专利名称：超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料及由其制成的超材料天线罩和天线系统，更具体地说，涉及一种设计新颖的超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线系统。
背景技术：
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材料。当前，人们在基板上周期性地排列具有一定几何形状的 人工微结构来形成超材料。由于可以利用人工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。特别是可将超材料制作成具有良好透波性能的透波材料，并用来制作天线罩方面已有相当研究。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，但由于其波阻抗与空气的波阻抗不同，电磁波在空气与天线罩之间传播时会发生反射，从而降低了天线的辐射效率和增益，严重影响天线的电磁性能。此外，有时需要天线罩具有频率选择(简称为“频选”)特性，而传统材料在制作上较复杂，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种既具有良好的电磁性能又具有频选特性的超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种超材料频选表面，其包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括第一结构层、两分别覆盖于所述第一结构层的两相对表面的介质层和两分别覆盖于所述两介质层外表面的第二结构层，所述第一结构层包括多个呈阵列排布的呈十字形的第一金属微结构，每一第二结构层包括多个呈阵列排布的呈口字形的第二金属微结构，所述第一结构层的第一金属微结构与所述两第二结构层的第二金属微结构——对应且中心对齐。优选地，每个第一金属微结构包括相互正交的两金属线段，每一金属线段包括中间段和两分别自所述中间段的两端延伸形成的延长段，所述两金属线段的中间段相交于彼此的中点，该中点即为相应第一金属微结构的中心。优选地，每个第一金属微结构的四个延长段分别与相邻的四个第一金属微结构的一延长段相连接。优选地，每个第一金属微结构的两金属线段的长度相等，均为10. 7 11. 4mm，所述两金属线段的中间段的长度相等，均为2. 63 2. 81mm ;所述两金属线段的中间段的宽度相等，均为O. 17 O. 24mm ;所述两金属线段的延长段的宽度相等，均为O. 08 O. 13mm。
优选地，每个第二金属微结构包括四条两两垂直地相连接的金属线段，所述四条金属线段的长度相等，均为O. 53 O. 61mm ;所述四条金属线段的宽度相等，均为O. 06 O. 12。优选地，所述两介质层的厚度为I. 7 2. 2mm。优选地，每个第一金属微结构的两金属线段的长度为11mm，每一金属线段的中间段的长度为2. 75mm、宽度为O. 2mm,每一金属线段的延长段的宽度为O. Imm ;每个第二金属微结构的四条金属线段的长度均为O. 55_、宽度均为O. Imm ;所述金属线段的厚度为O. 018mm ;所述两介质层的厚度均为2mm。优选地，所述两介质层由聚四氟乙烯(F 4B)制成；所述第一金属微结构和第二金属微结构均由铜制成。一种超材料频选天线罩，其包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括第一结构层、两分别覆盖于所述第一结构层的两相对表面的介质层和两分别覆盖于所述两介质层外表面的第二结构层，所述第一结构层包括多个呈阵列排布的呈十字形的第一金属微结构，每一第二结构层包括多个呈阵列排布的呈口字形的第二金属微结构，所述第一结构层的第一金属微结构与所述两第二结构层的第二金属微结构一一对应且中心对齐。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频选天线罩，所述超材料频选天线罩包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括第一结构层、两分别覆盖于所述第一结构层的两相对表面的介质层和两分别覆盖于所述两介质层外表面的第二结构层，所述第一结构层包括多个呈阵列排布的呈十字形的第一金属微结构，每一第二结构层包括多个呈阵列排布的呈口字形的第二金属微结构，所述第一结构层的第一金属微结构与所述两第二结构层的第二金属微结构一一对应且中心对齐。本发明的超材料频选表面及由其制成的超材料频选天线罩和天线系统具有以下有益效果由于其采用了两介质层和一一对应地阵列于其两相对表面的多个金属微结构的多层整体结构设计，不仅可保持其结构的完整性，而且在一定的超宽频段内对电磁波的反射小、透射效率高，从而具有良好的透波性能，且同时可抑制此频段外的电磁波，过滤掉杂波，减小了杂波干扰，亦具有频选特性。
