CN205790397U - 一种超材料透波结构、天线罩及天线系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于超材料技术领域，提供一种超材料透波结构，包括多个基板；中间导电几何结构层，其由依次排布的多个中间导电几何结构单元组成，每个中间导电几何结构单元包括导电环；两个端部导电几何结构层分别设置在中间导电几何结构层的两侧，由依次排布的多个端部导电几何结构单元组成，包括导电贴片，导电贴片和导电环的外边部形状相同，中间导电几何结构层和端部导电几何结构层分别设置在基板上。本实用新型具有高透波率的特点，拓宽了超材料透波结构对电磁波的频选带宽以提高超材料透波结构在S波段的电磁波的透波率，同时使超材料透波结构有效地截止S波段之外的电磁波，适用于较宽工作频带内平坦透过且在工作频带外隐身的应用场合。
Description
技术领域
本实用新型属于超材料技术领域，特别涉及一种超材料透波结构、天线罩及天线系统。
背景技术
超材料是一种新型人工合成材料，由非金属基板和附着在基板上的人造微结构组成，基板被虚拟划分为阵列排布的基板单元，每个基板单元上设有一个微结构，一个基板单元和其微结构构成一个超材料单元，由于微结构的存在，使得超材料具有特殊的电磁特性，通过对人造微结构进行改变，可以使超材料对电磁波产生不同的响应，这种性质常被用于吸波材料、透波材料、频率选择器件等领域。现有技术中，可以通过微结构的设计实现某波段工作频带内透波、工作频带外隐身，例如实现S波段工作频带3.0～3.6GHz透波，通常这种微结构采用单屏嵌套结构，其外侧为环，内侧为贴片，这种超材料可以实现工作频带内选频，但是其最大的缺点是工作带宽不宽，并且无截止，某些应用场合要求宽带选频及严格陡峭的截止，因此这种超材料不能满足应用要求。
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透波结构，旨在实现工作频带内高透射，工作频带外隐身。
本实用新型是这样实现的，一种超材料透波结构，包括：
叠层设置的多个基板；
中间导电几何结构层，所述中间导电几何结构层由依次排布的多个中间导电几何结构单元组成，每个所述中间导电几何结构单元包括导电环；
两个端部导电几何结构层，两个所述端部导电几何结构层分别设置在所述中间导电几何结构层的两侧，每个所述端部导电几何结构层由依次排布的多个端部导电几何结构单元组成，所述端部导电几何结构单元包括导电贴片，所述导电贴片和导电环的外边部形状相同，其中，所述中间导电几何结构层和两个所述端部导电几何结构层分别设置在所述基板上。
作为本实用新型的优选技术方案：
所述中间导电几何结构单元与所述中间导电几何结构单元两侧的两个端部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。
所述中间导电几何结构单元与所述中间导电几何结构单元两侧的两个端部导电几何结构单元所在区域在叠置方向上的投影相重合。
所述导电环和位于所述导电环两侧的导电贴片的中心在叠置方向上重合，所述中间导电几何结构层上的多个导电环一体连接，所述端部导电几何结构层上的多个导电贴片间隙排布。
所述导电环为多边形环、圆形环或椭圆形环，所述导电贴片呈多边形、圆形或椭圆形。
所述导电环为正六边形环；所述导电贴片呈正六边形。
所述正六边形环的线宽范围为3.2±0.32mm，所述正六边形环的外接圆半径范围为10±1mm。
所述正六边形的导电贴片的外接圆半径范围为9±0.9mm。
所述导电环和导电贴片均由金属铜制成，所述导电环和位于所述导电环两侧的两个导电贴片的厚度范围均为2.8±0.28mm。
所述中间导电几何结构单元和端部导电几何结构单元均呈周期行列排布，相邻两行的所述中间导电几何结构单元错开设置；相邻两行的端部导电几何结构单元错开设置。
同一块所述基板上的多个所述中间导电几何结构单元呈规则的蜂窝状排列设置，同一块所述基板上的多个所述端部导电几何结构单元呈规则的蜂窝状排列设置。
呈规则的蜂窝状排列设置的相邻的两个中间导电几何结构单元的中心距离范围为17.32±1.732mm，呈规则的蜂窝状排列设置的相邻的两个端部导电几何结构单元的中心距离范围为17.32±1.732mm。
