超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超材料，其包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括一第一介質基板和陣列排布于所述第一介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構包括四條從同一點延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點為中心點的順時針或逆時針方向上，任兩相鄰直線段相互垂直；每個人工微結構的四條直線段分別與四個相鄰人工微結構的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。這種超材料可讓較寬頻段內的電磁波高效穿過，損耗較小，具有良好的透波性能，而且透波性能不受電磁波入射角度的影響，可以自由旋轉。本發明還提供了一種由這種超材料制成的超材料天線罩和天線系統。
【專利說明】超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統，更具體地說，涉及一種由全新設計的超材料結構單元構成的超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統。
【背景技術】
[0002]超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構。當前，人們在介質基板上周期性地排列具有一定幾何形狀的人工微結構來形成超材料。由于可以利用人工微結構的幾何形狀和尺寸以及排布來改變超材料空間各點的介電常數和/或磁導率，使其產生預期的電磁響應，以控制電磁波的傳播，故而，在多個領域具有廣泛的應用前景，成為各國科研人員爭相研究的熱點領域之一。人們發現，用這種新型超材料來構建的透波天線罩具有良好的透波性能，對電磁波的損耗較小，從而日益為研究人員所關注。
[0003]傳統上，制造透波天線罩時多采用介電常數和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環氧樹脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物。盡管這種天線罩不僅可使天線免受外界惡劣環境的影響，而且對天線的發送和/或接收的電磁波的損耗較小，但是隨著技術的發展，對天線罩的透波效率提出了更高的要求，且要求反射更少，以盡可能地減少對天線電性能的影響。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題在于，提供一種具有良好透波性能的超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種超材料，包括至少一超材料片層，每個超材料片層包括一 第一介質基板和陣列排布于所述第一介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構包括四條從同一點延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點為中心點的順時針或逆時針方向上，任兩相鄰直線段相互垂直；每個人工微結構的四條直線段分別與四個相鄰人工微結構的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
[0006]優選地，每個人工微結構的每條直線段的長度為3~4mm。
[0007]優選地，每個人工微結構的每條直線段的長度為3.5mm。
[0008]優選地，每個人工微結構的每條直線段的寬度為0.05^0.15_。
[0009]優選地，每個人工微結構的每條直線段的寬度為0.1mm。
[0010]優選地，每個人工微結構的每條直線段是金屬線。
[0011]優選地，每個超材料片層還包括覆蓋于所述多個人工微結構上的第二介質基板。
[0012]優選地，所述兩介質基板均由聚四氟乙烯(F4B)制成；所述人工微結構的四條直線段是銅線。
[0013]優選地，每個超材料片層包括多個陣列排布在一起的超材料單元，每個超材料單元上具有一個所述人工微結構。
[0014]優選地，每個人工微結構的四條直線段延伸至所在超材料單元的邊界。[0015]一種超材料天線罩，包括至少一超材料片層，每個超材料片層包括一第一介質基板和陣列排布于所述第一介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構包括四條從同一點延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點為中心點的順時針或逆時針方向上，任兩相鄰直線段相互垂直；每個人工微結構的四條直線段分別與四個相鄰人工微結構的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
