宽频带阻超材料及其宽频带阻超材料天线罩和天线系统

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宽频带阻超材料及由其制成的宽频带阻超材料天线罩和 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。特别是将超材料做为具有良好透波性能的透波材料，并用来制 作天线罩已有相当研究。

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。尽管由这些材 料制成的天线罩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，但是由于这种天线罩通常是带通天线罩，用于舰船 雷达系统(其工作频率一般为3GHz)时，会在某些频段(如X波段或更高频 率)产生谐振，并且在高频时出现很多栅瓣，使某些频率和入射角的雷达散射 截面(英文为Radar Cross Section，简称RCS)增大，这样雷达非统容易暴露。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有良好透波性能的宽频带阻超 材料及由其制成的宽频带阻超材料天线罩和天线系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽频带阻超材料，其包 括至少一超材料片层，所述超材料片层包括介质基板和两分别附着于所述介质 基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括多个呈正六边形的金属微结构， 所述两结构层中位于所述介质基板的对应位置的两金属微结构组成一对，每一 结构层中任两相邻金属微结构的两相邻边相互平行。

优选地，每一金属微结构的外接圆的半径为2.72～2.95mm。

优选地，每一金属微结构包括六条首尾相接而构成封闭环的金属线段，所 述六条金属线段的长度相等、宽度相等，宽度均为0.13～0.20mm。

优选地，任两相邻金属微结构的两相邻金属线段相互平行。

优选地，任两相邻金属线段的间距均相等，均为0.25～0.32mm。

优选地，每一金属微结构的外接圆的半径为2.85mm；每一金属微结构的 各金属线段的宽度均为0.17mm、厚度均为0.018mm；任两相邻金属微结构的 两相互平行的金属线段的间距为0.28mm；所述介质基板的厚度为9mm。

优选地，所述介质基板由聚四氟乙烯(F4B)制成。

优选地，每一金属微结构的金属线段由铜制成。

一种宽频带阻超材料天线罩，其包括至少一超材料片层，所述超材料片层 包括介质基板和两分别附着于所述介质基板的两相对表面的结构层，每一结构 层包括多个呈正六边形的金属微结构，所述两结构层中位于所述介质基板的对 应位置的两金属微结构组成一对，每一结构层中任两相邻金属微结构的两相邻 边相互平行。

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 播方向上的宽频带阻超材料天线罩，所述宽频带阻超材料天线罩包括至少一超 材料片层，所述超材料片层包括介质基板和两分别附着于所述介质基板的两相 对表面的结构层，每一结构层包括多个呈正六边形的金属微结构，所述两结构 层中位于所述介质基板的对应位置的两金属微结构组成一对，每一结构层中任 两相邻金属微结构的两相邻边相互平行。

本发明宽频带阻超材料及由其制成的宽频带阻超材料天线罩和天线系统 具有以下有益效果：由于其超材料片层的两表面上均具有多个呈正六边形的金 属微结构，且任两相邻金属微结构的两相邻边相互平行，从而使任两相邻金属 微结构的中心的间距变小，可抑制超宽的高频段内的电磁波而具有宽频带阻功 能，而对于低频段的电磁波，其透波率高，且反射小，具有良好的透波性能。

附图说明

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1是本发明宽频带阻超材料的一个超材料片层的结构示意图；

图2是图1中所述超材料片层的结构层的平面示意图；

图3是用于构成图2中所述结构层的一个金属微结构的放大示意图；

图4是图1中一个呈长方形的超材料单元样品的反射系数S1和透射系数 S2随电磁波的频率变化的响应曲线图；

图5是本发明宽频带阻超材料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介质基板、14结构层、16金属微结构、18金属险 段、19超材料单元、20天线系统、22天线、24宽频带阻超材料天线罩

具体实施方式

本发明中的“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“片层”、“板”、“层”均以平面示意。

如图1所示，本发明宽频带阻超材料包括至少一超材料片层10，所述超 材料片层10包括一介质基板12和两分别附着于所述介质基板12的两相对表 面的结构层14。所述介质基板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板(即FR4板)、聚四氟乙烯 板(即F4B板)、高密度聚乙烯板(即HDPE板)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯板 (即ABS板)等，其厚度为8～11mm。