下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步说明。图I是本发明超材料频选表面的一个超材料片层的立体结构示意图；图2是图I中的超材料片层的第一结构层的平面示意图；图3是用于构成图2中的第一结构层的一个金属微结构的放大示意图；图4是图I中的超材料片层的第二结构层的平面示意图；图5是用于构成图4中的第二结构层的一个金属微结构的放大示意图；图6和图7分别是图I中所示的一个超材料单元样品的反射系数Sll和透射系数S21随电磁波的频率变化的响应曲线图；图8是本发明超材料频选天线罩和天线系统的示意图。图中各标号对应的名称为10超材料片层、12第一结构层、122、162金属微结构、124、164金属线段、126中间段、128延长段、14介质层、16第二结构层、18超材料单元、20天线系统、22天线、24超材料
频选天线罩
具体实施例方式本发明中的“表面”、“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“表面”、“片层”、“板”、“层”均以平面示意。如图I所示，本发明超材料频选表面包括至少一超材料片层10，所述超材料片层10是一多层结构,其包括第一结构层12、两分别覆盖于所述第一结构层12的两相对表面的介质层14和两分别覆盖于所述两介质层14外表面的第 二结构层16。所述两介质层14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。所述两介质层14的厚度既可相等,也可不等，本实施方式中，所述两介质层14的厚度相等，均为I. 7 2. 2mm。请参考图2，所述第一结构层12包括多个呈阵列排布的呈十字形的金属微结构122，如图中位于由虚线形成的网格内的图案。每个金属微结构122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。由于本实施方式中，所述多个金属微结构122的几何形状和尺寸均相同，故以下以一个金属微结构122为例进行说明。如图3所示，所述金属微结构122由具有扁平状截面的金属线段构成，其包括相互正交的两金属线段124，所述两金属线段124的长度相等，均为LI，LI = 10. 7 11. 4。每一金属线段124包括中间段126和两分别自所述中间段126的两端延伸形成的延长段128。所述两金属线段124的中间段126垂直地相交于彼此的中点，即形成所述金属微结构122的中心。所述两金属线段124的中间段126的宽度相等，均为W1，W1 = O. 17 O. 24mm ;所述两金属线段124的中间段126的长度相等，均为L2，L2 = 2. 63 2. 81mm。所述两金属线段124的延长段128的宽度相等，均为W2，W2 = O. 08 O. 13mm。本实施方式中，所述两金属线段124的中间段126的宽度Wl等于其延长段128的宽度的两倍，即2XW2 ;所述两金属线段124的中间段126和延长段128的厚度相等，均为O. 016 O. 019mm。由上可知，所述金属微结构122以垂直于其所在的平面并通过其中心的直线为轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度或360度后均可与初始位置的金属微结构122重合。所述多个金属微结构122阵列排布在一起时，让任一金属微结构122的四个延长段128分别与位于其周围的四个金属微结构122的一延长段128相连接，即构成如图2所示的网格图。请参考图4，每一第二结构层16亦包括多个呈阵列排布的呈口字形的金属微结构162，如图中位于由虚线形成的网格内的图案。同前，每个金属微结构162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。由于本实施方式中，所述多个金属微结构162的几何形状和尺寸均相同，故以下以一个金属微结构162为例进行说明。如图5所示，所述金属微结构162由具有扁平状截面的金属线段构成，其包括四条两两垂直地相连接的金属线段164，从而形成呈口字形的形状。所述四条金属线段164的长度相等，均为L3，L3 = O. 53 O. 61mm，其宽度亦相等，均为W3，W3 = O. 06 O. 12mm。本实施方式中，所述四条金属线段164的宽度等于所述两金属线段124的延长段128的宽度；所述四条金属线段124的厚度相等，均为O. 016 O. 019mm。