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利记博彩app
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两结合在一起的基板和置于所述两基板之间的金属层，所述金属层开设多个第一开槽和第二开槽，所述第一开槽和第二开槽各自呈长方形阵列排布，且每一第一开槽的中心为由连接四个最靠近的第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一开槽的几何形状和尺寸分别与所述第二开槽的几何形状和尺寸相同，每一第一开槽和第二开槽均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一直线段和垂直地连接于所述两第一直线段的两相对端之间的第二直线段，每一子结构的两第一直线段分别与另两子结构的相邻第一直线段相连接。优选地，每两相邻子结构的两相互连接的第一直线段之间的夹角为120°。优选地，所述第二直线段的外侧到相应开槽的中心的距离均相等，均等于
3.4 3. 7mm。优选地，所述第二直线段的长度均相等，均等于I. 6^2. 1_。优选地，所述第一直线段和第二直线段的宽度均相等，均等于0. 71^0. 78_。优选地，所述两基板的厚度为0. 45 0. 55mm。
优选地，由连接最靠近的四个第一开槽或第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为lCTlO. 5mm、短边为8. 5 9mm。优选地，所述两基板的厚度均为0.5mm;所述第一直线段和第二直线段的宽度均为0. 75mm，所述第二直线段的长度均为I. 8mm，所述第二直线段的外侧到相应开槽的中心的距离均为3. 5mm,由连接最靠近的四个第一开槽或第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为10. 3mm、短边为8. 86mm。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两结合在一起的基板和置于所述两基板之间的金属层，所述金属层开设多个第一开槽和第二开槽，所述第一开槽和第二开槽各自呈长方形阵列排布，且每一第一开槽的中心为由连接四个最靠近的第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一开槽的几 何形状和尺寸分别与所述第二开槽的几何形状和尺寸相同，每一第一开槽和第二开槽均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一直线段和垂直地连接于所述两第一直线段的两相对端之间的第二直线段，每一子结构的两第一直线段分别与另两子结构的相邻第一直线段相连接。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两结合在一起的基板和置于所述两基板之间的金属层，所述金属层开设多个第一开槽和第二开槽，所述第一开槽和第二开槽各自呈长方形阵列排布，且每一第一开槽的中心为由连接四个最靠近的第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一开槽的几何形状和尺寸分别与所述第二开槽的几何形状和尺寸相同，每一第一开槽和第二开槽均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一直线段和垂直地连接于所述两第一直线段的两相对端之间的第二直线段，每一子结构的两第一直线段分别与另两子结构的相邻第一直线段相连接。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超材料片层上具有各自呈长方形阵列排布的多个第一开槽和第二开槽，可让谐振频段内的电磁波反射小、透过率高，从而具有良好的透波性能，并抑制此谐振频段外的电磁波，过滤掉杂波，而具有频选特性，减小了杂波干扰。
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中的超材料片层的金属层的平面示意图；图3是用于构成图2中的金属层的一个单元结构的放大示意图；图4是图2中的具有第二开槽的金属层的平面示意图；图5是图2中的具有第一开槽的金属层的平面示意图；图6是图I中所示的一个长方形区域的单元结构样品的反射系数SI和透射系数S2随电磁波的频率变化的响应曲线图；图7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基板、14金属层、16第一开槽、162子结构、164第一直线段、166
