超材料结构及超材料天线罩的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超材料结构及超材料天线罩。所述超材料结构包括：至少一个叠层结构，所述叠层结构包括基板和位于基板上的导电几何结构，其中，所述导电几何结构包括由多个结构单元组成的阵列，每个结构单元为中部具有镂空图案的金属片，所述镂空图案包括间隔设置的第一网格槽、第二网格槽和连通所述第一网格槽和所述第二网格槽的连通槽。该超材料结构可以用作特定频段的电磁波的透波材料，并且表现出TE波和TM波的极化选择性。
【专利说明】
超材料结构及超材料天线罩
技术领域
[0001]本实用新型涉及超材料领域，更具体地，涉及超材料结构及超材料天线罩。
【背景技术】
[0002]天线系统通常包括天线罩。天线罩的目的是保护天线免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时，天线罩可以减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩是天线前面的障碍物，对天线辐射波会产生吸收和反射，改变天线的自由空间能量分布，在一定程度上影响天线的电气性能。
[0003]天线罩一方面应当有一定的机械强度，以保护内部的天线，另一方面还应当允许工作频段的电磁波高效穿透，以到达内部的天线。现有的天线罩基本上是纯材料天线罩，主要到保护天线的作用。为了提高电磁波的高效穿透，可以采用半波长理论进行材料厚度设计。在天线罩的材料厚度为工作频段电磁波波长的1/2时，电磁波穿透率最好。因此，纯材料天线罩的厚度设计取决于工作频段的电磁波波长。随着工作频段的电磁波波长增加，则天线罩的厚度也应当增加。天线罩的重量可能增加到难以应用的程度。另一方面，普通材料的透波性能比较均一，在工作频段内透波，其相邻频段透波效果亦优，工作频段外的透波容易干扰天线的正常工作。
[0004]将超材料用作天线罩的透波材料，可以最大限度地增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制，并且可以增强天线的辐射能力。超材料天线罩还可以抑制非工作频段的干扰，有利于改善天线特性和提高增益。
[0005]图1示出根据现有技术的超材料结构的立体结构示意图。超材料结构100包括堆叠的多个层。第一导电几何结构115夹在第一基板112和第二基板116之间，形成第一叠层结构。第二导电几何结构125夹在第三基板122和第四基板126之间，形成第二叠层结构。第一叠层结构中的第一基板112和第二叠层结构中的第三基板122分别结合在蜂窝层110的两个相对表面上。
[0006]在图1所示的实例中，采用第一粘接层111将第一基板112粘接在蜂窝层110的第一表面上，采用第二粘接层121将第三基板122粘接在蜂窝层110的第二表面上。第一叠层结构包括附加的第一支撑层113，用于支撑第一导电几何结构115。第二叠层结构包括附加的第二支撑层123，用于支撑第二导电几何结构125。
[0007]第一导电几何结构115和第二导电几何结构125分别是由多个结构单元组成的阵列。每个结构单元为由导电条组成的中心对称分布图案。例如该中心对称分布图案由十字形线条和直线条，直线条位于十字形线条的端部与由该端部等分。该超材料结构100可用于透波材料，但对于TE波和TM波的磁导率相同，从而未表现出极化选择性。
[0008]然而，随着技术发展，对透波材料的性能要求越来越高。期望超材料结构对TE波和TM波具有极化选择性。
【实用新型内容】
[0009]鉴于上述问题，本实用新型要解决的问题是提供一种通过导电几何结构的设计来获得具有极化选择性的超材料结构。
[0010]根据本实用新型的一方面，提供一种超材料结构，其特征在于，包括:至少一个叠层结构，所述叠层结构包括基板和位于基板上的导电几何结构，其中，所述导电几何结构包括由多个结构单元组成的阵列，每个结构单元为中部具有镂空图案的金属片，所述镂空图案包括间隔设置的第一网格槽、第二网格槽和连通所述第一网格槽和所述第二网格槽的连通槽。
[0011]优选地，所述结构单元的第一方向为所述连通槽的延伸方向，第二方向为与所述连通槽相垂直的方向，相邻的结构单元的金属片在第一方向和第二方向上彼此连接，并且镂空图案在第一方向和第二方向上彼此隔开。
[0012]优选地，所述第一网格槽和所述第二网格槽相对于所述连通槽形成轴对称图案。
[0013]优选地，所述第一网格槽、第二网格槽将所述金属片的中部划分为多个导电块。
[0014]优选地，所述导电块为多边形、圆形、或椭圆形。
[0015]优选地，所述导电块为矩形。
[0016]优选地，所述导电几何结构夹在两个基板之间。
