[发明专利]微结构、超材料板以及天线系统

说明书

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种微结构、超材料板以及天线系统。

背景技术

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。

如图1所示，图1为现有构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括雪花型人造微结构100以及该人造微结构附着的基材200。雪花型人造微结构可为人造金属微结构，其能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应以改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应，因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波五分之一波长，优选为入射电磁波十分之一波长。本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元是一种人为的划分方法，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。

超材料的微结构拓扑形状和/或尺寸是改变超材料对电磁波的电磁响应的重要参数。现有的超材料的微结构拓扑形状过于简单，对电磁波响应单一，用途较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种微结构，所述微结构拓扑图案以其中心点为旋转点，沿顺时针方向或逆时针方向旋转90°后得到的新拓扑图案与原拓扑图案重合；所述微结构包括第一基本结构和第二基本结构，所述第一基本结构包括等间距平行设置且长度相等的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；第二金属分支一端端点与第一金属分支同侧端点相互连接形成第四金属分支，所述第四金属分支垂直于第一金属分支和第二金属分支，第二金属分支另一端端点与第三金属分支同侧端点相互连接形成第五金属分支，所述第五金属分支垂直于第二金属分支和第三金属分支；所述第二基本结构为将第一基本结构以第二金属分支中心点为旋转点顺时针方向旋转90°得到。

进一步地，所述第一金属分支和第三金属分支线宽相同，所述第四金属分支和第五金属分支线宽相同。

进一步地，所述第一金属分支线宽大于第四金属分支线宽，所述第四金属分支线宽大于第二金属分支线宽。

进一步地，所述第一金属分支长度为10至13毫米，第一金属分支线宽为1.5至2.0毫米；所述第二金属分支线宽为0.8至1.2毫米，所述第四金属分支长度为8至9毫米，所述第四金属分支线宽为1.3至1.5毫米。

本发明还提出一种超材料板，所述超材料板包括一层或多层基材，每层基材相对两侧表面分别周期排布有第一微结构和第二微结构；所述第一微结构为上述的微结构，所述第二微结构与第一微结构成镜像对称。

进一步地，所述基材在10GHZ时的介电常数为4.0至5.0。

进一步地，所述基材为FR-4材料、F4B材料、PS材料或陶瓷材料。

本发明还提供一种天线系统，其包括馈源以及设置于所述馈源辐射电磁波路径上的上述超材料板。

进一步地，所述馈源为贴片天线、微带天线或者喇叭天线。

进一步地，所述超材料板包括8层基材，所述超材料板与所述馈源的垂直距离为9至11毫米。

本发明通过设计超材料的微结构拓扑形状和/或尺寸，使得天线系统中的馈源无需做任何改变即可增强馈源的增益。

附图说明

图1为现有的构成超材料基本单元的结构示意图；

图2为本发明微结构的拓扑结构以及微结构分解为第一基本结构和第二基本结构的示意图；

图3为本发明超材料板上第一微结构周期排布的结构示意图；

图4为本发明超材料板上第二微结构周期排布的结构示意图；

图5为贴片天线未附加超材料板时，phi为0°的仿真结果示意图；