一種超材料、天線裝置及天線罩的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超材料，所述超材料包括基板和設置在所述基板上的、均勻布滿所述基板的、且設置方向一致的、使具有特定極化方向的電磁波透過所述基板并傳輸的金屬微結構單元；所述一個金屬微結構單元包括一個其結構尺寸小于該單元尺寸的金屬微結構；所述基板上的所有金屬微結構單元在其四面依次相鄰且排列方向相同。本發明還涉及一種使用上述材料的天線裝置和天線罩。實施本發明的超材料、天線裝置及天線罩，具有以下有益效果：其實現選擇特定極化方向的電磁波通過功能具有構較為簡單、沒有較多的限制條件、成本較低的優點。
【專利說明】一種超材料、天線裝置及天線罩
【技術領域】
[0001]本發明涉及通訊領域，更具體地說，涉及一種超材料、天線裝置及天線罩。
【背景技術】
[0002]在通訊領域中，經常需要對通訊過程中發射和接收的電磁波信號進行極化選擇接收，即只接收設計方向的線極化，而對于與設計極化方向正交的信號產生較大反射，以提升通訊系統中接收機的性能，便于其在復雜的電磁環境中更好地接收到其需要的電磁信號。由于普通介質材料為各向同性且不可設計改變，所以不能使用普通的介質材料來實現上述功能。實際上，在現有技術中，通常是通過增加接收機的天線陣子的交叉極化比來接收極性一致的電磁波而區別極性不一致的電磁波的。現有技術中的這種方法雖然在一定程度上也能夠實現上述功能，但是，其結構較為復雜、有較多的限制條件、成本較高。

【發明內容】

[0003]本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述結構較為復雜、有較多的限制條件、成本較高的缺陷，提供一種構較為簡單、沒有較多的限制條件、成本較低的超材料、
天線裝置及天線罩。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種超材料，所述超材料包括基板和設置在所述基板上的、且設置方向一致的、使具有特定極化方向的電磁波透過所述基板并傳輸的金屬微結構單元；所述一個金屬微結構單元包括一個其結構尺寸小于該單元尺寸的金屬微結構；所述基板上的所有金屬微結構單元在其四面依次相鄰且排列方向相同。
[0005]更進一步地，所述金屬微結構通過蝕刻或光刻附著在所述基板上，所述基板為介電材料。
[0006]更進一步地，所述金屬微結構包括長度相同且相互平行的第一支路和第二支路，以及連接所述第一支路和第二支路之間的第三支路；所述第一支路兩端還分別連接有與所述第一支路呈設定夾角向所述第二支路方向延伸的第四支路；所述第二支路兩端還分別連接有與所述第二支路呈設定夾角向所述第一支路方向延伸的第五支路。所述第四支路和第五支路延伸出來的端點懸空。
[0007]更進一步地，所述第三支路垂直連接在所述第一支路和第二支路長度方向的中點上，所述第四支路和所述第五支路分別對稱于所述第三支路；所述第四支路和第五支路對稱于所述第三支路長度方向上的中點。
[0008]更進一步地，所述金屬微結構單元的尺寸與其工作頻率成反比，所述工作頻率越高，其對應的金屬微結構單元的尺寸越小。
[0009]更進一步地，所述第四支路和所述第一支路以及所述第五支路和所述第二支路之間的夾角均為銳角。
[0010]更進一步地，所述第四支路和所述第一支路之間和所述第五支路和所述第二支路之間的夾角均為直角。
[0011]本發明還涉及一種天線裝置，所述天線裝置包括至少一個天線陣子以及設置在所述天線陣子的電磁波入射方向上的具有使特定方向極化的電磁波透過功能的材料；所述材料是上述任意一項所述的超材料。
[0012]更進一步地，所述超材料設置在距所述天線陣子1/2-1/10波長的位置上，所述波長是所述天線裝置工作頻段的中心頻率的波長。
[0013]更進一步地，所述超材料所占面積的任意一邊長度為0.3-2倍波長。
