本實(shí)用新型涉及電磁領(lǐng)域，具體而言，涉及一種超材料和天線反射面。

背景技術(shù)：

超材料是一種具有傳統(tǒng)自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)，然而對于超材料來說，其特殊的電磁特性都有一個(gè)頻帶范圍，超出這個(gè)范圍，上述特殊的電磁特性會減弱甚至消失。為實(shí)現(xiàn)人工電磁結(jié)構(gòu)對電磁波動態(tài)操控的能力，通常需要對超材料的電磁特性進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

到目前為止，可控超材料主要包括三大類：(1)機(jī)械式可控超材料；(2)加載微波開關(guān)等；(3)加載可控材料(鐵氧體、液晶材料、石墨烯等)。機(jī)械式可控超材料由于要對移動量進(jìn)行精確的控制，使得體積相對較大，不易操作；加載微波開關(guān)的可控超材料其狀態(tài)與開關(guān)的個(gè)數(shù)有關(guān)，要實(shí)現(xiàn)足夠多的狀態(tài)數(shù)就需要添加足夠多的開關(guān)個(gè)數(shù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加；而加載可控材料的超材料其調(diào)控的頻率范圍不大，而且需要外加反偏場從而導(dǎo)致超材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

針對現(xiàn)有技術(shù)中超材料的工作頻率難以調(diào)整的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種超材料和天線反射面，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)中超材料的工作頻率難以調(diào)整的技術(shù)問題的技術(shù)問題。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種超材料，包括：至少一個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元，其中，超材料結(jié)構(gòu)單元包括：基底材料以及附著在基底材料上的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)包括具有至少兩個(gè)缺口的金屬環(huán)，其中，至少兩個(gè)缺口呈對稱結(jié)構(gòu)；任意一個(gè)缺口處加載有變?nèi)荻O管。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的另一方面，還提供了一種天線反射面，包括上述實(shí)施例中任意一種超材料。

本申請?zhí)峁┑姆桨咐米內(nèi)荻O管的特性在于變?nèi)荻O管利用PN結(jié)之間電容可變的原理制成，可以作為可變電容器使用，在變?nèi)荻O管的電容發(fā)生變化時(shí)，使超材料的工作頻率發(fā)生相應(yīng)變化，從而達(dá)到控制超材料的工作頻率的技術(shù)效果，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中超材料的工作頻率難以調(diào)整的技術(shù)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對超材料的電磁特性的實(shí)時(shí)控制。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例1的一種超材料結(jié)構(gòu)單元的示意圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例1的一種超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例1的一種變?nèi)荻O管的工作電容與超材料的工作頻率的關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實(shí)用新型方案，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

需要說明的是，本實(shí)用新型的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本實(shí)用新型的實(shí)施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤?。此外，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列單元的系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它單元。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，提供了一種超材料的實(shí)施例，需要說明的是，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

實(shí)施例1

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，提供了一種超材料的實(shí)施例，圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí) 施例1的一種超材料結(jié)構(gòu)單元的示意圖，如圖1所示，該超材料包括：至少一個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元，其中，超材料結(jié)構(gòu)單元包括：基底材料以及附著在基底材料上的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，其中，

導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)包括具有至少兩個(gè)缺口的金屬環(huán)，其中，至少兩個(gè)缺口呈對稱結(jié)構(gòu)；

任意一個(gè)缺口處設(shè)置有變?nèi)荻O管。

在一種可選的實(shí)施例中，結(jié)合圖1所示的示例，上述金屬環(huán)為金屬圓環(huán)，在呈對稱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)缺口中的左側(cè)缺口設(shè)置變?nèi)荻O管，右側(cè)缺口為超材料提供滿足該工作頻率下所需的電容，其中，設(shè)置變?nèi)荻O管的方法可以是焊接，粘連，但不限于此。設(shè)置完成后，形成兩個(gè)“C”形金屬片，并且兩個(gè)“C”的口部正對，在兩個(gè)“C”形金屬片的一端，通過變?nèi)荻O管連接。

在另一種可選的實(shí)施例中，結(jié)合圖2所示的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖，該超材料有多個(gè)圖1所示的超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。具體的，圖2所示的超材料結(jié)構(gòu)呈陣列排列

此處需要說明的是，變?nèi)荻O管的特性在于變?nèi)荻O管利用PN結(jié)之間電容可變的原理制成，因此可以作為可變電容器使用，本申請上述實(shí)施例利用變?nèi)荻O管的特性，在變?nèi)荻O管的電容發(fā)生變化時(shí)，使超材料的工作頻率發(fā)生相應(yīng)變化，從而達(dá)到了超材料電可控的技術(shù)效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對超材料的電磁特性的實(shí)時(shí)控制。

