微波超材料的制作方法

本发明涉及微波材料技术领域，特别是涉及一种微波超材料、天线罩、天线装置、涂层及可移动工具。

背景技术：

超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料中的微结构，大小尺度通常小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。

微波超材料可以对微波的偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的进行灵活有效调控。特别地是，通过在微波超材料的表面引入梯度变化的透反射相位后，该微波超材料可以随意地控制透反射微波的波前，从而实现微波偏折、电磁波汇聚、降低雷达散射截面等。

然而，发明人发现，利用传统的微波超材料对微波的反射波的波前进行调控时，往往透射波的波前也会发生相应的扰动，从而无法使透射波保持入射波的波前信息。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的微波超材料难以独立地调控微波反射波波前的问题，提供一种改进的微波超材料。

一种微波超材料，包括：

基板，包括多个第一透波区域和多个第二透波区域，所述第一透波区域和所述第二透波区域均具有微波入射部和微波出射部；

第一组主金属图案，设于所述多个第一透波区域的微波入射部，所述第一组主金属图案包括多个主金属图案，每一所述主金属图案均对应与一个所述第一透波区域形成第一透波单元；以及，

第二组主金属图案，设于所述多个第二透波区域的微波出射部，所述第二组主金属图案包括多个主金属图案，每一所述主金属图案均对应与一个所述第二透波区域形成第二透波单元；

所述第二透波单元和所述第一透波单元无序分布，且关于与所述微波超材料入射面平行的面镜面对称。

上述微波超材料，通过使所述第一透波单元和所述第二透波单元无序分布，可以使微波入射至该微波超材料时反射波相互干涉，反射波的波前改变，且反射波能量杂乱分布在微波超材料反射侧空间的各个方向，而透射波的波前不发生改变，且透射波能量集中在微波超材料透射侧空间的一个方向上，从而实现独立调控微波反射波波前的效果。

在其中一个实施例中，所述微波入射部具有微波入射面，所述第一组主金属图案设于所述微波入射面或所述微波入射部的内部；所述微波出射部具有微波出射面，所述第二组主金属图案设于所述微波出射面或所述微波出射部的内部。

在其中一个实施例中，所述主金属图案包括金属线和/或金属片。

在其中一个实施例中，所述主金属线可弯折。

在其中一个实施例中，所述主金属线的首尾两端相连。

在其中一个实施例中，每一所述第一透波区域和每一所述第二透波区域远离所述主金属图案的一侧均设置有副金属图案；其中，

所述主金属图案、所述第一透波区域和所述副金属图案形成非对称结构，所述主金属图案、所述第二透波区域和所述副金属图案形成非对称结构；和/或所述主金属图案与所述副金属图案的材质不同。

在其中一个实施例中，所述基板包括绝缘介质板。

一种天线罩，包括如前所述的微波超材料。

上述天线罩能够使来自被探测物体的回波在通过该天线罩后仍能保持原信息，且该天线罩还具有较低的雷达散射截面，从而可以对安放在该天线罩内的设备实现隐身。

一种天线装置，包括如前所述的天线罩以及设于所述天线罩内的天线系统。

上述天线装置，能够有效接收来自被探测物体的回波信息，同时不会向外界暴露自己的位置信息。

一种涂层，包括如前所述的微波超材料。

上述涂层，可以涂覆于微波探测器件的表面，从而使得微波探测器件通过微波获取被探测物体的位置信息而又不会暴露自身的位置信息。

在其中一个实施例中，所述微波超材料沿其入射面的法线方向的厚度小于等于入射微波波长的十五分之一。

一种可移动工具，包括机身以及覆盖于所述机身表面的如前所述的涂层。

上述可移动工具，具有较低的微波散射截面，从而可以在陆地或空中防止被雷达等微波探测器件探测，实现较好的隐身效果。

附图说明

图1(a)-(c)分别为均匀层状结构、梯度电磁超表面、独立调控反射波波前微波超材料的透射反射示意图；

图2(a)-(c)分别为本申请一实施例第一透波单元11的主视图、俯视图和侧视图；

图3为图2所述实施例第二透波单元12的主视图；

图4(a)-(c)分别为本申请另一实施例第一透波单元21的主视图、俯视图和仰视图；

图5为图4所述实施例第二透波单元22的主视图；

图6(a)-(d)分别为微波入射至图4所述实施例第一透波单元21和第二透波单元22时的微波透射相位曲线、反射相位曲线、透射率曲线以及反射率曲线；

图7为图4所述实施例的一种无序排布的结构示意图；

图8为仅由第一透波单元21构成的均匀材料的结构示意图；

图9为微波正入射至图8所述均匀材料时的远场辐射图；

图10为微波正入射至图7所述实施例时的远场辐射图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

传统技术中，通常可以借助以下几种结构对微波进行调控：

(1)均匀层状结构

微波入射至均匀层状结构上时，如图1(a)所示，微波将在该结构的多个界面上发生反射。在多个界面发生反射的微波之间会相互干涉从而引发干涉相涨或者干涉相消，其结果表现为微波的透反射率会随频率发生波动。通过改变层状结构的折射率或/和厚度可以调节透反射峰谷的频率范围。例如传统的四分之一波长均匀介质减反膜便是通过反射波的干涉相消实现减反效果；

