超材料及由超材料制成的天線罩的制作方法與工藝

本發明涉及超材料，更具體地說，涉及一種具有全新設計的人工微結構的超材料及由超材料制成的天線罩。

背景技術：
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材料。當前，人們是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。一般，人工微結構的幾何尺寸介于所需響應的入射電磁波波長的五分之一到十分之一之間。由于人們可以利用人工微結構的幾何形狀和尺寸以及排布方式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。目前，人們已經開展了超材料作為透波材料的應用研究，特別是在用超材料來制作天線罩方面。我們知道，天線罩是罩設于天線的外面，用于保護天線的，使其免受外界惡劣環境的影響。這樣，電磁波需要穿過天線罩而被天線所接收或傳播出去，這就要求天線罩具有良好的透波性能，盡量減少對電磁波的損耗。此外，對于只是定向收發特定頻率的電磁波的天線，天線罩則只需要讓該特定頻率的電磁波穿過即可，對于其他頻率的電磁波則可由天線罩過濾掉，也即選擇性透波，這樣可避免雜訊對天線的干擾，提高了天線收發電磁波的質量。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在于，提供一種具有選擇性透波功能的超材料及由所述超材料制成的天線罩。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括貼合在一起的兩介質基板和置于所述兩介質基板之間而由所述兩介質基板覆蓋的多個人工微結構，每個人工微結構包括一十字形結構和四個分別連接于所述十字形結構的四個端部的三角環形結構。優選地，所述十字形結構包括兩相互正交的金屬線，所述十字形結構的四個端部由所述兩金屬線相互分隔形成。優選地，每個三角環形結構的一個角連接于所述十字形結構的相應端部。優選地，每個三角環形結構上對應連接所述十字形結構的一角的金屬線具有一開口。優選地，兩平行金屬線垂直地連接于每個三角環形結構的開口的兩端且位于所述三角環形結構的內部。優選地，所述人工微結構是由金屬線構成的平面結構。優選地，所述人工微結構周期性地排布于所述兩介質基板之間。優選地，所述兩介質基板之一是環氧樹脂玻璃纖維板，而另一介質基板由聚丙烯制成。優選地，所述兩介質基板的厚度不相等。一種天線罩，用于罩設天線以保護天線，所述天線罩由超材料制成，所述超材料包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括貼合在一起的兩介質基板和置于所述兩介質基板之間而由所述兩介質基板覆蓋的多個人工微結構，每個人工微結構包括一十字形結構和四個分別連接于所述十字形結構的四個端部的三角環形結構。本發明的超材料及由超材料制成的天線罩具有以下有益效果：由于具有所述人工微結構的超材料可讓一定頻段的電磁波高效通過、過濾掉另一頻段的電磁波，達到了選擇性透波的效果，這樣，由其制成的天線罩也便具有選擇性透波性能。附圖說明下面將結合附圖及具體實施方式對本發明作進一步說明。圖1是本發明的超材料的截面結構示意圖；圖2是本發明的由人工微結構周期性排布形成的結構層的平面示意圖；圖3是本發明的人工微結構的平面示意圖；圖4是由本發明的一具體尺寸人工微結構構成的超材料隨電磁波頻率變化的S參數曲線示意圖；圖5是圖4中5-6GHz頻段的放大圖；圖6是本發明的天線罩罩設于一天線時的示意圖。圖中各標號對應的名稱為：10超材料片層、12、14介質基板、16結構層、18人工微結構、182一十字形結構、184三角環形結構、20天線罩、30電磁波發射源具體實施方式如圖1所示，為本發明提供的超材料。所述超材料包括一超材料片層10，所述超材料片層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。本實施例中，所述介質基板12是環氧樹脂玻璃纖維板(簡稱FR4板)，而所述介質基板14由聚丙烯(PP)制成，且所述兩介質基板12、14的厚度不相等。在其他實施例中，所述兩介質基板12、14也可由其他聚合物或陶瓷材料制成。如圖2所示，所述結構層16包括多個人工微結構18。