超材料板材及由其制成的超材料天线罩和无线通信系统

摘要

本发明涉及一种超材料板材，适用于对大约为5.725-5.850GHz频段电磁波的透射，其包括基板和附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括金属微结构，每一金属微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行且正对的两第一金属线段和位于所述两第一金属线段之间并与所述两第一金属线段垂直相连的第二金属线段，所述第二金属线段的两端分别连接于所述两第一金属线段的中点，所述两分支的第二金属线段垂直相交于彼此的中点；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的一个金属微结构而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同，从而具有良好的透波性能。本发明还提供了一种由该超材料板材制成的超材料天线罩和无线通信系统。

说明书

技术领域

本发明涉及超材料及由其制成的天线罩和无线通信系统，更具体地说，涉 及一种由全新设计的超材料结构单元构成的超材料板材及由其制成的超材料 天线罩和无线通信系统。

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。当 前，人们通过在基板上排列由金属线段构成的具有一定几何形状的超材料金属 微结构来形成超材料。由于可以利用金属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。而在用新型超材料来制作天线罩方面，由于其可 显著提高天线罩的透波性能而日益为研究人员所关注。

当前，移动互联网蓬勃发展，基础通信设备的建设大量上马，无线城市方 兴未艾。为了降低建网成本，业界对无线通信设备上的天线罩的电磁性能提出 了更高的要求，要求低反射、高透波，且希望在既有通信设备的站点安装无线 通信设备，以减少布点的烦琐，并可实现资源重复利用。

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超材料板材 及由其制成的超材料天线罩和无线通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料板材，适用于对 大约为5.725-5.850GHz频段电磁波的透射，其包括至少一超材料片层，所述 超材料片层包括基板和附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包 括多个呈阵列排布的金属微结构，每一金属微结构包括相互正交的两分支，每 一分支包括相互平行且正对的两第一金属线段和位于所述两第一金属线段之 间并与所述两第一金属线段垂直相连的第二金属线段，所述第二金属线段的两 端分别连接于所述两第一金属线段的中点，所述两分支的第二金属线段垂直相 交于彼此的中点；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面 的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微 结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。

优选地，所述基板的任一表面相邻最近的两金属微结构的中心的距离均相 等，均等于15.8~16.5mm。

优选地，每一金属微结构的两分支的第一金属线段的长度均相等，均等于 9.4~10.4mm。

优选地，每一金属微结构的两分支的第二金属线段的长度均相等，均等于 14.8~15.5mm。

优选地，所述第一金属线段和第二金属线段的宽度相等，均等于 0.08~0.13mm。

优选地，所述基板的任一表面相邻最近的两金属微结构的中心的间距等于 16mm；每一金属微结构的两分支的第一金属线段的长度均等于9.92mm、第 二金属线段的长度均等于15.4mm，所述第一金属线段和第二金属线段的宽度 均等于0.1mm、厚度均等于0.018mm。

优选地，所述第一金属线段和第二金属线段由铜制成。

优选地，所述基板由玻璃钢制成。

一种超材料天线罩，用于保护5.8GHz Wi-Fi天线，其包括至少一超材料 片层，所述超材料片层包括基板和附着于所述基板的两相对表面的结构层，每 一结构层包括多个呈阵列排布的金属微结构，每一金属微结构包括相互正交的 两分支，每一分支包括相互平行且正对的两第一金属线段和位于所述两第一金 属线段之间并与所述两第一金属线段垂直相连的第二金属线段，所述第二金属 线段的两端分别连接于所述两第一金属线段的中点，所述两分支的第二金属线 段垂直相交于彼此的中点；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对 另一表面的一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对 的金属微结构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。

