超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超材料板材，其包括一超材料片层，所述超材料片层包括两基板和置于所述两基板之间的结构层，所述结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段，所述两第一金属直线段分别连接于相应第二金属直线段的中点，从而使其对电磁波的反射变小、透波性能提高，减小了对天线的辐射波的影响，这样可维持天线的原有增益和其方向图主瓣形态。本发明还提供了一种由该超材料板材制成的超材料天线罩和天线系统。
【专利说明】超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及超材料及由其制成的天线罩和天线系统，更具体地说，涉及一种由全 新设计的超材料结构单元构成的超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统。
【背景技术】
[0002]超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构。当前，人 们通过在基板上排列由金属线段构成的具有一定几何形状的超材料金属微结构来形成超 材料。由于可以利用金属微结构的几何形状和尺寸以及排布来改变超材料空间各点的介电 常数和/或磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播，故而，在多个领域具 有广泛的应用前景，成为各国科研人员争相研究的热点领域之一。而在用新型超材料来制 作天线罩方面，由于其可显著提高天线罩的透波性能而日益为研究人员所关注。
[0003]传统上，制造天线罩时多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻 璃钢、环氧树脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物。尽管这种天线罩不仅可使天线免受外界 恶劣环境的影响，而且对天线的发送和/或接收的电磁波的损耗较小，但是随着技术的发 展，对天线罩的透波效率提出了更高的要求，且要求反射更少，以尽可能地减少对天线电性 能的影响。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有良好透波性能的超材料板材及由其 制成的超材料天线罩和天线系统。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种超材料板材，其包括至少一超 材料片层，所述超材料片层包括两结合在一起的基板和置于所述两基板之间的结构层，所 述结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所 述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线 段且相互平行的第二金属直线段，所述两第一金属直线段分别连接于相应第二金属直线段 的中点。
[0006]优选地，所述多个金属微结构的几何形状和尺寸均相同并呈阵列排布，各个金属 微结构的两第一金属直线段的延伸方向相同。
[0007]优选地，相邻最近的两圆环的圆心的距离均相等，均为9.9?10.4mm。
[0008]优选地，每一金属微结构的圆环的外圆的直径均相等，均为9.3?9.7mm。
[0009]优选地，每一金属微结构的两第二金属直线段的长度均相等，均为0.8?1.3_、 两第二金属直线段的距离均相等，均为3.7?4.1_。
[0010]优选地，每一金属微结构的圆环和两第一金属直线段、第二金属直线段的宽度均 相等，均为0.08?0.11mm。
[0011]优选地，相邻最近的两圆环的圆心的距离等于IOmm;每一金属微结构的圆环的外 圆的直径为9.6_、两第二金属直线段的长度均为1_、两第二金属直线段的距离为3.8_、圆环和两第一、第二金属直线段的宽度均为0.1mm、厚度均为0.018mm ;所述两基板的厚度 抱为2mm n
[0012]优选地，所述两基板均由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成；所述金属微 结构由铜制成。
[0013]一种超材料天线罩，包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括两结合在一起 的基板和置于所述两基板之间的结构层，所述结构层包括多个金属微结构，每一金属微结 构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和 两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段，所述两第一金 属直线段分别连接于相应第二金属直线段的中点。
[0014]一种天线系统，包括天线和设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向 上的超材料天线罩，所述超材料天线罩包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括两结 合在一起的基板和置于所述两基板之间的结构层，所述结构层包括多个金属微结构，每一 金属微结构包括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属 直线段和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段，所述 两第一金属直线段分别连接于相应第二金属直线段的中点。
[0015]本发明超材料板材及由其制成的超材料天线罩和天线系统具有以下有益效果:由 于在两基板之间设置了具有一定几何形状的多个金属微结构，从而使所述超材料板材对电 磁波的反射变小、透波性能提高，具有较好的电磁性能，减小了对天线的辐射效率的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面将结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0017]图1是本发明超材料板材的结构示意图；
[0018]图2是图1中的一结构层的平面放大示意图；
[0019]图3是图2中的一个金属微结构的放大示意图；
[0020]图4是图1中的一个超材料单元样品与相同尺寸的纯ABS单元块的透射系数在某 一频段内变化的比较图；
[0021]图5是图1中的一个超材料单元样品与相同尺寸的纯ABS单元块的反射系数在某 一频段内变化的比较图；
[0022]图6是本发明超材料天线罩和天线系统的示意图。
[0023]图中各标号对应的名称为:
[0024]10超材料片层、12基板、14结构层、16金属微结构、162圆环、164第一金属直线 段、166第二金属直线段、18超材料单元、20天线系统、22天线、24超材料天线罩、242固定 框、244超材料板材
【具体实施方式】
[0025]本发明中的“板材”、“片层”、“板”、“层”等术语既指平面、曲面、锥面、球面、异形面 等任意形状的薄层材料，亦可包括柔软的薄膜，因应用需求而不同。为简明起见，本实施方 式中的“板材”、“片层”、“板”、“层”均以平面示意。
[0026]如图1所示，本发明超材料板材包括至少一超材料片层10，所述超材料片层10包括两结合在一起的基板12和置于所述两基板12之间的结构层14。所述两基板12由聚 合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制成，如环氧树脂玻璃纤维布(即 FR4)、聚四氟乙烯(英文名为Polytetrafluoroethene,简称F4B)、高密度聚乙烯(英文名 为High Density Polyethylene,简称HDPE)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(英文名为 Acrylonitrile Butadiene Styrene,简称ABS)等。所述两基板12的厚度既可相等,也可 不等，本实施方式中，所述两基板12的厚度相等，均为1.6?2.3mm(请确认)。
[0027]请参考图2，所述结构层14包括多个呈阵列排布的金属微结构16，如图中位于由 虚线形成的网格内的图案。将每个金属微结构16及其所在的基板12部分称为一个超材料 单元18，如图1中由虚线分隔形成的方形块。这样，所述超材料片层10可看作是由多个所 述超材料单元18阵列而成。一般，每个超材料单元18的几何尺寸与根据需要而设定响应 的电磁波波长有关，本实施方式中，所述超材料单元18的长度与宽度相等，均等于9.9?