[0016]一種天線系統，包括天線和設置于所述天線接收和/或發射的電磁波的傳播方向上的超材料天線罩，所述超材料天線罩包括至少一超材料片層，每個超材料片層包括一第一介質基板和陣列排布于所述第一介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構包括四條從同一點延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點為中心點的順時針或逆時針方向上，任兩相鄰直線段相互垂直；每個人工微結構的四條直線段分別與四個相鄰人工微結構的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
[0017]本發明超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統具有以下有益效果:由所述具有一定形狀的人工微結構構成的超材料可讓較寬頻段內的電磁波高效穿過，且損耗較小，因此，所述超材料在較寬頻段內具有良好的透波性能，而且透波性能不受電磁波入射角度的影響，可以自由旋轉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0019]圖1是本發明超材料的一個結構示意圖；
[0020]圖2是圖1中的結構層的平面示意圖；
[0021]圖3是圖2中的一個超材料單元的放大示意圖；
[0022]圖4是圖1中的一個樣品的透射系數S2隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖；
[0023]圖5是具有與圖4中的樣品相同尺寸的純F4B單元塊的S參數隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖；
[0024]圖6是圖4中的樣品與圖5中的純F4B單元塊的透射系數S2在某一頻段內變化的比較圖；
[0025]圖7是本發明超材料天線罩和天線系統的一個結構示意圖。
[0026]圖中各標號對應的名稱為:
[0027]10超材料片層、12、14介質基板、16結構層、18人工微結構、182直線段、19超材料
單元、20天線系統、22天線、24超材料天線罩
【具體實施方式】
[0028]本發明的超材料包括至少一超材料片層10，如圖1所示。每個超材料片層10包括貼合在一起的兩介質基板12、14和置于所述兩介質基板12、14之間而由所述兩介質基板12、14覆蓋的結構層16。所述兩介質基板12、14也可由聚合物材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等材料制成，且所述兩介質基板12、14的厚度既可相等、也可不相等。
[0029]請繼續參考圖2所示，所述結構層16包括多個人工微結構18，如圖中由虛線分隔形成的圖案。我們將每個人工微結構18及其所在的兩介質基板12、14部分稱為超材料單元19，如圖所示。一般，每個超材料單元19的幾何尺寸與穿過所述超材料的電磁波波長有關，如其幾何尺寸是電磁波波長的十分之一。每個人工微結構18是由一定尺寸的線段構成的具有一定幾何形狀的平面或立體結構，其中，線段的截面可以為扁平狀或其他任意形狀，如圓柱狀。圖2中所示的人工微結構18是由具有扁平狀截面的線段構成的平面結構，并呈周期性排布，也即，所述多個人工微結構18是周期性地排布于所述兩介質基板12、14之間的，并由所述兩介質基板12、14覆蓋。實際中，所述多個人工微結構18是通過蝕刻一覆蓋于所述介質基板12 (或14)上的金屬箔如銅箔而形成，然后再覆上所述介質基板14 (或12)并將所述多個人工微結構18覆蓋住即可。當然，所述多個人工微結構18還可以采用電鍍、鉆亥IJ、光刻、電子刻或者離子刻等方式形成在所述介質基板12或14上。
[0030]請繼續參考圖3，為本發明的人工微結構18的一個實施例。每個人工微結構18大致呈十字形，包括四條從同一點延伸出的尺寸相同的直線段182，在以所述點為中心點的順時針或逆時針方向上，任兩相鄰直線段182相互垂直，也即，每個人工微結構18以垂直于其所在的平面并通過所述點的直線為軸順時針或逆時針旋轉90度、180度、270度或360度后均與初始位置的人工微結構18重合。每個人工微結構18的四條直線段182分別與四個相鄰人工微結構18的一直線段182相連，且任兩相連的直線段182位于同一直線上，如圖2所示。每條直線段182的長度L=3~4mm、寬度W = 0.05、.15mm。由于每個人工微結構18的四條直線段182分別延伸至所在超材料單元19的四個邊界，因此，每個超材料單元19的長和寬等于每條直線段182的兩倍，如圖3所示。
[0031]為了驗證本發明超材料對電磁波的透波效果，以下我們以一超材料單元19為樣品進行仿真測試。在所述超材料單元19中，所述兩介質基板12、14均由聚四氟乙烯(F4B)制成，其介電常數為2.65，且所述兩介質基板12、14的厚度相等，均為2mm ;所述人工微結構18的每條直線段182是由銅制成的金屬線，其長度L=3.5mm、寬度W = 0.1mm、厚度D=0.018mm(亦即人工微結構18的厚度為0.018_)。仿真測得，所述樣品的透射系數S2隨電磁波頻率變化的曲線如圖4所示，其中S21為電磁波垂直入射所述樣品時的曲線、S22為電磁波以與垂直入射成30度的角入射所述樣品時的曲線。從圖可知，在大約為7.5^18GHz的超寬頻段內，所述樣品的透射系數S2均大于-0.5dB，也即損耗低于0.5dB。
