超材料和天線反射面的制作方法

本實用新型涉及電磁領域，具體而言，涉及一種超材料和天線反射面。

背景技術：

超材料是一種具有傳統自然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構，然而對于超材料來說，其特殊的電磁特性都有一個頻帶范圍，超出這個范圍，上述特殊的電磁特性會減弱甚至消失。為實現人工電磁結構對電磁波動態操控的能力，通常需要對超材料的電磁特性進行實時控制。

到目前為止，可控超材料主要包括三大類：(1)機械式可控超材料；(2)加載微波開關等；(3)加載可控材料(鐵氧體、液晶材料、石墨烯等)。機械式可控超材料由于要對移動量進行精確的控制，使得體積相對較大，不易操作；加載微波開關的可控超材料其狀態與開關的個數有關，要實現足夠多的狀態數就需要添加足夠多的開關個數，導致結構的復雜度增加；而加載可控材料的超材料其調控的頻率范圍不大，而且需要外加反偏場從而導致超材料的結構復雜。

針對現有技術中超材料的工作頻率難以調整的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

本實用新型實施例提供了一種超材料和天線反射面，以至少解決現有技術中超材料的工作頻率難以調整的技術問題的技術問題。

根據本實用新型實施例的一個方面，提供了一種超材料，包括：至少一個超材料結構單元，其中，超材料結構單元包括：基底材料以及附著在基底材料上的導電幾何結構，導電幾何結構包括具有至少兩個缺口的金屬環，其中，至少兩個缺口呈對稱結構；任意一個缺口處加載有變容二極管。

根據本實用新型實施例的另一方面，還提供了一種天線反射面，包括上述實施例中任意一種超材料。

本申請提供的方案利用變容二極管的特性在于變容二極管利用PN結之間電容可變的原理制成，可以作為可變電容器使用，在變容二極管的電容發生變化時，使超材料的工作頻率發生相應變化，從而達到控制超材料的工作頻率的技術效果，解決了現 有技術中超材料的工作頻率難以調整的技術問題，進而實現對超材料的電磁特性的實時控制。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1是根據本實用新型實施例1的一種超材料結構單元的示意圖；

圖2是根據本實用新型實施例1的一種超材料的結構示意圖；以及

圖3是根據本實用新型實施例1的一種變容二極管的工作電容與超材料的工作頻率的關系示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本實用新型保護的范圍。

需要說明的是，本實用新型的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這里描述的本實用新型的實施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列單元的系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些產品或設備固有的其它單元。

根據本實用新型實施例，提供了一種超材料的實施例，需要說明的是，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟。

實施例1

根據本實用新型實施例，提供了一種超材料的實施例，圖1是根據本實用新型實 施例1的一種超材料結構單元的示意圖，如圖1所示，該超材料包括：至少一個超材料結構單元，其中，超材料結構單元包括：基底材料以及附著在基底材料上的導電幾何結構，其中，

導電幾何結構包括具有至少兩個缺口的金屬環，其中，至少兩個缺口呈對稱結構；

任意一個缺口處設置有變容二極管。

在一種可選的實施例中，結合圖1所示的示例，上述金屬環為金屬圓環，在呈對稱結構的兩個缺口中的左側缺口設置變容二極管，右側缺口為超材料提供滿足該工作頻率下所需的電容，其中，設置變容二極管的方法可以是焊接，粘連，但不限于此。設置完成后，形成兩個“C”形金屬片，并且兩個“C”的口部正對，在兩個“C”形金屬片的一端，通過變容二極管連接。

在另一種可選的實施例中，結合圖2所示的超材料的結構示意圖，該超材料有多個圖1所示的超材料結構單元構成。具體的，圖2所示的超材料結構呈陣列排列

此處需要說明的是，變容二極管的特性在于變容二極管利用PN結之間電容可變的原理制成，因此可以作為可變電容器使用，本申請上述實施例利用變容二極管的特性，在變容二極管的電容發生變化時，使超材料的工作頻率發生相應變化，從而達到了超材料電可控的技術效果，進而實現對超材料的電磁特性的實時控制。

