專利名稱：超材料頻選表面及由其制成的超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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，涉及一種設(shè)計(jì)新穎的超材料頻選表面及由其制成的超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前，人們在基板上周期性地排列具有一定幾何形狀的人工微結(jié)構(gòu)來形成超材料。由于可以利用人工微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸以及排布來改變超材料空間各點(diǎn)的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，使其產(chǎn)生預(yù)期的電磁響應(yīng)，以控制電磁波的傳播，故而，在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為各國科研人員爭相研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。特別是可將超材料制作成具有良好透波性能的透波材料，并用來制作天線罩方面已有相當(dāng)研究。
傳統(tǒng)上，制造天線罩時多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機(jī)械強(qiáng)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，但由于其波阻抗與空氣的波阻抗不同，電磁波在空氣與天線罩之間傳播時會發(fā)生反射，從而降低了天線的輻射效率和增益，嚴(yán)重影響天線的電磁性能。此外，有時需要天線罩具有頻率選擇(簡稱為“頻選”)特性，而傳統(tǒng)材料在制作上較復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種既具有良好的電磁性能又具有頻選特性的超材料頻選表面及由其制成的超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種超材料頻選表面，其包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括兩結(jié)合在一起的基板和置于所述兩基板之間的金屬層，所述金屬層開設(shè)多個第一開槽和第二開槽，所述第一開槽和第二開槽各自呈長方形陣列排布，且每一第一開槽的中心為由連接四個最靠近的第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心，所述第一開槽的幾何形狀和尺寸分別與所述第二開槽的幾何形狀和尺寸相同，每一第一開槽和第二開槽均包括三個子結(jié)構(gòu)，每一子結(jié)構(gòu)包括兩相互平行的第一直線段和垂直地連接于所述兩第一直線段的兩相對端之間的第二直線段，每一子結(jié)構(gòu)的兩第一直線段分別與另兩子結(jié)構(gòu)的相鄰第一直線段相連接。優(yōu)選地，每兩相鄰子結(jié)構(gòu)的兩相互連接的第一直線段之間的夾角為120°。優(yōu)選地，所述第二直線段的外側(cè)到相應(yīng)開槽的中心的距離均相等，均等于
3.4 3. 7mm。優(yōu)選地，所述第二直線段的長度均相等，均等于I. 6^2. 1_。優(yōu)選地，所述第一直線段和第二直線段的寬度均相等，均等于0. 71^0. 78_。優(yōu)選地，所述兩基板的厚度為0. 45 0. 55mm。
優(yōu)選地，由連接最靠近的四個第一開槽或第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊為lCTlO. 5mm、短邊為8. 5 9mm。優(yōu)選地，所述兩基板的厚度均為0.5mm;所述第一直線段和第二直線段的寬度均為0. 75mm，所述第二直線段的長度均為I. 8mm，所述第二直線段的外側(cè)到相應(yīng)開槽的中心的距離均為3. 5mm,由連接最靠近的四個第一開槽或第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊為10. 3mm、短邊為8. 86mm。一種超材料頻選天線罩，其包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括兩結(jié)合在一起的基板和置于所述兩基板之間的金屬層，所述金屬層開設(shè)多個第一開槽和第二開槽，所述第一開槽和第二開槽各自呈長方形陣列排布，且每一第一開槽的中心為由連接四個最靠近的第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心，所述第一開槽的幾 何形狀和尺寸分別與所述第二開槽的幾何形狀和尺寸相同，每一第一開槽和第二開槽均包括三個子結(jié)構(gòu)，每一子結(jié)構(gòu)包括兩相互平行的第一直線段和垂直地連接于所述兩第一直線段的兩相對端之間的第二直線段，每一子結(jié)構(gòu)的兩第一直線段分別與另兩子結(jié)構(gòu)的相鄰第一直線段相連接。