(2)频率选择表面(frequencyselectivesurface,fss)是一种二维周期阵列结构,具有选择特定频率电磁波的作用。fss与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。由于fss中周期排列的结构单元的晶格常数是亚波长的，因此对电磁波而言这个表面是均匀的，也可以视为均匀层状结构，因此，可继续参考图1(a)，fss仅对入射电磁波的透射和反射具有频率选择性，而电磁波的透反射方向则仍满足传统的斯涅尔定律；

(3)梯度电磁超表面

如图1(b)所示，通过梯度电磁超表面能够有效地对透反射微波的波前进行剪裁，从而可以有效地控制透反射微波的波前，实现微波偏折、微波汇聚等。

然而，(1)和(2)结构不具备对透反射微波的波前的调控功能，而(3)结构在对透射波或反射波施加相位梯度时，对应的反射波或透射波的波前也会相应地被扰动，即上述三种结构均难以独立地对透反射微波的波前进行调控。

针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得到的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本申请实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应是发明人在本申请过程中对本申请做出的贡献。

请参考图1(c)，本申请实施例提供一种能够独立地调控反射微波的波前而不会对透射微波的波前造成扰动的微波超材料。微波入射至该微波超材料时，在反射侧反射微波的波前会被改变从而形成漫反射，而透射微波仍能保持入射微波的波前信息，即透射微波的波前不会被受该微波超材料影响。

请参考图2(a)-(c)以及图3，本申请实施例提供一种微波超材料，包括基板、设于基板表面的第一组主金属图案112以及第二组主金属图案122。

基板包括多个第一透波区域111和多个第二透波区域121，其中每一个第一透波区域111和每一个第二透波区域121均具有微波入射部和微波出射部。多个第一透波区域111和多个第二透波区域121可以组合形成该基板或组合形成该基板的一部分。

具体的，第一透波区域111和第二透波区域121的微波入射部均具有微波入射面。例如，当第一透波区域111和第二透波区域121为方形体时，该微波入射面可以是第一透波区域111和第二透波区域121上的一个侧表面；当第一透射单元111和第二透射单元121为球体时，该微波入射面可以是第一透波区域111和第二透波区域121微波射入部位处的切面；当第一透波区域111和第二透波区域121为异形体时，该微波入射面同样可以是第一透波区域111和第二透波区域121微波射入部位处的切面。对应的，第一透波区域111和第二透波区域121的微波出射部均具有微波出射面，微波出射面的形成方式与微波入射面类似，故不再赘述。

进一步的，以图2(a)-(c)所示为例，第一透波区域111设置为上下(即z方向)底面为方形的长方体，其中微波入射面与微波出射面相互平行，微波出射面位于微波入射面的-z方向一侧。可以理解的是，基板的形状可以有多种，例如基板可以具有一定曲率或是其边缘向内弯曲等，因此第一透波区域111的微波入射面和微波出射面也可以对应的呈弧面或是向内弯曲。进一步的，第一透波区域111和第二透波区域121的材质、形状、大小可以部分相同，当然也可以全部相同。

第一组主金属图案设于多个第一透波区域111的微波入射部。具体的，第一组主金属图案可以设置在微波入射部的微波入射面。进一步的。第一组主金属图案嵌入在微波入射部的内部，以防止第一组主金属图案发生磨损和氧化。第一组主金属图案包括多个主金属图案112，每一主金属图案112均对应与一个第一透波区域111形成第一透波单元11。如图2(b)所示，微波入射面与x-y平面平行，主金属图案112设置在微波入射面上。一些实施例中，基板可以是绝缘介质板，因此第一金属图案112可以通过印刷的方式形成在第一透波区域111的微波入射面上，进而有利于金属图案的形状调整。绝缘介质板具体可以是环氧玻璃纤维布粘结片、环氧树脂或是填充着陶瓷材料的有机介质板等。