[0014]本發明還涉及一種天線罩，所述天線罩用于安裝在天線或天線陣子或陣列之外，所述天線罩的電磁波入射面由上述任意一項所述的具有使特定極化方向的電磁波透過功能的材料構成。
[0015]實施本發明的超材料、天線裝置及天線罩，具有以下有益效果:由于對基板上的金屬微結構進行配置而實現該材料的極化選擇性能，具體而言是通過對尺寸為工作波長尺寸的l/2(Tl/4的各項異性的金屬微結構的設計，使得該超材料具有設定方向的極化特性，且在所需的工作頻段和其自身極化一致的電磁波相互感應，進而使其選擇性通過。而對于與其極化不一致的電磁波，產生較大反射(部分頻段反射可以增加26dB)，從而達到屏蔽極化方向不一致信號的效果。因此，其實現選擇特定極化方向的電磁波通過功能具有構較為簡單、沒有較多的限制條件、成本較低的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明一種超材料、天線裝置及天線罩實施例中一種情況下金屬微結構單元在基板上的結構示意圖；
圖2是所述實施例中另一種情況下金屬微結構單元在基板上的結構示意圖；
圖3是所述實施例中金屬微結構的一種結構示意圖；
圖4是所述實施例中金屬微結構的另一種結構示意圖；
圖5是所述實施例中金屬微結構的另一種結構示意圖；
圖6是所述實施例中天線陣子與材料的位置側面示意圖；
圖7是所述實施例中天線陣子與材料的擺放位置示意圖；
圖8是所述實施例中天線陣子與材料的另一種擺放位置示意圖；
圖9是所述實施例中一種情況下相同極化方向的電磁波傳輸特性示意圖；
圖10是所述實施例中一種情況下不同極化方向的電磁波傳輸特性示意圖；
圖11是所述實施例中一致極化平面波垂直入射時該材料的S參數曲線圖；
圖12是所述實施例中正交極化平面波垂直入射時該材料的S參數曲線圖。
【具體實施方式】
[0017]下面將結合附圖對本發明實施例作進一步說明。
[0018]如圖1所示，在本發明的具有使特定極化方向的電磁波透過功能的材料、天線裝置及天線罩實施例中，該具有使特定方向極化的電磁波透過功能的材料包括基板10和金屬微結構單元11;這些金屬微結構單元11設置在基板10上，均勻布滿基板10且在基板10的設置方向一致；同時，這些金屬微結構單元11使得具有特定極化方向的電磁波透過基板10并繼續傳輸，而不具有特定極化方向的電磁波則被反射，不能透過上述基板10傳輸。一個金屬微結構單元11包括一個其結構尺寸小于該單元尺寸的金屬微結構12 ;基板10上的所有金屬微結構單元11在其四面依次相鄰且排列方向相同。值得一提的是，在圖1中，為了便于說明問題以及描述的方便，給出了每個金屬微結構12四周的虛線，表示一個金屬微結構單元11的邊界；同時，圖1中還給出了表示基板邊界的細實線。但是，在實際運用中，該基板10上除了上述金屬微結構12外并不存在其他線條，圖1中的虛線僅僅是為了便于理解而添加的。也就是說，在實際應用時，直接在基板10上生成多個方向一致的金屬微結構12即可，這些金屬微結構12之間是相互隔離的，其間有一定的距離(圖1中的虛線及空出部分)，這一部分空出的距離就是相鄰的兩個金屬微結構單元11的沒有分布金屬微結構12的部分。在本實施例中，上述金屬微結構12的長度和寬度是相等的，且與其工作頻段的中心頻率的波長相關，一般來講，選擇該中心頻率波長的1/3到1/5作為金屬微結構12的長度。由于金屬微結構12的長度和寬度是相等的，所以金屬微結構單元11的長度和寬度也是相等的。
[0019]在本實施例中，上述金屬微結構12是通過蝕刻或光刻附著在基板10上的，而基板10為板狀的介電材料。通常來講，可以在單面覆銅的板狀介電材料上對其覆銅進行蝕刻或光刻，得到上述多個金屬微結構12。在下面的說明中，為了便于敘述，僅僅示出了覆銅面在介電材料一面的情況。但是，這并不代表在本實施例中僅僅只有這種情況，在一些情況下，還可以有別的方式。例如，可以在一個單面覆銅的介電材料上得到上述金屬微結構12，之后，在上述金屬微結構12的表面再次覆蓋一層介電材料,使得該金屬微結構12處于兩層介電材料之間。