第二直线段、18第二开槽、19单元结构、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”、“层”、“板”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，以适应不同的应用需求。为简明起见，本实施方式中的“表面”、“片层”、“层”、“板”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包括两结合在一起的基板12和置于所述两基板12之间的金属层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的厚度为0. 45、. 55mm。请参考图2和图3，所述金属层14可由如铜、银等任何金属导电材料制成，其开设多个第一开槽16和第二开槽18，如图中空白部分(阴影部分表示金属层)。所述第一开槽16的几何形状和尺寸分别与所述第二开槽18的几何形状和尺寸相同，故以下以一个所述第一开槽16为例进行说明。每一第一开槽16包括三个大致呈n形的子结构162，每一子结构162包括两相互平行的第一直线段164和垂直地连接于所述两第一直线段164的两相对端之间的第二直线段166，每一子结构162的两第一直线段164分别与另两子结构162的相邻第一直线段164相连接，且每两相邻子结构162的两相互连接的第一直线段164之间的夹角为120°。从而，所述三个子结构162的第二直线段166的垂直平分线的交点即为相应第一开槽16的中心。每一子结构162的第二直线段166的外侧到所述第一开槽16的中心的距离均等于L，L为3. r3. 7mm。所述三个子结构162的第二直线段166的长度均等于Wl，Wl为I. 6 2. 1mm、第一直线段164和第二直线段166的宽度均等于W2，W2为0. 71 0. 78mm。由此可知，所述三个子结构162的宽度(即第二直线段166的长度)均等于Wl。同上，每一第二开槽18亦包括三个大致呈n形的子结构，每一子结构包括两相互平行的第一直线段和垂直地连接于所述两第一直线段的两相对端之间的第二直线段，每一子结构的两第一直线段分别与另两子结构的相邻第一直线段相连接，且每两相邻子结构的两相互连接的第一直线段之间的夹角为120°。从而，所述三个子结构的第二直线段的垂直平分线的交点即为相应第二开槽18的中心。每一子结构的第二直线段的外侧到所述第二开槽的中心的距离均相等，且等于所述第一开槽16的每一子结构162的第二直线段166的外侧到其中心的距离L (即为3.r3.7mm)。所述三个子结构的第二直线段的长度(即子结构的宽度)均相等、第一直线段和第二直线段的宽度均相等，且其长度和宽度分别等于所述第一开槽16的三个子结构162的第二直线段166的长度Wl (即为I. 6 2. Imm)及第一直线段164和第二直线段166的宽度W2 (即为0. 71 0. 78mm)。再请参考图2，所述第一开槽16和第二开槽18各自呈长方形阵列排布，且每一第一开槽16的中心为由连接四个最靠近的第二开槽18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，或者每一第二开槽18的中心为由连接四个最靠近的第一开槽16的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心。若所述长方形区域的长边为D1、短边为D2，则由连接四个最靠近的第一开槽16或第二开槽18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边和短边亦分别为D1、D2。所述第一开槽16和第二开槽18各自整齐排布，也即，各个第一开槽16和第二开槽18的三个子结构分别位于三个方向上，为明确起见，分别将所述第一开槽16和第二开槽18的排布图绘制成图4和图5。本实施方式中，由连接四个最靠近的第一开槽16或第二开槽18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边Dl为1(T10. 5mm、短边D2为8. 5 9mm。所述超材料片层10中，若我们将由连接最靠近的四个第二开槽18的中心的四条直线段形成的长方形区域所在的部分称为一个单元结构19，则所述超材料片层10便可看作是由多个所述单元结构19阵列而成，如图I所示。实际制作时，我们可选取两块介质基板，其中一块介质基板上覆有金属箔，并通过蚀刻金属箔而形成所述多个第一开槽16和第二开槽18，将另一块没有金属箔的介质基板压合在所述形成有多个第一开槽16和第二开槽18的介质基板上，且让所述多个第一开槽 16和第二开槽18位于所述两介质基板之间，从而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第一开槽16和第二开槽18。此外，也可使用电镀的方式。为了验证所述超材料片层10的响应特性，以下我们以一个单元结构19为例来进行仿真测试。在所述单元结构19中，其长边为10. 3mm、短边为8. 86mm，也即，由连接四个最靠近的第一开槽16或第二开槽18的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边Dl为10. 3mm、短边D2为8. 86mm。所述两基板由相对介电常数L为3、损耗角正切tan S为0. 003的材料制成，如F4B板，具体型号为Arlon AD300,厚度相等，均为0. 5mm。所述金属层14由铜箔经蚀刻而成，其厚度为0. 018mm ;而每一第一开槽16和第二开槽18的第二直线段的外侧到其中心的距离L为3. 5mm、第二直线段的长度Wl为I. 8mm以及第一直线段和第二直线段的宽度W2为0. 75mm。经仿真获得所述单元结构19的透射系数S2随电磁波的频率变化的响应曲线图如图6所示。由图可知，所述单元结构19样品大约在11. 5 12. IGHz出现谐振，其反射系数SI和透射系数S2均非常小，且透射系数S2小于-IdB (图中所示的点I (即11. 