超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超材料，適用于透射Ka波段的電磁波，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與四個相鄰人工微結構的一直線段之間留有間隙，且任兩相鄰人工微結構的兩對應的直線段位于同一直線上。這種超材料不僅可讓Ka波段的電磁波高效穿過，損耗較小，而具有良好的透波性能，而且在Ka波段內透波率穩(wěn)定，具有寬頻特性。本發(fā)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(tǒng)。
【專利說明】超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種由全新設計的超材料結構單元制成的超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)。
【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(shù)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(fā)現(xiàn)，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(tǒng)上，制造透波天線罩時多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環(huán)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(huán)境的影響，而且對天線的發(fā)送和/或接收的電磁波的損耗較小，但是隨著技術的發(fā)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(fā)明內容】

[0004]本發(fā)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(tǒng)。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種超材料，適用于透射Ka波段的電磁波，其包括至少一超材料·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與四個相鄰人工微結構的一直線段之間留有間隙，且任兩相鄰人工微結構的兩對應的直線段位于同一直線上。
[0006]優(yōu)選地，每個人工微結構的每條直線段的長度為0.85、.9mm。
[0007]優(yōu)選地，每個人工微結構的每條直線段的長度為0.8mm。
[0008]優(yōu)選地，每個人工微結構的每條直線段的寬度為0.1-0.3_。
[0009]優(yōu)選地，每個人工微結構的每條直線段的寬度為0.2mm。
[0010]優(yōu)選地，每個人工微結構的每條直線段是金屬線。
[0011]優(yōu)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(yōu)選地，所述第一介質基板和第二介質基板均由聚四氟乙烯制成，厚度均為
1.6mm。
[0013]優(yōu)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]一種超材料天線罩，工作在Ka波段，其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與四個相鄰人工微結構的一直線段之間留有間隙，且任兩相鄰人工微結構的兩對應的直線段位于同一直線上。
[0015]一種天線系統(tǒng)，包括天線和設置于所述天線接收和/或發(fā)射的電磁波的傳播方向上的超材料天線罩，所述超材料天線罩工作在Ka波段，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與四個相鄰人工微結構的一直線段之間留有間隙，且任兩相鄰人工微結構的兩對應的直線段位于同一直線上。
[0016]本發(fā)明超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統(tǒng)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Ka波段的電磁波高效穿過，損耗較小，而具有良好的透波性能，而且在Ka波段內其透波率很穩(wěn)定，具有寬頻特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0018]圖1是本發(fā)明超材料的一個結構示意圖；
[0019]圖2是圖1中的結構層的平面示意圖；
[0020]圖3是圖2中的一個人工微結構的放大示意圖；
[0021]圖4是圖1中的一個樣品的透射系數(shù)S2隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖；
[0022]圖5是圖4中某一頻段的放大圖；
[0023]圖6是具有與圖4中的樣品相同尺寸的F4B單元塊的透射系數(shù)S2隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖；
[0024]圖7是本發(fā)明超材料天線罩和天線系統(tǒng)的一個結構示意圖；
[0025]圖8是本發(fā)明超材料天線罩的η值隨某一頻段的電磁波變化的曲線圖。
[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(tǒng)、22天線、24超材料天線罩
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)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(xù)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、鉆刻、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(xù)參考圖3，為本發(fā)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與四個相鄰人工微結構18的一直線段182之間留有間隙，且任兩相鄰人工微結構18的兩對應的直線段182位于同一直線上。每條直線段182的長度L=0.85~0.9mm、寬度W =0.1~0.3mm。
[0031]為了驗證本發(fā)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，其長和寬M均為2mm ;所述兩介質基板12、14均由聚四氟乙烯(F4B)制成，其介電常數(shù)為2.1~2.65，損耗角正切為0.001，且所述兩介質基板12、14的厚度相等，均為1.6mm ;所述人工微結構18的四條直線段182的交匯點為所述所述超材料單元19的中心，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=0.8mm、寬度W=0.2mm、厚度D=0.018mm (亦即人工微結構18的厚度為0.018mm)。仿真測得，所述樣品的透射系數(shù)S2隨某一頻段的電磁波變化的曲線如圖4和圖5所示。從圖可知，在大約為26~40GHz的超寬頻段(大致為Ka波段:27~40GHz)內，所述樣品的透射系數(shù)S2非常小。
[0032]圖6所示的是具有與所述樣品相同尺寸的純F4B單元塊的透射系數(shù)S2的仿真圖。我們將所述樣品與純F4B單元塊的透射系數(shù)S2相比較可知，在大約26~40GHz的超寬頻段內，所述樣品的透射系數(shù)S2比純F4B單元塊的透射系數(shù)S2小很多:例如在33GHz時，所述樣品的透射系數(shù)S2為-0.2574dB，而純F4B單元塊的透射系數(shù)S2為-1.0494。由此可見，本發(fā)明不僅具有良好的透波性能，而且在超寬頻段內均具有穩(wěn)定的透波率。
[0033]此外，本發(fā)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(wěn)定的電磁性能，而且具有良好的機械性能。根據(jù)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(jù)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(fā)明超材料天線罩和天線系統(tǒng)。所述天線系統(tǒng)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(fā)射的電磁波的傳播方向上。根據(jù)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。而且所述超材料天線罩24也可通過上述用于制造各種形狀的超材料的方法而制得具有任意形狀的天線罩。
[0035]另外，由于本發(fā)明超材料天線罩24的兩側均為空氣，電磁波進出所述超材料天線罩24時均會反射，造成電磁波損耗，因此，需要我們通過調制所述人工微結構18來改變所述超材料天線罩24的介電常數(shù)和/或磁導率，以使本發(fā)明超材料天線罩24與空氣的阻抗匹配一致。我們通過CST的Retrieval程序測得本發(fā)明超材料天線罩24的η值(即超材料天線罩的阻抗與空氣的阻抗的比值)變化曲線圖如圖8。從圖可知，η的實部re(il)大致在26?40GHz的超寬頻段內約等于1，且im( η)幾乎為零，可見，本發(fā)明超材料天線罩24的阻抗與空氣的阻抗大致在26?40GHz的超寬頻段內匹配極佳，且損耗也小，可近似為空氣，得以進一步提聞其透波率。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的若干【具體實施方式】和/或實施例，不應當構成對本發(fā)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(fā)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(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種超材料，其特征在于，所述超材料適用于透射Ka波段的電磁波，其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與四個相鄰人工微結構的一直線段之間留有間隙，且任兩相鄰人工微結構的兩對應的直線段位于同一直線上。
2.根據(jù)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 0.85?0.9mm。
3.根據(jù)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 0.8mm。
4.根據(jù)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 0.1?0.3mm。
5.根據(jù)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0.2臟。
6.根據(jù)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(jù)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(jù)權利要求7所述的超材料，其特征在于，所述第一介質基板和第二介質基板均由聚四氟乙烯制成，厚度均為1.6mm。
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(tǒng)，包括天線，其特征在于，所述天線系統(tǒng)還包括設置于所述天線接收和/或發(fā)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】H01Q15/00GK103579775SQ201210275412
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權日:2012年8月3日
【發(fā)明者】劉若鵬, 趙治亞, 周添, 方小偉, 張嶺 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司