超材料平板及其制备方法和超材料平板天线与流程

本公开涉及天线，尤其涉及平板天线。

背景技术：

平板天线是一种仅在一个特定的方向传播的天线。平板天线一般用在点对点的情形下，也被称为“贴片天线”。

在现有技术中，主要是通过相控阵天线来实现低副瓣平板天线的效果。相控阵天线通过控制阵列天线中的辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，比如实现低副瓣，实现波束扫描的效果。

但是相控阵天线有自己的缺陷。例如，相控阵天线的后部控制馈电相位的电路会使得损耗较大，并且相控阵天线造价非常昂贵。因而，需要一种经改进的平板天线。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本公开的第一方面，提供了一种超材料平板，包括：基板；形成在所述基板的上表面的金属微结构；以及形成在所述基板的下表面上的多个呈阵列排布的金属贴片，其中所述多个金属贴片彼此间隔设置。

根据本公开的一实施例，所述基板由上下两层基板构成，并且其中所述超材料平板还包括将上层基板和下层基板粘合在一起的低介电系数材料，并且其中所述金属微结构被形成在上层基板上且所述金属贴片被形成在下层基板上。在一示例中，该低介电系数材料是纸蜂窝、泡沫塑料等等中的一者或其组合。

根据本公开的另一实施例，所述金属微结构可以是两个嵌套在一起的空心 “十”字形金属环、平行金属线、金属折线、金属圆环、金属方环等等，或是以上各项的任何组合。

根据本公开的又一实施例，所述金属微结构和所述金属贴片以固定形状的晶格为单元来排布，其中所述金属微结构和所述金属贴片分别形成在所述晶格的上晶面和下晶面上。

根据本公开的又一实施例，所述晶格的尺寸是根据所需波段以及所需的电性能来确定的。

根据本公开的又一实施例，在每个固定形状的晶格中，所述金属微结构的尺寸、形状和排布以及所述金属贴片的尺寸和所述金属贴片之间的间隔是根据在该晶格处所需的相位和能量特性来确定的。

根据本公开的又一实施例，所述晶格是长方体晶格。

根据本公开的又一实施例，所述晶格的上晶面和下晶面是正方形晶面，且所述上晶面上形成有一个金属微结构，所述下晶面上形成有四个正方形金属贴片。

根据本公开的第二方面，提供了一种低副瓣超材料平板天线，包括：辐射体，以及根据本公开的第一方面的超材料平板，其中所述超材料平板的形成有所述金属微结构的表面被设置成面向所述辐射体的辐射方向。

根据本公开的又一方面，提供了一种制造超材料平板的方法，包括：提供基板；在所述基板的上表面上形成金属微结构；以及在所述基板的下表面上形成多个金属贴片，其中所述多个金属贴片彼此间隔设置。

根据本公开的一实施例，所述基板由上下两层基板构成，并且其中所述方法还包括使用纸蜂窝将上层基板和下层基板粘合在一起，并且其中所述金属微结构被形成在上层基板的上表面上且所述金属贴片被形成在下层基板的下表面上。

如此，本公开通过经由金属微结构以及背部金属贴片来改变电磁波经过超材料微结构发射后的能量和相位的分布，从而得到低副瓣超材料平板天线，而无需采用常规相控阵天线，降低了损耗和天线成本。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是根据本公开的一实施例的示例性超材料平板的示意图；

图2是根据本公开的另一实施例的示例性超材料平板的示意图；

图3是根据本公开的一实施例的示例性超材料平板天线的上视图、正视图、左示图以及平板背面的示意图；

图4是根据本公开的一实施例的示例性超材料平板天线的整体示意图；

图5是根据本公开的一实施例的超材料平板的一个晶格的示意图；

图6是根据本公开的一实施例的超材料平板天线的示例方向图；以及

图7是制造超材料平板的示例性方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

本申请发明人认识到，通过使用超材料微结构尺寸和形状的多样性，可以通过改变电磁波经过超材料微结构发射后的能量和相位的分布来得到低副瓣超材料平板天线，而无需采用相控阵天线。

