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的制作方法
技術領域：
本發明涉及超材料及由其制成的超材料天線罩和天線系統，更具體地說，涉及一種設計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。
背景技術：
超材料是ー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，人們在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。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研究。傳統上，制造天線罩時多采用介電常數和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環氧樹脂和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境的影響，而且對天線的發送和/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生反射，從而降低了天線的輻射效率和増益，嚴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，而傳統材料在制作上較復雜，成本較高。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，提供ー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。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是ー種超材料頻選表面，其包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括結合在一起的介質基板和結構層，所述結構層包括附著于所述介質基板的表面的多個第一金屬微結構和第二金屬微結構，所述第一金屬微結構和第二金屬微結構各自呈長方形陣列排布，且每ー第一金屬微結構的中心為由連接四個最靠近的第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的中心，所述第一金屬微結構的幾何形狀和尺寸分別與所述第二金屬微結構的幾何形狀和尺寸相同，每ー第一金屬微結構和第二金屬微結構均包括三個子結構，每一子結構包括兩相互平行的第一金屬線段和垂直地連接于所述兩第一金屬線段的兩相對端之間的第二金屬線段，每一子結構的兩第一金屬線段分別與另兩子結構的相鄰第一金屬線段相連接；每一第一金屬微結構和第二金屬微結構還均包括三條自各自中心分別向所述三個子結構的第二金屬線段延伸形成且與相應子結構的兩第一金屬線段平行的第三金屬線段。優選地，每兩相鄰子結構的兩相互連接的第一金屬線段之間的夾角為120°。優選地，所述第二金屬線段的外側到相應金屬微結構的中心的距離均相等，均等于 8. 95 9. 05mm。
優選地，所述第二金屬線段的長度均相等，均等于I. 95^2. 05mm。優選地，所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均相等，均等于0. 2^0. 3_。優選地，所述第三金屬線段的長度均相等、寬度均相等，分別等于8. 45^8. 55mm、0.25^0. 35mm。優選地，所述介質基板的厚度為0. 35^0. 45mm。
優選地，由連接最靠近的四個第一金屬微結構或第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊為39. 5^40. 5mm、短邊為23 24mm。優選地,所述介質基板的厚度為0. 4mm,所述結構層的厚度為0.018mm,所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均為0. 25mm，所述第二金屬線段的長度均為2mm，所述第ニ金屬線段的外側到相應金屬微結構的中心的距離均為9mm，所述第三金屬線段的長度均為8. 5_、寬度均為0. 3mm,由連接最靠近的四個第一金屬微結構或第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊為40mm、短邊為23. 5mm。ー種超材料頻選天線罩，其包括至少ー超材料片層，所述超材料片層包括結合在一起的介質基板和結構層，所述結構層包括附著于所述介質基板的表面的多個第一金屬微結構和第二金屬微結構，所述第一金屬微結構和第二金屬微結構各自呈長方形陣列排布，且每ー第一金屬微結構的中心為由連接四個最靠近的第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的中心，所述第一金屬微結構的幾何形狀和尺寸分別與所述第二金屬微結構的幾何形狀和尺寸相同，每ー第一金屬微結構和第二金屬微結構均包括三個子結構，每一子結構包括兩相互平行的第一金屬線段和垂直地連接于所述兩第一金屬線段的兩相對端之間的第二金屬線段，每一子結構的兩第一金屬線段分別與另兩子結構的相鄰第一金屬線段相連接；姆一第一金屬微結構和第二金屬微結構還均包括三條自各自中心分別向所述三個子結構的第二金屬線段延伸形成且與相應子結構的兩第一金屬線段平行的第三金屬線段。