一种立体超材料微结构及天线单元的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种立体超材料微结构及天线单元，所述立体超材料微结构包括介质层、第一微结构层和第二微结构层，所述第一微结构层和第二微结构层分别位于所述介质层的不同平面，所述第一微结构层和第二微结构层通过金属化过孔电连接，所述金属化过孔穿过所述介质层。本立体超材料微结构可以对任意方向的电磁波产生相应。
【专利说明】一种立体超材料微结构及天线单元
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及天线领域，具体涉及一种立体超材料微结构及天线单元。
【【背景技术】】
[0002]超材料(metamaterial)是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇,近年来经常出现在各类科学文献。超材料的三个重要特征包括:
[0003](I)超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；
[0004](2)超材料具有超常的物理性质(这种性质往往是自然界的材料中所不具备的)；
[0005](3)超材料的性质往往不决定于构成材料的本征性质，而主要决定于其中的人工结构。
[0006]超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布的材料，且该材料是一种具有特殊电磁效应的新型材料，其电磁效应的特征是由其人造微结构的特征所决定。现有的超材料通常包括基材及附着在基材上的人造微结构。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
[0007]超材料的一种特性表现为对电磁波的调制现有的超材料微结构。而现有的超材料微结构往往只能对具有某一方向(平面法线方向)磁场分量的电磁波产生磁响应。
[0008]另外，现有的一些天线单元的轴比特性较差，不利于天线发送接收信号。
【
【发明内容】
】
[0009]本实用新型的其中一个目的，是为了提供了可以对多个方向或任意方向的电磁波产生响应的立体超材料微结构。
[0010]本实用新型的另一个目的，是为了提供一个轴比特性较好的天线单元，以提升天线单元接收发送信号的性能。
[0011]—种立体超材料微结构，包括介质层、第一微结构层和第二微结构层，所述第一微结构层和第二微结构层分别位于所述介质层的不同表面，所述第一微结构层和第二微结构层通过金属化过孔电连接，所述金属化过孔穿过所述介质层。
[0012]在一个实施例中，
[0013]所述第一微结构层包括相连的第一微结构棱和第二微结构棱，所述第二微结构层包括相连的第三微结构棱和第四微结构棱；
[0014]所述第一微结构棱的第一端通过第一金属化过孔与第三微结构棱的第一端连接，所述第二微结构棱的第一端通过第二金属化过孔与第四微结构棱的第一端连接，所述第一微结构棱的第二端与所述第二微结构棱的第二端连接，所述第三微结构棱的第二端与第四微结构棱的第二端连接。在一个实施例中，
[0015]包括第一开口谐振环和第二开口谐振环，所述介质层的形状是立方体，所述第一微结构层和第二微结构层分别位于所述介质层的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面平行；
[0016]所述第一开口谐振环包括依次连接的第一谐振环第一边、第一谐振环第二边、第一谐振环第三边、第一谐振环第四边和第一谐振环第五边，所述第一谐振环第一边和第一谐振环第五边属于所述第一微结构层，第一谐振环第三边属于所述第二微结构层，所述第一谐振环第二边和第一谐振环第四边属于所述金属化过孔，所述第一谐振环第一边与第一谐振环第五边是所述第一开口谐振环的两个开口边；
[0017]所述第二开口谐振环包括依次连接的第二谐振环第一边、第二谐振环第二边、第二谐振环第三边、第二谐振环第四边和第二谐振环第五边，所述第二谐振环第一边和第二谐振环第五边属于所述第一微结构层，第二谐振环第三边属于所述第二微结构层，所述第二谐振环第二边和第二谐振环第四边属于所述金属化过孔，所述第二谐振环第一边与第二谐振环第五边是所述第一开口谐振环的两个开口边；
[0018]所述第一谐振环第三边与第二谐振环第三边电连接。
[0019]在一个实施例中，
[0020]所述第一谐振环第四边与第二谐振环第四边相垂直。
[0021]在一个实施例中，
[0022]所述第一开口谐振环和第二开口谐振环是矩形开口谐振环。
[0023]基于前述目的，本实用新型还提供了一种天线单元。
[0024]一种天线单元，包括天线接地层、天线介质层以及多个天线，还包括所述的立体超材料微结构，所述立体超材料微结构、多个天线设置在所述天线介质层的第一表面，所述立体超材料微结构位于所述多个天线之间，所述接地层设置在与所述天线介质层的与所述第一表面相对的第二表面。
[0025]在一个实施例中，
[0026]采用任一所述的立体超材料微结构。
[0027]在一个实施例中，
[0028]所述多个天线的个数是4个，4个天线位于一个矩形的四个角上，所述立体超材料微结构设置于所述矩形的中心。
