CN104347950A - 导电几何结构及超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导电几何结构及超材料，上述导电几何结构具有磁谐振响应性，其等效介电常数为正，等效磁导率为负，用于随H面入射波角度的改变而改变透波率与相移。本发明提供的导电几何结构和超材料具有随入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，进而能够在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下提高天线的方向性系数同时降低其副瓣。

Description

导电几何结构及超材料

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种导电几何结构及超材料。 

背景技术

目前的在天线技术中，提高方向性系数和降低副瓣是两个重要的研究课题。方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数，在中波和短波波段，方向性系数约为几到几十；在米波范围内，约为几十到几百；而在厘米波波段，则可高达几千，甚至几万，方向性系数越高天线的性能越好。而副瓣则可以表征线功率辐射是否集中，副瓣是相对于主瓣而言的，主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中，降低副瓣可以有效的增加主瓣宽度，使天线辐射更加集中，从而提高天线性能。 

现有的技术多为通过改变天线本身的结构来提高方向性系数、降低副瓣，因此需要重新设计天线、或提高加工工艺精度。对于相控阵天线来说，还可以以降低增益为代价，通过对所有通道进行幅度加权来实现降低副瓣的目的。这些方法或需要对天线本身结构进行改动，不易实现，或需要牺牲某些参数，得不偿失。目前现有技术中缺乏一种既不需要对天线本身结构进行改动也不需要牺牲某些参数就可以提高方向性系数同时降低副瓣的方案。 

发明内容

本发明提供了一种导电几何结构及超材料，具有随入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，进而能够在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下提高天线的方向性系数同时降低其副瓣。 

根据本发明的一个方面，提供了一种导电几何结构，所述导电几何结构具有磁谐振响应性，其等效介电常数为正，等效磁导率为负，用于随H面入射波角度的改变而改变透波率与相移。 

所述导电几何结构为带有开口谐振环的磁谐振导电几何结构。 

所述导电几何结构的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长至四分之一波长。 

根据本发明的另一个方面，还提供了一种导电几何结构，所述导电几何结构具有电谐振响应性，其等效介电常数为负，等效磁导率为正，用于随E面入射波角度的改变而改变透波率与相移。 

所述导电几何结构为带/线状、间断线、“工”字型、或S型的电谐振导电几何结构。 

所述导电几何结构的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长至四分之一波长。 

根据本发明的再一方面，提供了一种导电几何结构，所述导电几何结构为具有电谐振性和磁谐振性的导电几何结构，在E面方向上，等效为负介电常数与正磁导率，在H面方向上，等效为正介电常数和负磁导率，用于随E面和H面入射波角度的改变而改变透波率与相移。 

所述导电几何结构为几何结构上具有双向正交特性的、同时具有电谐振性和磁谐振性的导电几何结构。 

根据本发明的又一个方面，提供了一种超材料，所述超材料其具有一层或多层的片层，每个所述片层单面或双面上均匀周期性排布有上述任一种导电几何结构。 

所述片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；导电几何结构属于不同拓扑结构。 

所述片层中，每一层前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。 

所述片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，且至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，一层前后两面上的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；导电几何结构属于不同拓扑结构；至少有两层的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。 

通过本发明的技术方案，提供了多种具有随入射波角度的改变而改变透波率与相移能力的导电几何结构以及设置了这些导电几何结构的超材料，将该超材料设置在天线的辐射方向上，即可以调节口径面上的幅相分布，从而在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现降低主平面副瓣、提高方向性系数的功能。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1是根据本发明实例一的ELC结构的示意图； 

图2是根据本发明实例一的导电几何结构的等效介电常数曲线； 

图3是根据本发明实例一的导电几何结构的等效磁导率曲线； 

图4是根据本发明实例一的透波率随入射波角度不同的变化曲线； 

图5是根据本发明实例一的相移能力随入射波角度不同的变化曲线； 

图6是根据本发明实例一的实测俯仰面方向图对比图； 

图7是根据本发明实例二的“工”字型的导电几何结构及电场的入射方向的示意图； 

图8是根据本发明实例二的透波率随入射波角度不同的变化曲线； 

图9是根据本发明实例二的正入射仿真副瓣压制效果图； 

图10是根据本发明实例二的俯仰面相扫图； 

图11是根据本发明优选实施例的第一种相互正交的ELC结构示意图； 

图12是根据本发明优选实施例的第二种相互正交的ELC结构示意图； 

图13是根据本发明实例三的相互正交的ELC结构示意图； 

图14是根据本发明实例三的方向性系数对比图； 

图15是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同的情况一； 

图16是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同的情况二； 

图17是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同的情况一； 

图18是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同的情况二； 

图19是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构属于不同拓扑结构的情况； 

图20是根据本发明优选实施例的至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同的情况； 

图21是根据本发明优选实施例的至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同的情况； 

图22是根据本发明优选实施例的至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构的情况； 

图23是根据本发明优选实施例的未采用不对称导电几何结构设计的超材料的导电几何结 构示意图及其仿真结果图； 

图24是根据本发明优选实施例的采用了不对称导电几何结构设计的超材料的导电几何结构示意图及其仿真结果图。 

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 

本实施例提供了一种导电几何结构，上述导电几何结构具有磁谐振响应性，可以等效成磁各向异性材料，用于优化天线H面的副瓣，提高方向性系数，其等效介电常数为正，优选的可以≈1，等效磁导率<0，呈现磁表面等离激元效应。该导电几何结构能随H面入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，实现对口径面幅相分布的调节，从而得到降低副瓣、提高方向性系数的效果。 