[0032]圖5所示的是具有與所述樣品相同尺寸的純F4B單元塊的S參數仿真圖。其中，透射系數S2_l在大約為3~18GHz的電磁波頻段內會有明顯的下降，也即損耗比較大。我們將所述樣品與純F4B單元塊的S參數繪制在一幅圖中比較時，如圖6所示，在大約7.5~18GHz的電磁波頻段內，所述樣品的透射系數S21均優于純F4B單元塊的透射系數S2_l。由此可見，本發明超材料不僅在超寬頻段內具有良好的透波性能，而且電磁波以大角度入射時也不會降低其透波率，可隨意旋轉調制，具有很大的靈活性。
[0033]此外，本發明超材料的人工微結構18置于所述兩介質基板12、14之間，是為了將其保護保護起來，免受磨損，這樣，不僅可保持穩定的電磁性能，而且具有良好的機械性能。根據實際需要，所述多個人工微結構18也排布于一個介質基板上。而且所述超材料片層10根據實際需要可做成任意性形狀。如可通過熱壓平板狀超材料片層10或者將多塊平板型超材料片層10拼接在一起而形成各種形狀，如圓球形、異形，亦可使用軟性的介質基板12、14來制得所述超材料片層10。
[0034]請參考圖7，為本發明超材料天線罩和天線系統。所述天線系統20包括天線22和用于保護所述天線22的超材料天線罩24。所述天線22可以是貼片天線、縫隙天線、微帶天線等任意類型的天線，也可以是由上述天線組成的天線陣，其饋電方式可以是同軸線、縫隙耦合、微帶線等。圖中所示的天線22是一貼片天線。所述超材料天線罩24位于所述天線22接收和/或發射的電磁波的傳播方向上。根據實際需要，所述超材料天線罩24可由多片所述超材料片層10沿垂直于片層的方向通過機械連接、焊接或粘合的方式形成一體化的結構。圖中所示的超材料天線罩24是由三片所述超材料片層10前、后表面直接疊加在一起形成。
[0035]另外，由于本發明超材料天線罩24的兩側均為空氣，為了較少電磁波反射，我們也可通過調制所述人工微結構18來改變超材料天線罩24的介電常數和/或磁導率，以使所述超材料天線罩24與空氣的波阻抗匹配一致，盡可能實現零反射。而且所述超材料天線罩24也可通過上述方法制成具有任意形狀的天線罩。
[0036]以上所述僅是本發明的若干【具體實施方式】和/或實施例，不應當構成對本發明的限制。對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明基本思想的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，如所述直線段182也可由ΙΤ0、石墨或者碳納米管等導電材料制成，而這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種超材料，其特征在于，所述超材料包括至少一超材料片層，每個超材料片層包括一第一介質基板和陣列排布于所述第一介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構包括四條從同一點延伸出的尺寸相同的直線段，在以所述點為中心點的順時針或逆時針方向上，任兩相鄰直線段相互垂直；每個人工微結構的四條直線段分別與四個相鄰人工微結構的一直線段相連，且任兩相連的直線段位于同一直線上。
2.根據權利要求1所述的超材料，其特征在于，每個人工微結構的每條直線段的長度為3?4mm。
3.根據權利要求2所述的超材料，其特征在于，每個人工微結構的每條直線段的長度為 3.5mmο
4.根據權利要求2所述的超材料，其特征在于，每個人工微結構的每條直線段的寬度為 0.05?0.15mm。
5.根據權利要求4所述的超材料，其特征在于，每個人工微結構的每條直線段的寬度為 0.1mnin
6.根據權利要求5所述的超材料，其特征在于，每個人工微結構的每條直線段是金屬線。
7.根據權利要求1所述的超材料，其特征在于，每個超材料片層還包括覆蓋于所述多個人工微結構上的第二介質基板。
8.根據權利要求7所述的超材料，其特征在于，所述兩介質基板均由聚四氟乙烯(F4B)制成；所述人工微結構的四條直線段是銅線。
9.一種超材料天線罩，其特征在于，所述超材料天線罩由權利要求1-8中任一項所述的超材料制成。
10.一種天線系統，包括天線，其特征在于，所述天線系統還包括設置于所述天線接收和/或發射的電磁波的傳播方向上的超材料天線罩，所述超材料天線罩是權利要求9中所述的超材料天線罩。
【文檔編號】H01Q1/42GK103579774SQ201210275370
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月3日 優先權日:2012年8月3日
【發明者】劉若鵬, 趙治亞, 周添, 王海蓮, 張嶺 申請人:深圳光啟創新技術有限公司