[0029]在一个实施例中，
[0030]所述第一谐振环第三边位于所述矩形的第一中线上，所述第二谐振环第三边位于所述矩形的第二中线上。
[0031]在一个实施例中，
[0032]所述天线是圆极化天线。
[0033]本立体超材料微结构，不仅可以对多个方向或任意方向的电磁波产生响应，并且加工简单；另外，通过在多个天线之间增加所述的立体超材料微结构，整个天线单元的轴比特性得到提升，尤其是在45°以上的轴比特性(大角度轴比特性)提升更为明显。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0034]图1是本实用新型一种实施例的立体超材料微结构结构示意图；
[0035]图2是本实用新型另一种实施例的立体超材料微结构结构示意图；
[0036]图3是本实用新型一种实施例的天线单元的结构示意图；
[0037]图4是本实用新型一种实施例的天线单元的45°方向图的轴比曲线图。
【【具体实施方式】】
[0038]以下对实用新型的较佳实施例作进一步详细说明。
[0039]实施例1
[0040]如图1所不,一种实施例的立体超材料微结构,包括介质层1、第一微结构棱21、第二微结构棱22、第三微结构棱23、第四微结构棱24、第一金属化过孔25、第二金属化过孔26。
[0041]其中，第一微结构棱21和第二微结构棱22构成第一微结构层,位于介质层I的第一表面11，第三微结构棱23和第四微结构棱24构成第二微结构层,位于介质层I的第二表面12，第一表面11和第二表面12相平行，第一微结构棱21的第一端通过穿过介质层I的第一金属化过孔25与第三微结构棱23的第一端电连接，第二微结构棱22的第一端通过穿过介质层I的第二金属化过孔26与第四微结构棱24的第一端电连接,第一微结构棱21、第二微结构棱22、第三微结构棱23、第四微结构棱24、第一金属化过孔25和第二金属化过孔26依次首位电连接，第一微结构棱21的第二端与第二微结构棱22的第二端连接，第三微结构棱23的第二端与第四微结构棱24的第二端连接，这六个部件可以分别位于一个立方体的第一棱、第二棱、第三棱、第四棱、第五棱和第六棱上。
[0042]第一微结构棱21和第二微结构棱22可以是在介质层I的第一表面11上形成的导电层，例如金属或者导电油墨等，同样，第三微结构棱23和第四微结构棱24可以是在介质层I的第二表面12上形成的导电层。第一金属化过孔25和第二金属化过孔26则可以是在介质层I的过孔上形成金属导电柱。
[0043]本实施例的立体超材料微结构在X，y, z方向上的投影面积都不为零，即该结构可对任意方向的电磁波产生磁响应，并且容易加工。
[0044]实施例2
[0045]如图2所示，一种实施例的立体超材料微结构，包括第一开口谐振环、第二开口谐振环、呈立方体形状的介质层I。
[0046]所述第一开口谐振环包括依次连接的第一谐振环第一边31、第一谐振环第二边32、第一谐振环第三边33、第一谐振环第四边34和第一谐振环第五边35，第一谐振环第一边31和第一谐振环第五边35属于位于介质层I的第一表面11的第一微结构层，第一谐振环第三边33位于介质层I的第二表面12，第一表面11与第二表面12相平行，第一谐振环第二边32和第一谐振环第四边34属于金属化过孔，该金属化过孔穿过介质层1，第一谐振环第一边31与第一谐振环第五边35是所述第一开口谐振环的两个开口边；
[0047]所述第二开口谐振环包括依次连接的第二谐振环第一边41、第二谐振环第二边42、第二谐振环第三边43、第二谐振环第四边44和第二谐振环第五边45，所述第二谐振环第一边41和第二谐振环第五边45属于第一表面11的所述第一微结构层，第二谐振环第三边43位于介质层I的第二表面12，所述第二谐振环第二边和42第二谐振环第四边44属于所述金属化过孔，所述第二谐振环第一边41与第二谐振环第五边45是所述第一开口谐振环的两个开口边；
[0048]第一谐振环第三边33与第二谐振环第三边43电连接，所两者可以相垂直，第一开口谐振环和第二开口谐振环可以是矩形开口谐振环。
[0049]第一谐振环第一边31、第一谐振环第五边35、第二谐振环第一边41和第二谐振环第五边45可以是在第一表面11上形成的金属层，第一谐振环第三边33与第二谐振环第三边43可以是在第二表面12形成的金属层,第一金属化过孔25和第二金属化过孔26则可以是在介质层I的过孔上形成金属导电柱。
[0050]实施例3
[0051]如图3所示,一种实施例的天线单元,包括天线接地层91、天线介质层9、立体超材料微结构以及多个天线:第一天线5、第二天线6、第三天线7和第四天线8，四个天线设置在天线介质层9的第一表面，天线接地层91设置在所述天线介质层9的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对，4个天线位于一个矩形或者正方形的四个角上，所述立体超材料微结构设置于所述矩形的中心，所述第一谐振环第三边位于所述矩形的第一中线上，所述第二谐振环第三边位于所述矩形的第二中线上。这些天线可以是圆极化天线。
[0052]天线5可以是贴片天线，其具有馈电端51。
