專(zhuān)利名稱(chēng)：超材料板材及由其制成的超材料天線罩和無(wú)線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料及由其制成的天線罩和無(wú)線通信系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及一種由全新設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的超材料板材及由其制成的超材料天線罩和無(wú)線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，人們通過(guò)在基板上排列由金屬線段構(gòu)成的具有一定幾何形狀的超材料金屬微結(jié)構(gòu)來(lái)形成超材料。由于可以利用金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸以及排布來(lái)改變超材料空間各點(diǎn)的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，使其產(chǎn)生預(yù)期的電磁響應(yīng)，以控制電磁波的傳播，故而，在多個(gè)領(lǐng)域具 有廣泛的應(yīng)用前景，成為各國(guó)科研人員爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。而在用新型超材料來(lái)制作天線罩方面，由于其可顯著提高天線罩的透波性能而日益為研究人員所關(guān)注。當(dāng)前，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)通信設(shè)備的建設(shè)大量上馬，無(wú)線城市方興未艾。為了降低建網(wǎng)成本，業(yè)界對(duì)無(wú)線通信設(shè)備上的天線罩的電磁性能提出了更高的要求，要求低反射、高透波，且希望在既有通信設(shè)備的站點(diǎn)安裝無(wú)線通信設(shè)備，以減少布點(diǎn)的煩瑣，并可實(shí)現(xiàn)資源重復(fù)利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種具有良好透波性能的超材料板材及由其制成的超材料天線罩和無(wú)線通信系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種超材料板材，適用于對(duì)大約為5. 725-5. 850GHz頻段電磁波的透射，其包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括基板和附著于所述基板的兩相對(duì)表面的結(jié)構(gòu)層，每一結(jié)構(gòu)層包括多個(gè)呈陣列排布的金屬微結(jié)構(gòu)，每一金屬微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩分支，每一分支包括相互平行且正對(duì)的兩第一金屬線段和位于所述兩第一金屬線段之間并與所述兩第一金屬線段垂直相連的第二金屬線段，所述第二金屬線段的兩端分別連接于所述兩第一金屬線段的中點(diǎn)，所述兩分支的第二金屬線段垂直相交于彼此的中點(diǎn)；位于所述基板的任一表面的每一金屬微結(jié)構(gòu)均正對(duì)另一表面的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)，而讓所述基板的兩相對(duì)表面對(duì)應(yīng)位置的每?jī)烧龑?duì)的金屬微結(jié)構(gòu)重疊而組成一對(duì)，每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸均相同。優(yōu)選地，所述基板的任一表面相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)的中心的距離均相等，均等于 15. 8 16. 5mm。優(yōu)選地，每一金屬微結(jié)構(gòu)的兩分支的第一金屬線段的長(zhǎng)度均相等，均等于9. 4 10. 4mm。優(yōu)選地，每一金屬微結(jié)構(gòu)的兩分支的第二金屬線段的長(zhǎng)度均相等，均等于14. 8 15. 5mm。優(yōu)選地，所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度相等，均等于O. 08、. 13mm。