优选的，单一导电几何结构单元的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长～四分之一波长； 

优选的，单一导电几何结构为带有开口谐振环的磁谐振导电几何结构，开口环的外形尺寸、线宽、开口的大小视所需要的谐振频率、带宽而定；改变晶格尺寸、开口环外形尺寸、开口大小将会显著影响谐振频率，改变线宽将会显著影响带宽。具体材质可采用金属、石墨等导电材料。 

下面通过实例一对上述优选实施例进行说明。本实例采用的导电几何结构为（降低H面副瓣的磁等离子体）ELC结构（Electric Field Driven LC Resonator，电谐振结构）。 

原天线水平极化，工作带宽为3.1～3.4GHz，要求在天线的俯仰面（磁场面）上30～90°进行副瓣压制。 

所选用的ELC结构如图1所示，基板选用0.25mm厚PTFE（聚四氟乙烯），双面覆铜蚀刻（双面蚀刻的形状一致）；第一子部件使用3层覆铜PTFE层叠，每两层之间使用10mm厚的泡沫（介电常数1.057）作为间隔。 

导电几何结构单元的晶格尺寸为15.333mm*20.333mm，ELC的尺寸参见图1。该导电几何结构的等效介电常数参见图2（3.1G，eps（介电常数）=1.3；3.4G，eps=1.55）。该导电几何结构的等效磁导率参见图3（3.1G，mur（磁导率）=-1.5；3.4G，mur=-0.24）。将TEM波以不同角度入射到ELC结构，并在全部过程中保持电场与ELC结构中间的短杆平行、磁场与两端电容方向平行，其透波率、相移能力随入射波的角度改变而改变，如图4、5所示。 

当俯仰面17°扫描时，实测的俯仰面方向图对比图，如图6所示。 

本实施例提供了一种导电几何结构，上述的导电几何结构具有电谐振响应性，可以等效成电各向异性材料，可以优化天线E面的副瓣，提高方向性系数，其等效介电常数<0，等效磁导率为正且≈1，呈现电表面等离激元效应。该导电几何结构能随E面入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，实现对口径面幅相分布的调节，从而得到降低副瓣、提高方向性系数的效果。 

优选的，单一导电几何结构单元的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长～四分之一波长； 

优选的，单一导电几何结构为带/线状、间断线、“工”字型、或S状（等）电谐振导电几何结构，线宽、线间间距、S外形尺寸视所需要的谐振频率、带宽而定；改变晶格尺寸、线间间距、“工”字型、S外形尺寸将会显著影响谐振频率，改变线宽将会显著影响带宽。具体材质可采用金属、石墨等导电材料。 

下面通过实例二对上述优选实施例进行说明。本实例采用的导电几何结构为（降低E面副瓣的电等离子体）“工”字型结构。 

原天线垂直极化，工作带宽为3.1～3.4GHz，要求在天线的俯仰面（电场面）上30～60°进行副瓣压制。 

“工”字型的导电几何结构形式如图7所示，基板选用0.25mm厚PTFE，双面覆铜蚀刻（双面蚀刻的形状一致）；超材料使用3层覆铜PTFE层叠，每两层之间使用10mm厚的泡沫（介电常数1.057）作为间隔。 

导电几何结构单元的晶格尺寸为16mm*20mm，“工”字型线宽0.5mm，两横一竖长度均为12mm，对应不同入射角度的TEM波（一种电矢量和磁矢量都与传播方向垂直的波），保持其磁场垂直于导电几何结构所在平面，电场的入射方向如图7所示。其透波率随入射波角度的不同而改变，如图8所示。正入射时，仿真副瓣压制效果如图9所示，俯仰面相扫如图10所示。 

本实施例提供了一种导电几何结构，上述导电几何结构为同时具有电谐振性和磁谐振性的导电几何结构，在E面方向上，等效为负介电常数与正磁导率，呈现电表面等离激元效应，在H面方向上，等效为正介电常数和负磁导率，呈现磁表面等离激元效应，用于随E面和H面入射波角度的改变而改变透波率与相移。该导电几何结构可以同时降低两个主平面的副瓣，提高方向性系数。 