请参考图2，每一结构层14包括多个呈阵列排布的金属微结构16。每个 金属微结构16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。所述两结构层14中位于所 述介质基板12的对应位置的两金属微结构16形成一对金属微结构16。所述 两结构层14上的金属微结构16的几何形状和尺寸均相同，故以下以一个金属 微结构16为例进行说明。

如图3所示，每一金属微结构16呈正六边形，其外接圆的半径R为 2.72～2.95mm。每一金属微结构16包括六条首尾相接而构成封闭环的金属线段 18，每一金属线段18的长度相等、宽度相等，其宽度W为0.13～0.20mm。每 一金属微结构16的任一金属线段18与相邻金属微结构16中的一金属线段18 平行。任两相邻金属微结构16的两相互平行的金属线段18的间距D为 0.25～0.32mm(如图2)。

同一结构层14内，若让由连接最靠近的四个金属微结构16的中心的四条 直线段(如图中虚线)形成一个长方形区域，则位于所述四个金属微结构16 之间的一金属微结构16的中心即为所述长方形区域的中心；若以位于所述长 方形区域内的金属图案为一个单元图案，则所述结构层14便可看作是由多个 所述单元图案阵列而成，如图所示，所述长方形区域的长边L1和短边L2分 别为：8.6～9.2mm、5.0～5.5mm。而所述两结构层14中位于所述介质基板12 的对应位置的两单元图案组成一对单元图案。

再请参考图2，若我们将所述两结构层14中的一对单元图案及其所在的 介质基板部分(其大小等于上述长方形区域)称作一超材料单元19，则所述 超材料片层10可看作是由多个所述超材料单元19阵列而成。一般，每个超材 料单元19的几何尺寸(等于所述长方形区域的长边L1和短边L2)与根据需 要而设定响应的电磁波波长有关。

实际制作时，我们可选取一两表面均覆有金属箔的PCB层压板，在其两 表面的金属箔上通过蚀刻形成所述多个金属微结构16，并让对应位置的金属 微结构16的中心对齐，从而在所述PCB层压板的两表面上形成所述两结构层 14，即可制得所述超材料片层10。另外，所述多个第一金属微结构16也可采 用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成。

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19 为例来进行仿真测试。在所述超材料单元19中，其长边为mm、 短边为mm，也即，所述长方形区域的长边L1为mm、短边L2为mm。所述介质基板12是F4B板(相对介电 常数ε_r为2.2、损耗角正切tand为0.001)，厚度为9mm。所述两结构层14由 铜箔制成，厚度为0.018mm，也即，金属微结构16的金属线段18由铜制成， 其厚度均为0.018mm；而金属微结构16的外接圆的半径R为2.85mm，金属 线段18的宽度W为0.17mm、任两相互平行的相邻金属线段18的间距D为 0.28mm。经仿真获得所述超材料单元19样品的反射系数S1和透射系数S2随 电磁波的频率变化的响应曲线图如图4所示。由图可知，在低频段时，所述样 品的透波系数S2接近于1、反射系数S1较小，而在非常宽的高频段内，透波 系数S2接近于0、反射系数S1接近于1，也即低频时透波性好、反射小，在 超宽的高频段(大于4GHz)内则抑制电磁波，形成阻带。由此可见，本发明 宽频带阻超材料不仅可抑制超宽的高频段内的电磁波而具有宽频带阻功能，而 且对于低频段的电磁波，其透波率高，且反射小，具有良好的透波性能。

另外，根据实际需要，我们可通过热压平板状超材料片层10或者将多块 平板型超材料片层10拼接在一起而形成呈弯曲、球形等各种形状的宽频带阻 超材料，亦可使用软性的介质基板12来制得所述超材料片层10，以便制造呈 任意形状的宽频带阻超材料。所述宽频带阻超材料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5，为本发明宽频带阻超材料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的宽频带阻超材料天线罩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。所述宽频带阻超材料天线罩24位于所述天线22接收和/或发射的电磁波 的传播方向上。所述宽频带阻超材料天线罩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，所述宽 频带阻超材料天线罩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可抑制超宽的高频段内的电磁波而具有宽频 带阻功能，而且对于低频段的电磁波，透波率高，且反射小，具有良好的透波 性能。此外，为了保护所述宽频带阻超材料天线罩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。