本發(fā)明涉及天線罩，更具體地說，涉及高增益超材料天線罩和天線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
超材料，俗稱超材料，是一種新型人工合成材料，是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的多個人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。基板可以虛擬地劃分為矩形陣列排布的多個基板單元，每個基板單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成一個超材料單元，整個超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個超材料單元上的人造微結(jié)構(gòu)可以相同或者不完全相同。人造微結(jié)構(gòu)是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，例如組成圓環(huán)形、工字形的金屬絲等。由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因此所有的超材料單元構(gòu)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；通過對人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可以改變整個超材料的響應(yīng)特性。一般情況下，天線系統(tǒng)都會設(shè)置有天線罩。天線罩的目的是保護(hù)天線系統(tǒng)免受風(fēng)雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響，使天線系統(tǒng)工作性能比較穩(wěn)定、可靠。同時減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長使用壽命。但是天線罩是天線前面的障礙物，對天線輻射波會產(chǎn)生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布，并在一定程度上影響天線的電氣性能。傳統(tǒng)高指向性天線分為蝶形天線和陣列天線兩大類。蝶形天線雖具有高的指向性增益，但本身面積大，架設(shè)困難。陣列天線隨所需天線指向性增益的增加，其陣列元也成倍增加，這樣體積就大大增加。目前制備天線罩的材料多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環(huán)氧樹脂、高分子聚合物等，材料的介電常數(shù)具有不可調(diào)節(jié)性。結(jié)構(gòu)上多為均勻單壁結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)和空間骨架結(jié)構(gòu)等，罩壁厚度的設(shè)計需兼顧工作波長、天線罩尺寸和形狀、環(huán)境條件、所用材料在電氣和結(jié)構(gòu)上的性能等因素，在保護(hù)天線免受外部環(huán)境影響的條件下大多不具備增強天線方向性和增益的功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述天線罩不具備增強天線方向性和增益的缺陷，提供一種高增益超材料天線罩。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種高增益超材料天線罩，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線沿著一雪花狀圖案的外邊緣圍成的封閉結(jié)構(gòu)，所述封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的雪花狀圖案所在區(qū)域鏤空。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述雪花狀圖案包括具有第一線寬的十字形結(jié)構(gòu)，以及分別設(shè)置在所述十字形結(jié)構(gòu)的四個分支的末端并與該末端對應(yīng)的分支垂直的第一線段和第二線段，所述第二線段與所述第一線段平行且間隔預(yù)設(shè)距離。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述第一線段和所述第二線段具有相同的第二線寬。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述第二線寬小于所述第一線寬。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，每一超材料單元的長和寬均為10mm，所述金屬線的線寬為0.1mm。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述第一線寬為3.5～4.2mm，所述第二線寬為0.1～0.3mm。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述第一線段的長度為7.8～8.5mm，所述第二線段的長度為5.6～6.3mm。在本發(fā)明所述的超材料天線罩中，所述預(yù)設(shè)距離為0.3mm。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線本體，以及如上所述的超材料天線罩，所述超材料天線罩與天線本體平行設(shè)置并間隔一定距離。