优选的，上述导电几何结构为几何结构上具有双向正交特性的、同时具有电谐振性和磁谐振性的金属导电几何结构。优选的，可采用图11、12所示的结构。 

下面通过实例三对上述优选实施例进行说明。本实例采用相互正交的ELC结构，如图13所示。 

天线工作在14～14.5G的频段，导电几何结构选用单层0.25mm厚的PTFE双面蚀刻iELC结构（Isotropic Electric Field Driven LC Resonator，各向同性电谐振结构），导电几何结构晶格为7.8*7.8mm，iELC宽6.5mm，线宽0.5mm，四角电容间距1mm，长4.4mm，如图13所示。导电几何结构置于天线口径面前方120mm处，如图14所示，方向性系数与原天线相比有大幅提高。 

本实施例提供了一种超材料，所述超材料其具有一层或多层的片层，每个所述片层单面或双面上均匀周期性排布有上述任一种导电几何结构。将上述超材料设置在天线的辐射方向或者说口径前，即可在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现了降低 主平面副瓣、提高方向性系数的功能。 

优选的，所述片层的成板形式可以为以下之一：单层基板单面覆铜蚀刻、单层基板双面覆铜蚀刻、多层基板（单面或双面覆铜蚀刻）层叠。 

优选的，对于上述超材料来说，还可以进一步在导电几何结构的排布上进行设计，进一步达到为角度滤波降副瓣、为二次辐射提增益、实现某电磁参数等效果。 

优选的，在上述片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，即至少有一层（不限于一层）的介质基板，其两面上的导电几何结构是非对称的，上述非对称的形式包括： 

导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同，例如图15、16所示的情况； 

导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，上述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度，例如图17、18（正面、反面（正视图））所示的情况； 

导电几何结构属于不同拓扑结构，例如图19所示的情况。 

优选的，在上述片层中，每一层前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层的导电几何结构是非对称的，即每一层介质基板的前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层（不限于两层）介质基板，其上的导电几何结构是非对称的，上述非对称的形式包括以下至少之一： 

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同，例如图20所示的情况； 

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，上述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度，例如图21所示的情况； 

至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构，例如图22所示的情况。 

优选的，第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，且至少有两层的导电几何结构是非对称的，具体可参见上述两个优选实施例。 

图24显示了未采用不对称导电几何结构设计的超材料的导电几何结构示意图及其仿真结果图，图25显示了采用了不对称导电几何结构设计的超材料的导电几何结构示意图及其仿真结果图。如图24、25所示，采用上述不对称导电几何结构设计的超材料，其滤波带宽明显增宽：各层导电几何结构均对称时，带宽较窄；多层介质基板，每层介质基板两面的导电几何结构不对称时，带宽明显变宽，较之各层导电几何结构对称的设计带宽增加30%以上。 

将上述任一实施例、优选实施例、实例所描述的超材料设置在天线的辐射方向或者说口径前，即可在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现了降低主平面副瓣、提高方向性系数的功能。 

通过以上的描述可以看出，本发明提供了多种具有随入射波角度的改变而改变透波率与 相移能力的导电几何结构以及设置了这些导电几何结构的超材料，该超材料一层或多层片层，每一片层均具有上述的特殊人造导电几何结构，导电几何结构本身也具有多种不同的排布方式，该超材料具有随入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，从而可以调节口径面上的幅相分布，在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现了降低主平面副瓣、提高方向性系数的功能。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (12)

1.一种导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构具有磁谐振响应性，其等效介电常数为正，等效磁导率为负，用于随H面入射波角度的改变而改变透波率与相移。

2.根据权利要求1所述的导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构为带有开口谐振环的磁谐振导电几何结构。

3.根据权利要求2所述的导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长至四分之一波长。

4.一种导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构具有电谐振响应性，其等效介电常数为负，等效磁导率为正，用于随E面入射波角度的改变而改变透波率与相移。

5.根据权利要求4所述的导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构为带/线状、间断线、“工”字型、或S型的电谐振导电几何结构。

6.根据权利要求5所述的导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长至四分之一波长。

7.一种导电几何结构，其特征在于，所述导电几何结构为具有电谐振性和磁谐振性的导电几何结构，在E面方向上，等效为负介电常数与正磁导率，在H面方向上，等效为正介电常数和负磁导率，用于随E面和H面入射波角度的改变而改变透波率与相移。

8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述导电几何结构为几何结构上具有双向正交特性的、同时具有电谐振性和磁谐振性的导电几何结构。

9.一种超材料，其特征在于，所述超材料其具有一层或多层的片层，每个所述片层单面或双面上均匀周期性排布有权利要求1-8任一项所述的导电几何结构。

10.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于，所述片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：

导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；

导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；

导电几何结构属于不同拓扑结构。

11.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于，所述片层中，每一层前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；

至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。

12.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于，所述片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，且至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，

一层前后两面上的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；导电几何结构属于不同拓扑结构；

至少有两层的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。