584GHz)和点2 (即12. 102GHz)的透射系数S2均为_ldB)，可见对电磁波的反射小、透波率高，而在谐振频段外则形成带外电磁波抑制，可有效地过滤掉杂波，减小干扰，具有良好的频选特性。由此可见，本发明超材料频选表面不仅在上述频段内形成谐振，而过滤掉谐振频段外的电磁波，减小了杂波干扰，且在该谐振频段内对电磁波的反射小、而透波率闻。请参考图7，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，图中所示仅为一个电磁波的发射源。所述超材料频选天线罩24位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上。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天线罩。由于所述超材料频选天线罩24具有由分别位于三个方向的三个呈n字形的子结构形成的开槽16、18，不仅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来说，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、耐磨损等的保护层。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.ー种超材料频选表面，其特征在于，所述超材料频选表面包括至少ー超材料片层，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金属层，所述金属层开设多个第一开槽和第二开槽，所述第一开槽和第二开槽各自呈长方形阵列排布，且每ー第一开槽的中心为由连接四个最靠近的第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，所述第一开槽的几何形状和尺寸分别与所述第二开槽的几何形状和尺寸相同，每ー第一开槽和第二开槽均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一直线段和垂直地连接于所述两第一直线段的两相对端之间的第二直线段，每一子结构的两第一直线段分别与另两子结构的相邻第一直线段相连接。
2.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，每两相邻子结构的两相互连接的第一直线段之间的夹角为120°。
3.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第二直线段的外侧到相应开槽的中心的距离均相等，均等于3. 4^3. 7mm。
4.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第二直线段的长度均相等，均等于I. 6 2. 1mm。
5.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，所述第一直线段和第二直线段的宽度均相等，均等于0. 7r0. 78mm。
6.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在于，所述两基板的厚度为0.45 0. 55mm。
7.根据权利要求I所述的超材料频选表面，其特征在干，由连接最靠近的四个第一开槽或第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为1(T10. 5mm、短边为8.5 9mmo
8.根据权利要求2所述的超材料频选表面，其特征在于，所述两基板的厚度均为0.5mm ;所述第一直线段和第二直线段的宽度均为0. 75mm,所述第二直线段的长度均为1.8_，所述第二直线段的外侧到相应开槽的中心的距离均为3. 5mm,由连接最靠近的四个第一开槽或第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的长边为10. 3mm、短边为8.86mm。
9.ー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，其特征在干，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，包括一超材料片层，所述超材料片层包括两基板和位于所述两基板之间的金属层，所述金属层开设多个第一开槽和第二开槽，所述第一开槽和第二开槽各自呈长方形阵列排布，且每一第一开槽的中心为由连接四个最靠近的第二开槽的中心的四条直线段所形成的长方形区域的中心，每一第一开槽和第二开槽均包括三个子结构，每一子结构包括两相互平行的第一直线段和垂直地连接于所述两第一直线段的两端之间的第二直线段，每一子结构的两第一直线段分别与另两子结构的相邻第一直线段相连接，而具有良好的电磁性能和频选特性。本发明还涉及一种由此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H01Q15/00GK102760967SQ20121022647
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者付少丽, 刘若鹏, 张岭, 方小伟, 赵治亚 申请人:深圳光启创新技术有限公司