一種天線系統(tǒng)，包括天線和設(shè)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頻選天線罩，所述超材料頻選天線罩包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括兩結(jié)合在一起的基板和置于所述兩基板之間的金屬層，所述金屬層開設(shè)多個第一開槽和第二開槽，所述第一開槽和第二開槽各自呈長方形陣列排布，且每一第一開槽的中心為由連接四個最靠近的第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心，所述第一開槽的幾何形狀和尺寸分別與所述第二開槽的幾何形狀和尺寸相同，每一第一開槽和第二開槽均包括三個子結(jié)構(gòu)，每一子結(jié)構(gòu)包括兩相互平行的第一直線段和垂直地連接于所述兩第一直線段的兩相對端之間的第二直線段，每一子結(jié)構(gòu)的兩第一直線段分別與另兩子結(jié)構(gòu)的相鄰第一直線段相連接。本發(fā)明的超材料頻選表面及由其制成的超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)具有以下有益效果由于其超材料片層上具有各自呈長方形陣列排布的多個第一開槽和第二開槽，可讓諧振頻段內(nèi)的電磁波反射小、透過率高，從而具有良好的透波性能，并抑制此諧振頻段外的電磁波，過濾掉雜波，而具有頻選特性，減小了雜波干擾。


下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I是本發(fā)明超材料頻選表面的一個超材料片層的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中的超材料片層的金屬層的平面示意圖；圖3是用于構(gòu)成圖2中的金屬層的一個單元結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖4是圖2中的具有第二開槽的金屬層的平面示意圖；圖5是圖2中的具有第一開槽的金屬層的平面示意圖；圖6是圖I中所示的一個長方形區(qū)域的單元結(jié)構(gòu)樣品的反射系數(shù)SI和透射系數(shù)S2隨電磁波的頻率變化的響應(yīng)曲線圖；圖7是本發(fā)明超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)的示意圖。圖中各標(biāo)號對應(yīng)的名稱為
10超材料片層、12基板、14金屬層、16第一開槽、162子結(jié)構(gòu)、164第一直線段、166
第二直線段、18第二開槽、19單元結(jié)構(gòu)、20天線系統(tǒng)、22天線、24超材料頻選天線罩
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中的“表面”、“片層”、“層”、“板”等術(shù)語既指平面、曲面、錐面、球面、異形面等任意形狀的薄層材料，亦可包括柔軟的薄膜，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。為簡明起見，本實(shí)施方式中的“表面”、“片層”、“層”、“板”均以平面示意。如圖I所示，本發(fā)明超材料頻選表面包括至少一超材料片層10，所述超材料片層10包括兩結(jié)合在一起的基板12和置于所述兩基板12之間的金屬層14。所述兩基板12由聚合物材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等制成，如環(huán)氧樹脂玻璃纖維布(即FR4)、聚四氟乙烯(英文名為Polytetrafluoroethene,簡稱F4B)、高密度聚乙烯(英文名為High Density Polyethylene,簡稱HDPE)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(英文名為Acrylonitrile Butadiene Styrene,簡稱ABS)等。所述兩基板12的厚度既可相等,也可 不等，本實(shí)施方式中，所述兩基板12的厚度為0. 45、. 55mm。請參考圖2和圖3，所述金屬層14可由如銅、銀等任何金屬導(dǎo)電材料制成，其開設(shè)多個第一開槽16和第二開槽18，如圖中空白部分(陰影部分表示金屬層)。所述第一開槽16的幾何形狀和尺寸分別與所述第二開槽18的幾何形狀和尺寸相同，故以下以一個所述第一開槽16為例進(jìn)行說明。每一第一開槽16包括三個大致呈n形的子結(jié)構(gòu)162，每一子結(jié)構(gòu)162包括兩相互平行的第一直線段164和垂直地連接于所述兩第一直線段164的兩相對端之間的第二直線段166，每一子結(jié)構(gòu)162的兩第一直線段164分別與另兩子結(jié)構(gòu)162的相鄰第一直線段164相連接，且每兩相鄰子結(jié)構(gòu)162的兩相互連接的第一直線段164之間的夾角為120°。從而，所述三個子結(jié)構(gòu)162的第二直線段166的垂直平分線的交點(diǎn)即為相應(yīng)第一開槽16的中心。每一子結(jié)構(gòu)162的第二直線段166的外側(cè)到所述第一開槽16的中心的距離均等于L，L為3. r3. 7mm。所述三個子結(jié)構(gòu)162的第二直線段166的長度均等于Wl，Wl為I. 6 2. 1mm、第一直線段164和第二直線段166的寬度均等于W2，W2為0. 71 0. 78mm。由此可知，所述三個子結(jié)構(gòu)162的寬度(即第二直線段166的長度)均等于Wl。同上，每一第二開槽18亦包括三個大致呈n形的子結(jié)構(gòu)，每一子結(jié)構(gòu)包括兩相互平行的第一直線段和垂直地連接于所述兩第一直線段的兩相對端之間的第二直線段，每一子結(jié)構(gòu)的兩第一直線段分別與另兩子結(jié)構(gòu)的相鄰第一直線段相連接，且每兩相鄰子結(jié)構(gòu)的兩相互連接的第一直線段之間的夾角為120°。