超材料結構及超材料天線罩的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超材料結構及超材料天線罩。所述超材料結構包括：至少一個疊層結構，所述疊層結構包括基板和位于基板上的導電幾何結構，其中，所述導電幾何結構包括由多個結構單元組成的陣列，每個結構單元為中部具有鏤空圖案的金屬片，所述鏤空圖案包括間隔設置的第一網格槽、第二網格槽和連通所述第一網格槽和所述第二網格槽的連通槽。該超材料結構可以用作特定頻段的電磁波的透波材料，并且表現出TE波和TM波的極化選擇性。
【專利說明】
超材料結構及超材料天線罩
技術領域
[0001]本實用新型涉及超材料領域，更具體地，涉及超材料結構及超材料天線罩。
【背景技術】
[0002]天線系統通常包括天線罩。天線罩的目的是保護天線免受風雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響，使天線系統工作性能比較穩定、可靠。同時，天線罩可以減輕天線系統的磨損、腐蝕和老化，延長使用壽命。但是天線罩是天線前面的障礙物，對天線輻射波會產生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布，在一定程度上影響天線的電氣性能。
[0003]天線罩一方面應當有一定的機械強度，以保護內部的天線，另一方面還應當允許工作頻段的電磁波高效穿透，以到達內部的天線。現有的天線罩基本上是純材料天線罩，主要到保護天線的作用。為了提高電磁波的高效穿透，可以采用半波長理論進行材料厚度設計。在天線罩的材料厚度為工作頻段電磁波波長的1/2時，電磁波穿透率最好。因此，純材料天線罩的厚度設計取決于工作頻段的電磁波波長。隨著工作頻段的電磁波波長增加，則天線罩的厚度也應當增加。天線罩的重量可能增加到難以應用的程度。另一方面，普通材料的透波性能比較均一，在工作頻段內透波，其相鄰頻段透波效果亦優，工作頻段外的透波容易干擾天線的正常工作。
[0004]將超材料用作天線罩的透波材料，可以最大限度地增加入射電磁波的透射，減少了傳統天線罩設計時對材料厚度和介電常數的限制，并且可以增強天線的輻射能力。超材料天線罩還可以抑制非工作頻段的干擾，有利于改善天線特性和提高增益。
[0005]圖1示出根據現有技術的超材料結構的立體結構示意圖。超材料結構100包括堆疊的多個層。第一導電幾何結構115夾在第一基板112和第二基板116之間，形成第一疊層結構。第二導電幾何結構125夾在第三基板122和第四基板126之間，形成第二疊層結構。第一疊層結構中的第一基板112和第二疊層結構中的第三基板122分別結合在蜂窩層110的兩個相對表面上。
[0006]在圖1所示的實例中，采用第一粘接層111將第一基板112粘接在蜂窩層110的第一表面上，采用第二粘接層121將第三基板122粘接在蜂窩層110的第二表面上。第一疊層結構包括附加的第一支撐層113，用于支撐第一導電幾何結構115。第二疊層結構包括附加的第二支撐層123，用于支撐第二導電幾何結構125。
[0007]第一導電幾何結構115和第二導電幾何結構125分別是由多個結構單元組成的陣列。每個結構單元為由導電條組成的中心對稱分布圖案。例如該中心對稱分布圖案由十字形線條和直線條，直線條位于十字形線條的端部與由該端部等分。該超材料結構100可用于透波材料，但對于TE波和TM波的磁導率相同，從而未表現出極化選擇性。
[0008]然而，隨著技術發展，對透波材料的性能要求越來越高。期望超材料結構對TE波和TM波具有極化選擇性。
【實用新型內容】
[0009]鑒于上述問題，本實用新型要解決的問題是提供一種通過導電幾何結構的設計來獲得具有極化選擇性的超材料結構。
[0010]根據本實用新型的一方面，提供一種超材料結構，其特征在于，包括:至少一個疊層結構，所述疊層結構包括基板和位于基板上的導電幾何結構，其中，所述導電幾何結構包括由多個結構單元組成的陣列，每個結構單元為中部具有鏤空圖案的金屬片，所述鏤空圖案包括間隔設置的第一網格槽、第二網格槽和連通所述第一網格槽和所述第二網格槽的連通槽。
[0011]優選地，所述結構單元的第一方向為所述連通槽的延伸方向，第二方向為與所述連通槽相垂直的方向，相鄰的結構單元的金屬片在第一方向和第二方向上彼此連接，并且鏤空圖案在第一方向和第二方向上彼此隔開。
[0012]優選地，所述第一網格槽和所述第二網格槽相對于所述連通槽形成軸對稱圖案。
[0013]優選地，所述第一網格槽、第二網格槽將所述金屬片的中部劃分為多個導電塊。
[0014]優選地，所述導電塊為多邊形、圓形、或橢圓形。
[0015]優選地，所述導電塊為矩形。
[0016]優選地，所述導電幾何結構夾在兩個基板之間。
[0017]優選地，還包括支撐層，所述支撐層位于所述導電幾何結構和所述基板之間。
[0018]優選地，所述支撐層為柔性層。
[0019]優選地，所述支撐層和所述基板分別為介質基板。
[0020]優選地，所述支撐層的厚度小于所述基板的厚度。
