微結構、超材料板以及天線系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種微結構、超材料板以及天線系統。所述微結構拓撲圖案以其中心點為旋轉點，沿順時針方向或逆時針方向旋轉90°后得到的新拓撲圖案與原拓撲圖案重合；所述微結構包括第一基本結構和第二基本結構，所述第二基本結構為將第一基本結構以第二金屬分支中心點為旋轉點順時針方向旋轉90°得到。所述超材料板包括一層或多層基材，每層基材相對兩側表面分別周期排布有第一微結構和第二微結構；第二微結構與第一微結構成鏡像對稱。所述天線系統，包括饋源以及設置于饋源輻射電磁波路徑上的上述超材料板。本發明通過設計超材料的微結構拓撲形狀和/或尺寸，使得天線系統中的饋源無需做任何改變即可增強饋源的增益。
【專利說明】微結構、超材料板以及天線系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及超材料【技術領域】，尤其涉及一種微結構、超材料板以及天線系統。
【背景技術】
[0002]光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數,例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同，從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波、吸收電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料稱之為超材料。
[0003]如圖1所示，圖1為現有構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括雪花型人造微結構100以及該人造微結構附著的基材200。雪花型人造微結構可為人造金屬微結構，其能對入射電磁波電場和/或磁場產生響應以改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。多個超材料基本單元按一定規律排列，可使超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應，因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波五分之一波長，優選為入射電磁波十分之一波長。本段描述中，將超材料整體劃分為多個超材料基本單元是一種人為的劃分方法，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構排布于基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。
[0004]超材料的微結構拓撲形狀和/或尺寸是改變超材料對電磁波的電磁響應的重要參數。現有的超材料的微結構拓撲形狀過于簡單，對電磁波響應單一，用途較少。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種微結構，所述微結構拓撲圖案以其中心點為旋轉點，沿順時針方向或逆時針方向旋轉90°后得到的新拓撲圖案與原拓撲圖案重合；所述微結構包括第一基本結構和第二基本結構，所述第一基本結構包括等間距平行設置且長度相等的第一金屬分支、第二金屬分支和第三金屬分支；第二金屬分支一端端點與第一金屬分支同側端點相互連接形成第四金屬分支，所述第四金屬分支垂直于第一金屬分支和第二金屬分支，第二金屬分支另一端端點與第三金屬分支同側端點相互連接形成第五金屬分支，所述第五金屬分支垂直于第二金屬分支和第三金屬分支；所述第二基本結構為將第一基本結構以第二金屬分支中心點為旋轉點順時針方向旋轉90°得到。
[0006]進一步地，所述第一金屬分支和第三金屬分支線寬相同，所述第四金屬分支和第五金屬分支線寬相同。
[0007]進一步地，所述第一金屬分支線寬大于第四金屬分支線寬，所述第四金屬分支線寬大于第二金屬分支線寬。
[0008]進一步地，所述第一金屬分支長度為10至13毫米，第一金屬分支線寬為1.5至2.0毫米；所述第二金屬分支線寬為0.8至1.2毫米，所述第四金屬分支長度為8至9毫米，所述第四金屬分支線寬為1.3至1.5毫米。