從而，所述三個子結(jié)構(gòu)的第二直線段的垂直平分線的交點(diǎn)即為相應(yīng)第二開槽18的中心。每一子結(jié)構(gòu)的第二直線段的外側(cè)到所述第二開槽的中心的距離均相等，且等于所述第一開槽16的每一子結(jié)構(gòu)162的第二直線段166的外側(cè)到其中心的距離L (即為3.r3.7mm)。所述三個子結(jié)構(gòu)的第二直線段的長度(即子結(jié)構(gòu)的寬度)均相等、第一直線段和第二直線段的寬度均相等，且其長度和寬度分別等于所述第一開槽16的三個子結(jié)構(gòu)162的第二直線段166的長度Wl (即為I. 6 2. Imm)及第一直線段164和第二直線段166的寬度W2 (即為0. 71 0. 78mm)。再請參考圖2，所述第一開槽16和第二開槽18各自呈長方形陣列排布，且每一第一開槽16的中心為由連接四個最靠近的第二開槽18的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心，或者每一第二開槽18的中心為由連接四個最靠近的第一開槽16的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心。若所述長方形區(qū)域的長邊為D1、短邊為D2，則由連接四個最靠近的第一開槽16或第二開槽18的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊和短邊亦分別為D1、D2。所述第一開槽16和第二開槽18各自整齊排布，也即，各個第一開槽16和第二開槽18的三個子結(jié)構(gòu)分別位于三個方向上，為明確起見，分別將所述第一開槽16和第二開槽18的排布圖繪制成圖4和圖5。本實(shí)施方式中，由連接四個最靠近的第一開槽16或第二開槽18的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊Dl為1(T10. 5mm、短邊D2為8. 5 9mm。所述超材料片層10中，若我們將由連接最靠近的四個第二開槽18的中心的四條直線段形成的長方形區(qū)域所在的部分稱為一個單元結(jié)構(gòu)19，則所述超材料片層10便可看作是由多個所述單元結(jié)構(gòu)19陣列而成，如圖I所示。實(shí)際制作時，我們可選取兩塊介質(zhì)基板，其中一塊介質(zhì)基板上覆有金屬箔，并通過蝕刻金屬箔而形成所述多個第一開槽16和第二開槽18，將另一塊沒有金屬箔的介質(zhì)基板壓合在所述形成有多個第一開槽16和第二開槽18的介質(zhì)基板上，且讓所述多個第一開槽 16和第二開槽18位于所述兩介質(zhì)基板之間，從而制得所述超材料片層10。具體蝕刻金屬箔時可采用光刻、鉆刻、電子刻或者離子刻等方式形成所述多個第一開槽16和第二開槽18。此外，也可使用電鍍的方式。為了驗(yàn)證所述超材料片層10的響應(yīng)特性，以下我們以一個單元結(jié)構(gòu)19為例來進(jìn)行仿真測試。在所述單元結(jié)構(gòu)19中，其長邊為10. 3mm、短邊為8. 86mm，也即，由連接四個最靠近的第一開槽16或第二開槽18的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊Dl為10. 3mm、短邊D2為8. 86mm。所述兩基板由相對介電常數(shù)L為3、損耗角正切tan S為0. 003的材料制成，如F4B板，具體型號為Arlon AD300,厚度相等，均為0. 5mm。所述金屬層14由銅箔經(jīng)蝕刻而成，其厚度為0. 018mm ;而每一第一開槽16和第二開槽18的第二直線段的外側(cè)到其中心的距離L為3. 5mm、第二直線段的長度Wl為I. 8mm以及第一直線段和第二直線段的寬度W2為0. 75mm。經(jīng)仿真獲得所述單元結(jié)構(gòu)19的透射系數(shù)S2隨電磁波的頻率變化的響應(yīng)曲線圖如圖6所示。由圖可知，所述單元結(jié)構(gòu)19樣品大約在11. 5 12. IGHz出現(xiàn)諧振，其反射系數(shù)SI和透射系數(shù)S2均非常小，且透射系數(shù)S2小于-IdB (圖中所示的點(diǎn)I (即11. 584GHz)和點(diǎn)2 (即12. 102GHz)的透射系數(shù)S2均為_ldB)，可見對電磁波的反射小、透波率高，而在諧振頻段外則形成帶外電磁波抑制，可有效地過濾掉雜波，減小干擾，具有良好的頻選特性。由此可見，本發(fā)明超材料頻選表面不僅在上述頻段內(nèi)形成諧振，而過濾掉諧振頻段外的電磁波，減小了雜波干擾，且在該諧振頻段內(nèi)對電磁波的反射小、而透波率聞。請參考圖7，為本發(fā)明超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)的示意圖。所述天線系統(tǒng)20包括天線22和用于保護(hù)所述天線22的超材料頻選天線罩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，圖中所示僅為一個電磁波的發(fā)射源。所述超材料頻選天線罩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。所述超材料頻選天線罩24包括至少一個所述超材料片層10，其他同以上對所述超材料片層10的相關(guān)描述。而根據(jù)實(shí)際需要，所述超材料頻選天線罩24可做成與所述天線22共形的形狀，且可將多塊平面或曲面的超材料片層10通過機(jī)械連接、焊接或粘合的方式拼接在一起而構(gòu)成大型超材料天線罩，也可將多塊平面或曲面的超材料片層10疊加在一起而形成更厚的機(jī)械強(qiáng)度更高的超材料天線罩。由于所述超材料頻選天線罩24具有由分別位于三個方向的三個呈n字形的子結(jié)構(gòu)形成的開槽16、18，不僅適用于透射任意極化類型的電磁波，而且對于不同的入射角來說，其電磁性能較穩(wěn)定。此外，為了保護(hù)所述超材料頻選天線罩24，可在其表面上涂覆防酸、防腐、耐磨損等的保護(hù)層。以上所述僅是本發(fā)明的若干具體實(shí)施方式