[0020]在本實施例中，上述金屬微結構12在基板10上的排列方式是一致的，也就是說，在一個基板10上的所有金屬微結構12在基板10上的排列方向是一致的。圖1中不出了本實施例中金屬微結構12的一種排列方法,在圖1中，基板10上的所有金屬微結構12端正地排列在基板10上；而圖2示出了在本實施例中金屬微結構12的另一種在基板10上的排列方法，在圖2中，所有的金屬微結構12向同一個方向傾斜45度并排列在基板10上。當然，本實施例中的這些排列方式，也可以說成是金屬微結構12在金屬微結構單元11中擺放的方向不同，而各金屬微結構單元11在基板10上的擺放是相同的。同樣地，圖1和圖2也是為了描述方便而舉出的在本實施例中金屬微結構12在基板10上的排列方式的兩個例子，在本實施例中的一些情況下，這些金屬微結構12的排列方式也可以不一樣,例如,可以在圖1的基礎上旋轉90度，也可以向圖2中傾斜方向的相反方向傾斜等等。
[0021]在本實施例中，金屬微結構12可以具有多種變形，但是不管如何變形，其共同的結構特點是存在的。圖3、圖4和圖5分別列舉了在本實施例中的集中金屬微結構12的具體結構。同樣地，這些結構僅僅用于說明本實施例中金屬微結構12的具體構造，并不構成對本實施例中所有金屬微結構12的限定。值得一提的是，在本實施例中，一旦選定一種具體的金屬微結構12，設置在基板10上的所有金屬微結構12都必須是這種選定的構造。在本實施例中，如圖3所示。金屬微結構12包括長度相同且相互平行的第一支路31和第二支路32，以及連接第一支路31和第二支路32之間的第三支路33 ;同時，第一支路31兩端還分別連接有與第一支路31呈設定夾角、且向第二支路32方向延伸的第四支路34 ;第二支路32兩端還分別連接有與第二支路32呈設定夾角、且向第一支路31方向延伸的第五支路35 ;在本實施例中，第四支路和第五支路延伸出來的端點(即未與上述第一支路31或第二支路32連接的端點)懸空。在本實施例中，第三支路33垂直連接在第一支路31和第二支路32長度方向的中點上，第四支路34和第五支路35分別對稱于第三支路33，也就是說，第四支路34連接在第一支路31兩端的兩個部分以第三支路33為軸相互對稱，而第五支路35連接在第二支路32兩端的兩個部分以第三支路33為軸相互對稱；第四支路34和第五支路35對稱于第三支路33長度方向上的中點，即在本實施例中，實際上，第四支路34和第五支路35的結構是相同的，且第四支路34和第五支路35以經過第三支路33的長度方向的中點且分別平行與所述第一支路31和第二支路32的直線為軸相互對稱。
[0022]在本實施例中，第四支路34和第一支路31之間的夾角均為銳角，同樣地，第五支路35和第二支路32之間的夾角也為銳角。請參見圖3和圖4。在圖3和圖4中，金屬微結構12的區別僅僅在于夾角(均為銳角)的大小以及延伸的長度不同。而在本實施例的另外一些的情況下，上述第四支路34和第一支路31之間的夾角可以為直角，同時，第五支路35和第二支路32之間的夾角也是直角，請參見圖5。
[0023]在本實施例中，正如前面所述的一樣，金屬微結構單元11的尺寸大于金屬微結構12的尺寸。也就是說，金屬微結構12的尺寸是受限于金屬微結構單元11的尺寸的。金屬微結構單元11的尺寸越大，金屬微結構12的尺寸也就越大。通常來講，金屬微結構單元11的尺寸與其工作頻率成反比，天線或天線陣子的工作頻率越高，其對應的金屬微結構單元11的尺寸越小；這是由于金屬微結構12的尺寸與工作波長成正比的緣故。