本实用新型的另一目的在于提供一种天线罩，包括超材料透波结构，所述超材料透波结构是上述的超材料透波结构。
本实用新型的再一目的在于提供一种天线系统，包括天线罩，所述天线罩是上述的天线罩。
本实用新型提供了一种三屏叠加式的透波结构，中间导电几何结构层上依次排布的多个导电环等效于多个LC电路，存在一个谐振频率；端部导电几何结构层上依次排布的多个导电贴片也等效于多个LC电路，存在另一个谐振频率；中间导电几何结构单元和两个端部导电几何结构单元共同作用，从而使两个端部导电几何结构单元的谐振频率和中间导电几何结构单元的谐振频率之间的频带存在谐振，进而使超材料透波结构具有高透波率的特点，拓宽了超材料透波结构对电磁波的频选带宽以提高超材料透波结构在S波段的电磁波的透波率，同时使超材料透波结构有效地截止S波段之外的电磁波，适用于较宽工作频带内平坦透过且在工作频带外隐身的应用场合。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的超材料透波结构的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的超材料透波结构的叠层状态示意图；
图3是本实用新型实施例提供的超材料透波结构的端部导电几何结构单元示意图；
图4是本实用新型实施例提供的超材料透波结构的中间导电几何结构单元示意图；
图5是本实用新型实施例提供的超材料透波结构在0～12GHz频段的TE波传输系数示意图；
图6是本实用新型实施例提供的超材料透波结构在2.5～4GHz频段的TE波传输系数示意图；
图7是本实用新型实施例提供的超材料透波结构在0～12GHz频段的TM波传输系数示意图；
图8是本实用新型实施例提供的超材料透波结构在2.5～4GHz频段的TM波传输系数示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，此处所描述的具体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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件。
请参阅附图1～3，本实用新型提供一种超材料透波结构，采用该超材料透波结构可以实现工作频带内的高透射和工作频带外的隐身。具体地，该超材料透波结构包括叠层设置的多个基板10、中间导电几何结构层和两个端部导电几何结构层，该中间导电几何结构层由依次排布的多个中间导电几何结构单元组成，每个中间导电几何结构单元包括导电环20；两个端部导电几何结构层分别设置在中间导电几何结构层的两侧，每个端部导电几何结构层由依次排布的多个端部导电几何结构单元组成，端部导电几何结构单元包括导电贴片30，导电贴片30和导电环20的外边部形状相同，其中，中间导电几何结构层和两个端部导电几何结构层分别设置在基板10上，即中间导电几何结构层和两个端部导电几何结构层通过基板10叠层间隔设置。
本实施例中的中间导电几何结构单元的导电环20和端部导电几何结构单元的导电贴片30的外边部形状相同，是一种近似互补关系，在结构上体现在外部轮廓形状相同，但是端部导电几何结构单元的导电贴片30和中间导电几何结构单元的导电环20近似互补但非恰好互补，导电贴片30的边部尺寸并不等于导电环20的内边部尺寸，也就是说导电贴片30并非恰好填补导电环20内部的中空区域，而是大于导电环20的内边部尺寸。这种结构可以使电磁波的频选功能相互加强。经过试验发现，互补屏的谐振频率相同，且无截止。而互为近似互补屏的两个屏，其中一个谐振频率为f1，另一个谐振频率会频移到f2，近似互补屏可相互耦合，在f1和f2之间也存在谐振，因此可拓宽工作带宽，增加透过率，而且在工作频带外有明显的截止。本实施例中的依次排布的多个导电环20等效于多个LC电路，存在一个谐振频率；依次排布的多个导电贴片30也等效于多个LC电路，存在另一个谐振频率；中间导电几何结构单元和两个端部导电几何结构单元共同作用，从而使两个端部导电几何结构单元的谐振频率和中间导电几何结构单元的谐振频率之间的频带存在谐振，进而使超材料透波结构具有高透波率的特点，拓宽了超材料透波结构对电磁波的频选带宽以提高超材料透波结构在S波段的电磁波的透波率，同时使超材料透波结构有效地截止S波段之外的电磁波，适用于较宽工作频带内平坦透过且在工作频带外隐身的应用场合。