一种无线通信系统，包括箱体、固定于所述箱体的超材料天线罩和置于所 述超材料天线罩内的天线，所述超材料天线罩包括至少一超材料片层，所述超 材料片层包括基板和附着于所述基板的两相对表面的结构层，每一结构层包括 多个呈阵列排布的金属微结构，每一金属微结构包括相互正交的两分支，每一 分支包括相互平行且正对的两第一金属线段和位于所述两第一金属线段之间 并与所述两第一金属线段垂直相连的第二金属线段，所述第二金属线段的两端 分别连接于所述两第一金属线段的中点，所述两分支的第二金属线段垂直相交 于彼此的中点；位于所述基板的任一表面的每一金属微结构均正对另一表面的 一个金属微结构，而让所述基板的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结 构重叠而组成一对，每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同。

优选地，所述天线是5.8GHz Wi-Fi天线。

本发明的超材料板材及由其制成的超材料天线罩和无线通信系统具有以 下有益效果：由于具有特定形状的多对金属微结构，所述超材料板材及由其制 成的超材料天线罩对大约为5.725-5.850GHz频段电磁波的损耗小，而使其具 有良好的透波性能透、波率高，可让无线通信系统的信号覆盖较大的范围，从 而减少了无线通信基站的布点，节省了建网成本。

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是本发明的超材料板材的结构示意图；

图2是图1中的结构层的平面放大示意图；

图3是图2中的一个金属微结构的放大示意图；

图4是图1中的一个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是本发明的超材料天线罩的示意图；

图6是本发明的无线通信系统的示意图。

图中各标号对应的名称为：

10超材料片层、12基板、14结构层、16金属微结构、162分支、164第 一金属线段、166第二金属线段、18超材料单元、20、34超材料天线罩、30 无线通信系统、32箱体

具体实施方式

本发明的超材料板材中的“板材”不限定外形，意指平整、弯曲等任意形 状的板材，既包括硬质板，也包括柔软的薄膜。所述超材料板材包括至少一超 材料片层10，如图1所示，所述超材料片层10包括基板12和两分别附着于 所述基板12的两相对表面的结构层14，所述基板12由聚合物材料、陶瓷材 料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等制成，如FR4（即环氧树脂）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 可为3.6~4.3mm。

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，如图 中位于由虚线形成的网格内的图案，且位于所述基板12的任一表面的每一金 属微结构16均正对另一表面的一个金属微结构16，也即所述基板12的任一 表面上的金属微结构16与另一表面上的金属微结构16重叠设置。这样，位于 所述基板12的两相对表面对应位置的每两正对的金属微结构16组成一对，且 每对金属微结构16的几何形状和尺寸均相同。

通常，将每对金属微结构16及其所在的基板12部分称为一个超材料单元 18，这样所述超材料片层10可看作是由多个所述超材料单元18阵列而成。而 每个超材料单元18的几何尺寸与穿过的电磁波波长有关，本实施方式中，所 述超材料单元18的长度与宽度均等于L1，L1=15.8~16.5mm（如图3），也即， 所述基板12的任一表面相邻最近的两金属微结构16的中心的间距为 15.8~16.5mm。

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。如图3所示，所述 金属微结构16由具有扁平状截面的金属线段构成，大致呈雪花状，其包括相 互正交的两分支162，每一分支162包括相互平行且正对的两第一金属线段164 和位于所述两第一金属线段164之间并与所述两第一金属线段164垂直相连的 第二金属线段166，所述第二金属线段166的两端分别连接于所述两第一金属 线段164的中点，而所述两分支162的第二金属线段166垂直相交于彼此的中 点，且所述两分支162的相交点即为所述金属微结构16的中心，并与所述超 材料单元19的中心重合。所述两分支162的第一金属线段164的长度均等于 L2，L2=9.4~10.4mm、第二金属线段166的长度均等于L3，L3=14.8~15.5mm， 而所述两第一和第二金属线段164、166的宽度均等于W，W＝0.08~0.13mm， 厚度也相等，均为0.016~0.019mm。由上可知，所述金属微结构16以垂直于 其所在的平面（也即所述基板12）并通过所述金属微结构16的中心的直线为 轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度或360度后均可与初始位置的金 属微结构16重合。