實施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果：通過在基板上附著特定形狀的人造微結(jié)構(gòu)，得到需要的電磁響應(yīng)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而提高天線的方向性和增益；而在達(dá)到同等增益條件下，本發(fā)明的天線罩能夠大大減少天線的陣列數(shù)，減少天線整體體積。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：圖1是依據(jù)本發(fā)明一實施例的高增益超材料天線罩的一個超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由多個圖1所示的超材料片層堆疊形成的超材料天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明一實施例的超材料片層的結(jié)構(gòu)的立體示意圖；圖4是超材料片層上附著的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖；圖5是人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是雪花狀圖案的形狀示意圖；圖7人造微結(jié)構(gòu)的尺寸示意圖；圖8是天線系統(tǒng)中增加了高增益超材料天線罩后的S11參數(shù)仿真結(jié)果示意圖；圖9是示出了本發(fā)明實施范例的天線系統(tǒng)遠(yuǎn)場輻射圖；圖10是增加超材料天線罩和未加超材料天線罩時天線系統(tǒng)在各頻點的增益對比圖。具體實施方式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)材料，通過對微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變空間中每點的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)普通材料無法具備的折射率、阻抗以及透波性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性?；谌嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的超材料天線罩可以通過調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而實現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，還可以提高天線的增益。本發(fā)明提供了一種超材料天線罩，包括至少一個超材料片層1，如圖1和圖2所示。每個超材料片層1包括基板10和附著在基板10上的陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)20。當(dāng)超材料片層1有多個時，各個超材料片層1沿垂直于片層的方向疊加，并通過機械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖2所示。這里以一個基板為例進(jìn)行說明，但是在實際設(shè)計時，也可以采用兩個基板，而人造微結(jié)構(gòu)陣列排布在其中一個基板上，另一基板覆蓋人造微結(jié)構(gòu)，將人造微結(jié)構(gòu)夾設(shè)在兩個基板之間，同樣能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。本發(fā)明對超材料片層的具體數(shù)量不做限制，可依據(jù)不同的增益需求來調(diào)節(jié)超材料層數(shù)，從而控制天線增益。通常，在能夠滿足性能的情況下，一個超材料片層就可以作為超材料天線罩來使用。陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)所在平面與電磁波的電場和磁場方向平行，與入射電磁波傳播方向垂直。超材料片層1中的基板10可劃分為多個超材料單元。如圖3-4所示，每一超材料單元上排布有一個人造微結(jié)構(gòu)20。如圖5所示，每一人造微結(jié)構(gòu)20是由金屬線沿著一雪花狀圖案的外邊緣圍成的封閉結(jié)構(gòu)，所述封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的雪花狀圖案所在區(qū)域鏤空。圖5中的金屬線圍成的結(jié)構(gòu)即為本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，該封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的區(qū)域為鏤空的。為了能夠清楚地說明人造微結(jié)構(gòu)的具體形狀和尺寸，這里使用雪花狀圖案來間接描述該人造微結(jié)構(gòu)的具體形狀，雪花狀圖案的邊緣由本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)包圍。在本發(fā)明一實施例中，每一超材料單元的長和寬為b＝10mm。圖6示出了該雪花狀圖案的具體形狀。雪花狀圖案30包括具有第一線寬的十字形結(jié)構(gòu)31，以及分別設(shè)置在十字形結(jié)構(gòu)31的四個分支的末端并與該末端對應(yīng)的分支垂直的第一線段32和第二線段33，第二線段33與第一線段32平行且間隔預(yù)設(shè)距離。第一線段32在圖6中示出的為兩個分離的線段，我們這里定義該兩個分離的線段以及與十字形結(jié)構(gòu)31各分支的末端連接的部分(三部分構(gòu)成一連續(xù)的線段)稱之為第一線段32；同樣，第二線段33在圖6中示出的為兩個分離的線段，我們這里也定義兩個分離的線段以及十字形結(jié)構(gòu)31各分支中與第一線段32間隔一定距離且能夠與該兩個分離的線段連接構(gòu)成一連續(xù)線段的部分(三部分構(gòu)成一連續(xù)的線段)稱之為第二線段33。