所述两第二结构层16上的金属微结构162 —一对应，且所述两第二结构层16上的任两对应的金属微结构162正对所述第一结构层12上的一个金属微结构122，也即，所述两第二结构层16上的任两对应的金属微结构162的中心重合，并与所述第一结构层12上的对应金属微结构122的中心重合，从而构成一个金属微结构组。将每一金属微结构组及其所在的介质层14部分称为一个超材料单元18，则所述超材料片层10便可看作是由多个所述超材料单元18阵列而成，如图I所示。由此可见，对应的金属微结构122、162的中心与其所在的超材料单元18的中心重合，且所述超材料单元18的长度与宽度相等，均等于LI。一般，所述金属微结构122、162的几何尺寸(可对应于每个超材料单元18的长度与宽度)与根据需要而设定响应的电磁波波长有关。设计时，选用不同的材料来制作所述金属微结构122、162和不同厚度的介质层14，并调节所述金属微结构122的金属线段124的长度LI及其中间段126的宽度W1、长度L2和延长段128的宽度W2，以及所述金属微结构162的金属线段164的长度L3、宽度W3和所述金属线段124、164的厚度等来获得对特定频段的电磁波具有较高传输效率的超材料片层10。实际制作时，我们可选取两双面均覆有金属箔的如PCB层压板等介质基板作为所述两介质层14，在其中一块PCB层压板的一侧金属箔上通过蚀刻形成所述多个呈阵列排布的金属微结构122，从而形成所述第一结构层12，在其另一侧金属箔上通过蚀刻形成所述多个呈阵列排布的金属微结构162，从而形成一所述第二结构层16，且让所述第一结构层12和第二结构层16上的任一金属微结构122、162 —一对应。而在另一块PCB层压板的一侧金属箔上通过蚀刻形成所述多个呈阵列排布的金属微结构162，从而形成另一所述第二结构层16，并将其另一侧的金属箔蚀刻掉。这时，将所述两PCB层压板叠加在一起，让所述PCB层压板上形成有金属微结构122的侧面与另一块PCB层压板上无金属箔的一侧贴合，且所述第一结构层12和所述另一第二结构层16上的任一金属微结构122、162 —一对应，即制得所述超材料片层10。具体蚀刻金属箔时可采用光刻、钻刻、电子刻或者离子刻等方式形成所述多个金属微结构122、162。此外，也可使用电镀的方式形成所述多个金属微结构122、162 ;所述超材料片层10也可利用一块双面均覆有金属箔的PCB层压板和另一块单面覆有金属箔的PCB层压板制成。为了验证所述超材料片层10的响应特性，以下我们以一个超材料单元18为例来进行仿真测试。在所述超材料单元18中，其长度和宽度均等于11mm。所述两介质层14由F4B制成，厚度均为2_。所述第一结构层12、两第二结构层16由铜箔经光刻而成，其厚度均为O. 018_，也即，所述金属微结构122、162由铜制成，所述金属线段124、164是铜线，其厚度均为O. 018mm。每个金属微结构122的两金属线段的长度LI为11mm，即等于其所在的超材料单元18的长度和宽度，所述两金属线段124的中间段126的宽度Wl为O. 2_、长度L2为2. 75mm,每一金属线段124的延长段128的宽度W2为O. lmm。每个金属微结构162的四条金属线段164的长度L3为O. 55mm、宽度W3为O. lmm。经仿真获得所述超材料单元18样品的反射系数Sll和透射系数S21随电磁波的频率变化的响应曲线分别如图6和图7所示。由图可知，大致在5 18GHz的超宽频段内，所述样品的反射系数Sll介于-10 _57dB之间、透射系数S21小于-O. 5dB，也即对电磁波的反射小、透波率高，且谐波含量小，同时可抑制此频段之外的电磁波，过滤掉杂波，减小了杂波干扰，从而具有频选特性。由上可知，本发明超材料频选表面米用了两介质层14和对应地阵列于其两相对表面的多个金属微结构122、162的多层整体结构设计，不仅可保持其结构完整性，而且在超宽频段内对电磁波的反射小、透射效率高，从而提高了其透波性能，达到了机械性能和电气性能的完美统一。由于所述两介质层14采用低介电 常数、低损耗角正切的F4B制成，并通过光刻形成金属微结构122、162，工艺简单、制造成本低，并可通过调节所述两介质层14和金属微结构122、162的厚度来改变所述超材料片层10的厚度，以减小插入损耗和回波损耗，这样可进一步提高电磁波的传输效率。另外，根据实际需要，所述超材料频选表面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。请参考图8，为本发明超材料频选天线罩和天线系统的示意图。所述天线系统20包括天线22和用于保护所述天线22的超材料频选天线罩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。所述超材料频选天线罩24至少有部分位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上，如图中所示的圆形盖。