10.4mm(等于图3中LI的长度)。也即,相邻最近的两金属微结构16的中心的距离为9.9?
10.4mmn
[0028]每个金属微结构16是由一定尺寸的金属线段构成的具有一定几何形状的平面 (二维)或立体(三维)结构，其中，金属线段由如铜、银等金属导电材料制成，其截面可以 为扁平状或其他任意形状，如圆柱状。所述多个金属微结构16的几何形状和尺寸均相同， 故以下以一个金属微结构16为例进行说明。如图3所示，所述金属微结构16由具有扁平 状截面的金属线段构成，其包括一圆环162、两连接于所述圆环162且位于所述圆环162的 同一直径方向上的第一金属直线段164和两分别垂直地连接于所述两第一金属直线段164 且相互平行的第二金属直线段166。所述两第一金属直线段164分别连接于相应第二金属 直线段166的中点。所述圆环162的外圆的直径均等于2R，2R为9.3?9.7mm。所述两第 二金属直线段166的长度均等于L2，L2为0.8?1.3mm。所述两第二金属直线段166的距 离均等于D, D为3.7?4.1mm。所述圆环162和所述两第一、第二金属直线段164、166的 宽度均等于W，W = 0.08?0.11_，厚度也相等，均为0.016?0.019_。由上可知，所述金 属微结构16以垂直于其所在的平面(也即所述基板12)并通过所述金属微结构16的中心 (即所述圆环162的圆心)的直线为轴顺时针或逆时针旋转180度或360度后均可与初始 位置的金属微结构16重合,且各金属微结构16的两第一金属直线段164的延伸方向相同， 而相邻最近的两圆环162的圆心的距离均相等,亦均为9.9?10.4mm。
[0029]设计时，选用不同的原料来制成不同厚度的基板12，并调节金属微结构16的圆环 162的直径2R、两第二金属线段166的长度L2、距离D、圆环162和两第一、第二金属线段 164、166的宽度W和厚度以及金属微结构16在基板12上的排布和相邻最近的两金属微结 构16的中心的距离(即两相邻最近的两圆环162的圆心的距离)等来获得对一定频段的 电磁波透过性好、反射小的超材料片层10。
[0030]实际制作时，我们可选取两块由前述材料制成的基板，一般为PCB层压板，在其中 一块PCB层压板的一表面喷砂，并在其上覆上金属箔如铜箔，然后通过化学蚀刻该表面的 金属箔而形成所述多个金属微结构16，将另一块没有金属箔的PCB层压板压合在所述形成 有多个金属微结构16的PCB层压板上，且让所述多个金属微结构16位于所述两PCB层压 板之间，从而制得所述超材料片层10。另外，所述多个金属微结构16也可采用光刻、钻刻、 电子刻、离子刻或者电镀等方式形成。[0031]根据实际需要，所述超材料板材可包括多层所述超材料片层10，且这些超材料片 层10既可沿垂直于片层表面的方向直接前、后表面相粘接而叠加在一起，也可将这些超材 料片层10等间距地排列组装在一起。
[0032]为了验证所述超材料片层10的电磁性能，以下我们以一个超材料单元18为样品 进行仿真测试。在所述超材料单元18中，其长度和宽度均等于10mm(即图3中的LI = IOmm,而相邻最近的两金属微结构16的中心的距离为IOmm);所述基板12由ABS (其相对介 电常数er为2.8 (8?18GHz)、损耗角正切tand为0.01 (8?18GHz))制成，厚度为2mm: 所述金属微结构16由铜制成(也即所述结构层14由铜箔制成)，其圆环162的外圆的直 径2R为9.6mm、两第二金属直线段166的长度L2均为1mm、两第二金属直线段166的距离 D为3.8mm、圆环162和两第一、第二金属直线段164、166的宽度W均等于0.1mm、厚度均为
0.0lSmm0经仿真获得，所述样品和相同尺寸的纯ABS单元块的反射系数与透射系数随电磁 波的频率变化的比较图分别如图4和图5所示。由图可知，大致在7.1-8.5GHz频段，所述 样品的透射系数S2均大于纯ABS单元块的透射系数S21、而反射系数SI则均小于纯ABS 单元块的反射系数S11，也即所述超材料片层10的透波性能不仅优于纯ABS，且反射小于纯 ABS0由此可见，本发明超材料板材由于在两基板之间设置了具有一定几何形状和尺寸的超 材料金属微结构而使其对电磁波的反射变小、透波性能提高，从而具有较好的电磁性能。
[0033]此外，所述超材料片层10根据实际需要可做成任意性形状。如可通过热压平板状 超材料片层10或者将多块平板型超材料片层10拼接在一起而形成呈弯曲、球形等各种形 状的超材料板材，亦可使用软性的基板12来制得所述超材料片层10，以便制造呈任意形状 的超材料板材。