在本發(fā)明一實施例中，第一線段32和第二線段33具有相同的第二線寬。第二線寬小于所述第一線寬。在本發(fā)明一實施例中，第一線寬的取值范圍為3.5～4.2mm，第二線寬的取值范圍為0.1～0.3mm。第一線段32的長度的取值范圍為7.8～8.5mm，第二線段的長度的取值范圍為5.6～6.3mm。第二線段33與第一線段32間隔的預(yù)設(shè)距離例如但不限于0.3mm。人造微結(jié)構(gòu)20是由金屬線圍繞在雪花狀結(jié)構(gòu)30的邊沿而構(gòu)成，人造微結(jié)構(gòu)的具體尺寸見圖7所示，圖6中的雪花狀圖案即為圖7或圖5示出的人造微結(jié)構(gòu)內(nèi)空白區(qū)域形成的鏤空圖案。圖中，金屬線的線寬為w＝0.1mm。a的取值范圍為8～8.7mm，d＝e＝2.25mm，這就決定了雪花狀結(jié)構(gòu)的第一線段32的長度的取值范圍為7.8～8.5mm，十字形結(jié)構(gòu)31的第一線寬的取值范圍g＝3.5～4.2mm。c的取值范圍為0.1～0.3mm。f＝1.15mm，也就決定了第二線段33的長度的取值范圍為5.6～6.3mm。人造微結(jié)構(gòu)金屬線的相對邊距離h為例如9.7mm，那么人造微結(jié)構(gòu)20的距離超材料單元的邊界的距離為0.15mm。基板10的厚度均為1mm，人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0.018mm。此處的數(shù)值僅為示例，在實際應(yīng)用中，可以依據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整，本發(fā)明對此不作限制。在本發(fā)明一實施例中，基板10由F4B或FR4復(fù)合材料制得。人造微結(jié)構(gòu)20通過蝕刻的方式附著在基板10上，當(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)20也可以采用電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式附著在基板10上。基板10也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結(jié)構(gòu)20采用銅線制成，當(dāng)然也可以采用銀線、ITO、石墨或者碳納米管等導(dǎo)電材料制成。附圖中示意的天線罩的形狀為平板狀，在實際設(shè)計時也可以根據(jù)實際需求來設(shè)計天線罩的形狀，比如可以設(shè)計成圓球狀或者與天線形狀匹配的形狀(共形的天線罩)等，本發(fā)明對此不作限制。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線本體，以及如上文所述的超材料天線罩，超材料天線罩與天線本體平行設(shè)置并間隔預(yù)設(shè)距離。該預(yù)設(shè)距離可依據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。天線本體包括輻射源、饋電單元等，具體構(gòu)成可參閱相關(guān)技術(shù)資料，本發(fā)明對此不作限制。天線本體可以是例如但不限于平板天線。天線本體與天線罩的間隔距離可以很小，比如10mm，而天線罩本身的總厚度也僅有1mm左右，因此大大減小了天線的整體體積。這里的天線可以是例如但不限于WLAN天線。圖8示出了天線本體附近設(shè)置高增益超材料天線罩后的S11參數(shù)仿真結(jié)果示意圖。從仿真結(jié)果可以看出，天線在5.8GHz附近S11很小，具有相當(dāng)?shù)偷幕夭〒p耗。圖9是示出了本發(fā)明實施范例的天線系統(tǒng)遠(yuǎn)場輻射圖。天線加上超材料天線罩后，波束和輻射能量能得到匯聚，有效提高增益。圖10示出了加上本發(fā)明實施例的超材料天線罩和未加超材料天線罩時天線系統(tǒng)在各頻點的增益對比圖，虛線表示未加天線罩時的增益，實線表示增加天線罩時的增益。從對比結(jié)果可以看出，在頻率5-6GHz范圍內(nèi)，采用本發(fā)明實施例的超材料天線罩時，天線的增益都得到了提升。在頻率5.8GHz處，采用本發(fā)明實施范例的超材料天線罩能獲得9.0808dB的增益，而未加天線罩時天線的增益為6.7208dB，提高了2.36dB的增益特性。本發(fā)明通過在基板上附著特定形狀的人造微結(jié)構(gòu)，得到需要的電磁響應(yīng)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而提高天線的方向性和增益；而在達(dá)到同等增益條件下，本發(fā)明的天線罩能夠大大減少天線的陣列數(shù)，減少天線整體體積。本發(fā)明的超材料天線罩對天線增益的提高不局限于單一頻點，對比結(jié)果顯示，在頻率5-6GHz范圍內(nèi)，采用本發(fā)明實施例的超材料天線罩時，天線的增益都得到了提升?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中，為了提高增益而成倍增加天線陣列元帶來的成本和體積增加的問題。而且天線罩與天線面之間的間隔小，整體厚度很薄，并可通過調(diào)節(jié)超材料層數(shù)控制天線增益，這就提高了用戶體驗，滿足了不同客戶對天線增益的不太需求。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。