[0053]如图4所示，对图3的天线单元进行仿真的得到的轴比曲线图(在方向图的45° (即正方形的对角线位置)上的轴比图)，其中，第一曲线LI表示图3的天线单元在没有加立体超材料微结构时的轴比曲线，第二曲线L2表示实施例3的天线单元的轴比曲线，从图4可以看出，在45°至100°和-45°至-100°，天线单元的轴比明显下降并且具有较低的轴比，因此，在实施例3的天线单元在较大角度上具有良好的轴比，本实施例2的立体超材料微结构非常适用于圆极化天线。
[0054]以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
【权利要求】
1.一种立体超材料微结构，其特征是:包括介质层、第一微结构层和第二微结构层，所述第一微结构层和第二微结构层分别位于所述介质层的不同表面，所述第一微结构层和第二微结构层通过金属化过孔电连接，所述金属化过孔穿过所述介质层。
2.如权利要求1所述的立体超材料微结构，其特征是: 所述第一微结构层包括相连的第一微结构棱和第二微结构棱，所述第二微结构层包括相连的第三微结构棱和第四微结构棱； 所述第一微结构棱的第一端通过第一金属化过孔与第三微结构棱的第一端连接，所述第二微结构棱的第一端通过第二金属化过孔与第四微结构棱的第一端连接，所述第一微结构棱的第二端与所述第二微结构棱的第二端连接，所述第三微结构棱的第二端与第四微结构棱的第二端连接。
3.如权利要求1所述的立体超材料微结构，其特征是:包括第一开口谐振环和第二开口谐振环，所述介质层的形状是立方体，所述第一微结构层和第二微结构层分别位于所述介质层的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面平行； 所述第一开口谐振环包括依次连接的第一谐振环第一边、第一谐振环第二边、第一谐振环第三边、第一谐振环第四边和第一谐振环第五边，所述第一谐振环第一边和第一谐振环第五边属于所述第一微结构层，第一谐振环第三边属于所述第二微结构层，所述第一谐振环第二边和第一谐振环第四边属于所述金属化过孔，所述第一谐振环第一边与第一谐振环第五边是所述第一开口谐振环的两个开口边； 所述第二开口谐振环包括依次连接的第二谐振环第一边、第二谐振环第二边、第二谐振环第三边、第二谐振环第四边和第二谐振环第五边，所述第二谐振环第一边和第二谐振环第五边属于所述第一微结构层，第二谐振环第三边属于所述第二微结构层，所述第二谐振环第二边和第二谐振环第四边属于所述金属化过孔，所述第二谐振环第一边与第二谐振环第五边是所述第一开口谐振环的两个开口边； 所述第一谐振环第三边与第二谐振环第三边电连接。
4.如权利要求3所述的立体超材料微结构，其特征是:所述第一谐振环第四边与第二谐振环第四边相垂直。
5.如权利要求3所述的立体超材料微结构，其特征是:所述第一开口谐振环和第二开口谐振环是矩形开口谐振环。
6.一种天线单元，包括天线接地层、天线介质层以及多个天线，其特征是，还包括如权利要求I所述的立体超材料微结构，所述立体超材料微结构、多个天线设置在所述天线介质层的第一表面，所述立体超材料微结构位于所述多个天线之间，所述接地层设置在与所述天线介质层的与所述第一表面相对的第二表面。
7.如权利要求6所述的天线单元，其特征是:采用如权利要求3-5任一所述的立体超材料微结构。
8.如权利要求7所述的天线单元,其特征是:所述多个天线的个数是4个,4个天线位于一个矩形的四个角上，所述立体超材料微结构设置于所述矩形的中心。
9.如权利要求8所述的天线单元，其特征是:所述的立体超材料微结构包括第一开口谐振环和第二开口谐振环，所述介质层的形状是立方体，所述第一微结构层和第二微结构层分别位于所述介质层的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面平行； 所述第一开口谐振环包括依次连接的第一谐振环第一边、第一谐振环第二边、第一谐振环第三边、第一谐振环第四边和第一谐振环第五边，所述第一谐振环第一边和第一谐振环第五边属于所述第一微结构层，第一谐振环第三边属于所述第二微结构层，所述第一谐振环第二边和第一谐振环第四边属于所述金属化过孔，所述第一谐振环第一边与第一谐振环第五边是所述第一开口谐振环的两个开口边； 所述第二开口谐振环包括依次连接的第二谐振环第一边、第二谐振环第二边、第二谐振环第三边、第二谐振环第四边和第二谐振环第五边，所述第二谐振环第一边和第二谐振环第五边属于所述第一微结构层，第二谐振环第三边属于所述第二微结构层，所述第二谐振环第二边和第二谐振环第四边属于所述金属化过孔，所述第二谐振环第一边与第二谐振环第五边是所述第一开口谐振环的两个开口边； 所述第一谐振环第三边与第二谐振环第三边电连接； 所述第一谐振环第三边位于所述矩形的第一中线上，所述第二谐振环第三边位于所述矩形的第二中线上。
10.如权利要求6-9任一所述的天线单元，其特征是:所述天线是圆极化天线。
【文档编号】H01Q19/02GK204011736SQ201420356579
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】不公告发明人 申请人:深圳光启高等理工研究院