[0017]优选地，还包括支撑层，所述支撑层位于所述导电几何结构和所述基板之间。
[0018]优选地，所述支撑层为柔性层。
[0019]优选地，所述支撑层和所述基板分别为介质基板。
[0020]优选地，所述支撑层的厚度小于所述基板的厚度。
[0021]优选地，还包括蜂窝层，所述叠层结构位于所述蜂窝层的表面上。
[0022]优选地，所述叠层结构夹在两个蜂窝层之间。
[0023]优选地，还包括粘接层，所述粘接层将所述叠层结构中的基板结合在所述蜂窝层的表面上。
[0024]根据本实用新型的另一方面，提供一种天线装置，包括天线，以及上述的超材料结构，所述超材料结构作为所述天线的透波材料。
[0025]本实用新型通过在基板上设计导电几何结构，通过相关叠层结构的电磁响应特征来改变透波特性，从而可以改善超材料结构的透波性能。该超材料结构对TE波和TM波表现出不同的磁导率，从而获得了极化选择性。
【附图说明】
[0026]通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0027]图1示出根据现有技术的超材料结构的立体结构示意图；
[0028]图2示出根据本实用新型实施例的超材料结构的立体结构示意图；
[0029]图3示出在根据本实用新型实施例的超材料结构中采用的结构单元的俯视图；
[0030]图4示出根据本实用新型实施例的超材料结构的截面图；
[0031]图5和6示出根据本实用新型实施例的超材料结构的S21参数的仿真特性曲线；
[0032]图7和8示出根据本实用新型实施例的超材料结构的介电常数的仿真特性曲线；
[0033]图9和10示出根据本实用新型实施例的超材料结构的磁导率的仿真特性曲线。
【具体实施方式】
[0034]以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
[0035]应当理解，在描述某个结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将该结构翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。
[0036]本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
[0037]图2示出根据本实用新型实施例的超材料结构的立体结构示意图。第一导电几何结构215夹在第一基板112和第二基板116之间，形成第一叠层结构。第二导电几何结构225夹在第三基板122和第四基板126之间，形成第二叠层结构。第一叠层结构中的第一基板112和第二叠层结构中的第三基板122分别结合在蜂窝层110的两个相对表面上。
[0038]为了不出第一导电几何结构215和第二导电几何结构225，将其连同支撑层一起分离示出，图中的箭头指示从超材料结构中分离相关层的移动方向。
[0039]在图2所示的实施例中，采用第一粘接层111将第一基板112粘接在蜂窝层110的第一表面上，采用第二粘接层121将第三基板122粘接在蜂窝层110的第二表面上。在替代的实施例中，采用热压分别将第一基板112和第三基板122固定在蜂窝层110的第一表面和第二表面上，从而可以省去第一粘接层111和第二粘接层121。
[0040]在图2所示的实施例中，第一叠层结构包括附加的第一支撑层113，用于支撑第一导电几何结构215。第二叠层结构包括附加的第二支撑层123，用于支撑第二导电几何结构225。例如，第一支撑层113和第二支撑层123由与第一至第四基板类似的材料组成，只是厚度较小，以提供机械强度和柔韧性，便于加工工艺的实现。在替代的实施例中，在第一基板112和第二基板116彼此相对的两个表面任一个上，直接形成第一导电几何结构215，以及在第三基板122和第四基板126彼此相对的两个表面任一个上，直接形成第二导电几何结构225，从而可以省去第一支撑层113和第二支撑层123。
[0041]第一导电几何结构215和第二导电几何结构225分别是由多个结构单元2150组成的阵列。图3示出在根据本实用新型实施例的超材料结构中采用的结构单元的俯视图。
[0042]每个结构单元2150包括金属片2151及位于金属片2151中的镂空图案，所述镂空图案包括第一网格槽2153、第二网格槽2154和用于连接二者的连通槽2155。第一网格槽2153和第二网格槽2154相对于连通槽2155形成轴对称图案。第一网格槽2153、第二网格槽2154将金属片2151的中部划分为多个导电块。例如，导电块为矩形、多边形、圆形、或椭圆形。
