一种近零折射率超材料和天线

1.本实用新型涉及通信技术领域，尤其是一种近零折射率超材料和天线。


背景技术：

2.随着天线的广泛应用，降低天线副瓣、提高其方向性成为近年来研究者们关注的重要研究课题。副瓣电平是天线电性能的一项重要指标，能用来衡量功率辐射是否集中，在雷达技术中，低副瓣天线能有效提高其抗干扰性能；天线方向性指天线在不同平面的辐射电磁波场强，可通过天线方向图的尖锐程度来衡量，一般来讲，主瓣宽度越窄，方向图越尖锐，天线方向性越强。
3.对于天线尤其是阵列天线而言，想要改善副瓣性能多通过调整优化天线结构来完成，常见的技术比如对馈电网络进行泰勒幅度加权，不仅需要以降低增益为代价，还大大提高了馈电网络设计的复杂程度。


技术实现要素：

4.为了解决上述至少一个技术问题，本实用新型的目的在于提供一种近零折射率超材料和天线。
5.本实用新型所采取的技术方案是：
6.一方面，本实用新型包括一种近零折射率超材料，用于改善天线辐射性能，包括多个第一结构单元，多个所述结构单元均匀周期性排布，每个所述第一结构单元包括第一金属层、第二金属层和中间介质层，所述第一金属层和所述第二金属层分布在所述中间介质层的两端。
7.进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层均为“双z”型结构。
8.进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层均为铜金属层。
9.进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层均通过将铜蚀刻在介质基板上得到。
10.进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度均为0.035mm。
11.进一步地，所述中间介质层为rogers 3003介质层。
12.进一步地，所述中间介质层的相对介电常数为3。
13.另一方面，本实用新型包括一种天线，包括在所述天线上方覆盖所述的近零折射率超材料。
14.本实用新型的有益效果是：
15.本实用新型提出一种近零折射率超材料，用于改善天线辐射性能，包括多个第一结构单元，多个结构单元呈均匀周期性排布，每个第一结构单元包括第一金属层、第二金属层和中间介质层，第一金属层和第二金属层分布在中间介质层的两端。本实用新型通过将该近零折射率超材料覆盖在天线上方，能够降低天线的副瓣电平，改善天线的辐射性能，且不影响天线增益等其他参数；同时能够避免对天线本身进行设计修改。
16.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
17.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
18.图1为本实用新型实施例所述近零折射率超材料的结构示意图；
19.图2为本实用新型实施例所述近零折射率超材料的俯视图；
20.图3为本实用新型实施例所述近零折射率超材料的反射系数与传输系数的曲线图；
21.图4为本实用新型实施例所述近零折射率超材料的相对介电常数的示意图；
22.图5为本实用新型实施例所述近零折射率超材料的相对等效磁导率的示意图；
23.图6为本实用新型实施例所述近零折射率超材料的等效折射率的示意图；
24.图7为本实用新型实施例所述在天线上方覆盖近零折射率超材料前后，天线e面方向辐射对比图；
25.图8为本实用新型实施例所述在天线上方覆盖近零折射率超材料前后，天线h面方向辐射对比图。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
29.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
30.下面结合附图，对本技术实施例作进一步阐述。
31.超材料是一种具有自然界不存在的具有超常物理特性的人工复合结构。超材料一般由金属和介质构成，尺寸远小于波长，可使用等效磁导率和等效介电常数来描述其电磁性能，通过改变等效磁导率及等效介电常数的大小从而改变超材料的电磁特性，而近零折射率超材料就是指二者乘积约为0的一种超材料。
32.鉴于超材料具有灵活调控电磁波的特性，在天线上方覆盖近零折射率超材料可改善天线的辐射性能，能够避免对天线本身进行设计修改，所以设计一款易于与天线集成，能够降低其副瓣，提高方向性的超材料表面具有重要的现实和科研意义。