和/或?qū)嵤├?，不?yīng)當(dāng)構(gòu)成對本發(fā)明的限制。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤飾，而這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。 ·
權(quán)利要求
1.ー種超材料頻選表面，其特征在于，所述超材料頻選表面包括至少ー超材料片層，所述超材料片層包括兩結(jié)合在一起的基板和置于所述兩基板之間的金屬層，所述金屬層開設(shè)多個第一開槽和第二開槽，所述第一開槽和第二開槽各自呈長方形陣列排布，且每ー第一開槽的中心為由連接四個最靠近的第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心，所述第一開槽的幾何形狀和尺寸分別與所述第二開槽的幾何形狀和尺寸相同，每ー第一開槽和第二開槽均包括三個子結(jié)構(gòu)，每一子結(jié)構(gòu)包括兩相互平行的第一直線段和垂直地連接于所述兩第一直線段的兩相對端之間的第二直線段，每一子結(jié)構(gòu)的兩第一直線段分別與另兩子結(jié)構(gòu)的相鄰第一直線段相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，每兩相鄰子結(jié)構(gòu)的兩相互連接的第一直線段之間的夾角為120°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第二直線段的外側(cè)到相應(yīng)開槽的中心的距離均相等，均等于3. 4^3. 7mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第二直線段的長度均相等，均等于I. 6 2. 1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第一直線段和第二直線段的寬度均相等，均等于0. 7r0. 78mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述兩基板的厚度為0.45 0. 55mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在干，由連接最靠近的四個第一開槽或第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊為1(T10. 5mm、短邊為8.5 9mmo
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述兩基板的厚度均為0.5mm ;所述第一直線段和第二直線段的寬度均為0. 75mm,所述第二直線段的長度均為1.8_，所述第二直線段的外側(cè)到相應(yīng)開槽的中心的距離均為3. 5mm,由連接最靠近的四個第一開槽或第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的長邊為10. 3mm、短邊為8.86mm。
9.ー種超材料頻選天線罩，其特征在于，所述超材料頻選天線罩由權(quán)利要求1-8中所述的超材料頻選表面制成。
10.一種天線系統(tǒng)，包括天線，其特征在干，所述天線系統(tǒng)還包括設(shè)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頻選天線罩，所述超材料頻選天線罩是權(quán)利要求9中所述的超材料頻選天線罩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超材料頻選表面，包括一超材料片層，所述超材料片層包括兩基板和位于所述兩基板之間的金屬層，所述金屬層開設(shè)多個第一開槽和第二開槽，所述第一開槽和第二開槽各自呈長方形陣列排布，且每一第一開槽的中心為由連接四個最靠近的第二開槽的中心的四條直線段所形成的長方形區(qū)域的中心，每一第一開槽和第二開槽均包括三個子結(jié)構(gòu)，每一子結(jié)構(gòu)包括兩相互平行的第一直線段和垂直地連接于所述兩第一直線段的兩端之間的第二直線段，每一子結(jié)構(gòu)的兩第一直線段分別與另兩子結(jié)構(gòu)的相鄰第一直線段相連接，而具有良好的電磁性能和頻選特性。本發(fā)明還涉及一種由此超材料頻選表面制成的超材料頻選天線罩和天線系統(tǒng)。
文檔編號H01Q15/00GK102760967SQ20121022647
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者付少麗, 劉若鵬, 張嶺, 方小偉, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司