[0043]该结构单元2150的长度表示为LI，宽度表示为Wl。第一网格槽2153和第二网格槽2154沿着结构单元的长度方向的第一尺寸表示为L2，沿着结构单元的宽度方向的第二尺寸表示为W2。第一网格槽2153和第二网格槽2154分别由金属片中形成的沟槽限定网格单元，沟槽的宽度表示为wl。连通槽2155的长度表示为L3，宽度表示为《2。
[0044]在第一导电几何结构215和第二导电几何结构225中，多个结构单元2150排列成阵列。在结构单元的长度方向上，相邻的两个结构单元的金属片2151彼此连接，并且镂空图案彼此隔开。在结构单元的宽度方向上，相邻的两个结构单元的金属片2151彼此连接，并且镂空图案彼此隔开。
[0045]第一导电几何结构215和第二导电几何结构225可以由任意的导电材料组成。这里的导电材料，可以是金、银、铜等导电性能良好的金属材料，或者主要成分为金、银、铜中的一种或两种的合金材料，也可以是碳纳米管、掺铝氧化锌、铟锡氧化物等可以导电的非金属材料。在本实用新型中，第一导电几何结构215和第二导电几何结构225的材料优选铜或银。第一导电几何结构215和第二导电几何结构225可以是任意物质形态。这里的物质形态，可以是选自固体、液体、流状体和粉状物中的一种，只要其可以维持特定的形状即可。例如液体的导电材料可以容纳在空腔、管道、胶囊之中并且限定其形状。
[0046]第一支撑层113、第二支撑层123、第一基板112、第二基板116、第三基板122和第四基板126可以分别为介质基板。介质基板的材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙稀)、HDPE(高密度聚乙稀，High Density Polyethylene)、ABS(Acrylonitrile ButadieneStyrene)等。例如，介质基板的相对介电常数大于2、损耗角正切小于0.1。第一导电几何结构215和第二导电几何结构225可以通过印刷、镀敷、粘接、热压等方式附着于介质基板上。
[0047]在一个实例中，介质基板为预浸料基板，导电几何结构夹在两个预浸料基板之间。彼此相邻的预浸料基板由蜂窝层隔开，并且可以采用附加的粘接层粘接在一起。此外，可以将导电几何结构设置在软板层上，该软板层作为支撑层。
[0048]在一个实例中，第一导电几何结构215和第二导电几何结构225是介质基板上的图案化金属层。第一导电几何结构215和第二导电几何结构225通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法附着在介质基板上。其中，蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的导电几何结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在介质基板上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉导电几何结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到导电几何结构。在另一个实例中，第一导电几何结构215和第二导电几何结构225可以由导电油墨印刷形成在介质基板上。
[0049]图4示出根据本实用新型实施例的超材料结构的截面图。与图2所示的实施例不同，根据该实施例的超材料结构300包括两个蜂窝层110和120，用于设置第一和第二叠层结构。第一叠层结构包括第一基板112、第二基板116、以及夹在二者之间的第一导电几何结构215。第二叠层结构包括第三基板122、第四基板126、以及夹在二者之间的第二导电几何结构225 ο
[0050]在图4所示的实施例中，采用第一粘接层111将第一基板112粘接在蜂窝层110的第一表面上，采用第二粘接层121将第四基板126粘接在蜂窝层110的第二表面上。如上所述，在替代的实施例中，可以省去第一粘接层111和第二粘接层121。
[0051]在图4所示的实施例中，第一叠层结构包括附加的第一支撑层113，用于支撑第一导电几何结构215。第二叠层结构包括附加的第二支撑层123，用于支撑第二导电几何结构225。第一支撑层113和第二支撑层123分别是柔性层，以提供机械强度和柔韧性，便于加工工艺的实现，例如，第一支撑层113和第二支撑层123分别由与第一至第四基板类似的材料组成，只是厚度较小。如上所述，在替代的实施例中，可以省去第一支撑层113和第二支撑层123。
[0052]图5和6示出根据本实用新型实施例的超材料结构的S21参数的仿真特性曲线。图7和8示出根据本实用新型实施例的超材料结构的介电常数的仿真特性曲线。图9和10示出根据本实用新型实施例的超材料结构的磁导率的仿真特性曲线。
