[发明专利]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

说明书

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结构层，所述结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每个金属微结构包括相互正交的第一直线簇和第二直线簇，所述第一直线簇包括第一金属线段和与所述第一金属线段平行的两第二金属线段、两第三金属线段，所述两第二金属线段分别位于所述第一金属线段的两侧，所述两第三金属线段分别位于所述第一金属线段的两侧，且所述两第二金属线段分别位于所述两第三金属线段与所述第一金属线段之间，所述第二直线簇包括一垂直平分所述第一金属线段、两第二金属线段、两第三金属线段的第四金属线段和两分别位于所述第四金属线段的两侧并与所述第四金属线段平行的第五金属线段，所述两第五金属线段分别与所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的两端相连接，所述第一金属线段垂直平分所述第四金属线段和第五金属线段，所述两第三金属线段分别与所述第四金属线段和第五金属线段的两端相连接，且每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段分别与位于其周围两相对侧的两金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段相连接、第四金属线段和第五金属线段分别与位于其周围另外两相对侧的两金属微结构的第四金属线段和第五金属线段相连接。

优选地，每个金属微结构的两第二金属线段与第一金属线段的间距相等，均为3.7～4.2mm。

优选地，每个金属微结构的两第三金属线段与最靠近的相应第二金属线段的间距相等，均为1.2～1.7mm。

优选地，每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段、第三金属线段、第四金属线段和第五金属线段的宽度相等，均为0.08～0.13mm。

优选地，每个金属微结构及其所在的基板部分形成一个超材料单元；每个金属微结构的第一金属线段与第四金属线段的交点为金属微结构的中心，且与相应的超材料单元的中心重合；每个超材料单元的长度与宽度相等，均为10.2～12.45mm。

优选地，所述两基板的厚度为1.6～2.3mm。

优选地，每个金属微结构的两第二金属线段与第一金属线段的间距均为3.9mm、与最靠近的相应第三金属线段的间距均为1.45mm、两第五金属线段与第四金属线段的间距均为5.45mm；每个金属微结构的第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度均为0.1mm、厚度均为0.018mm；所述两基板的厚度均为2mm。

优选地，所述两基板由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成；所述第一金属线段、第二金属线段、第三金属线段、第四金属线段和第五金属线段均是铜线。