范围是0.84≤ε≤1.26，在本实施例中蜂窝基板12的介电常数ε＝1.05，蜂窝基板12的损耗率范围是0.0045≤loss≤0.0072，优选地蜂窝基板12的损耗loss＝0.006。

在本实施例中，导电几何结构层20与预浸料基板11之间具有粘接层。当然，导电几何结构层20还可以利用刻蚀的方式在预浸料基板11上加工。进一步地，预浸料基板11与相应的蜂窝基板12之间具有粘接层。利用粘接性能良好的粘接胶膜，以提高该超材料滤波结构的加工效率，并能够较好地提高该超材料滤波结构的结构强度。在预浸料基板11与蜂窝基板12之间应用了胶膜层进行粘接，该胶膜层(即预浸料基板11与蜂窝基板12之间的粘接层)的介电常数的范围为2.32≤ε≤3.48，优选地胶膜层的介电常数ε＝2.9，其损耗率的范围为0.0064≤loss≤0.0096，优选地，该胶膜层的损耗loss＝0.008。

如图6，其示出了电磁波入射该超材料滤波结构时的透波曲线图。由图6可以知道，在电磁波(TE波、TM波)照射到超材料滤波结构时，具体参见HH线及VV线，该HH线及VV线在0GHz至2GHz波段重合并在L波段(1GHz至2GHz波段)的电磁波传输系数值大于-2dB，即L波段的电磁波的透波率较高，同时在非工作频带中，该超材料滤波结构具有良好的带外抑制效果。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种天线罩，该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，该天线系统包括上述的天线罩。

本实用新型的超材料滤波结构保证了工作频段内的高透波，且对工作频段外的信号起到了过滤作用，为天线系统的正常工作提供更优的保护环境。

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 (22)

1.一种超材料滤波结构，其特征在于，包括：

基板(10)；

至少三层导电几何结构层(20)，至少三层所述导电几何结构层(20)在叠置方向上依次间隔设置，所述导电几何结构层(20)设置在所述基板(10)上，其中，至少三层所述导电几何结构层(20)包括：

第一导电几何结构层(21)，所述第一导电几何结构层(21)由依次排布的多个第一导电几何结构单元(110a)组成，每个所述第一导电几何结构单元(110a)包括两个以上互不相连的环状导电件(210)，且两个以上所述环状导电件(210)依次缩小；

第二导电几何结构层(22)，所述第二导电几何结构层(22)由依次排布的多个第二导电几何结构单元(110b)组成，每个所述第二导电几何结构单元(110b)包括多个间隔设置且均匀排布围成环形的E状导电件(220)，各所述E状导电件(220)具有中间延伸段(221)和两个侧边延伸段(222)，各所述中间延伸段(221)的延长线向环形的中心点聚拢，相邻两个所述E状导电件(220)的相邻侧边延伸段(222)之间的中轴线通过该中心点；

第三导电几何结构层(23)，所述第三导电几何结构层(23)由依次排布的多个第三导电几何结构单元(110c)组成，每个所述第三导电几何结构单元(110c)包括至少一个环状辅助导电件(230)。

2.根据权利要求1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单元(110a)、第二导电几何结构单元(110b)及第三导电几何结构单元(110c)所在区域在所述叠置方向上的投影至少部分重合。

3.根据权利要求2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单元(110a)、第二导电几何结构单元(110b)及第三导电几何结构单元(110c)所在区域在所述叠置方向上的投影相重合。

4.根据权利要求2或3所述的超材料滤波结构，其特征在于，每个所述第一导电几何结构单元(110a)包括两个所述环状导电件(210)，两个所述环状导电件(210)同心设置。

5.根据权利要求4所述的超材料滤波结构，其特征在于，两个所述环状导电件(210)均为正六边形结构，且两个所述环状导电件(210)的各顶角相对设置。

6.根据权利要求5所述的超材料滤波结构，其特征在于，两个所述环状导电件(210)中的外侧的所述环状导电件(210)的正六边形的外接圆半径为D1，1.0mm≤D1≤2.0mm，内侧的所述环状导电件(210)的正六边形的外接圆半径为D2，1.0mm≤D2≤1.5mm。

7.根据权利要求5所述的超材料滤波结构，其特征在于，两个所述环状导电件(210)的线宽为x，0.3mm≤x≤1.0mm。

8.根据权利要求2或3所述的超材料滤波结构，其特征在于，每个所述第二导电几何结构单元(110b)包括六个所述E状导电件(220)。

9.根据权利要求8所述的超材料滤波结构，其特征在于，六个所述E状导电件(220)形成的正六边形的外接圆半径为D4，1.0mm≤D4≤2.0mm。

10.根据权利要求8所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述中间延伸段(221)的长度大于两个所述侧边延伸段(222)的长度，且两个所述侧边延伸段(222)的长度相等。

11.根据权利要求8所述的超材料滤波结构，其特征在于，各所述E状导电件(220)均由一条导电线围绕形成，且所述导电线的两端形成所述中间延伸段(221)的端部。

12.根据权利要求11所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述导电线的线宽为L，0.05mm≤L≤0.10mm。

13.根据权利要求2或3所述的超材料滤波结构，其特征在于，每个所述第三导电几何结构单元(110c)包括一个环状辅助导电件(230)，该环状辅助导电件(230)为正六边形结构。

14.根据权利要求13所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述环状辅助导电件(230)的正六边形的外接圆半径为D3，1.0mm≤D3≤2.0mm。

15.根据权利要求13所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述环状辅助导电件(230)的线宽为y，0.3mm≤y≤1.0mm。

16.根据权利要求1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单元(110a)、第二导电几何结构单元(110b)及第三导电几何结构单元(110c)均为正六边形结构。

17.根据权利要求16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单元(110a)、第二导电几何结构单元(110b)及第三导电几何结构单元(110c)均呈周期行列排布，相邻行的所述第一导电几何结构单元(110a)错开设置，相邻行的所述第二导电几何结构单元(110b)错开设置，及相邻行的第三导电几何结构单元(110c)错开设置。

18.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述环状导电件(210)、所述E状导电件(220)及所述环状辅助导电件(230)的材质均为铜，铜材质的厚度为0.01mm至0.02mm。

19.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述基板(10)包括：

多个预浸料基板(11)，各层所述导电几何结构层(20)设置在相邻两个所述预浸料基板(11)之间；

多个蜂窝基板(12)，每个所述蜂窝基板(12)设置在相邻两层所述导电几何结构层(20)之间，且所述导电几何结构层(20)与所述蜂窝基板(12)之间由所述预浸料基板(11)隔离开。

20.根据权利要求19所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述预浸料基板(11)与所述蜂窝基板(12)之间具有粘接层。

21.一种天线罩，其特征在于，该天线罩包括权利要求1至19中任一项所述的超材料滤波结构。

22.一种天线系统，其特征在于，该天线系统包括权利要求21所述的天线罩。