33.参照图1和图2，本实用新型实施例提出一种近零折射率超材料，用于改善天线辐射性能，包括多个第一结构单元，多个结构单元均匀周期性排布，每个第一结构单元包括第一金属层、第二金属层和中间介质层，第一金属层和第二金属层分布在中间介质层的两端。
34.具体地，第一金属层和第二金属层均为“双z”型结构。
35.第一金属层和第二金属层均为铜金属层。
36.第一金属层和第二金属层均通过将铜蚀刻在介质基板上得到。
37.第一金属层和第二金属层的厚度均为0.035mm。
38.中间介质层为rogers 3003介质层。
39.中间介质层的相对介电常数为3。
40.本实施例中，近零折射率超材料为三层结构，顶层为“双z”型金属层，中间层为介质层，底层同样为“双z”型金属层。其中，顶层和底层的金属材料为铜，顶层和底层均通过将铜蚀刻在介质基板上得到，顶层和底层的后的均为0.035mm。介质层材料为rogers 3003，相对介电常数3。
41.本实用新型实施例提出的一种近零折射率超材料，至少具有如下有益效果：
42.本实用新型实施例提出提出一种近零折射率超材料，用于改善天线辐射性能，包括多个第一结构单元，多个结构单元呈均匀周期性排布，每个第一结构单元包括第一金属层、第二金属层和中间介质层，第一金属层和第二金属层分布在中间介质层的两端。本实用新型通过将该近零折射率超材料覆盖在天线上方，能够降低天线的副瓣电平，改善天线的辐射性能，且不影响天线增益等其他参数；同时能够避免对天线本身进行设计修改。
43.本实用新型实施例还提出一种天线，该天线的上方覆盖有前述的近零折射率超材料。本实施例中，天线可以为微带天线、偶极子平面天线、喇叭口径天线等常见天线。将前述的近零折射率超材料覆盖在天线上方之后，能够降低天线副瓣电平，改善天线的辐射性能。
44.本实施例以w波段91-97ghz近零折射率超材料的设计过程为例，对本实用新型内容作详细描述。具体地，w波段91-97ghz近零折射率超材料的设计过程如下：
45.(1)根据近零折射率超材料的三层结构，对近零折射率超材料进行电磁仿真与优化。仿真优化后，可得到该近零折射率超材料在所需频段内反射系数低(《-15db)，传输系数高(》-0.25db)，能实现与自由空间的良好匹配及电磁波的良好传输。具体地，参照图3，图3中，s11表示反射系数曲线，s12表示传输系数。
46.(2)通过图3可获取该近零折射率超材料的反射系数和传输系数特性，由于该近零折射率超材料的总厚度远小于波长，因此，可根据等效媒质理论计算得到该近零折射率超材料的相对介电常数和相对等效磁导率，具体地，计算得到的该近零折射率超材料的相对介电常数和相对等效磁导率参照图4和图5，由图4和图5所示，零相对介电常数频点落在中心频率点附近，在零相对介电常数频点的附近区域，相对等效磁导率的绝对值也很小，接近于零。
47.(3)在计算得到该近零折射率超材料的相对介电常数和相对等效磁导率之后，可进一步根据公式计算得到该近零折射率超材料等效折射率n，参照图6，图6示出了
计算得到的等效折射率的曲线，如图6所示，该近零折射率超材料在91-97ghz频段内折射率均小于1。
48.(4)根据图3-图6，可知该近零折射率超材料能在带宽内实现高传输性及近零折射率。将该近零折射率超材料覆盖于天线上方，可改善天线辐射性能。具体地，将该近零折射率超材料进行周期性排布形成超材料表面，形成的超材料表面的大小大约为天线口径大小的1.4倍，超材料表面与天线之间存在空气间隙，空气层高度h会影响天线的反射系数及辐射性能，经过优化分析，空气层高度约为1个波长时天线性能较好，本实施例中固定空气层高度为3mm。
49.本实施例中，参照图7和图8，图7为在天线上方覆盖近零折射率超材料前后，天线e面方向辐射对比图；图8为在天线上方覆盖近零折射率超材料前后，天线h面方向辐射对比图；根据图7和图8可知，在天线上方覆盖近零折射率超材料之后，天线e面、h面的副瓣电平均有不同程度的改善，且并没有造成增益损耗，提高了天线的方向性。
50.以上是对本技术的较佳实施进行了具体说明，但本技术并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本技术精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。