如图3所示，第二组主金属图案设于多个第二透波区域121的微波出射部。具体的，第二组主金属图案同样可以对应设置在微波出射部的微波出射面上或是嵌入在微波出射部的内部。第二组主金属图案包括多个主金属图案122，每一主金属图案122均对应与一个第二透波区域121形成第二透波单元12。如图3所示，微波出射面与x-y平面平行，主金属图案122设置在微波出射面上。需要指出的是，主金属图案122与主金属图案112实质为同一类别的金属图案，即主金属图案122与主金属图案112的材质、形状、长度均相同。除此之外，第一透波区域111和第二透波区域121并不重合，因此，第一透波单元11和第二透波单元12可以相邻，二者之间也可以具有间隔。

第二透波单元12和第一透波单元11无序分布，且关于与微波超材料的入射面平行的面镜面对称。具体的，微波超材料的入射面由多个第一透波区域111和多个第二透波区域121的微波入射面排布形成，对应的，微波超材料的出射面由多个第一透波区域111和多个第二透波区域121的微波出射面排布形成。此处的无序分布即随机分布，镜面对称则是指第二透波单元12沿微波入射面法线方向翻转180°后能与第一透波单元11重合。具体的，第一透波单元11和第二透波单元12的尺寸可以与入射的微波波长相同或相近，即尺寸设置为波长量级或亚波长量级均可。当然，在第一透波单元11和第二透波单元12的尺寸为亚波长量级时，该微波超材料独立调控反射波波前的效果会更好。

第一透波单元11和第二透波单元12关于与微波入射面平行的面镜面对称，因此，通过传输矩阵理论可以推知，第一透波单元11和第二透波单元12的反射系数不同，而透射系数则相同。具体的，可以是第一透波单元11和第二透波单元12的反射相位不同，或是第一透波单元11和第二透波单元12的反射系数的模以及反射相位均不同。

上述微波超材料中第一透波单元11和第二透波单元12无序分布，因此微波入射至该微波超材料后，在该微波超材料的入射面形成的微波反射波会相互干涉，即发生干涉相长或干涉相消，使得反射波能量分布不均匀，形成漫散射，此时反射的微波的波前发生改变，无法保持与入射微波相同的波前；而透射波的波前不发生改变，且透射波能量集中在微波超材料透射侧空间的一个方向上，从而实现独立调控微波反射波波前的效果。

在一个实施例中，主金属图案112和主金属图案122包括金属线和/或金属片。以图2(a)-(c)为例，金属图案设置为金属线，通过调整金属线的长度，可使微波入射时在微波超材料中形成电磁共振，从而保证微波能够更多的透过微波超材料，以获得更多入射微波的波前信息。可以理解的是，金属图案还可以是其他形状，例如金属圆、金属环以及其他规则或不规则图案。

进一步的，主金属图案112和主金属图案122的金属线均可弯折。由于第一透波区域111和第二透波区域121在设计时尺寸有可能小于共振波长，因此，为使主金属图案能够设置在相应透波区域的微波入射面内，可以对金属线进行弯折。进一步的，可以将金属线的首尾两端相连以进一步减小主金属图案的空间占用体积。以图2(b)所示为例，第一透波单元11中，主金属图案112的金属线首尾两端相连成方形，且该方形的各边均具有内凹的部分，如此便可有效减小主金属图案112的空间占用体积。需要指出的是，本实施例并不对金属线的弯折形状进行限制。

在一个实施例中，每一透波区域远离主金属图案的一侧还设置有副金属图案。通过设置副金属图案，增加了对第一透波单元和第二透波单元的反射相位和透射相位的调控自由度，从而有利于实现第一透波单元与第二透波单元反射相位不同，而透射相位相同(或相近)的效果。

具体的，图4(a)-(c)分别示出了第一透波单元21的主视图、俯视图和仰视图，图4示出了第二透波单元22的主视图。其中，第一透波区域211的微波入射面设有主金属图案212，微波出射面设有副金属图案213，当然副金属图案213也可以设置在第一透波区域211微波出射部的内部。副金属图案213可以是金属线，此时，主金属图案212、第一透波区域211和副金属图案213形成非对称结构，例如主金属图案212可以与副金属图案213的长度和/或形状不同，又例如可以将主金属图案212与副金属图案213非对称地设置在第一透波区域211的微波入射面和微波出射面上。另一实施例中，还可以将主金属图案与副金属图案的材质设置为不同。第二透波单元22具有主金属图案222，,其副金属图案223的设置方式与第一透波单元21的副金属图案213类似，故不再赘述。上述方式中的一种或多种间的组合均可以对第一透波单元21和第二透波单元22的反射相位和透射相位进行有效地调控，从而实现第一透波单元21与第二透波单元22反射相位不同，而透射相位相同(或相近)的效果。