优选地，导电环20和导电贴片30均由金属铜制成。
在本实施例中，中间导电几何结构单元与其两侧的两个端部导电几何结构单元所在区域在叠置方向上的投影相重合或者至少部分重合。进一步地，导电环20和位于导电环20两侧的导电贴片30的中心在叠置方向上重合，中间导电几何结构层上的多个导电环20一体连接，端部导电几何结构层上的导电贴片30间隙排布，以保证中间导电几何结构单元与其两侧的两个端部导电几何结构单元中心重合，此时，对于周期性排列的导电环20和周期性排列的导电贴片30，相邻导电环20的中心之间的间距和相邻导电贴片30的中心之间的间距是相等的。
进一步地，该导电环20可以为多边形环、圆形环或椭圆形环，相应地，导电贴片30呈多边形、圆形或椭圆形。优选地，导电环20为正六边形导电环20，导电贴片30呈正六边形。六边形导电贴片30和正六边形导电环20的边部平行，二者的外接圆的圆心位置相同。如图3、4，假设圆心至正六边形导电环20的外边一顶点的距离为R0，圆心至正六边形导电环20的内边一顶点的距离为R1，圆心至正六边形导电贴片30一顶点的距离为R2，则有R0大于R2，R2大于R1。具体地，上述R0优选为10mm，R1优选为6.8mm，R2优选为9mm。该中间导电几何结构层和端部导电几何结构层的厚度分别为2.8mm。上述各参数具有10％的公差范围。即，该正六边形导电环20的线宽范围为3.2mm±0.32mm，正六边形导电环20的外接圆半径范围为10mm±1mm。导电环20和位于导电环20两侧的两个导电贴片30的厚度范围分别为2.8±0.28mm。该组数据为配合上述正六边形导电环20和正六边形导电贴片30的参数，当导电贴片30和导电环20为其他形状时，可以适当修改上述参数以达到预设的效果。
进一步地，中间导电几何结构单元和端部导电几何结构单元均呈周期行列排布，当中间导电几何结构单元的导电环20为正六边形环，且端部导电几何结构单元的导电贴片30呈正六边形时，相邻两行的中间导电几何结构单元错开设置，相邻两行的端部导电几何结构单元错开设置。或者如图1所示，同一块基板10上的多个中间导电几何结构单元呈规则的蜂窝状排列设置，同一块基板10上的多个端部导电几何结构单元呈规则的蜂窝状排列设置。
进一步地，基于上述结构参数，呈规则的蜂窝状排列设置的相邻的两个中间导电几何结构单元的中心距离L范围为17.32±1.732mm，呈规则的蜂窝状排列设置的相邻的两个端部导电几何结构单元的中心距离L范围也为17.32±1.732mm。
在本实施例中，基板10可以采用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。
通过合理设计超材料透波结构的形状和结构参数，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。在本实用新型中，可以将该超材料透波结构制作成天线罩，用于天线系统。
图5～8示出了采用上述超材料透波结构对电磁波的响应曲线，图5所示为垂直入射时(theta＝0，f＝0～12GHz)超材料透波结构TE波传输系数。图6所示为垂直入射时(theta＝0，f＝2.5～4GHz)TE波传输系数，为图5在f＝2.5～4GHz的局部放大图。在3～3.6GHz频带，TE模式最小透波率S21＝-0.45dB>-0.5dB。该超材料透波结构低频-10dB截止频带为0～2.22GHz，高频-20dB截止频带为5.46GHz～15GHz。因此该超材料透波结构在0～15GHz频带范围内对TE波具有3～3.6GHz选频功能。图7所示为垂直入射时(theta＝0，f＝0～12GHz)超材料透波结构TM波传输系数。图8为图7在f＝2.5～4GHz的局部放大图。在3～3.6GHz频带，TM模式最小透波率S21＝-0.44>-0.5dB。该超材料透波结构低频-10dB截止频带为0～2.20GHz，高频-20dB截止频带为5.46GHz～15GHz。因此该超材料透波结构在0～15GHz频带范围内对TM波具有3～3.6GHz选频功能，可实现3.0GHz～3.6GHz内高透波，同时在0～2GHz、6～15GHz频段良好截止。通过图示可以确定，该超材料可以实现工作频段内高透射且较为平坦，工作频段外隐身。由于超材料透波结构对电磁波的调制能力是普遍存在的，因此该超材料可用于所有与S波段电磁波选频器相关领域，其中最具有代表性例子为S波段(3～3.6GHz)雷达天线罩。