图1示出了根据本公开的一实施例的示例性超材料平板的示意图100。如图1所示，该超材料平板包括三层：基板102，形成在基板102的上表面上的金属微结构层101，以及形成在所述基板的下表面上的金属贴片层104。根据本公开的一实施例，金属贴片层包括彼此由空隙分开的多个金属贴片。例如，多个金属贴片在基板102的下表面上彼此间隔设置。根据本公开的一实施例，基板102可以是本领域技术人员所知的各种基板，诸如硅(si)基板、玻璃基板、分层的硅-绝缘体-硅基板、砷化镓基板，等等。

图2是根据本公开的另一实施例的示例性超材料平板的示意图200。如图2所示，该超材料平板包括五层：基板202a，形成在基板202a的上表面上的金属微结构层201，基板202b，形成在基板202b的下表面上的金属贴片层204，以及粘合基板202a和202b的低介电系数材料203。

根据本公开的一实施例，低介电系数材料203具有合适的厚度以消除或降 低金属微结构与金属贴片之间的相互电磁干扰。根据本公开的一实施例，低介电系数材料203可以是纸蜂窝、泡沫塑料等等。在一示例中，低介电系数材料203是纸蜂窝；在该示例中，纸蜂窝可以提高超材料平板的平整度，从而改进超材料平板的性能。

下文将结合图1-6来描述本公开的一实施例的示例性超材料平板天线。图3是根据本公开的一实施例的示例性超材料平板天线的上视图、正视图、左示图以及平板背面的示意图。

如图3中的各个视图所示，该超材料平板天线包括了根据本公开的一实施例的超材料平板300以及辐射体305。

如图3中的上视图所示，超材料平板的正面301密布有多个金属微结构。根据本公开的一实施例，正面301例如可以是以上描述的图1的金属微结构层101或图2的金属微结构层201。

如图3中的背面示意图所示，超材料平板的背面304密布有多个金属贴片，其中该多个金属贴片彼此间隔设置，由一定的缝隙来分开。根据本公开的一实施例，背面304可以是以上描述的图1的金属贴片层104或图2的金属贴片层204。

图4是根据本公开的一实施例的超材料平板天线的整体示意图。如图4所示，该超材料平板天线包括辐射体401和超材料平板402。

在该示例中，金属微结构被形成在超材料平板402的正面，如图4中正面的局部放大部分403更清楚地示出的。本领域技术人员将明白，虽然图4在403处将金属微结构示为两个嵌套在一起的空心十字形金属环，但金属微结构可以是任何合适的形式，如两条或更多条平行金属线、一个或多个金属折线、金属圆环、金属方环、任何其他形式的金属环，等等。此外，在该示例中，金属贴片被形成在超材料平板401的背面，如404处示出的。

根据本公开的一实施例，整个超材料平板是金属微结构和金属贴片以固定形状的晶格为单元来排布形成的。晶格可以是任何合适的形状，如长方体、六方体、圆柱体等等。例如，根据本公开的一实施例，晶格是长方体晶格的形式，其中该晶格的上晶面和下晶面分别在超材料平板的正面和背面上且具有正方形的形状。另外，如图4在404处所示，该长方体晶格在下晶面(即，背面)上具有由空隙分开的四个正方形金属贴片。

根据本公开的一实施例，晶格的尺寸是根据所需波段以及所需的电性能来确定的。例如，根据本公开的一实施例，可以采用上下晶面均为12mm正方形的长方体晶格。在每个晶格中，金属微结构的尺寸、形状和排布以及金属贴片的尺寸和它们之间的缝隙是根据在该晶格处所需的相位和能量特性来确定的。换言之，超材料平板由各个晶格彼此排列在一起来形成，但每个晶格的金属微结构和金属贴片是根据各自所在的位置处的相位和能量特性来确定的。

例如，不同低副瓣效果需要不同的能量分布。根据所需目标低副瓣，可以计算出所需能量分布。从而，根据会聚到馈源所需相位以及所需能量分布选取合适的金属微结构的形状、尺寸以及背部金属贴片的尺寸、缝隙宽度(即，间隔的大小)，由此确定超材料平板的晶格排布。