以下将对第一透波单元21和第二透波单元22进行微波的入射模拟。具体的，第一透波单元21中，主金属图案212为首尾相连成方形的金属线，金属线的每条边上均设有弯折凹陷部，其中方形的边长为4.5mm，弯折凹陷部的的开口大小为0.5mm，对边上的两个弯折凹陷部最短距离相距2mm，金属线的线径为0.5mm，副金属图案213也为首尾相连成方形的金属线，该方形的边长为6mm，其余参数均与主金属图案212的设置相同。对应地，第二透波单元22的结构参数也可由前述参数得到，在此不再赘述。

图6(a)-(d)分别示出了微波入射至第一透波单元21和第二透波单元22时的微波透射相位曲线、反射相位曲线、透射率曲线以及反射率曲线，图中第一透波单元21的透反射情况由灰色虚线示出，第二透波单元22的则由灰色实线示出。具体的，图6(a)和图6(b)的纵坐标分别表示透射相位和反射相位的角度，横坐标均表示工作频率，可以看到，第一透波单元21和第二透波单元22的透射相位在不同频率情况下基本相同，而反射相位在不同频率情况下显示出较大差别，其中在9.8ghz频率下，二者的反射相位差达到180°；图6(c)和图6(d)的纵坐标分别表示透射率和反射率的百分比，横坐标均表示工作频率，可以看到，在工作频率为9.8ghz的情况下，第二透波单元22与第一透波单元21的反射率比约为0.98，对应的反射系数的模的比约为0.99。

请参考图7，本实施例的微波超材料200提供一种第一透波单元21和第二透波单元22的无序分布方式。如图7所示，图中带阴影的方块表示第一透波单元21，无阴影的方块表示第二透波单元22。利用仿真软件cst对微波超材料进行远场辐射模拟，其中入射微波的频率为9.8ghz，结合图6(a)-(d)可知，该频率微波下，第一透波单元21和第二透波单元22的反射相位差接近180°。

首先，作为对比，将仅由第一透波单元21构成的均匀结构200’(如图8所示)平放在x-y平面内，微波以z方向正入射得到图9。可以看到，微波在透射侧(即z方向半空间)和反射侧(即-z方向半空间)均具有较大能量集中区域，此时反射微波和透射微波均能保持入射微波的波前信息；接着，将微波超材料200平放在x-y平面内，微波沿z方向正入射至微波超材料200，得到图10。可以看到，透射微波在透射侧仍具有较大的能量集中区域，而反射微波则在反射侧形成了杂乱的反射，其中微波超材料200的反射微波在反射侧的远场能量幅值最大值减小至均匀结构200’的8％，表明此时透射微波仍能保持入射微波的波前信息，而反射微波则会发生干涉形成漫反射，使得其波前信息发生改变，从而实现对反射微波波前的独立调控。

本申请的微波超材料中，第一透波单元和第二透波单元的反射相位差以及透射相位差也可以满足一定范围，而并非严格满足透射相位差相同的条件。例如，反射相位差的绝对值可以取0.6π至1.4π，透射相位差的绝对值可以取0至0.5π。进一步的，在满足上述相位条件时，反射系数的模的比值可以取0.25至4。因此，上述微波超材料对反射波波前的独立调控功能还具有宽频的效果。

需要指出的是，具有不同无序分布方式的微波超材料在实现独立调控反射波波前的效果时，对应的透射相位差、反射相位差以及反射系数的模的比值会有不同，技术人员可以根据实际需要的微波透反射系数条件对微波超材料中第一透波单元和第二透波单元的无序分布方式进行调整。

本申请还提供一种天线罩，包括如前文所述的微波超材料。

上述天线罩能够使来自被探测物体的回波在通过该天线罩后仍能保持原信息，且该天线罩还具有较低的雷达散射截面，从而可以对安放在该天线罩内的设备实现隐身。

本申请还提供还一种天线装置，包括如前文所述的天线罩以及设于天线罩内的天线系统。

上述天线装置，能够有效接收来自被探测物体的回波信息，同时不会向外界暴露自己的位置信息。

一种涂层，包括如前文所述的微波超材料。

上述涂层，可以涂覆于微波探测器件的表面，从而使得微波探测器件通过微波获取被探测物体的位置信息而又不会暴露自身的位置信息。其中微波探测器件可以是雷达。

在一个实施例中，微波超材料沿其入射面的法线方向的厚度小于等于入射微波波长的十五分之一。从而通过上述方式可以将涂层做的很薄，有利于提高被涂覆产品的工艺性，减小空间占用体积。

一种可移动工具，包括机身以及覆盖于所述机身表面的如前所述的涂层。

上述可移动工具，具有较低的微波散射截面，从而可以在陆地或空中防止被雷达等微波探测器件探测，实现较好的隐身效果。具体的，该可移动工具可以是车辆、飞机等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。