[0024]在本實施例中，還涉及一種天線裝置，該天線裝置包括至少一個天線陣子以及設置在所述天線陣子的電磁波入射方向上的具有使特定方向極化的電磁波透過功能的超材料；這里的超材料是前面所述的具有使特定方向極化的電磁波透過功能的超材料72，請參見圖6，在圖6中，示出了上述超材料72和天線陣子71的側面位置示意圖。在圖6中，天線陣子71的前方(即在該天線陣子71的電磁波入射面上)設置有上述超材料72。也就是說，當電磁波首先通過上述材料72，再達到天線陣子71 (如果該電磁波能夠透過上述超材料72的話)。在本實施例中，上述材料72到天線陣子71的距離為1/2-1/10個波長。這里的波長是天線裝置工作頻段的中心頻率的波長。此外，在本實施例中，上述材料在電磁波入射方向上來講，是將其對應的天線陣子71遮擋住的。也就是說，在圖6中，從電磁波入射方向上來講，上述超材料72的面積是大于天線陣子71的面積的。在其他的一些情況下，上述超材料72也可以不是將天線陣子71完全遮擋住。具體來講，在本實施例中，對應于一個天線陣子71的上述超材料72所占面積(在電磁波入射方向上的投影面積)的任意一邊長度為
0.3-2倍工作波長的長度。這樣的設置可以減小電磁波的繞射效果。圖7和圖8分別示出了前面提及的由于金屬微結構在基板上不同的排列方式而得到的材料對于天線陣子不同的擺放方式。其中，圖7是按照圖1中的金屬微結構排列方式得到的材料對于天線陣子的設置方式，而圖8是按照圖2中的金屬微結構排列方式得到的材料對于天線陣子的設置方式.這兩種設置方式都可以實現本實施例中的設定極化方向電磁波的選擇功能。
[0025]此外，在本實施例中，還涉及一種天線罩，該天線罩用于安裝在天線或天線陣子或陣列之外，圍繞天線或天線陣子。在本實施例中，該天線罩的電磁波入射面由上述具有使特定方向極化的電磁波透過功能的材料構成。
[0026]綜上所述，在本實施例中，通過對介于電磁波波長l/2(Tl/4的金屬微結構的設計，使得由這種結構在基板上周期排布形成的新型電磁材料可以使極化一致的電磁波通過，而使正交極化的電磁波反射，從而達到使得該材料具有使特定方向極化的電磁波透過功能。
[0027]在本實施例中，該極化選擇材料的工作頻段可以根據需求設計，以目前通訊頻段為例(例如，中心工作頻率為2GHz)說明如下:極化選擇材料的微結構單元(請參見圖3、4和5)選取長寬均為中心頻率波長的1/4。極化選擇材料通過單層覆銅的蝕刻工藝實現。基板選取0.4mm厚的聚四氟乙烯(PTFE)，其介電常數為2.1，損耗在IOGHz時為0.0002。覆銅厚度選擇0.018mm,電導率為5.8*10~7。將上述微結構單元以如圖1或圖2所示的方式進行周期性排布構成極化選擇材料。在本實施例中，與極化選擇材料極化一致的平面波垂直入射后的反射透射情況請參見圖9，其中，顏色較深的曲線為體現反射的Sll參數，顏色較淺的曲線是體現透射的S21參數。從圖9中可以看出，在1840-2650MHZ頻段反射小于_15dB，透射損耗小于0.17dB (透波率大于96%)。圖10展示了與極化選擇材料正交的電磁波垂直入射此極化選擇材料的情況。從圖10中可以看出，在同一頻率段反射大于_8dB，透射損耗大于0.85dB (透波率小于90%)，在部分頻段透射損耗達到15分貝以上(透波率小于18%)。這主要來源于對金屬微結構的各向異性設計，而對于一般的各項同性介質材料無法達到極化選擇的效果。
[0028]將此極化選擇材料放置在金屬偶極子半波振子上方(振子工作頻段1880-2690MHZ，駐波比小于1.3，工作相對帶寬35%)，距離金屬振子上表面1/5中心頻率波長(請參見圖6)，并且將極化選擇材料旋轉至與振子+45極化方向一致(請參見圖7)。半波振子的反應近場距離為0- λ/ (2π)，輻射近場距離為λ/ (2π)~2?~2/λ，而輻射遠場距離為2?~2/λ以上(λ為中心頻率波長)，極化選擇材料放置位置介于反應近場和輻射遠場之間的輻射近場。圖11展示了引入極化選擇材料后交叉極化振子兩個極化方向電磁波的反射情況，其中，顏色較深的曲線反映了與極化選擇材料極化一致的+45度振子的Sll參數，顏色較淺的曲線反映了極化正交的-45度陣子的Sll參數。在1800-2270ΜΗΖ頻段間，+45度極化振子Sll參數低于-15dB`，顯示出良好輻射性能。而-45度極化振子由于電磁波被極化選擇材料反射，大部分能量被反射回激勵振子的饋線中，Sll參數高于_8dB，未能良好輻射。