所述超材料频选天线罩24包括至少一个所述超材料片层10，其他同以上对所述超材料片层10的相关描述。而根据实际需要，所述超材料频选天线罩24可做成任意形状，如与所述天线22共形的形状，且可将多块平面或曲面的超材料片层10通过机械连接、焊接或粘合的方式拼接在一起而构成大型超材料天线罩，也可将多块平面或曲面的超材料片层10叠加在一起而形成更厚的机械强度更高的超材料频选天线罩。由上可知，本发明超材料频选天线罩和天线系统不仅在超宽频段内具有较高的传输效率，且可适用于透射任意极化类型的电磁波，而且对于不同的入射角，其电磁性能较稳定。此外，为了保护所述超材料频选天线罩24，可在其表面上涂覆防酸、防腐、防紫外线、耐磨损、抗冲击、抗热应力等的保护层。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
1.一种超材料频选表面，其特征在于，所述超材料频选表面包括至少一超材料片层，所述超材料片层包括第一结构层、两分别覆盖于所述第一结构层的两相对表面的介质层和两分别覆盖于所述两介质层外表面的第二结构层，所述第一结构层包括多个呈阵列排布的呈十字形的第一金属微结构，每一第二结构层包括多个呈阵列排布的呈口字形的第二金属微结构，所述第一结构层的第一金属微结构与所述两第二结构层的第二金属微结构一一对应且中心对齐。
2.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，每个第一金属微结构包括相互正交的两金属线段，每一金属线段包括中间段和两分别自所述中间段的两端延伸形成的延长段，所述两金属线段的中间段相交于彼此的中点，该中点即为相应第一金属微结构的中心。
3.根据权利要求2所述的超材料频选表面，其特征在于，每个第一金属微结构的四个延长段分别与位于其周围的四个第一金属微结构的一延长段相连接。
4.根据权利要求2所述的超材料频选表面，其特征在于，每个第一金属微结构的两金属线段的长度相等，均为10.7 11. 4_，所述两金属线段的中间段的长度相等，均为2.63 2. 81mm ;所述两金属线段的中间段的宽度相等,均为0. 17 0. 24mm ;所述两金属线段的延长段的宽度相等，均为0. 08 0. 13mm。
5.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，每个第二金属微结构包括四条两两垂直地相连接的金属线段，所述四条金属线段的长度相等，均为0. 53 0. 61mm ;所述四条金属线段的宽度相等，均为0. 06 0. 12。
6.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，所述两介质层的厚度为I.7 2.2mmo
7.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，每个第一金属微结构的两金属线段的长度为11mm，每一金属线段的中间段的长度为2. 75mm、宽度为0. 2mm,每一金属线段的延长段的宽度为0. Imm ;每个第二金属微结构的四条金属线段的长度均为0. 55mm、宽度均为0. Imm ;所述金属线段的厚度为0. 018mm ;所述两介质层的厚度均为2mm。
8.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，所述两介质层由聚四氟乙烯(F4B)制成；所述第一金属微结构和第二金属微结构均由铜制成。
9.一种超材料频选天线罩，其特征在于，所述超材料频选天线罩由权利要求1-8中任一项所述的超材料频选表面制成。
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频选天线罩，所述超材料频选天线罩是权利要求9中所述的超材料频选天线罩。
全文摘要
本发明涉及一种超材料频选表面，其包括一超材料片层，所述超材料片层包括第一结构层、两分别覆盖于所述第一结构层的两相对表面的介质层和两分别覆盖于所述两介质层外表面的第二结构层，所述第一结构层包括多个呈阵列排布的呈十字形的第一金属微结构，每一第二结构层包括多个呈阵列排布的呈口字形的第二金属微结构，所述第一结构层的第一金属微结构与所述两第二结构层的第二金属微结构一一对应且中心对齐，该多层结构设计不仅可保持结构完整性，而且在一定的超宽频段内对电磁波的反射小、透射效率高，而具有良好的透波性能，同时可抑制此频段外的电磁波，具有频选特性。本发明还涉及一种由此种超材料频选表面制成的超材料频选天线罩和天线系统。
文档编号H01Q15/12GK102820545SQ20121026884
公开日2012年12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, 方小伟, 佩尔·马宗达 申请人:深圳光启创新技术有限公司