[0009]本發明還提出一種超材料板，所述超材料板包括一層或多層基材，每層基材相對兩側表面分別周期排布有第一微結構和第二微結構；所述第一微結構為上述的微結構，所述第二微結構與第一微結構成鏡像對稱。
[0010]進一步地，所述基材在10GHZ時的介電常數為4.0至5.0。
[0011 ] 進一步地，所述基材為FR-4材料、F4B材料、PS材料或陶瓷材料。
[0012]本發明還提供一種天線系統，其包括饋源以及設置于所述饋源輻射電磁波路徑上的上述超材料板。
[0013]進一步地，所述饋源為貼片天線、微帶天線或者喇叭天線。
[0014]進一步地，所述超材料板包括8層基材，所述超材料板與所述饋源的垂直距離為9至11毫米。
[0015]本發明通過設計超材料的微結構拓撲形狀和/或尺寸，使得天線系統中的饋源無需做任何改變即可增強饋源的增益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為現有的構成超材料基本單元的結構示意圖；
[0017]圖2為本發明微結構的拓撲結構以及微結構分解為第一基本結構和第二基本結構的示意圖；
[0018]圖3為本發明超材料板上第一微結構周期排布的結構示意圖；
[0019]圖4為本發明超材料板上第二微結構周期排布的結構示意圖；
[0020]圖5為貼片天線未附加超材料板時，phi為0°的仿真結果示意圖；
[0021]圖6為貼片天線未附加超材料板時，phi為90°的仿真結果示意圖；
[0022]圖7為貼片天線附加超材料板時，phi為0°的仿真結果示意圖；
[0023]圖8為貼片天線附加超材料板時，phi為90°的仿真結果示意圖。
【具體實施方式】
[0024]請參照圖2，圖2為本發明微結構的拓撲結構以及微結構分解為第一基本結構和第二基本結構的示意圖。圖2中，本發明微結構由第一基本結構10和第二基本結構20構成。第一基本結構10包括等間距平行設置且長度相等的第一金屬分支11、第二金屬分支
12、第三金屬分支13 ;第二金屬分支12 —端端點與第一金屬分支同側端點相互連接形成第四金屬分支14,且第四金屬分支14分別垂直于第一金屬分支11和第二金屬分支12 ;第二金屬分支12另一端端點與第三金屬分支同側端點相互連接形成第五金屬分支15，且第五金屬分支15分別垂直于第二金屬分支12和第三金屬分支13。
[0025]第二基本結構20是通過將第一基本結構以第二金屬分支12中心點為旋轉點順時針方向旋轉90°得到。由于第一基本結構20的特殊形狀，第二基本結構20以第二金屬分支12中心點為旋轉點逆時針方向旋轉90°也能得到相同的第二基本結構20。
[0026]由于第一基本結構10和第二基本結構20的特殊形狀，由第一基本結構10和第二基本結構20構成的微結構以其中心點為旋轉點，沿順時針方向或逆時針方向旋轉90°后得到的新拓撲圖案與原拓撲圖案重合。具有該類特性的微結構為各向同性微結構，各向同性微結構對各個方向入射的電磁波均具有相同的電磁響應，能簡化設計且提高應用范圍。
[0027]優選地，第一金屬分支11和第三金屬分支13具有相同的線寬，第四金屬分支14和第五金屬分支15具有相同的線寬。第一金屬分支11線寬大于第四金屬分支14線寬,第四金屬分支14線寬大于第二金屬分支12線寬。
[0028]更優選地，第一金屬分支11長度為10至13毫米，第一金屬分支11線寬為1.5至
2.0毫米；第二金屬分支12線寬為0.8至1.2毫米，第四金屬分支14長度為8至9毫米，第四金屬分支14線寬為1.3至1.5毫米。
[0029]各條金屬分支的線寬和長度根據其所響應電磁波的頻率不同而不同，例如當其響應電磁波頻率較聞時，則電磁波波長較長，相應地，各條金屬分支長度較長；當其響應電磁波頻率較低時，則電磁波波長較短，相應地，各條金屬分支長度較短。
[0030]本發明還提供一種超材料板，所述超材料板包括一層或多層基材，每層基材相對兩側表面分別周期排布有第一微結構和第二微結構。第一微結構為圖2所不的微結構,第二微結構與第一微結構成鏡像對稱。請參照圖3和圖4，圖3即為第一微結構周期排布的結構示意圖，圖4為第二微結構周期排布的結構示意圖。
[0031]第一微結構和第二微結構的材料可為銅、銀、鋁等各類導電金屬。
[0032]基材在10GHZ時的介電常數優選為4.0至5.0。滿足上述介電常數要求的基材材料可為FR-4材料、F4B材料、PS材料或陶瓷材料等。