[0053]该超材料结构中的结构单元如图3所示，其结构如图4所示，包括第一和第二叠层结构。
[0054]在仿真中，假设第一导电几何结构215和第二导电几何结构225的构造相同，其中，每个结构单元2150的长度LI和宽度Wl分别为20毫米和10毫米，厚度为0.018毫米。第一网格槽2153和第二网格槽2154的第一尺寸L2为7毫米，第二尺寸W2为7毫米。第一网格槽2153和第二网格槽2154的沟槽宽度wl为0.2毫米。因而，第一网格槽2153和第二网格槽2154分别包括4*3个网格单元。连通槽的长度L3为3毫米，宽度w2为I毫米。
[0055]蜂窝层110的相对介电常数1.05、损耗角正切0.006，厚度为6毫米。
[0056]第一基板112、第二基板116、第三基板122和第四基板126的材料相同，相对介电常数3.15、损耗角正切0.005，第二基板116和第四基板126的厚度为0.8毫米，其余的基板厚度为0.4毫米。
[0057]第一支撑层113和第二支撑层123的材料相同，相对介电常数3.2、损耗角正切
0.002，厚度分别为0.025毫米。
[0058]第一粘接层111和第二粘接层121的材料相同，相对介电常数2.9、损耗角正切
0.008，厚度分别为0.1毫米。
[0059]对于上述参数的超材料结构进行仿真的结果表明，该超材料结构表现出对特定频段的电磁波表现出透波特性。在图5和6中示出TE波和TM波的S21仿真曲线，其中图6放大示出11.5至12.5GHz之间的曲线部分。可以看到，不论是TE波还是TM波，在11.9至12.1GHz之间，S21值均高于-0.9dB。也就是说，在11.9至12.1GHz之间，电磁波可以通过超材料板而且损耗低。在图7和8中示出TE波和TM波的介电常数仿真曲线，其中图8放大示出11.5至12.5GHz之间的曲线部分。可以看到，在11.9-12.1GHz波段时，TE波和TM波的介电常数接近。在图9和10中示出TE波和TM波的磁导率仿真曲线，其中图10放大示出11.5至12.5GHz之间的曲线部分。可以看到，在11.9-12.1GHz波段时，当入射波是TE波时会产生高磁导率的效果，而当入射波是TM波时会产生低磁导率的效果，从而表现出极化选择性。
[0060]在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
[0061]以上对本实用新型的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本实用新型的范围之内。
【主权项】
1.一种超材料结构，其特征在于，包括: 至少一个叠层结构，所述叠层结构包括基板和位于基板上的导电几何结构， 其中，所述导电几何结构包括由多个结构单元组成的阵列，每个结构单元为中部具有镂空图案的金属片，所述镂空图案包括间隔设置的第一网格槽、第二网格槽和连通所述第一网格槽和所述第二网格槽的连通槽。2.根据权利要求1所述的超材料结构，其特征在于，所述结构单元的第一方向为所述连通槽的延伸方向，第二方向为与所述连通槽相垂直的方向，相邻的结构单元的金属片在第一方向和第二方向上彼此连接，并且镂空图案在第一方向和第二方向上彼此隔开。3.根据权利要求2所述的超材料结构，其特征在于，所述第一网格槽和所述第二网格槽相对于所述连通槽形成轴对称图案。4.根据权利要求2所述的超材料结构，其特征在于，所述第一网格槽、第二网格槽将所述金属片的中部划分为多个导电块。5.根据权利要求4所述的超材料结构，其特征在于，所述导电块为多边形、圆形、或椭圆形。6.根据权利要求5所述的超材料结构，其特征在于，所述导电块为矩形。7.根据权利要求2所述的超材料结构，其特征在于，所述导电几何结构夹在两个基板之间。8.根据权利要求2所述的超材料结构，其特征在于，还包括支撑层，所述支撑层位于所述导电几何结构和所述基板之间。9.根据权利要求8所述的超材料结构，其特征在于，所述支撑层为柔性层。10.根据权利要求8所述的超材料结构，其特征在于，所述支撑层的厚度小于所述基板的厚度。11.根据权利要求2所述的超材料结构，其特征在于，还包括蜂窝层，所述叠层结构位于所述蜂窝层的表面上。12.根据权利要求11所述的超材料结构，其特征在于，所述叠层结构夹在两个蜂窝层之间。13.根据权利要求11所述的超材料结构，其特征在于，还包括粘接层，所述粘接层将所述叠层结构中的基板结合在所述蜂窝层的表面上。14.一种超材料天线罩，包括权利要求1至13中任一项所述的超材料结构。
【文档编号】H01Q1/38GK205488534SQ201521141944
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】不公告发明人
【申请人】深圳光启高等理工研究院