每個人工微結構18通常為由金屬線如銅線或者銀線等構成的具有一定拓撲形狀的平面或立體結構，其中，金屬線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金屬線構成的平面結構，并呈周期性排布，也即，所述人工微結構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。故此，我們可將每個人工微結構18及其所在的兩介質基板12、14部分人為定義為一個超材料單元，而所述人工微結構18的幾何尺寸應與所述超材料單元的幾何尺寸屬于同一數量級。請參考圖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包括一十字形結構182和四個分別連接于所述十字形結構182的四個端部的三角環形結構184。所述十字形結構182包括兩相互正交的金屬線；所述十字形結構182的四個端部是由所述兩金屬線相互分隔形成的。每個三角環形結構184的一個角連接于所述十字形結構182的相應端部；每個三角環形結構184上對應連接所述十字形結構182的一角的金屬線具有一開口；兩平行金屬線垂直地連接于每個三角環形結構184的開口的兩端且位于所述三角環形結構184的內部，并平行于相應十字形結構182的兩金屬線之一、與另一金屬線垂直。由上可知，每個人工微結構18以垂直于通過所述十字形結構182的交點的直線為軸順時針或逆時針旋轉90度、180度、270度和360度后均與初始位置的人工微結構18重合。為了使得電磁波穿過超材料時反射小、透射多也即損耗小，我們在電腦仿真軟件如CST上根據需要響應的電磁波的波長來不斷調節所述人工微結構18的幾何尺寸，并分別測量具有各種人工微結構18的超材料片層10對電磁波的反射和透射，選出對電磁波反射小、透射多的人工微結構18即可。本實施例中，在所述人工微結構18的幾何形狀確定的情況下，可通過不斷調節其金屬線的寬度及長短尺寸來仿真測量具有各種幾何尺寸的人工微結構18，選出可讓某一頻段的電磁波透過、過濾掉另一頻段的電磁波的人工微結構18，也即具有選擇性透波的人工微結構18，并利用所述人工微結構18來獲得所述超材料片層10。為了驗證具有本發明的人工微結構18的超材料對電磁波的選擇性透波的效果，以下我們以某一具體尺寸的人工微結構18制成的超材料為樣品進行實際測試，電磁波透射的S參數(透射系數取對數)和反射的S參數(反射系數取對數)隨電磁波頻率變化的曲線如圖4所示，其中實線代表電磁波透射、虛線代表電磁波反射。從圖可知，由該種具體尺寸的人工微結構18制成的超材料可讓頻率為5-6GHz的電磁波透射，S值大于-0.25dB(如圖5)，且在此頻段內，S曲線相當平穩，變化很小，具有寬頻效果，同時其反射也較小；而在2-3GHz時，電磁波透射最小，大約為-10dB以下，也即所述超材料會過濾掉2-3GHz的電磁波。可見，本發明的超材料具有選擇性透波且透波率高、透波頻帶寬的性能。請參考圖6，為本發明的天線罩20，用于保護天線，如圖中的電磁波發射源30。所述天線罩20是由本發明的超材料制成的，且所述介質基板14是FR4板，比較硬，使所述天線罩20具有很好的抗壓等機械性能。這樣，由所述超材料制成的天線罩不僅由于所述人工微結構18被所述介質基板12、14保護起來，不易脫落和磨損，可保持穩定的電磁性能，而且具有良好的抗壓等機械性能。本實施例中的天線罩20呈彎曲形狀，其是通過熱壓平板型超材料而形成。另外，也可使用軟性的介質基板來制得可彎曲的超材料或者將多塊平板型超材料拼接在一起，以便形成各種形狀的天線罩20。而且可根據所述天線罩20需要承重的情況，將多片超材料片層10疊加在一起來增強天線罩20的機械強度，使其更堅固耐用。這時，既可將多個超材料片層10兩兩相互之間直接前、后表面相貼合在一起，如圖6所示，也可將多個超材料片層10可等間距地排列組裝在一起。同時也要考慮增加所述天線罩20的厚度后對電磁波的損耗等影響。還有，由于所述天線罩20的兩側均為空氣，為了較少電磁波反射，需要保證所述超材料與空氣的阻抗匹配。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，而這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。