[0021]優選地，還包括蜂窩層，所述疊層結構位于所述蜂窩層的表面上。
[0022]優選地，所述疊層結構夾在兩個蜂窩層之間。
[0023]優選地，還包括粘接層，所述粘接層將所述疊層結構中的基板結合在所述蜂窩層的表面上。
[0024]根據本實用新型的另一方面，提供一種天線裝置，包括天線，以及上述的超材料結構，所述超材料結構作為所述天線的透波材料。
[0025]本實用新型通過在基板上設計導電幾何結構，通過相關疊層結構的電磁響應特征來改變透波特性，從而可以改善超材料結構的透波性能。該超材料結構對TE波和TM波表現出不同的磁導率，從而獲得了極化選擇性。
【附圖說明】
[0026]通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其它目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中:
[0027]圖1示出根據現有技術的超材料結構的立體結構示意圖；
[0028]圖2示出根據本實用新型實施例的超材料結構的立體結構示意圖；
[0029]圖3示出在根據本實用新型實施例的超材料結構中采用的結構單元的俯視圖；
[0030]圖4示出根據本實用新型實施例的超材料結構的截面圖；
[0031]圖5和6示出根據本實用新型實施例的超材料結構的S21參數的仿真特性曲線；
[0032]圖7和8示出根據本實用新型實施例的超材料結構的介電常數的仿真特性曲線；
[0033]圖9和10示出根據本實用新型實施例的超材料結構的磁導率的仿真特性曲線。
【具體實施方式】
[0034]以下將參照附圖更詳細地描述本實用新型。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。
[0035]應當理解，在描述某個結構時，當將一層、一個區域稱為位于另一層、另一個區域“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區域上面，或者在其與另一層、另一個區域之間還包含其它的層或區域。并且，如果將該結構翻轉，該一層、一個區域將位于另一層、另一個區域“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個區域上面的情形，本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。
[0036]本實用新型可以各種形式呈現，以下將描述其中一些示例。
[0037]圖2示出根據本實用新型實施例的超材料結構的立體結構示意圖。第一導電幾何結構215夾在第一基板112和第二基板116之間，形成第一疊層結構。第二導電幾何結構225夾在第三基板122和第四基板126之間，形成第二疊層結構。第一疊層結構中的第一基板112和第二疊層結構中的第三基板122分別結合在蜂窩層110的兩個相對表面上。
[0038]為了不出第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225，將其連同支撐層一起分離示出，圖中的箭頭指示從超材料結構中分離相關層的移動方向。
[0039]在圖2所示的實施例中，采用第一粘接層111將第一基板112粘接在蜂窩層110的第一表面上，采用第二粘接層121將第三基板122粘接在蜂窩層110的第二表面上。在替代的實施例中，采用熱壓分別將第一基板112和第三基板122固定在蜂窩層110的第一表面和第二表面上，從而可以省去第一粘接層111和第二粘接層121。
[0040]在圖2所示的實施例中，第一疊層結構包括附加的第一支撐層113，用于支撐第一導電幾何結構215。第二疊層結構包括附加的第二支撐層123，用于支撐第二導電幾何結構225。例如，第一支撐層113和第二支撐層123由與第一至第四基板類似的材料組成，只是厚度較小，以提供機械強度和柔韌性，便于加工工藝的實現。在替代的實施例中，在第一基板112和第二基板116彼此相對的兩個表面任一個上，直接形成第一導電幾何結構215，以及在第三基板122和第四基板126彼此相對的兩個表面任一個上，直接形成第二導電幾何結構225，從而可以省去第一支撐層113和第二支撐層123。
[0041]第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225分別是由多個結構單元2150組成的陣列。圖3示出在根據本實用新型實施例的超材料結構中采用的結構單元的俯視圖。
[0042]每個結構單元2150包括金屬片2151及位于金屬片2151中的鏤空圖案，所述鏤空圖案包括第一網格槽2153、第二網格槽2154和用于連接二者的連通槽2155。第一網格槽2153和第二網格槽2154相對于連通槽2155形成軸對稱圖案。第一網格槽2153、第二網格槽2154將金屬片2151的中部劃分為多個導電塊。例如，導電塊為矩形、多邊形、圓形、或橢圓形。