[0033]本發明還提供一種天線系統，其包括饋源以及設置于饋源輻射電磁波路徑上的上述超材料板。饋源可為貼片天線、微帶天線、喇叭天線等各類能輻射電磁波的裝置。本實施例中，以貼片天線為例說明。
[0034]本實施例的天線系統中的超材料板包括8層由FR-4材料制成的基材。每層基材的厚度為0.2至0.5毫米，第一微結構和第二微結構的厚度為0.01至0.02毫米。整個超材料板厚度不到5毫米，厚度很薄，占用空間很小。
[0035]下面選取一貼片天線來說明添加超材料板后對天線增益的增強作用。在本實施例中，貼片天線體積為41.95X41.95X1.96mm,正前方圓貼片圓周為12.87mm，輻射電磁波頻率為3.43GHZ。貼片天線未附加超材料板時其利用CST仿真軟件仿真得到的正面增益最大值為3.58dB，且貼片天線未附加超材料板時其phi為0°和90。的polar圖分別如圖5、圖6所示。從圖5可知，貼片天線未附加超材料板時，phi為0°時的半功率帶寬為80.4°，從圖6可知，貼片天線未附加超材料板時，phi為90°時的半功率帶寬為99.9°。
[0036]在貼片天線輻射電磁波路徑上添加上述超材料板，優選地，超材料板與貼片天線的垂直距離為9至11毫米。此時，利用CST仿真軟件仿真電磁波透過超材料板后的正面增益最大值為5.47dB。電磁波透過超材料板后,phi為0°和90°的polar圖分別如圖7、圖8所示，從圖7可知，貼片天線附加超材料板后，phi為0°時的半功率帶寬為64.8°，從圖8可知，貼片天線未附加超材料板時，phi為90°時的半功率帶寬為76.3°。[0037]由上述仿真測試結果可知，附加超材料板后，貼片天線的增益性能和半功率帶寬性能均得到很好的改善，且無需對貼片天線做任何改變。
[0038]上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
【權利要求】
1.一種微結構，其特征在于:所述微結構拓撲圖案以其中心點為旋轉點，沿順時針方向或逆時針方向旋轉90°后得到的新拓撲圖案與原拓撲圖案重合；所述微結構包括第一基本結構和第二基本結構，所述第一基本結構包括等間距平行設置且長度相等的第一金屬分支、第二金屬分支和第三金屬分支；第二金屬分支一端端點與第一金屬分支同側端點相互連接形成第四金屬分支，所述第四金屬分支垂直于第一金屬分支和第二金屬分支，第二金屬分支另一端端點與第三金屬分支同側端點相互連接形成第五金屬分支，所述第五金屬分支垂直于第二金屬分支和第三金屬分支；所述第二基本結構為將第一基本結構以第二金屬分支中心點為旋轉點順時針方向旋轉90°得到。
2.如權利要求1所述的微結構，其特征在于:所述第一金屬分支和第三金屬分支線寬相同，所述第四金屬分支和第五金屬分支線寬相同。
3.如權利要求2所述的微結構，其特征在于:所述第一金屬分支線寬大于第四金屬分支線寬，所述第四金屬分支線寬大于第二金屬分支線寬。
4.如權利要求3所述的微結構，其特征在于:所述第一金屬分支長度為10至13毫米，第一金屬分支線寬為1.5至2.0毫米；所述第二金屬分支線寬為0.8至1.2毫米，所述第四金屬分支長度為8至9毫米，所述第四金屬分支線寬為1.3至1.5毫米。
5.一種超材料板，其特征在于:所述超材料板包括一層或多層基材，每層基材相對兩側表面分別周期排布有第一微結構和第二微結構；所述第一微結構為權利要求1至權利要求4任一項所述的微結構；所述第二微結構與第一微結構成鏡像對稱。
6.如權利要求5所述的超材料板，其特征在于:所述基材在10GHZ時的介電常數為4.0至 5.0。
7.如權利要求6所述的超材料板，其特征在于:所述基材為FR-4材料、F4B材料、PS材料或陶瓷材料。
8.一種天線系統，其特征在于:包括饋源以及如權利要求5所述的超材料板，所述超材料板設置于所述饋源輻射電磁波路徑上。
9.如權利要求8所述的天線系統，其特征在于:所述饋源為貼片天線、微帶天線或者喇口八天線O
10.如權利要求8所述的天線系統，其特征在于:所述超材料板包括8層基材，所述超材料板與所述饋源的垂直距離為9至11毫米。
【文檔編號】H01Q19/00GK103682655SQ201210316736
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月31日 優先權日:2012年8月31日
【發明者】劉若鵬, 趙治亞, 寇超峰, 李云龍 申請人:深圳光啟創新技術有限公司