ー種天線系統，包括天線和設置于所述天線接收和/或發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ー超材料片層，所述超材料片層包括結合在一起的介質基板和結構層，所述結構層包括附著于所述介質基板的表面的多個第一金屬微結構和第二金屬微結構，所述第一金屬微結構和第二金屬微結構各自呈長方形陣列排布，且每ー第一金屬微結構的中心為由連接四個最靠近的第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的中心，所述第一金屬微結構的幾何形狀和尺寸分別與所述第二金屬微結構的幾何形狀和尺寸相同，每ー第一金屬微結構和第二金屬微結構均包括三個子結構，每一子結構包括兩相互平行的第一金屬線段和垂直地連接于所述兩第一金屬線段的兩相對端之間的第二金屬線段，每一子結構的兩第一金屬線段分別與另兩子結構的相鄰第一金屬線段相連接；每ー第一金屬微結構和第二金屬微結構還均包括三條自各自中心分別向所述三個子結構的第二金屬線段延伸形成且與相應子結構的兩第一金屬線段平行的第三金屬線段。優選地,所述天線是雙頻天線。本發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金屬微結構和第二金屬微結構，可讓兩個頻段的電磁波高效通過，且反射小，而具有良好的電磁性能，且可同時過濾掉這兩個頻段外的雜波，亦具有良好的頻選特性，減小了雜波干擾，讓這兩個頻段的電磁波可獨立工作。
下面將結合附圖及具體實施方式
對本發明作進ー步說明。圖I是本發明超材料頻選表面的ー個超材料片層的結構示意圖；圖2是圖I中所述超材料片層的結構層的平面示意圖；圖3是用于構成圖2中所述結構層的ー個金屬微結構的放大示意圖；圖4是圖I中ー個長方形區域的単元結構樣品的透射系數S2隨電磁波的頻率變化的響應曲線圖；圖5是圖I中ー個長方形區域的單元結構樣品的n值隨電磁波的頻率變化的曲線圖；圖6是本發明超材料頻選天線罩和天線系統的示意圖。圖中各標號對應的名稱為10超材料結構、12介質基板、14結構層、16第一金屬微結構、162子結構、164第一金屬線段、166第二金屬線段、168第二金屬線段、18第二金屬微結構、19單元結構、20天線系統、22天線、24超材料頻選天線罩
具體實施例方式如圖I所示，本發明超材料頻選表面包括至少ー超材料片層10，所述超材料片層10包括結合在一起的介質基板12和結構層14。所述介質基板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，如環氧樹脂玻璃纖維布層壓板(簡稱FR4層壓板)、聚四氟こ烯玻璃纖維布層壓板(簡稱F4B層壓板)、高密度聚こ烯玻璃纖維布層壓板(簡稱HDPE層壓板)或丙烯腈-丁ニ烯-苯こ烯共聚物玻璃纖維布層壓板(簡稱ABS層壓板)等，其厚度為0. 35 0. 45mm。請參考圖2，所述結構層14包括附著于所述介質基板12的表面的多個第一金屬微結構16和第二金屬微結構18。所述多個第一金屬微結構16和第二金屬微結構18既可附著于所述介質基板12的任一表面，也可同時附著于所述介質基板12的兩個表面，本實施方式中為附著于所述介質基板12的ー個表面。所述第一金屬微結構16的幾何形狀和尺寸分別與所述第二金屬微結構18的幾何形狀和尺寸完全相同，故以下以ー個第一金屬微結構16為例進行說明。如圖3所示，每ー第一金屬微結構16包括三個大致呈n形的子結構162，每一子結構162包括兩相互平行的第一金屬線段164和垂直地連接于所述兩第一金屬線段164的兩相對端之間的第二金屬線段166，每一子結構162的兩第一金屬線段164分別與另兩子結構162的相鄰第一金屬線段164相連接，且每兩相鄰子結構162的兩相互連接的第一金屬線段164之間的夾角為120°。從而，所述三個子結構162的第二金屬線段166的垂直平分線的交點即為相應第一金屬微結構16的中心。每ー第一金屬微結構16還包括三條自其中心分別向所述三個子結構162的第二金屬線段166延伸形成且與相應子結構162的兩第一金屬線段164平行的第三金屬線段168。每一子結構162的第二金屬線段166的外側到所述第一金屬微結構16的中心的距離均等于LI，LI為8. 95^9. 05mm。所述三個子結構162的第二金屬線段166的長度均等于Wl，Wl為I. 95 2. 05mm、第一金屬線段164和第二金屬線段166的寬度均等于W2，W2為0. 2^0. 3mm。所述三條第三金屬線段168的長度L2均相等、寬度D均相等，分別等于8. 45 8. 55mm、0. 25 0. 35mm。由此可知，所述三個子結構162的寬度(即第二金屬線段166的長度)均等于Wl。 同上，每ー第二金屬微結構18亦包括三個大致呈n形的子結構，每一子結構包括兩相互平行的第一金屬線段和垂直地連接于所述兩第一金屬線段的兩相對端之間的第二金屬線段，每一子結構的兩第一金屬線段分別與另兩子結構的相鄰第一金屬線段相連接，且每兩相鄰子結構的兩相互連接的第一金屬線段之間的夾角為120°。從而，所述三個子結構的第二金屬線段的垂直平分線的交點即為相應第二金屬微結構18的中心。每ー第二金屬微結構18還包括三條自其中心分別向所述三個子結構的第二金屬線段延伸形成且與相應子結構的兩第一金屬線段平行的第三金屬線段。每一子結構的第二金屬線段的外側到所述第二金屬微結構的中心的距離均相等，且等于所述第一金屬微結構16的每一子結構162的第二金屬線段166的外側到其中心的距離LI (即為8. 95 9. 05mm)。所述三個子結構的第二金屬線段的長度(即子結構的寬度)均相等、第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均相等，且其長度和寬度分別等于所述第一金屬微結構16的三個子結構162的第二金屬線段166的長度Wl (即為I. 95 2. 