[0043]該結構單元2150的長度表示為LI，寬度表示為Wl。第一網格槽2153和第二網格槽2154沿著結構單元的長度方向的第一尺寸表示為L2，沿著結構單元的寬度方向的第二尺寸表示為W2。第一網格槽2153和第二網格槽2154分別由金屬片中形成的溝槽限定網格單元，溝槽的寬度表示為wl。連通槽2155的長度表示為L3，寬度表示為《2。
[0044]在第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225中，多個結構單元2150排列成陣列。在結構單元的長度方向上，相鄰的兩個結構單元的金屬片2151彼此連接，并且鏤空圖案彼此隔開。在結構單元的寬度方向上，相鄰的兩個結構單元的金屬片2151彼此連接，并且鏤空圖案彼此隔開。
[0045]第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225可以由任意的導電材料組成。這里的導電材料，可以是金、銀、銅等導電性能良好的金屬材料，或者主要成分為金、銀、銅中的一種或兩種的合金材料，也可以是碳納米管、摻鋁氧化鋅、銦錫氧化物等可以導電的非金屬材料。在本實用新型中，第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225的材料優選銅或銀。第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225可以是任意物質形態。這里的物質形態，可以是選自固體、液體、流狀體和粉狀物中的一種，只要其可以維持特定的形狀即可。例如液體的導電材料可以容納在空腔、管道、膠囊之中并且限定其形狀。
[0046]第一支撐層113、第二支撐層123、第一基板112、第二基板116、第三基板122和第四基板126可以分別為介質基板。介質基板的材料有多種選擇，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，介質基板的相對介電常數大于2、損耗角正切小于0.1。第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225可以通過印刷、鍍敷、粘接、熱壓等方式附著于介質基板上。
[0047]在一個實例中，介質基板為預浸料基板，導電幾何結構夾在兩個預浸料基板之間。彼此相鄰的預浸料基板由蜂窩層隔開，并且可以采用附加的粘接層粘接在一起。此外，可以將導電幾何結構設置在軟板層上，該軟板層作為支撐層。
[0048]在一個實例中，第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225是介質基板上的圖案化金屬層。第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在介質基板上。其中，蝕刻是較優的制造工藝，其步驟是在設計好合適的導電幾何結構的平面圖案后，先將一張金屬箔片整體地附著在介質基板上，然后通過蝕刻設備，利用溶劑與金屬的化學反應去除掉導電幾何結構預設圖案以外的箔片部分，余下的即可得到導電幾何結構。在另一個實例中，第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225可以由導電油墨印刷形成在介質基板上。
[0049]圖4示出根據本實用新型實施例的超材料結構的截面圖。與圖2所示的實施例不同，根據該實施例的超材料結構300包括兩個蜂窩層110和120，用于設置第一和第二疊層結構。第一疊層結構包括第一基板112、第二基板116、以及夾在二者之間的第一導電幾何結構215。第二疊層結構包括第三基板122、第四基板126、以及夾在二者之間的第二導電幾何結構225 ο
[0050]在圖4所示的實施例中，采用第一粘接層111將第一基板112粘接在蜂窩層110的第一表面上，采用第二粘接層121將第四基板126粘接在蜂窩層110的第二表面上。如上所述，在替代的實施例中，可以省去第一粘接層111和第二粘接層121。
[0051]在圖4所示的實施例中，第一疊層結構包括附加的第一支撐層113，用于支撐第一導電幾何結構215。第二疊層結構包括附加的第二支撐層123，用于支撐第二導電幾何結構225。第一支撐層113和第二支撐層123分別是柔性層，以提供機械強度和柔韌性，便于加工工藝的實現，例如，第一支撐層113和第二支撐層123分別由與第一至第四基板類似的材料組成，只是厚度較小。如上所述，在替代的實施例中，可以省去第一支撐層113和第二支撐層123。
[0052]圖5和6示出根據本實用新型實施例的超材料結構的S21參數的仿真特性曲線。圖7和8示出根據本實用新型實施例的超材料結構的介電常數的仿真特性曲線。圖9和10示出根據本實用新型實施例的超材料結構的磁導率的仿真特性曲線。
[0053]該超材料結構中的結構單元如圖3所示，其結構如圖4所示，包括第一和第二疊層結構。