優(yōu)選地，所述基板的任一表面相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)的中心的間距等于16_ ；每一金屬微結(jié)構(gòu)的兩分支的第一金屬線段的長(zhǎng)度均等于9. 92mm、第二金屬線段的長(zhǎng)度均等于15. 4mm,所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均等于O. 1mm、厚度均等于O. 018mm。優(yōu)選地，所述第一金屬線段和第二金屬線段由銅制成。優(yōu)選地，所述基板由玻璃鋼制成?！N超材料天線罩,用于保護(hù)5. 8GHz Wi-Fi天線,其包括至少一超材料片層,所述超材料片層包括基板和附著于所述基板的兩相對(duì)表面的結(jié)構(gòu)層，每一結(jié)構(gòu)層包括多個(gè)呈陣列排布的金屬微結(jié)構(gòu)，每一金屬微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩分支，每一分支包括相互平行且正對(duì)的兩第一金屬線段和位于所述兩第一金屬線段之間并與所述兩第一金屬線段垂直相連的第二金屬線段，所述第二金屬線段的兩端分別連接于所述兩第一金屬線段的中點(diǎn)，所述兩分支的第二金屬線段垂直相交于彼此的中點(diǎn)；位于所述基板的任一表面的每一金屬微結(jié)構(gòu)均正對(duì)另一表面的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)，而讓所述基板的兩相對(duì)表面對(duì)應(yīng)位置的每?jī)烧龑?duì) 的金屬微結(jié)構(gòu)重疊而組成一對(duì)，每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸均相同。一種無(wú)線通信系統(tǒng)，包括箱體、固定于所述箱體的超材料天線罩和置于所述超材料天線罩內(nèi)的天線，所述超材料天線罩包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括基板和附著于所述基板的兩相對(duì)表面的結(jié)構(gòu)層，每一結(jié)構(gòu)層包括多個(gè)呈陣列排布的金屬微結(jié)構(gòu)，每一金屬微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩分支，每一分支包括相互平行且正對(duì)的兩第一金屬線段和位于所述兩第一金屬線段之間并與所述兩第一金屬線段垂直相連的第二金屬線段，所述第二金屬線段的兩端分別連接于所述兩第一金屬線段的中點(diǎn)，所述兩分支的第二金屬線段垂直相交于彼此的中點(diǎn)；位于所述基板的任一表面的每一金屬微結(jié)構(gòu)均正對(duì)另一表面的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)，而讓所述基板的兩相對(duì)表面對(duì)應(yīng)位置的每?jī)烧龑?duì)的金屬微結(jié)構(gòu)重疊而組成一對(duì)，每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸均相同。優(yōu)選地,所述天線是5. 8GHz Wi-Fi天線。本發(fā)明的超材料板材及由其制成的超材料天線罩和無(wú)線通信系統(tǒng)具有以下有益效果由于具有特定形狀的多對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)，所述超材料板材及由其制成的超材料天線罩對(duì)大約為5. 725-5. 850GHz頻段電磁波的損耗小，而使其具有良好的透波性能透、波率高，可讓無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋較大的范圍，從而減少了無(wú)線通信基站的布點(diǎn)，節(jié)省了建網(wǎng)成本。


下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖I是本發(fā)明的超材料板材的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中的結(jié)構(gòu)層的平面放大示意圖；圖3是圖2中的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖4是圖I中的一個(gè)超材料單元樣品的反射系數(shù)SI和透射系數(shù)S2隨電磁波的頻率變化的響應(yīng)曲線圖；圖5是本發(fā)明的超材料天線罩的示意圖；圖6是本發(fā)明的無(wú)線通信系統(tǒng)的示意圖。圖中各標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)為
10超材料片層、12基板、14結(jié)構(gòu)層、16金屬微結(jié)構(gòu)、162分支、164第一金屬線段、166第二金屬線段、18超材料單元、20、34超材料天線罩、30無(wú)線通信系統(tǒng)、32箱體