设计时，选用不同的原料来制成不同厚度的基板12，并调节金属微结构 16的第一和第二金属线段164、166的长度、宽度和厚度、相邻最近的两金属 微结构16之间的距离、金属微结构16在基板12上的排布等来获得对特定频 段的电磁波损耗小的超材料片层10。

一般，所述超材料片层10上的金属微结构16是通过蚀刻两分别覆盖于所 述基板12的两相对表面的金属箔如铜箔、银箔而形成。当然，这些金属微结 构16还可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成在所述基 板12的两相对表面上。

另外，根据实际需要，所述超材料板材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。

为了验证本发明超材料板材的超材料片层10的电磁性能，以下我们以一 个超材料单元18为样品进行仿真测试。在所述超材料单元18中，其长度和宽 度L1均等于16mm，即所述基板12的任一表面上的相邻最近的两金属微结构 16的中心的间距为16mm；所述基板12由玻璃钢制成，厚度为4mm；所述金 属微结构16由铜制成，其两分支162的第一金属线段164的长度L2均等于 9.92mm、第二金属线段166的长度L3均等于15.4mm，而所述两第一和第二 金属线段164、166的宽度W均等于0.1mm、厚度均为0.018mm。经仿真获得， 所述样品的反射系数S1和透射系数S2随电磁波的频率变化的曲线图如图4 所示。由图可知，大致在5.725-5.850GHz频段（也即中国工业和信息化部规 定的5.8GHz Wi-Fi频段），所述样品的透射系数S2小于-0.2dB，也即对电磁波 的损耗小、透波率高，且远小于玻璃钢本身的透波系数。故，本发明的超材料 板材由于在玻璃钢上附着了超材料结构单元而使其对电磁波的损耗变小，从而 提高了其透波性能，达到了较好的透波效果。

请参考图5，为本发明的超材料天线罩20，用于保护5.8GHz Wi-Fi天线。 所述超材料天线罩20由本发明的超材料板材制成，也即，所述超材料天线罩 20包括至少一个所述超材料片层10，当包括多层超材料片层10时，这些超材 料片层10可通过机械连接、焊接或粘合的方式组合在一起。所述超材料天线 罩20可根据实际需要作成任意形状，并可做成与天线共形的形状，本实施方 式中，所述超材料天线罩20大致呈方体状，其既可通过热压一整片平整的超 材料板材形成，也可以用软性的基板制得可弯曲的超材料板材或者将多块平整 的超材料板材拼接在一起形成。根据所述超材料天线罩20承重的需要，可通 过叠加多层超材料片层10来增强其机械强度，使其更坚固耐用。由此可见， 本发明的超材料天线罩20对5.8GHz Wi-Fi天线发射出的电磁波的损耗小，透 波率高。

此外，为了防止外界的恶劣环境缩短所述超材料天线罩20的使用寿命， 可在其表面涂上防护层，以抵御腐蚀等的侵害。且可让裸露于外的金属微结构 被保护起来，免受外界的磨损，可让其良好的透波性能保持稳定。

请参考图6，为本发明的无线通信系统30。所述无线通信系统30包括箱 体32、固定于所述箱体32的超材料天线罩34和置于所述超材料天线罩34内 的天线（图未示）。所述箱体32大致呈方体形，可固定于室外或室内。所述超 材料天线罩34为本发明的超材料天线罩20，由本发明的超材料板材制成，其 他同前，不再赘述。所述天线可以是贴片天线、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。本实施方式中，所述天线是5.8GHz Wi-Fi天线。由于所 述超材料天线罩20对5.8GHz Wi-Fi天线发射出的电磁波的损耗小，故，本发 明的无线通信系统30的信号可覆盖较大的范围，从而减少了无线通信基站的 布点，节省了建网成本。

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。