可選的，導電幾何結構平面排布于基底材料。

具體的，上述基底材料可以是F4B、FR4。

可選的，在超材料包括多個導電幾何結構的情況下，每個導電幾何結構中的金屬環的缺口排布方向一致，即每個導電幾何結構中的兩個“C”形金屬片的排列方式均相同，其中，每個導電幾何結構中的變容二極管位于同一側。

在一種可選的實施例中，結合圖2所示的超材料的結構示意圖，該超材料有多個圖1所示的超材料結構單元構成，每個導電幾何結構的缺口都以水平左右的方向排布，且每個導電幾何結構的變容二極管都設置于導電幾何結構的左側缺口。

可選的，超材料結構單元按照等間距的結構排列。

可選的，超材料結構單元的間距為預設距離。

可選的，預設距離處于1/2λ到λ的范圍內，λ為與超材料的中心工作頻率對應的波長。

可選的，變容二極管的電容與超材料的工作頻率具有預設關系。

在一種可選的實施例中，結合圖3所示的示例，圖3顯示了在該實施例中，變容二極管的工作電容與超材料的工作頻率的對應關系。

此處需要說明的是，通常超材料據具有能夠正常工作的頻率范圍，超過該范圍后超材料的電磁特性會減弱甚至消失，以至于不能達到工作需求，在這一頻帶范圍內包含一個中心工作頻率，超材料在上述中心工作頻率工作時具有最佳電磁特性。

可選的，超材料的工作頻率處于0.5GHz到300GHz的范圍內。

可選的，金屬環的材料至少包括如下任意一種或多種：銅、銀或金。

可選的，基底材料為非磁性介質材料。

可選的，非磁性介質材料的介電常數處于2到10的范圍內，非磁性介質材料的磁導率為預設常數。

可選的，上述預設常數為1。

以下以圖2所示的超材料作為示例進行詳細描述：

在一種可選的實例中，選取上述超材料的中心工作頻率f為15GHz，則該工作頻率對應的波長λ為20mm。金屬結構的材料為銅，基底材料為F4B(介電常數為3.0，磁導率為1)，去基底材料呈邊長為10mm的正方形，金屬環的寬度為1mm,兩個缺口呈對稱結構分布于金屬圓環，且兩個缺口均為1mm，金屬環厚度為0.035mm，基底材料厚0.3mm，周期性排列中，兩個超材料單元之間的中心距離為10mm。可以利用電磁仿真軟件CST計算與變容二極管的電容對應的超材料的工作頻率，變容二極管的電容對應的超材料的工作頻率可以是如圖2所示的示例，可以設計周期性邊界條件，當變容二極管的電容值從(0.02pF-0.3pF)時，頻率調制為(17.60GHz-13.34GHz)。

實施例2

根據本實用新型實施例，提供了一種天線反射面的實施例，該天線反射面包括上述實施例中任意一項的超材料。

可選的，上述天線反射面的入射波為滿足遠場條件的電磁波，例如平面波。

此處需要說明的是，在天線的入射波為平面波的情況下，能夠確保超材料中的每個超材料結構單元接收的電磁波具有相同的幅值和相位，不需要由于每個超材料結構單元的位置不同導致的接收的電磁波不同而進行補償。

在一種可選的實施例中，仍以上述超材料作為示例，設計天線陣面尺寸為100mm×100mm，在天線H面方向排列超材料，通過對電可控超材料上加載的變容二極管上的 電壓進行調節，控制變容二極管內的電容，從而實現對天線工作頻率的調節。圖2所示的超材料也可以是一種天線陣面分布。

輻射頻率由下列公式決定：

$\mathrm{\ω}=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{LC}\right),$

其中，L為金屬環的電感,C為變容二極管的電容值，ω為對應的瞬時工作頻率。

上述本實用新型實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

在本實用新型的上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。