可以理解，在基于近似互补屏的多屏超材料透波结构设计理念的基础上，对上述超材料透波结构的形状和尺寸进行适当改变时，其选频波段可以随之改变，在实际应用中，可以根据所需获得的带宽和选频波段对超材料透波结构进行适当的调整，基于上述原理而进行调整而获得的超材料透波结构及相应的超材料也属于本实用新型的保护范围。
以上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、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种超材料透波结构，其特征在于，包括：
叠层设置的多个基板；
中间导电几何结构层，所述中间导电几何结构层由依次排布的多个中间导电几何结构单元组成，每个所述中间导电几何结构单元包括导电环；
两个端部导电几何结构层，两个所述端部导电几何结构层分别设置在所述中间导电几何结构层的两侧，每个所述端部导电几何结构层由依次排布的多个端部导电几何结构单元组成，所述端部导电几何结构单元包括导电贴片，所述导电贴片和导电环的外边部形状相同，其中，所述中间导电几何结构层和两个所述端部导电几何结构层分别设置在所述基板上。
2.如权利要求1所述的超材料透波结构，其特征在于，所述中间导电几何结构单元与所述中间导电几何结构单元两侧的两个端部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。
3.如权利要求2所述的超材料透波结构，其特征在于，所述中间导电几何结构单元与所述中间导电几何结构单元两侧的两个端部导电几何结构单元所在区域在叠置方向上的投影相重合。
4.如权利要求1所述的超材料透波结构，其特征在于，所述导电环和位于所述导电环两侧的导电贴片的中心在叠置方向上重合，所述中间导电几何结构层上的多个导电环一体连接，所述端部导电几何结构层上的多个导电贴片间隙排布。
5.如权利要求1所述的超材料透波结构，其特征在于，所述导电环为多边形环、圆形环或椭圆形环，所述导电贴片呈多边形、圆形或椭圆形。
6.如权利要求5所述的超材料透波结构，其特征在于，所述导电环为正六边形环；所述导电贴片呈正六边形。
7.如权利要求6所述的超材料透波结构，其特征在于，所述正六边形环的线宽范围为3.2±0.32mm，所述正六边形环的外接圆半径范围为10±1mm。
8.如权利要求6所述的超材料透波结构，其特征在于，所述正六边形的导电贴片的外接圆半径范围为9±0.9mm。
9.如权利要求1所述的超材料透波结构，其特征在于，所述导电环和导电贴片均由金属铜制成，所述导电环和位于所述导电环两侧的两个导电贴片的厚度范围均为2.8±0.28mm。
10.如权利要求1～9任一项所述的超材料透波结构，其特征在于，所述中间导电几何结构单元和端部导电几何结构单元均呈周期行列排布，相邻两行的所述中间导电几何结构单元错开设置；相邻两行的端部导电几何结构单元错开设置。
11.如权利要求1～9任一项所述的超材料透波结构，其特征在于，同一块所述基板上的多个所述中间导电几何结构单元呈规则的蜂窝状排列设置，同一块所述基板上的多个所述端部导电几何结构单元呈规则的蜂窝状排列设置。
12.如权利要求11所述的超材料透波结构，其特征在于，呈规则的蜂窝状排列设置的相邻的两个中间导电几何结构单元的中心距离范围为17.32±1.732mm，呈规则的蜂窝状排列设置的相邻的两个端部导电几何结构单元的中心距离范围为17.32±1.732mm。
13.一种天线罩，包括超材料透波结构，其特征在于，所述超材料透波结构是权利要求1至12中任一项所述的超材料透波结构。
14.一种天线系统，包括天线罩，其特征在于，所述天线罩是权利要求13中所述的天线罩。
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