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的超材料板材中的“板材”不限定外形，意指平整、彎曲等任意形狀的板材，既包括硬質(zhì)板，也包括柔軟的薄膜。所述超材料板材包括至少一超材料片層10，如圖I所示，所述超材料片層10包括基板12和兩分別附著于所述基板12的兩相對(duì)表面的結(jié)構(gòu)層14，所述基板12由聚合物材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等制成，如FR4(SP環(huán)氧樹(shù)脂)板、F4B (即聚四氟乙烯)板或ABS (即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)板等，厚度可為 3. 6^4. 3mm。請(qǐng)參考圖2，每一結(jié)構(gòu)層14包括多個(gè)呈陣列排布的金屬微結(jié)構(gòu)16，如圖中位于由虛線形成的網(wǎng)格內(nèi)的圖案，且位于所述基板12的任一表面的每一金屬微結(jié)構(gòu)16均正對(duì)另 一表面的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)16，也即所述基板12的任一表面上的金屬微結(jié)構(gòu)16與另一表面上的金屬微結(jié)構(gòu)16重疊設(shè)置。這樣，位于所述基板12的兩相對(duì)表面對(duì)應(yīng)位置的每?jī)烧龑?duì)的金屬微結(jié)構(gòu)16組成一對(duì),且每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)16的幾何形狀和尺寸均相同。通常，將每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)16及其所在的基板12部分稱(chēng)為一個(gè)超材料單元18，這樣所述超材料片層10可看作是由多個(gè)所述超材料單元18陣列而成。而每個(gè)超材料單元18的幾何尺寸與穿過(guò)的電磁波波長(zhǎng)有關(guān)，本實(shí)施方式中，所述超材料單元18的長(zhǎng)度與寬度均等于LI, Ll=15. 8" 6. 5mm (如圖3),也即,所述基板12的任一表面相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)16的中心的間距為15. 8^16. 5_。每個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)16是由一定尺寸的金屬線段構(gòu)成的具有一定幾何形狀的平面(二維)或立體(三維)結(jié)構(gòu)，其中，金屬線段由如銅、銀等金屬導(dǎo)電材料制成，其截面可以為扁平狀或其他任意形狀，如圓柱狀。如圖3所示，所述金屬微結(jié)構(gòu)16由具有扁平狀截面的金屬線段構(gòu)成，大致呈雪花狀，其包括相互正交的兩分支162，每一分支162包括相互平行且正對(duì)的兩第一金屬線段164和位于所述兩第一金屬線段164之間并與所述兩第一金屬線段164垂直相連的第二金屬線段166，所述第二金屬線段166的兩端分別連接于所述兩第一金屬線段164的中點(diǎn)，而所述兩分支162的第二金屬線段166垂直相交于彼此的中點(diǎn)，且所述兩分支162的相交點(diǎn)即為所述金屬微結(jié)構(gòu)16的中心，并與所述超材料單元19的中心重合。所述兩分支162的第一金屬線段164的長(zhǎng)度均等于L2, L2=9. 4 10. 4mm、第二金屬線段166的長(zhǎng)度均等于L3, L3=14. 8 15. 5mm,而所述兩第一和第二金屬線段164、166的寬度均等于W，W = O. 08 O. 13mm，厚度也相等，均為O. 016 O. 019mm。由上可知，所述金屬微結(jié)構(gòu)16以垂直于其所在的平面(也即所述基板12)并通過(guò)所述金屬微結(jié)構(gòu)16的中心的直線為軸順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度、180度、270度或360度后均可與初始位置的金屬微結(jié)構(gòu)16重合。設(shè)計(jì)時(shí)，選用不同的原料來(lái)制成不同厚度的基板12，并調(diào)節(jié)金屬微結(jié)構(gòu)16的第一和第二金屬線段164、166的長(zhǎng)度、寬度和厚度、相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)16之間的距離、金屬微結(jié)構(gòu)16在基板12上的排布等來(lái)獲得對(duì)特定頻段的電磁波損耗小的超材料片層10。一般，所述超材料片層10上的金屬微結(jié)構(gòu)16是通過(guò)蝕刻兩分別覆蓋于所述基板12的兩相對(duì)表面的金屬箔如銅箔、銀箔而形成。當(dāng)然，這些金屬微結(jié)構(gòu)16還可以采用電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式形成在所述基板12的兩相對(duì)表面上。