可選的，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)平面排布于基底材料。

具體的，上述基底材料可以是F4B、FR4。

可選的，在超材料包括多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的情況下，每個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)中的金屬環(huán)的缺口排布方向一致，即每個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)“C”形金屬片的排列方式均相同，其中，每個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)中的變?nèi)荻O管位于同一側(cè)。

在一種可選的實(shí)施例中，結(jié)合圖2所示的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖，該超材料有多個(gè)圖1所示的超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的缺口都以水平左右的方向排布，且每個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管都設(shè)置于導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的左側(cè)缺口。

可選的，超材料結(jié)構(gòu)單元按照等間距的結(jié)構(gòu)排列。

可選的，超材料結(jié)構(gòu)單元的間距為預(yù)設(shè)距離。

可選的，預(yù)設(shè)距離處于1/2λ到λ的范圍內(nèi)，λ為與超材料的中心工作頻率對應(yīng)的波長。

可選的，變?nèi)荻O管的電容與超材料的工作頻率具有預(yù)設(shè)關(guān)系。

在一種可選的實(shí)施例中，結(jié)合圖3所示的示例，圖3顯示了在該實(shí)施例中，變?nèi)荻O管的工作電容與超材料的工作頻率的對應(yīng)關(guān)系。

此處需要說明的是，通常超材料據(jù)具有能夠正常工作的頻率范圍，超過該范圍后超材料的電磁特性會減弱甚至消失，以至于不能達(dá)到工作需求，在這一頻帶范圍內(nèi)包含一個(gè)中心工作頻率，超材料在上述中心工作頻率工作時(shí)具有最佳電磁特性。

可選的，超材料的工作頻率處于0.5GHz到300GHz的范圍內(nèi)。

可選的，金屬環(huán)的材料至少包括如下任意一種或多種：銅、銀或金。

可選的，基底材料為非磁性介質(zhì)材料。

可選的，非磁性介質(zhì)材料的介電常數(shù)處于2到10的范圍內(nèi)，非磁性介質(zhì)材料的磁導(dǎo)率為預(yù)設(shè)常數(shù)。

可選的，上述預(yù)設(shè)常數(shù)為1。

以下以圖2所示的超材料作為示例進(jìn)行詳細(xì)描述：

在一種可選的實(shí)例中，選取上述超材料的中心工作頻率f為15GHz，則該工作頻率對應(yīng)的波長λ為20mm。金屬結(jié)構(gòu)的材料為銅，基底材料為F4B(介電常數(shù)為3.0，磁導(dǎo)率為1)，去基底材料呈邊長為10mm的正方形，金屬環(huán)的寬度為1mm,兩個(gè)缺口呈對稱結(jié)構(gòu)分布于金屬圓環(huán)，且兩個(gè)缺口均為1mm，金屬環(huán)厚度為0.035mm，基底材料厚0.3mm，周期性排列中，兩個(gè)超材料單元之間的中心距離為10mm。可以利用電磁仿真軟件CST計(jì)算與變?nèi)荻O管的電容對應(yīng)的超材料的工作頻率，變?nèi)荻O管的電容對應(yīng)的超材料的工作頻率可以是如圖2所示的示例，可以設(shè)計(jì)周期性邊界條件，當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值從(0.02pF-0.3pF)時(shí)，頻率調(diào)制為(17.60GHz-13.34GHz)。

實(shí)施例2

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，提供了一種天線反射面的實(shí)施例，該天線反射面包括上述實(shí)施例中任意一項(xiàng)的超材料。

可選的，上述天線反射面的入射波為滿足遠(yuǎn)場條件的電磁波，例如平面波。

此處需要說明的是，在天線的入射波為平面波的情況下，能夠確保超材料中的每個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元接收的電磁波具有相同的幅值和相位，不需要由于每個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元的位置不同導(dǎo)致的接收的電磁波不同而進(jìn)行補(bǔ)償。

在一種可選的實(shí)施例中，仍以上述超材料作為示例，設(shè)計(jì)天線陣面尺寸為100mm×100mm，在天線H面方向排列超材料，通過對電可控超材料上加載的變?nèi)荻O管上的 電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制變?nèi)荻O管內(nèi)的電容，從而實(shí)現(xiàn)對天線工作頻率的調(diào)節(jié)。圖2所示的超材料也可以是一種天線陣面分布。

輻射頻率由下列公式?jīng)Q定：

$\mathrm{\ω}=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{LC}\right),$

其中，L為金屬環(huán)的電感,C為變?nèi)荻O管的電容值，ω為對應(yīng)的瞬時(shí)工作頻率。

上述本實(shí)用新型實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

在本實(shí)用新型的上述實(shí)施例中，對各個(gè)實(shí)施例的描述都各有側(cè)重，某個(gè)實(shí)施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實(shí)施例的相關(guān)描述。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。