[0029]通過對微結構的設計和將極化選擇材料的適當放置，加入極化選擇材料不會使交叉極化振子自身的隔離度惡化。圖12展示了引入極化選擇材料(相對位置如圖5所示)和不引入此材料交叉極化振子間隔離度的比較，顏色較深的曲線為引入極化選擇材料的情況，顏色較淺的曲線為未引入時情況。對比可以發現極化選擇材料在工作頻段內沒有使本身交叉極化振子隔離度惡化。
[0030]上述例子僅以通訊頻段為例展示了極化選擇材料的性能，在本實施例中，對于其他頻段設計可以根據工作頻段波長進行等比例擴比(頻率更低情況)或縮比(頻率更高情況)。
[0031]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種超材料，其特征在于，所述超材料包括基板和設置在所述基板上的、設置方向一致的、使具有特定極化方向的電磁波透過所述基板并傳輸的金屬微結構單元；所述一個金屬微結構單元包括一個其結構尺寸小于該單元尺寸的金屬微結構；所述基板上的所有金屬微結構單元在其四面依次相鄰且排列方向相同。
2.根據權利要求1所述的超材料，其特征在于，所述金屬微結構通過蝕刻或光刻附著在所述基板上，所述基板為介電材料。
3.根據權利要求2所述的超材料，其特征在于，所述金屬微結構包括長度相同且相互平行的第一支路和第二支路，以及連接所述第一支路和第二支路之間的第三支路；所述第一支路兩端還分別連接有與所述第一支路呈設定夾角向所述第二支路方向延伸的第四支路；所述第二支路兩端還分別連接有與所述第二支路呈設定夾角向所述第一支路方向延伸的第五支路；所述第四支路和第五支路延伸出來的端點懸空。
4.根據權利要求3所述的超材料，其特征在于，所述第三支路垂直連接在所述第一支路和第二支路長度方向的中點上，所述第四支路和所述第五支路分別對稱于所述第三支路；所述第四支路和第五支路對稱于所述第三支路長度方向上的中點。
5.根據權利要求4所述的超材料，其特征在于，所述金屬微結構單元的尺寸與其工作頻率成反比，所述工作頻率越高，其對應的金屬微結構單元的尺寸越小。
6.根據權利要求5所述的超材料，其特征在于，所述第四支路和所述第一支路以及所述第五支路和所述第二支路之間的夾角均為銳角。
7.根據權利要求5所述的超材料，其特征在于，所述第四支路和所述第一支路之間和所述第五支路和所述第二支路之間的夾角均為直角。
8.一種天線裝置，其特征在于，所述天線裝置包括至少一個天線陣子以及設置在所述天線陣子的電磁波入射方向上的具有使特定方向極化的電磁波透過功能的材料；所述材料是如權利要求1_7任意一項所述的超材料。
9.根據權利要求8所述的天線裝置，其特征在于，所述超材料設置在距所述天線陣子1/2-1/10波長的位置上，所述波長是所述天線裝置工作頻段的中心頻率的波長。
10.根據權利要求9所述的天線裝置，其特征在于，所述超材料所占面積的任意一邊長度為0.3-2倍波長。
11.一種天線罩，所述天線罩用于安裝在天線或天線陣子或陣列之外，其特征在于，所述天線罩的電磁波入射面由如權利要求1-7任意一項所述的超材料構成。
【文檔編號】H01Q1/38GK103794865SQ201310272333
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年7月1日 優先權日:2013年7月1日
【發明者】不公告發明人 申請人:深圳光啟創新技術有限公司