另外，根據(jù)實(shí)際需要，所述超材料板材可包括多層所述超材料片層10，且這些超材料片層10既可沿垂直于片層表面的方向直接前、后表面相粘接而疊加在一起，也可將這些超材料片層10等間距地排列組裝在一起。為了驗(yàn)證本發(fā)明超材料板材的超材料片層10的電磁性能，以下我們以一個(gè)超材料單元18為樣品進(jìn)行仿真測(cè)試。在所述超材料單元18中，其長(zhǎng)度和寬度LI均等于16_，即所述基板12的任一表面上的相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)16的中心的間距為16mm ;所述基板12由玻璃鋼制成，厚度為4_ ;所述金屬微結(jié)構(gòu)16由銅制成,其兩分支162的第一金屬線段164的長(zhǎng)度L2均等于9. 92_、第二金屬線段166的長(zhǎng)度L3均等于15. 4mm,而所述兩第一和第二金屬線段164、166的寬度W均等于O. 1mm、厚度均為O. 018mm。經(jīng)仿真獲得,所述樣品的反射系數(shù)SI和透射系數(shù)S2隨電磁波的頻率變化的曲線圖如圖4所示。由圖可知，大致在5. 725-5. 850GHz頻段(也即中國(guó)工業(yè)和信息化部規(guī)定的5. 8GHz Wi-Fi頻段)，所述樣品的透射系數(shù)S2小于-O. 2dB,也即對(duì)電磁波的損耗小、透波率高，且遠(yuǎn)小于玻璃鋼本身 的透波系數(shù)。故，本發(fā)明的超材料板材由于在玻璃鋼上附著了超材料結(jié)構(gòu)單元而使其對(duì)電磁波的損耗變小，從而提高了其透波性能，達(dá)到了較好的透波效果。請(qǐng)參考圖5，為本發(fā)明的超材料天線罩20，用于保護(hù)5. 8GHz Wi-Fi天線。所述超材料天線罩20由本發(fā)明的超材料板材制成，也即，所述超材料天線罩20包括至少一個(gè)所述超材料片層10，當(dāng)包括多層超材料片層10時(shí)，這些超材料片層10可通過(guò)機(jī)械連接、焊接或粘合的方式組合在一起。所述超材料天線罩20可根據(jù)實(shí)際需要作成任意形狀，并可做成與天線共形的形狀，本實(shí)施方式中，所述超材料天線罩20大致呈方體狀，其既可通過(guò)熱壓一整片平整的超材料板材形成，也可以用軟性的基板制得可彎曲的超材料板材或者將多塊平整的超材料板材拼接在一起形成。根據(jù)所述超材料天線罩20承重的需要，可通過(guò)疊加多層超材料片層10來(lái)增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度，使其更堅(jiān)固耐用。由此可見(jiàn)，本發(fā)明的超材料天線罩20對(duì)5. 8GHz Wi-Fi天線發(fā)射出的電磁波的損耗小，透波率高。此外，為了防止外界的惡劣環(huán)境縮短所述超材料天線罩20的使用壽命，可在其表面涂上防護(hù)層，以抵御腐蝕等的侵害。且可讓裸露于外的金屬微結(jié)構(gòu)被保護(hù)起來(lái)，免受外界的磨損，可讓其良好的透波性能保持穩(wěn)定。請(qǐng)參考圖6，為本發(fā)明的無(wú)線通信系統(tǒng)30。所述無(wú)線通信系統(tǒng)30包括箱體32、固定于所述箱體32的超材料天線罩34和置于所述超材料天線罩34內(nèi)的天線(圖未示)。所述箱體32大致呈方體形，可固定于室外或室內(nèi)。所述超材料天線罩34為本發(fā)明的超材料天線罩20，由本發(fā)明的超材料板材制成，其他同前，不再贅述。所述天線可以是貼片天線、縫隙天線、微帶天線等任意類(lèi)型的天線，也可以是由上述天線組成的天線陣，其饋電方式可以是同軸線、縫隙稱(chēng)合、微帶線等。本實(shí)施方式中，所述天線是5. 8GHz Wi-Fi天線。由于所述超材料天線罩20對(duì)5. 8GHz Wi-Fi天線發(fā)射出的電磁波的損耗小,故,本發(fā)明的無(wú)線通信系統(tǒng)30的信號(hào)可覆蓋較大的范圍，從而減少了無(wú)線通信基站的布點(diǎn)，節(jié)省了建網(wǎng)成本。以上所述僅是本發(fā)明的若干具體實(shí)施方式
和/或?qū)嵤├?，不?yīng)當(dāng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明基本思想的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，而這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種超材料板材，其特征在于，所述超材料板材適用于對(duì)大約為5. 725-5. 