[0034]请参考图6，为本发明超材料天线罩和天线系统。所述天线系统20包括天线22和 用于保护所述天线22的超材料天线罩24。所述天线22可以是贴片天线、缝隙天线、微带天 线等任意类型的天线，也可以是由上述天线组成的天线阵，其馈电方式可以是同轴线、缝隙 耦合、微带线等。所述超材料天线罩24包括呈圆形的固定框242和固定于所述固定框242 一侧的超材料板材244。所述超材料板材244位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的 传播方向上，同本发明超材料板材，不再赘述。所述超材料天线罩24可根据实际需要做成 任意形状，如做成与天线共形的形状，本实施方式中，所述超材料天线罩24大致呈圆盖形， 并通过超声焊接的方法结合于所述固定框242上。且根据所述超材料天线罩24承重的需 要，可通过叠加多层超材料片层来增强其机械强度，使其更坚固耐用。由上可知，本发明超 材料天线罩和天线系统对应一定的工作频段具有良好的透波性能，且反射小，对天线的自 由空间能量分布改变小，可维持天线的原有增益，主瓣电轴偏移小，可保证其方向图主瓣形 态。
[0035]此外，为了防止外界的恶劣环境对所述超材料天线罩20的侵害，可在所述固定框 242和超材料板材244的内、外表面涂上防护层，如环氧改性有机硅树脂涂料，防止酸雨等 的腐蚀和增强其耐磨性。
[0036]以上所述仅是本发明的若干【具体实施方式】和/或实施例，不应当构成对本发明的 限制。对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做 出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种超材料板材，包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括两结合在一起的基 板和置于所述两基板之间的结构层，所述结构层包括多个金属微结构，每一金属微结构包 括一圆环、两连接于所述圆环且位于所述圆环的同一直径方向上的第一金属直线段和两分 别垂直地连接于所述两第一金属直线段且相互平行的第二金属直线段，所述两第一金属直 线段分别连接于相应第二金属直线段的中点。
2.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，所述多个金属微结构的几何形状 和尺寸均相同并呈阵列排布，各个金属微结构的两第一金属直线段的延伸方向相同。
3.根据权利要求2所述的超材料板材，其特征在于，相邻最近的两圆环的圆心的距离 均相等，均为9.9?10.4mmn
4.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，每一金属微结构的圆环的外圆的 直径均相等，均为9.3?9.7mm。
5.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，每一金属微结构的两第二金属 直线段的长度均相等，均为0.8?1.3mm、两第二金属直线段的距离均相等，均为3.7?4.1mnin
6.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，每一金属微结构的圆环和两第一 金属直线段、第二金属直线段的宽度均相等，均为0.08?0.11_。
7.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，相邻最近的两圆环的圆心的距 离等于IOmm ;每一金属微结构的圆环的外圆的直径为9.6mm、两第二金属直线段的长度 均为1mm、两第二金属直线段的距离为3.8mm、圆环和两第一、第二金属直线段的宽度均为 0.1mm、厚度均为0.018mm:所述两基板的厚度均为2mm。
8.根据权利要求1所述的超材料板材，其特征在于，所述基板均由丙烯腈-丁二烯-苯 乙烯共聚物(ABS)制成；所述金属微结构由铜制成。
9.一种超材料天线罩，其特征在于，所述超材料天线罩由权利要求1-8中任一项所述 的超材料板材制成。
10.一种天线系统，包括天线，其特征在于，所述天线系统还包括设置于所述天线接收 和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩是权利要求9中所 述的超材料天线罩。
【文档编号】H01Q1/42GK103579772SQ201210268771
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月31日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】刘若鹏, 赵治亚, 法布里齐亚·盖佐, 易翔 申请人:深圳光启创新技术有限公司