05mm)及第一金屬線段164和第二金屬線段166的寬度W2(即為0. 2^0. 3mm)。所述三條第三金屬線段的長度均相等、寬度均相等，分別等于所述第一金屬微結構16的三條第三金屬線段168的長度L2和寬度D。所述第一金屬微結構16和第ニ金屬微結構18均由如銅、銀等任何金屬導電材料制成。再請參考圖2，所述第一金屬微結構16和第二金屬微結構18各自呈長方形陣列排布，且每ー第一金屬微結構16的中心為由連接四個最靠近的第二金屬微結構18的中心的四條直線段(如圖中虛線)所形成的長方形區域的中心，或者每ー第二金屬微結構18的中心為由連接四個最靠近的第一金屬微結構16的中心的四條直線段(圖未示)所形成的長方形區域的中心。若所述長方形區域的長邊為D1、短邊為D2，則由連接四個最靠近的第一金屬微結構16或第二金屬微結構18的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊和短邊亦分別為D1、D2。所述第一金屬微結構16和第二金屬微結構18各自整齊排布,也即,各個第一金屬微結構16和第二金屬微結構18的三個子結構分別位于三個方向上。本實施方式中，由連接四個最靠近的第一金屬微結構16或第二金屬微結構18的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊Dl為39. 5^40. 5mm、短邊D2為23 24mm。所述超材料片層10中，若我們將由連接最靠近的四個第二金屬微結構18的中心的四條直線段形成的長方形區域所在的部分稱為ー個単元結構19，則所述超材料片層10便可看作是由多個所述単元結構19陣列而成，如圖I所示。實際制作吋，我們可選取一表面覆有金屬箔的PCB層壓板，在其金屬箔上通過蝕刻形成所述多個第一金屬微結構16和第二金屬微結構18,從而在此PCB層壓板的表面上形成所述結構層14，即可制得所述超材料片層10。另外，所述多個第一金屬微結構16和第二金屬微結構18也可采用電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式形成。為了驗證所述超材料片層10的響應特性，以下我們以ー個單元結構19為例來進行仿真測試。在所述單元結構19中，其長邊為40_、短邊為23. 5_，也即，由連接四個最靠近的第一金屬微結構16或第二金屬微結構18的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊Dl為40mm、短邊D2為23. 5mm。所述介質基板12是FR4層壓板，其相對介電常數e ^為4. 3、損耗角正切tan 6為0. 025，其厚度為0. 4mm。所述結構層14由銅制成，厚度為0. 018mm,也即，每ー第一金屬微結構16和第二金屬微結構18的金屬線段由銅制成，其厚度均為0. 018mm ;而每ー第一金屬微結構16和第二金屬微結構18的第二金屬線段的外側到其中心的距離LI為9mm、第二金屬線段的長度Wl為2mm以及第一金屬線段和第二金屬線段的寬度W2為0. 25mm、第三金屬線段的長度L2為8. 5mm、寬度D為0. 3mm。經仿真獲得所述單元結構19的透射系數S2隨電磁波的頻率變化的響應曲線圖如圖4所示。由圖可知，大致在(T4GHz、1(T15GHz兩個頻段，不僅所述單元結構19樣品的透射系數S2均非常小，也即對電磁波的損耗小、透波率高，且兩個透波頻段均較寬，而在透波頻段外則有三個諧振點而形成帶外電磁波抑制(即多阻帯)，可有效地過濾掉雜波，而具有良好的頻選特性，即可讓兩個頻段的電磁波獨立工作，互不干擾。由此可見，本發明超材料頻選表面不僅在兩個超寬頻段內對電磁波的反射小、透波率高，而具有良好的電磁性能，而且具有多帶阻功能，可過濾掉透波頻段外的電磁波，從而具有良好的頻選特性，可減小干擾。 另外，一般由于所述超材料頻選表面的兩側均為空氣，電磁波穿過所述超材料頻選表面時會發生反射，亦可造成電磁波的損耗，因此，在制造所述超材料頻選表面時還需要考慮與空氣阻抗匹配的問題，這就要求制得的所述超材料片層10的阻抗應接近于空氣的阻杭。故，我們還以上述単元結構19樣品為例并利用CST的Retrieval程序來測試本發明超材料頻選表面與空氣阻抗的匹配情況。如圖5所示，為n值(即單元結構19的阻抗與空氣的阻抗的比值)隨電磁波的頻率變化的曲線圖，由其可知，在(T4GHZ、1(T15GHZ兩個頻段，n值的實部re(n)接近于1，而虛部im(n)幾乎為零。即可證明，在這兩個頻段，本發明超材料頻選表面的阻抗與空氣的阻抗匹配極佳，可近似為空氣，對電磁波的損耗小。此外，盡管圖中所示的超材料片層10由于使用了 FR4層壓板，使制成的超材料片層10呈平板狀，比較硬，不容易彎曲變形，但是為了美觀和根據具體情況需做成與天線共形的形狀，我們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拼接在一起而形成呈彎曲、球形等各種形狀的超材料頻選表面。另外，亦可使用軟性的PCB層壓板來制得所述超材料片層10，以便制造呈任意形狀的超材料頻選表面。請參考圖6，為本發明超材料頻選天線罩和天線系統的示意圖。所述天線系統20包括天線22和用于保護所述天線22的超材料頻選天線罩24。所述天線22是雙頻天線，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，圖中所示僅為ー個電磁波的發射源。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包括至少ー個所述超材料片層10，其他同以上對所述超材料片層10的相關描述。