850GHz頻段電磁波的透射，包括至少一超材料片層，所述超材料片層包括基板和附著于所述基板的兩相對(duì)表面的結(jié)構(gòu)層，每一結(jié)構(gòu)層包括多個(gè)呈陣列排布的金屬微結(jié)構(gòu)，每一金屬微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩分支，每一分支包括相互平行且正對(duì)的兩第一金屬線段和位于所述兩第一金屬線段之間并與所述兩第一金屬線段垂直相連的第二金屬線段，所述第二金屬線段的兩端分別連接于所述兩第一金屬線段的中點(diǎn)，所述兩分支的第二金屬線段垂直相交于彼此的中點(diǎn)；位于所述基板的任一表面的每一金屬微結(jié)構(gòu)均正對(duì)另一表面的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)，而讓所述基板的兩相對(duì)表面對(duì)應(yīng)位置的每?jī)烧龑?duì)的金屬微結(jié)構(gòu)重疊而組成一對(duì)，每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸均相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料板材，其特征在于，所述基板的任一表面相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)的中心的距離均相等，均等于15. 8 16. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料板材,其特征在于,每一金屬微結(jié)構(gòu)的兩分支的第一金屬線段的長(zhǎng)度均相等，均等于9. 4" 0. 4mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料板材，其特征在于，每一金屬微結(jié)構(gòu)的兩分支的第二金屬線段的長(zhǎng)度均相等，均等于14. 8 15. 5_。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超材料板材，其特征在于，所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度相等，均等于O. 08、. 13mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超材料板材，其特征在于，所述基板的任一表面相鄰最近的兩金屬微結(jié)構(gòu)的中心的間距等于16_ ;每一金屬微結(jié)構(gòu)的兩分支的第一金屬線段的長(zhǎng)度均等于9. 92_、第二金屬線段的長(zhǎng)度均等于15. 4_，所述第一金屬線段和第二金屬線段的寬度均等于O. 1mm、厚度均等于O. 018mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超材料板材，其特征在于，所述第一金屬線段和第二金屬線段由銅制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超材料板材，其特征在于，所述基板由玻璃鋼制成。
9.一種超材料天線罩，其特征在于，所述超材料天線罩由權(quán)利要求1-8中所述的超材料板材制成，用于保護(hù)5.8GHz Wi-Fi天線。
10.一種無(wú)線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述無(wú)線通信系統(tǒng)包括箱體、固定于所述箱體的超材料天線罩和置于所述超材料天線罩內(nèi)的天線，所述超材料天線罩是權(quán)利要求9中所述的超材料天線罩。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的無(wú)線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述天線是5.SGHzffi-Fi天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超材料板材，適用于對(duì)大約為5.725-5.850GHz頻段電磁波的透射，其包括基板和附著于所述基板的兩相對(duì)表面的結(jié)構(gòu)層，每一結(jié)構(gòu)層包括金屬微結(jié)構(gòu)，每一金屬微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩分支，每一分支包括相互平行且正對(duì)的兩第一金屬線段和位于所述兩第一金屬線段之間并與所述兩第一金屬線段垂直相連的第二金屬線段，所述第二金屬線段的兩端分別連接于所述兩第一金屬線段的中點(diǎn)，所述兩分支的第二金屬線段垂直相交于彼此的中點(diǎn)；位于所述基板的任一表面的每一金屬微結(jié)構(gòu)均正對(duì)另一表面的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)而組成一對(duì)，每對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸均相同，從而具有良好的透波性能。本發(fā)明還提供了一種由該超材料板材制成的超材料天線罩和無(wú)線通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01Q1/42GK102769199SQ20121022051
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉若鵬, 周添, 張賢高, 趙治亞 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司