[0054]在仿真中，假設第一導電幾何結構215和第二導電幾何結構225的構造相同，其中，每個結構單元2150的長度LI和寬度Wl分別為20毫米和10毫米，厚度為0.018毫米。第一網格槽2153和第二網格槽2154的第一尺寸L2為7毫米，第二尺寸W2為7毫米。第一網格槽2153和第二網格槽2154的溝槽寬度wl為0.2毫米。因而，第一網格槽2153和第二網格槽2154分別包括4*3個網格單元。連通槽的長度L3為3毫米，寬度w2為I毫米。
[0055]蜂窩層110的相對介電常數1.05、損耗角正切0.006，厚度為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，相對介電常數3.15、損耗角正切0.005，第二基板116和第四基板126的厚度為0.8毫米，其余的基板厚度為0.4毫米。
[0057]第一支撐層113和第二支撐層123的材料相同，相對介電常數3.2、損耗角正切
0.002，厚度分別為0.025毫米。
[0058]第一粘接層111和第二粘接層121的材料相同，相對介電常數2.9、損耗角正切
0.008，厚度分別為0.1毫米。
[0059]對于上述參數的超材料結構進行仿真的結果表明，該超材料結構表現出對特定頻段的電磁波表現出透波特性。在圖5和6中示出TE波和TM波的S21仿真曲線，其中圖6放大示出11.5至12.5GHz之間的曲線部分。可以看到，不論是TE波還是TM波，在11.9至12.1GHz之間，S21值均高于-0.9dB。也就是說，在11.9至12.1GHz之間，電磁波可以通過超材料板而且損耗低。在圖7和8中示出TE波和TM波的介電常數仿真曲線，其中圖8放大示出11.5至12.5GHz之間的曲線部分。可以看到，在11.9-12.1GHz波段時，TE波和TM波的介電常數接近。在圖9和10中示出TE波和TM波的磁導率仿真曲線，其中圖10放大示出11.5至12.5GHz之間的曲線部分。可以看到，在11.9-12.1GHz波段時，當入射波是TE波時會產生高磁導率的效果，而當入射波是TM波時會產生低磁導率的效果，從而表現出極化選擇性。
[0060]在以上的描述中，對公知的結構要素和步驟并沒有做出詳細的說明。但是本領域技術人員應當理解，可以通過各種技術手段，來實現相應的結構要素和步驟。另外，為了形成相同的結構要素，本領域技術人員還可以設計出與以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，盡管在以上分別描述了各實施例，但是這并不意味著各個實施例中的措施不能有利地結合使用。
[0061]以上對本實用新型的實施例進行了描述。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本實用新型的范圍。本實用新型的范圍由所附權利要求及其等價物限定。不脫離本實用新型的范圍，本領域技術人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本實用新型的范圍之內。
【主權項】
1.一種超材料結構，其特征在于，包括: 至少一個疊層結構，所述疊層結構包括基板和位于基板上的導電幾何結構， 其中，所述導電幾何結構包括由多個結構單元組成的陣列，每個結構單元為中部具有鏤空圖案的金屬片，所述鏤空圖案包括間隔設置的第一網格槽、第二網格槽和連通所述第一網格槽和所述第二網格槽的連通槽。2.根據權利要求1所述的超材料結構，其特征在于，所述結構單元的第一方向為所述連通槽的延伸方向，第二方向為與所述連通槽相垂直的方向，相鄰的結構單元的金屬片在第一方向和第二方向上彼此連接，并且鏤空圖案在第一方向和第二方向上彼此隔開。3.根據權利要求2所述的超材料結構，其特征在于，所述第一網格槽和所述第二網格槽相對于所述連通槽形成軸對稱圖案。4.根據權利要求2所述的超材料結構，其特征在于，所述第一網格槽、第二網格槽將所述金屬片的中部劃分為多個導電塊。5.根據權利要求4所述的超材料結構，其特征在于，所述導電塊為多邊形、圓形、或橢圓形。6.根據權利要求5所述的超材料結構，其特征在于，所述導電塊為矩形。7.根據權利要求2所述的超材料結構，其特征在于，所述導電幾何結構夾在兩個基板之間。8.根據權利要求2所述的超材料結構，其特征在于，還包括支撐層，所述支撐層位于所述導電幾何結構和所述基板之間。9.根據權利要求8所述的超材料結構，其特征在于，所述支撐層為柔性層。10.根據權利要求8所述的超材料結構，其特征在于，所述支撐層的厚度小于所述基板的厚度。11.根據權利要求2所述的超材料結構，其特征在于，還包括蜂窩層，所述疊層結構位于所述蜂窩層的表面上。12.根據權利要求11所述的超材料結構，其特征在于，所述疊層結構夾在兩個蜂窩層之間。13.根據權利要求11所述的超材料結構，其特征在于，還包括粘接層，所述粘接層將所述疊層結構中的基板結合在所述蜂窩層的表面上。14.一種超材料天線罩，包括權利要求1至13中任一項所述的超材料結構。
【文檔編號】H01Q1/38GK205488534SQ201521141944
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年12月31日
【發明人】不公告發明人
【申請人】深圳光啟高等理工研究院