而根據實際需要，所述超材料頻選天線罩24可包括若干通過機械連接、焊接或粘合的方式疊加在一起的多個所述超材料片層10。此外，為了保護所述超材料頻選天線罩24，可在其表面上涂覆防酸、防腐、耐磨損等的保護層。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，如所述結構層14的第一金屬微結構16和第二金屬微結構18附著于所述介質基板12的兩相對表面， 而這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種超材料頻選表面，包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括結合在一起的介質基板和結構層，所述結構層包括附著于所述介質基板的表面的多個第一金屬微結構和第二金屬微結構，所述第一金屬微結構和第二金屬微結構各自呈長方形陣列排布，且每一第一金屬微結構的中心為由連接四個最靠近的第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的中心，所述第一金屬微結構的幾何形狀和尺寸分別與所述第二金屬微結構的幾何形狀和尺寸相同，每一第一金屬微結構和第二金屬微結構均包括三個子結構，每一子結構包括兩相互平行的第一金屬線段和垂直地連接于所述兩第一金屬線段的兩相對端之間的第二金屬線段，每一子結構的兩第一金屬線段分別與另兩子結構的相鄰第一金屬線段相連接；每一第一金屬微結構和第二金屬微結構還均包括三條自各自中心分別向所述三個子結構的第二金屬線段延伸形成且與相應子結構的兩第一金屬線段平行的第三金屬線段。
2.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，每兩相鄰子結構的兩相互連接的第一金屬線段之間的夾角為120°。
3.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第二金屬線段的外側到相應金屬微結構的中心的距離均相等，均等于8. 95、. 05_。
4.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第二金屬線段的長度均相等，均等于I. 95^2. 05mm。
5.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均相等，均等于0. 2^0. 3mm。
6.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述第三金屬線段的長度均相等、寬度均相等，分別等于8. 45 8. 55mm、0. 25 0. 35mm。
7.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述介質基板的厚度為0.35^0. 45mm。
8.根據權利要求I所述的超材料頻選表面，其特征在于，由連接最靠近的四個第一金屬微結構或第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊為39. 5 40. 5mm、短邊為 23 24mm。
9.根據權利要求2所述的超材料頻選表面，其特征在于，所述介質基板的厚度為0.4mm,所述結構層的厚度為0. 018mm,所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均為0.25mm，所述第二金屬線段的長度均為2mm，所述第二金屬線段的外側到相應金屬微結構的中心的距離均為9mm,所述第三金屬線段的長度均為8. 5mm、寬度均為0. 3mm,由連接最靠近的四個第一金屬微結構或第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的長邊為40mm、短邊為23. 5mm。
10.一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利要求1-9中所述的超材料頻選表面制成。
11.一種天線系統，包括天線，其特征在于，所述天線系統還包括設置于所述天線接收和/或發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利要求10中所述的超材料頻選天線罩。
12.根據權利要求11所述的天線系統，其特征在于，所述天線是雙頻天線。
全文摘要
本發明涉及一種超材料頻選表面，其包括一超材料片層，所述超材料片層包括介質基板和附著于所述介質基板的結構層，所述結構層包括多個第一金屬微結構和第二金屬微結構，所述第一、第二金屬微結構各自呈長方形陣列排布，且每一第一金屬微結構的中心為由連接四個最靠近的第二金屬微結構的中心的四條直線段所形成的長方形區域的中心，每一第一、第二金屬微結構均包括三個子結構，每一子結構包括兩相互平行的第一金屬線段和垂直地連接于所述兩第一金屬線段的兩相對端之間的第二金屬線段，每一子結構的兩第一金屬線段分別與另兩子結構的相鄰第一金屬線段相連接，而具有頻選特性。本發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。
文檔編號H01Q15/00GK102769203SQ20121022617
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月3日 優先權日2012年7月3日
發明者劉若鵬, 張嶺, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司