根据本发明的一实施例的超材料平板的一个晶格的示意图在图5中示出。如图5所示，该示例超材料平板晶格是长方体。然而，本领域技术人员将明白，晶格可以是各种合适的形状。在图5所示的实施例中，超材料平板晶格的正面形成有金属微结构501；超材料平板的背面形成有金属贴片502。例如，图5示出了该晶格的上下晶面503、504都是正方形。在图5的示例中，上晶面503(即，正面)上形成的金属微结构501是两个嵌套在一起的空心“十”字形金属环，且下晶面504(即，背面)上形成有四个正方形金属贴片502，并且这些金属贴片由“十”字形缝隙505分开。根据本公开的一实施例，金属微结构501和金属贴片502的材料是相同的。根据本公开的另一实施例，金属微结构501和金属贴片502的材料是铜。

如图5所示，该示例超材料平板晶格还包括了纸蜂窝506。其中，上晶面503和下晶面504分别是形成有金属微结构501和金属贴片502的基板，并且它们由纸蜂窝506结合在一起。根据本公开的一实施例，纸蜂窝506(例如，可以是图2的纸蜂窝203)具有合适的厚度以消除或降低金属微结构501与金属贴片502之间的相互电磁干扰。同时，纸蜂窝506还能提高超材料平板的平整度，从而改进超材料平板的性能。

然而，本领域技术人员将明白，图4-5中所示出的金属微结构和背面金属贴片仅是出于说明性的目的而示出的。金属微结构可以是任意数量且可采取各种其他的结构，如直线、折线、曲线、矩形、圆形、嵌套环形等等各种形状。金属贴片也可以采取各种其他配置，如4个圆形贴片、1个或9个矩形贴片以 及其他数量或形状的金属贴片。

在图4所示的超材料平板天线中，由于超材料平板的背面金属贴片之间存在缝隙(即，间隔)，使得部分电磁波能够透过，从而使超材料平板反射的电磁波能量减少，并进而使得超材料平板所反射的能量变化范围变大(例如，通过控制金属微结构以及金属贴片的相应尺寸和排布，电磁波反射可达10％～100％，对应于相控阵雷达矩阵所需的-20到0db的能量分布变化范围)。如此，根据模仿低副瓣相控阵天线所需要的相位和幅度，可以计算出微结构和贴片的分布，进而得到所需的不同相位和幅度，从而实现低副瓣平板天线的效果，而无需相控阵天线。

例如，根据本公开的一实施例的超材料平板天线的示例方向图在图6中示出。如图6所示，在12ghz下，本公开的超材料平板天线的第一副瓣基本在-28db以下，达到相控阵天线所能达到的副瓣效果。

图7是根据本公开的一实施例的制造超材料平板的方法的流程图700。

如图所示，该方法在710处开始，在此，提供基板。例如，可提供图1的基板102。作为另一示例，可提供图2的基板202a。

在步骤720，在基板的上表面上形成金属微结构。例如，可在图1的基板102上形成金属微结构层101。

在步骤730，在基板的下表面上形成多个金属贴片，其中所述多个金属贴片彼此间隔设置。基板下表面是基板的上表面相对的表面。

另选地，根据本公开的一实施例，在步骤710处提供的基板是包括第一基板和第二基板，并且其中在步骤720将金属微结构形成在基板的上表面包括将将金属微结构形成在第一基板的上表面且在步骤730将金属贴片形成在基板的下表面包括将金属贴片形成在第二基板的下表面。在该实施例中，方法700进一步包括使用纸蜂窝将第一基板和第二基板粘合在一起的步骤。如图2所示，基板202a粘合到纸蜂窝203上，且基板202b与基板202a相对地粘合到纸蜂窝203上。

本领域技术人员可以理解，上述各步骤的操作顺序只是出于示例的目的给出的，各步骤可以按各种合适的次序来执行。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公 开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。